能提高烟尘净化效果的多振镜大幅面激光选区熔化装备的制作方法

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种能提高烟尘净化效果的多振镜大幅面激光选区熔化装备。

背景技术：

激光选区熔化是一种增材制造技术，其使用振镜系统输出高能量密度激光束，对逐层铺置的金属粉末层实施选区熔化，进而完成金属零部件的成形。得益于上述工作原理，激光选区熔化技术具有柔性化程度高、产品性能优良、材料适应性广泛等一系列优点，且可成形常规加工手段难以制造的复杂结构金属产品。

在激光选区熔化技术发展初期，金属粉末的选区熔化通常仅由一套位置固定的振镜系统完成，导致成形效率相对偏低，极大限制了装备的成形幅面与可成形零件的尺寸。为弥补该不足，发明人所在团队研提出了“多振镜激光选区熔化方法(CN102266942A、CN104001915A)”，其基本思路可由图1概括：在激光选区熔化装备中引入多套振镜系统，并将其按列排布，构成振镜组合；成形金属零件时，控制振镜组合对金属粉末层实施同步扫描；若振镜组合的有效辐照区域不能将整个金属粉末层覆盖，则先控制振镜组合对其有效辐照区域内的金属粉末层实施同步扫描，再将振镜组合移动至尚未扫描的金属粉末层上方，并重复选区熔化过程，直至完成整个金属粉末层的选区熔化。通过上述方法，激光选区熔化技术的加工效率得以显著提升，发明人所在团队和国内外其他机构也相继开发出了一系列多振镜大幅面激光选区熔化装备，金属粉末层铺置幅面的长宽与可成形金属零件的三维尺寸已逐渐接近甚至达到“米”级。

然而必须指出，在激光选区熔化过程中，金属粉末层上方会不可避免地产生大量烟尘。只有及时将烟尘净化，才能维持入射激光束能量密度的恒定和工作舱体的整洁，进而保证成形过程的稳定性。因此，无论是由一套振镜系统构成的传统激光选区熔化装备，还是新型的多振镜大幅面激光选区熔化装备，其成形区域一般都通过抽气口、送气口与含有循环风机和多孔过滤介质/液体过滤介质的烟尘净化主机连接。在零件成形过程中，烟尘净化主机利用循环风机将金属粉末层上方含有烟尘的气体从抽气口抽出，通过多孔过滤介质/液体过滤介质将烟尘过滤后，再经由送气口将不含烟尘的气体重新送入金属粉末层上方。然而，如图1所示，现有多振镜大幅面激光选区熔化装备的抽气口与送气口通常只有一组，且分别固定于金属粉末层的前后两侧。当成形金属零件时，位置固定、相距较远的抽气口与送气口通常无法在幅面较大的金属粉末层上方产生稳定、均匀的气流，使得烟尘净化效果不甚理想，由此导致的成形失败或产品质量恶化案例层出不穷。

基于上述背景，开发出一种能提高烟尘净化效果的多振镜大幅面激光选区熔化装备具有重要意义。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明公开了一种能提高烟尘净化效果的多振镜大幅面激光选区熔化装备，旨在提升大尺寸金属零部件的激光选区熔化成形质量。

本发明提供的一种能提高烟尘净化效果的多振镜大幅面激光选区熔化装备，其特征在于，该装备包括工作舱体、工作平台、成形缸组件、铺粉组件、振镜组合、移动式分区烟尘净化组件、保护气氛调控组件和控制系统；

所述工作舱体用于将激光辐照区域与外界环境隔离；所述工作平台位于工作舱体内部，工作平台上表面保持水平；

所述成形缸组件位于工作舱体内部，由成形缸和基板构成；其中，成形缸安装于工作平台中心，成形缸上表面与工作平台上表面共面；基板可在成形缸的缸体内部沿竖直方向往复运动；

