一种激光3d打印泵用叶轮的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光3D打印泵用叶轮的装置及方法，属于3D打印【技术领域】。所述的装置包括激光系统，气氛保护系统，预热系统，送粉系统，铺粉系统，粉末回收系统和计算机系统。所述制造方法主要包括如下步骤：1.绘制泵用叶轮的CAD实体模型，并沿Z向进行分层切片；2.将每层切片按照泵用叶轮的性能要求划区：Ⅰ区、Ⅱ区；3.对每一切片层的Ⅰ区使用粉料A进行低速烧结，Ⅱ区使用粉料B高速烧结。在打印过程中对工件表面与粉末流场进行惰性气体保护。本发明既满足了泵用叶轮不同位置对机械性能的不同要求，又可以提高打印质量和速度，降低制造成本。
【专利说明】一种激光3D打印泵用叶轮的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光3D打印金属零件的方法，特别是指一种3D激光打印泵用叶 轮的方法。
【背景技术】
[0002] 3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系 统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐 层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。
[0003] SLS (选择性激光烧结）利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层 层堆结成型。SLS技术同样是使用层叠堆积成型，所不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材 料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形 成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。
[0004] 3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。过去其常在模具制造、工业设 计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印 而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC)、汽车，航空航天、牙 科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
[0005] 目前使用3D打印同一金属零件，其激光功率、扫描速度、喷粉速度等参数都是固 定的，因而成型后的零件各个部分的机械性能几乎相同。事实上，对于绝大部分金属零件， 零件的不同部位所需要要的机械性能不相同。传统的3D打印模式不利于资源的合理配置， 而且金属零件的成型率低。中国专利申请CN201310173202. 1公开了一种差异化激光3D打 印金属件的方法，将切片层分成内中外三个部分，在一定情况下可以解决上述问题。然而这 种分区方法过于繁琐，很多金属零件，如泵用叶轮，不仅仅对表面的机械性能提出高要求， 对某些特定部为也要求要有高的机械性能，除此之外，目前还没有提供出可以实现上述制 造方法的装置。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对面前3D打印技术不能很好地解决泵用叶轮的不同部位对机 械性能不同要求的问题，提供一种易于实现且效果良好的激光3D打印装置及方法来打印 泵用叶轮。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种激光3D打印泵用叶轮的装置， 包括激光头、送粉器、粉末喷头、三自由度机械手、工作台面、真空泵和封闭腔，所述激光头 安装在所述粉末喷头上，所述送粉器与所述粉末喷头上的入粉孔连接，所述粉末喷头由所 述三自由度机械手控制，能够完成上下、左右、前后移动；所述工作台面上设有铺粉辊筒，所 述工作台面下方依次设有第一收集粉料缸、第一送粉缸、成型缸、第二送粉缸和第二收集粉 料缸；所述激光头、所述粉末喷头、所述三自由度机械手、所述工作台面、所述第一收集粉料 缸、所述第一送粉缸、所述成型缸、所述第二送粉缸和所述第二收集粉料缸均位于所述封闭 腔内，所述封闭腔上开有进气口和出气口，所述封闭腔内还安装有氧浓度传感器，所述真空 泵用来给所述封闭腔抽真空。
[0008] 上述方案中，所述封闭腔内还安装有粉末密度传感器。
[0009] 上述方案中，所述成型缸的下端还安装有第三收集粉料缸，所述第三收集粉料缸 之间设有震动装置。
[0010] 上述方案中，所述激光头上还依次连接有聚焦准直器，双包层掺镱离子光纤，光纤 光栅，耦合器和多模激光二极管泵浦源。
[0011] 上述方案中，所述成型缸的活塞端面上还装有电阻丝，用来给待打印部件预热。
[0012] 上述方案中，所述出气口处连接有气体净化器。
[0013] 上述方案中，所述送粉器、所述三自由度机械手、所述真空泵、所述铺粉辊筒、所述 第一收集粉料缸、所述第一送粉缸、所述成型缸、所述第二送粉缸和所述第二收集粉料缸、 所述粉末密度传感器、所述电阻丝、所述多模激光二极管泵浦源均由计算机控制。
[0014] 本发明还提供了一种激光3D打印泵用叶轮的方法，包括:A.绘制泵用叶轮的CAD 实体模型，并沿Z向进行分层切片，切片厚度为0. 3mm ;B.对切片进行扫描，将每层切片按 照泵用叶轮的性能要求划为I区和II区；其中，每层切片中性能要求高的标记为I区，性 能要求低的标记为I:区；C.选取两种不同的3D打印耗材，粉料A4和粉料B，粉料A为镍基 合金粉末，粉料B为铁基合金粉末，材料A装入送粉器中，粉料B分别放入第一送粉缸和所 述第二送粉缸中；D.打开真空泵，当氧浓度传感器测得封闭腔内氧气浓度小于0. Ipa时关 闭真空泵，通过进气口往封闭腔充通氩气，当氧浓度传感器检测到封闭腔中氧气浓度低于 40ppm时，电阻丝单元工作，预热系统开启；E.送粉器开始送粉，激光束由计算机控制对第 一切片层的I区进行低速烧结，第一切片层I区烧结完成后送粉器停止送粉，第二送粉缸 上升0. 8_，位于第二送粉缸左侧的铺粉辊桶向右移动开始铺粉，激光束开始对II区进行 高速烧结，当铺粉辊桶向右移动到第一送粉缸右侧时，第一层打印结束；接着送粉器再次送 粉，激光束对第二切片层的I区进行低速烧结，第二切片层I区烧结完成后送粉器停止送 粉，第一送粉缸上升0. 8_，第二送粉缸保持不动，铺粉辊桶向左移动开始铺粉，激光束继续 对第二切片层的Π 区进行高速烧结，完成第二层的打印；F.判断零件是否打印完成，若未 完成，则成型缸下降〇. 3mm，并重复步骤E ;若打印完成，则成型缸底部打开，震动装置开启， 粉末回收到第三收集粉料缸内；当粉末浓度传感器检测到封闭腔内粉末浓度低于安全值 时，取出零件。
[0015] 上述方法的步骤E中，激光束由计算机控制对第一切片层的I区进行低速烧结时， 所述激光功率为2500?，扫描速度为8mm/s，送粉速度10g/min，扫描宽度为2mm。
[0016] 上述方法的步骤E中，激光束开始对II区进行高速烧结时，激光功率为2000w，扫 描速度为4mm/s，送粉速度为20g/min，扫描宽度为3mm。
[0017] 相比于现在的3D打印方法，本发明的方法的优点是：（1)根据泵用叶轮的技术要 求，对泵用叶轮的切片进行科学分区，对不同的分区使用不同的材料、不同的送粉速度进行 烧结，采用的激光频率和速度也不同。材料A烧结后具有比较好的机械性能，材料B烧结后 的机械性能一般。通过该装置及方法可打印出的泵用叶轮可以满足其机械性能要求，具有 出色的表面性能。（2)整个装置由计算机系统集中控制，操作简单，易于实现。同时该装置 及方法可以提高打印速度，节省资源，降低打印成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明装置的结构示意图。
[0019] 图2是本发明泵用叶轮的区域划分图。
[0020] 在图中：1-氩气源，2-加粉口，3-送粉器，4-粉料A，5-聚焦准直器，6-双包层掺镱 离子光纤，7-光纤光栅，8-耦合器，9-多模激光二极管泵浦源，10-三自由度机械手，11-粉 末密度传感器，12-成型缸，13-粉料B，14-第一送粉缸，15-第一收集粉料缸，16-第三收 集粉料缸，17-金属零件，18-玻璃保护板，19-激光头，20-入粉孔，21-激光束，22-电阻丝 单元，23-活塞，24-第二送粉缸，25-铺粉辊筒，26-第二收集粉料缸，27-真空泵，28-气体 净化器，29-氧浓度传感器，30-计算机，31-进气口，32-出气口，33-粉末喷头，34、工作台 面，35、封闭腔。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合具体实例对本发明作进一步具体详细描述。