所述铺粉组件位于工作舱体内部，用于在成形缸上表面铺置厚度可控的金属粉末层；

所述振镜组合位于工作舱体内部或工作舱体上方；振镜组合包括沿左右方向均匀排布的M列振镜队列以及振镜传动机构，M≥1；每列振镜队列都包含沿前后方向均匀分布的N套振镜系统，N≥2；每列振镜队列中的振镜系统在工作平台上表面的有效辐照区域沿前后方向紧密排列，且前后相邻的有效辐照区域恰好相互接触，这些振镜系统的有效辐照区域共同构成了该列振镜队列的有效辐照区域；在振镜传动机构带动下，所有振镜队列均可在工作平台上方沿左右方向同步移动；

所述移动式分区烟尘净化组件包括抽送气口、气体循环通道以及气口传动机构；其中，抽送气口共有M组且均位于工作舱体内部，每组抽送气口均包括一个抽气口和送气口；每组抽送气口均通过气体循环通道与位于工作舱体外部相配套的一台装备自带或外配的烟尘净化主机相连；每组抽送气口均可在气口传动机构带动下在工作平台上方沿左右方向和竖直方向往复移动；同一组抽送气口内，抽气口的抽气方向与送气口的送气方向相同，且与装备左右方向平行；每组抽送气口均与一列振镜队列相匹配；且与相配套的振镜队列存在以下关系：1)在同一组抽送气口内，抽气口与送气口在工作平台上表面的竖直投影分别位于相配套振镜队列在工作平台上表面有效辐照区域的左右两侧；2)烟尘净化主机开启后，每组抽送气口之间所形成的气流场在工作平台上表面的竖直投影可将相配套振镜队列在工作平台上表面的有效辐照区域覆盖；

所述气氛调控组件用于为激光辐照区域提供惰性保护环境；

所述控制系统用于处理待成形零件CAD模型，生成振镜组合扫描轨迹，并驱动装备内其余部件运行。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明采用移动式分区烟尘净化组件，并将移动式分区烟尘净化组件的每组抽送气口均与振镜组合中的一列振镜队列相匹配，使得每组抽送气口都可在与其对应的面积较小的激光辐照区域上方产生稳定、均匀的气流，从而保证整个金属粉末层上方的烟尘均能被及时、有效地清理，极大提升了多振镜大幅面激光选区熔化装备成形大尺寸零部件时的过程稳定性；

(2)由于烟尘净化效果的显著提升，激光选区熔化装备工作舱内部在零部件成形过程中始终保持洁净，使得成形后的取样与清理工作难度减小、危险性降低；

(3)发明实现形式简单，运行成本低廉，可移植性强。

附图说明

图1为现有多振镜激光选区熔化方法示意图；

图2为实施例1提供的一种能提高烟尘净化效果的多振镜大幅面激光选区熔化装备示意图；

图3为每组抽送气口与相配套振镜队列相互关系示意图；

图4为实施例2提供的一种能提高烟尘净化效果的多振镜大幅面激光选区熔化装备示意图。

图中标号说明：1-振镜系统；2-支架；3-第一除尘伸缩杆；4-抽气口；5-送气口；6-第一振镜导轨；7-第二振镜导轨；8-第一储粉室；9-第二储粉室；10-第一铺粉导轨；11-第二铺粉导轨；12-铺粉器；13-工作平台；14-成形缸；15-基板；16-工作舱体；17-保护气源；18-烟尘净化主机；19-气体循环通道；20-保护气体传输通道；21-抽气口在工作平台上表面的竖直投影；22-送气口在工作平台上表面的竖直投影；23-振镜系统在工作平台上表面的有效辐照区域；24-透光镜片；25-第一除尘导轨；26-第二除尘导轨；27-第二除尘伸缩杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种能提高烟尘净化效果的多振镜大幅面激光选区熔化装备，其特征在于，该装备包含工作舱体、工作平台、成形缸组件、铺粉组件、振镜组合、移动式分区烟尘净化组件、保护气氛调控组件和控制系统；

所述工作舱体用于将激光辐照区域与外界环境隔离；

所述工作平台位于工作舱体内部；工作平台的上表面保持水平，金属粉末的铺置与选区熔化均在工作平台上表面进行；

所述成形缸组件位于工作舱体内部，由成形缸和基板构成；其中，成形缸安装于工作平台中心，成形缸上表面与工作平台上表面共面；基板可在成形缸的缸体内部沿竖直方向往复运动；