[0022] -种激光3D打印泵用叶轮的装置，如图1所示，包括激光头19、送粉器3、粉末喷 头33、三自由度机械手10、工作台面34、真空泵27和封闭腔35,所述激光头19安装在所述 粉末喷头33上，激光头19上依次连接有聚焦准直器5,双包层掺镱离子光纤6,光纤光栅7， 耦合器8和多模激光二极管泵浦源9。所述送粉器3与所述粉末喷头上的入粉孔20连接， 所述送粉器3上开有加粉口 2,送粉器3与氩气源1连接，用来为送粉器3提供动力，所述 粉末喷头33由所述三自由度机械手10控制，能够完成上下、左右、前后移动；所述工作台面 34上设有铺粉辊筒25,所述工作台面34下方依次设有第一收集粉料缸15、第一送粉缸14、 成型缸12、第二送粉缸24和第二收集粉料缸26 ;成型缸的活塞23端面上还装有电阻丝单 元22,用来给待打印部件预热，成型缸12的下端还安装有第三收集粉料缸16,所述第三收 集粉料缸16之间设有震动装置，打印完成后可以将剩余的粉料震动回收到第三收集粉料 缸16内；所述激光头19、所述粉末喷头33、所述三自由度机械手10、所述工作台面34、所述 真空泵27、所述第一收集粉料缸15、所述第一送粉缸14、所述成型缸12、所述第二送粉缸24 和所述第二收集粉料缸26均位于所述封闭腔35内；所述送粉器3、所述电阻丝单元22、所 述震动装置、所述三自由度机械手10、所述真空泵27、所述铺粉辊筒25、所述第一收集粉料 缸15、所述第一送粉缸14、所述成型缸12、所述第二送粉缸24和所述第二收集粉料缸26、 所述粉末密度传感器11、所述电阻丝22、所述多模激光二极管泵浦源（9)均由计算机30控 制。所述封闭腔35上开有进气口 31和出气口 32,出气口 32处连接有气体净化器28,用来 将封闭腔35内的气体排出之前提前进行净化，所述封闭腔35内还安装有氧浓度传感器29 和粉末密度传感器11。
[0023] 上述激光3D打印泵用叶轮装置进行打印的方法，包括：A.绘制泵用叶轮的CAD实 体模型，并沿Z向进行切片分层，切片厚度为0. 3mm ;B.对切片进行扫描，将每层切片按照泵 用叶轮的性能要求划为I区和II区；其中，每层切片中性能要求高的标记为I区，性能要求 低的标记为II区；C.选取两种不同的3D打印耗材，粉料A4和粉料B13,粉料A4为镍基合金 粉末，粉料B13为铁基合金粉末，材料A4装入送粉器3中，粉料B13分别放入第一送粉缸14 和所述第二送粉缸24中；D.打开真空泵27,当氧浓度传感器29测得封闭腔内氧气浓度小 于0. Ipa时关闭真空泵27,通过进气口 31往封闭腔35充通氩气，当氧浓度传感器检测到封 闭腔中氧气浓度低于40ppm时，电阻丝22通电，预热系统开启；E.送粉器3开始送粉，激光 束21由计算机30控制对第一切片层的I区进行低速烧结，第一切片层I区烧结完成后送 粉器3停止送粉，第二送粉缸24上升0. 8mm，位于第二送粉缸24左侧的铺粉辊桶25向右移 动开始铺粉，激光束21开始对II区进行高速烧结，当铺粉辊桶25向右移动到第一送粉缸 14右侧时，第一层打印结束；接着送粉器3再次送粉，激光束21对第二切片层的I区进行 低速烧结，第二切片层I区烧结完成后送粉器3停止送粉，第一送粉缸14上升0. 8mm，第二 送粉缸24保持不动，铺粉辊桶25向左移动开始铺粉，激光束21继续对第二切片层的II区 进行高速烧结，完成第二层的打印。激光功率为2000?，扫描速度为4mm/s，送粉速度为20g/ min，扫描宽度为3mm。F.判断零件是否打印完成，若未完成，则成型缸12下降0. 3mm，并重 复步骤E ;成型缸12底部设有震动装置，当整个打印结束后，成型缸12底部打开，震动装置 激活，粉末回收到第三收集粉料缸16内；当粉末浓度传感器11检测到封闭腔内粉末浓度低 于安全值时，取出零件。
[0024] -般情况下，叶轮对于叶片和与轴连接的内表面的性能要求较高，因而I区主要 由叶轮叶片和叶轮安装时与轴相接触的表面两个部分构成，其中叶轮安装时与轴相接触的 表面可以延伸到朝径向深度4mm的区域，剩下区域为II区，其径向深度约为80mm。电阻丝 单元22主要有电阻丝和温度控制装置组成，在封闭腔35中可以设计一些温度传感器以便 于自动控制。成型缸12底部设有震动装置，当整个打印结束后，成型缸12底部打开，震动 装置激活，便于回收粉末。
[0025] 泵用叶轮是对机械性能要求比较特殊的一种金属零件，采用本发明装置和方法来 制造叶轮，不仅可以满足其性能要求，尤其是表面性能，而且可以提高打印的速度，对于材 料的回收也比较理想。本发明方法也适应于其他一些结构要求特殊的金属零件的3D打印。
【权利要求】