所述铺粉组件位于工作舱体内部，铺粉组件安装于工作平台上表面和工作平台上方；成形缸组件与铺粉组件共同用于将金属粉末逐层铺置于工作平台上表面；其结构采用现有技术。

本发明实例中所述铺粉组件可以包括第一储粉室、第二储粉室、铺粉器及铺粉传动机构；第一储粉室和第二储粉室分置于工作舱体顶部，其竖直投影分别落在工作平台上表面的左右两侧；铺粉器可在铺粉传动机构的带动下在工作平台上表面沿左右方向往复移动；当铺粉器移动至第一储粉室和第二储粉室下方时，第一储粉室和第二储粉室可为铺粉器提供数量可控的金属粉末；铺粉器接收第一储粉室和第二储粉室所提供金属粉末后，可在成形缸上表面铺置厚度可控的金属粉末层；

所述振镜组合既可位于工作舱体内部，又可位于工作舱体上方；振镜组合由沿左右方向均匀排布的M列(M≥1)振镜队列以及振镜传动机构组成；每列振镜队列都包含沿前后方向均匀分布的N套(N≥2)振镜系统；每列振镜队列中的振镜系统在工作平台上表面的有效辐照区域沿前后方向紧密排列，且前后相邻的有效辐照区域恰好相互接触，这些振镜系统的有效辐照区域共同构成了该列振镜队列的有效辐照区域；在振镜传动机构带动下，所有振镜队列均可在工作平台上方沿左右方向同步移动；

所述移动式分区烟尘净化组件由抽送气口、气体循环通道以及气口传动机构组成；其中，抽送气口共有M组且均位于工作舱体内部，每组抽送气口均包括一个抽气口和送气口；每组抽送气口均通过气体循环通道与位于工作舱体外部相配套的一台装备自带或外配的烟尘净化主机相连；每台烟尘净化主机的内部结构均采用现有技术，可以与现有多振镜大幅面激光选区熔化设备对应部件的内部结构相同；每组抽送气口均可在气口传动机构带动下在工作平台上方沿左右方向和竖直方向往复移动；同一组抽送气口内，抽气口的抽气方向与送气口的送气方向相同，且与装备左右方向平行；每组抽送气口均与一列振镜队列相匹配；且与相配套的振镜队列存在以下关系：1)同一组抽送气口内，抽气口与送气口在工作平台上表面的竖直投影分别位于相配套振镜队列在工作平台上表面有效辐照区域的左右两侧；2)烟尘净化主机开启后，每组抽送气口之间所形成的气流场在工作平台上表面的竖直投影可将相配套振镜队列在工作平台上表面的有效辐照区域覆盖；

所述气氛调控组件用于为激光辐照区域提供惰性保护环境，可由保护气源和保护气体传输通道构成；其中，保护气源位于工作舱体外部，通过保护气体传输通道为激光辐照区域提供惰性保护环境；

所述控制系统通过电信号与装备其余部分连接，用于处理待成形零件CAD模型，生成振镜组合扫描轨迹，并驱动装备其余部件运行。

应当指出，本发明中，除振镜组合和移动式分区烟尘净化组件外，其余部件的具体结构均不做特殊要求，可以采用现有技术，如分别选用现有多振镜大幅面激光选区熔化设备的对应部件。

由于本发明所提供装备的每组抽气口与送气口之间的距离均较小，在成形金属零件时，所形成的气流场更为稳定、均匀；与此同时，抽送气口与金属粉末层的高度差还可任意调节，故可有效、及时地将相配套振镜队列在金属粉末层上方辐照所产生的烟尘净化。

实施例1

一种能提高烟尘净化效果的多振镜大幅面激光选区熔化装备，如图2所示，其特征在于，该装备包含工作舱体16、工作平台13、成形缸组件、铺粉组件、振镜组合、移动式分区烟尘净化组件、保护气氛调控组件和控制系统；

所述工作舱体16用于将激光辐照区域与外界环境隔离；

所述工作平台13位于工作舱体16内部，工作平台13的上表面保持水平；

所述成形缸组件位于工作舱体16内部，由成形缸14和基板15构成；其中，成形缸14安装于工作平台13中心，成形缸14上表面与工作平台13上表面共面；基板15可在成形缸14的缸体内部沿竖直方向往复运动；

所述铺粉组件位于工作舱体16内部，由第一储粉室8、第二储粉室9、铺粉器12、第一铺粉导轨10和第二铺粉导轨11组成；第一储粉室8和第二储粉室9分置于工作舱体17顶部，其竖直投影分别落在工作平台13上表面的左右两侧；第一铺粉导轨10和第二铺粉导轨11安装于工作平台13上表面的前后两端，可带动铺粉器12在工作平台13上表面沿左右方向往复移动；当铺粉器12移动至第一储粉室8和第二储粉室9下方时，第一储粉室8和第二储粉室可为铺粉器12提供数量可控的金属粉末；铺粉器12接收第一储粉室8和第二储粉室所提供金属粉末后，可在成形缸14上表面铺置厚度可控的金属粉末层；

所述振镜组合位于工作舱体16内部，由第一振镜导轨6、第二振镜导轨7和沿左右方向均匀排布的M列(M≥1)振镜队列组成；第一振镜导轨6和第二振镜导轨7安装于工作舱体17前后两侧的内壁，可带动所有振镜队列在工作平台上方沿左右方向同步移动；每列振镜队列都包含安装在支架2上且沿前后方向均匀分布的N套(N≥2)振镜系统1；如图3所示，每列振镜队列中的振镜系统1在工作平台13上表面的有效辐照区域23沿前后方向紧密排列，且前后相邻的有效辐照区域23恰好相互接触，这些有效辐照区域23共同构成了每列振镜队列的有效辐照区域；

所述移动式分区烟尘净化组件由抽送气口、烟尘净化主机18、气体循环通道19和第一除尘伸缩杆3组成；其中，抽送气口共有M组，均由抽气口4与送气口5组成，且均位于工作舱体16内部；每组抽送气口均通过气体循环通道19与位于工作舱体16外部相配套的一台烟尘净化主机18相连；每台烟尘净化主机18的内部结构均与现有多振镜大幅面激光选区熔化设备对应部件的内部结构相同；同一组抽送气口内，抽气口4的抽气方向与送气口5的送气方向相同，且与装备左右方向平行；每组抽送气口均通过第一除尘伸缩杆3安装于相配套振镜队列的支架2下方，且与相配套的振镜队列存在图3所示关系：1)同一组抽送气口内，抽气口4与送气口5在工作平台13上表面的竖直投影21、22分别位于相配套振镜队列在工作平台13上表面有效辐照区域的左右两侧；2)烟尘净化主机19开启后，每组抽送气口之间所形成的气流场在工作平台13上表面的竖直投影可将相配套振镜队列在工作平台13 上表面的有效辐照区域覆盖；其中，每组抽送气口之间所形成的气流场在工作平台13上表面的竖直投影左右方向长度L3与相配套振镜队列在工作平台13上表面的有效辐照区域左右方向长度L1的差值优选为1～20cm；每组抽送气口之间所形成的气流场在工作平台13上表面的竖直投影前后方向长度L4与相配套振镜队列在工作平台13上表面的有效辐照区域前后方向长度L2的差值优选为1～20cm；

所述气氛调控组件由保护气源17和保护气体传输通道20构成；其中，保护气源17位于工作舱体16外部，通过保护气体传输通道20为激光辐照区域提供惰性保护环境；

所述控制系统通过电信号与装备其余部分连接，用于处理待成形零件CAD模型，生成振镜组合扫描轨迹，并驱动装备其余部运行。

在铺粉过程中，利用第一除尘伸缩杆3将每组抽送气口提升，以避免与铺粉器12发生碰撞；铺粉完成后，再利用第一除尘伸缩杆3将抽送气口的高度下调，并开启所有烟尘净化主机18，进而在所有振镜队列辐照区域上方形成均匀、稳定的气流，实现有效的烟尘净化。

实施例2

一种能提高烟尘净化效果的多振镜大幅面激光选区熔化装备，如图4所示，其特征在于，该装备包含工作舱体16、工作平台13、成形缸组件、铺粉组件、振镜组合、移动式分区烟尘净化组件、保护气氛调控组件和控制系统；

所述工作舱体16用于将激光辐照区域与外界环境隔离，其顶部安装有透光镜片24；

所述工作平台13、成形缸组件、铺粉组件的构成、位置与实施例1相同；

所述振镜组合位于工作舱体16外部，由第一振镜导轨6、第二振镜导轨7和沿左右方向均匀排布的M列(M≥1)振镜队列组成；第一振镜导轨6和第二振镜导轨7安装于工作舱体17顶部透光镜片24的上方，可带动所有振镜队列在工作平台上方沿左右方向同步移动；每列振镜队列都包含安装在支架2上且沿前后方向均匀分布的N套(N≥2)振镜系统1；如图3所示，每列振镜队列中的振镜系统1在工作平台13上表面的有效辐照区域23沿前后方向紧密排列，且前后相邻的有效辐照区域23恰好相互接触，进而构成每列振镜队列的有效辐照区域；

所述移动式分区烟尘净化组件由抽送气口、烟尘净化主机18、气体循环通道19、第一除尘导轨25、第二除尘导轨26和第二除尘伸缩杆27组成；其中，抽送气口共有M组且均位于工作舱体16内部，每组抽送气口均包括一个抽气口4和送气口5；每组抽送气口均通过气体循环通道19与位于工作舱体16外部相配套的一台烟尘净化主机18相连；每台烟尘净化主机18的内部结构均采用现有技术，可以与现有多振镜大幅面激光选区熔化设备对应部件的内部结构相同；同一组抽送气口内，抽气口4的抽气方向与送气口5的送气方向相同，且与装备左右方向平行；每组抽送气口的前后两端均分别与第一除尘导轨25、第二除尘导轨26相连，第一除尘导轨25、第二除尘导轨26则与安装于工作舱体16顶部的第二除尘伸缩杆27相连；在第一除尘导轨25、第二除尘导轨26和第二除尘伸缩杆27带动下，每组抽送气口均可在工作平台13上方沿左右方向和竖直方向往复移动；每组抽送气口均和一列振镜队列相匹配，且在激光选区熔化过程中通过左右方向的移动与相配套的振镜队列始终保持图3所示关系，即满足：1)同一组抽送气口内，抽气口4与送气口5在工作平台13上表面的竖直投影21、22分别位于相配套振镜队列在工作平台13上表面有效辐照区域的左右两侧；2)烟尘净化主机18开启后，每组抽送气口之间所形成的气流场在工作平台13上表面的竖直投影可将相配套振镜队列在工作平台13上表面的有效辐照区域覆盖；其中，每组抽送气口之间所形成的气流场在工作平台13上表面的竖直投影左右方向长度L3与相配套振镜队列在工作平台13上表面的有效辐照区域左右方向长度L1的差值优选为1～20cm；每组抽送气口之间所形成的气流场在工作平台13上表面的竖直投影前后方向长度L4与相配套振镜队列在工作平台13上表面的有效辐照区域前后方向长度L2的差值优选为1～20cm；

所述气氛调控组件与控制系统与实施例1相同；

在铺粉过程中，利用第二除尘伸缩杆27将每组抽送气口提升，以避免与铺粉器12发生碰撞；铺粉完成后，再利用第二除尘伸缩杆27将抽送气口的高度下调，并开启所有烟尘净化主机19，进而在所有振镜队列辐照区域上方形成均匀、稳定的气流，实现有效的烟尘净化。

以上所述仅为本发明的较佳实例，本发明不应该局限于上述实例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，仍应视为本发明保护范围之内。