1. 一种激光3D打印泵用叶轮的装置，其特征在于，包括激光头（19)、送粉器（3)、粉 末喷头（33)、三自由度机械手（10)、工作台面（34)、真空泵（27)和封闭腔（35)，所述激光头 (19)安装在所述粉末喷头（33)上，所述送粉器（3)与所述粉末喷头上的入粉孔（20)连接， 所述粉末喷头（33)由所述三自由度机械手（10)控制，能够完成上下、左右、前后移动；所 述工作台面（34)上设有铺粉辊筒（25)，所述工作台面（34)下方依次设有第一收集粉料缸 (15)、第一送粉缸（14)、成型缸（12)、第二送粉缸（24)和第二收集粉料缸（26);所述激光头 (19)、所述粉末喷头（33)、所述三自由度机械手（10)、所述工作台面（34)、所述第一收集粉 料缸（15)、所述第一送粉缸（14)、所述成型缸（12)、所述第二送粉缸（24)和所述第二收集 粉料缸（26)均位于所述封闭腔（35)内，所述封闭腔（35)上开有进气口（31)和出气口（32)， 所述封闭腔（35 )内还安装有氧浓度传感器（29 )，所述真空泵（27 )用来给所述封闭腔（35 ) 抽真空。
2. 根据权利要求1所述的一种激光3D打印泵用叶轮的装置，其特征在于，所述封闭腔 (35)内还安装有粉末密度传感器（11)。
3. 根据权利要求2所述的一种激光3D打印泵用叶轮的装置，其特征在于，所述成型缸 (12)的下端还安装有第三收集粉料缸（16)，所述第三收集粉料缸（16)上设有震动装置。
4. 根据权利要求3所述的一种激光3D打印泵用叶轮的装置，其特征在于，所述激光头 19上还依次连接有聚焦准直器（5)，双包层掺镱离子光纤（6)，光纤光栅（7)，耦合器（8)和 多模激光二极管泵浦源（9)。
5. 根据权利要求4所述的一种激光3D打印泵用叶轮的装置，其特征在于，所述成型缸 的活塞23端面上还装有电阻丝单元（22)，用来给待打印部件预热。
6. 根据权利要求5所述的一种激光3D打印泵用叶轮的装置，其特征在于，所述出气口 (32)处连接有气体净化器28。
7. 根据权利要求6所述的一种激光3D打印泵用叶轮的装置，其特征在于，所述送粉 器（3)、所述三自由度机械手（10)、所述真空泵（27)、所述铺粉辊筒（25)、所述第一收集粉 料缸（15)、所述第一送粉缸（14)、所述成型缸（12)、所述第二送粉缸（24)和所述第二收集 粉料缸（26)、所述粉末密度传感器（11)、所述电阻丝（22)、所述多模激光二极管泵浦源（9) 均与计算机（30)相连。
8. -种激光3D打印泵用叶轮的方法，包括： A. 绘制泵用叶轮的CAD实体模型，并沿Z向进行分层切片，切片厚度为0.3mm; B. 对切片进行扫描，将每层切片按照泵用叶轮的性能要求划为I区 和II区；其中，每层切片中性能要求高的标记为I区，性能要求低的标记为 Π 区； C. 选取两种不同的3D打印耗材，粉料A (4)和粉料B (13)，粉料A (4)为镍基合金粉 末，粉料B (13)为铁基合金粉末，材料A (4)装入送粉器（3)中，粉料B (13)分别放入第 一送粉缸（14)和所述第二送粉缸（24)中； D. 打开真空泵（27)，当氧浓度传感器（29)测得封闭腔内氧气浓度小于0. Ipa时关闭真 空泵（27)，通过进气口（31)往封闭腔（35)充通氩气，当氧浓度传感器检测到封闭腔中氧气 浓度低于40ppm时，电阻丝（22)通电，预热系统开启； E. 送粉器（3)开始送粉，激光束（21)由计算机（30)控制对第一切片层的I区进行低 速烧结，第一切片层I区烧结完成后送粉器（3)停止送粉，第二送粉缸（24)上升0. 8mm，位 于第二送粉缸（24)左侧的铺粉辊桶（25)向右移动开始铺粉，激光束（21)开始对II区进行 高速烧结，当铺粉辊桶（25)向右移动到第一送粉缸（14)右侧时，第一层打印结束；接着送 粉器（3)再次送粉，激光束（21)对第二切片层的I区进行低速烧结，第二切片层I区烧结完 成后送粉器（3)停止送粉，第一送粉缸（14)上升0. 8_，第二送粉缸（24)保持不动，铺粉辊 桶（25)向左移动开始铺粉，激光束（21)继续对第二切片层的II区进行高速烧结，完成第二 层的打印； F.判断零件是否打印完成，若未完成，则成型缸（12)下降0. 3mm，并重复步骤E ;若打印 完成，则成型缸（12)底部打开，震动装置开启，粉末回收到第三收集粉料缸（16)内；当粉末 浓度传感器（11)检测到封闭腔内粉末浓度低于安全值时，取出零件。
9. 根据权利要求8所述的一种激光3D打印泵用叶轮的方法，其特征在于，步骤E中激 光束（21)由计算机（30)控制对第一切片层的I区进行低速烧结时，所述激光功率为2500?， 扫描速度为8mm/s，送粉速度10g/min，扫描宽度为2mm。
10. 根据权利要求9所述的一种激光3D打印泵用叶轮的方法，其特征在于，步骤E中激 光束（21)开始对II区进行高速烧结时，激光功率为2000?，扫描速度为4mm/s，送粉速度为 20g/min，扫描宽度为3mm。
【文档编号】B22F5/00GK104226996SQ201410435407
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月31日 优先权日:2014年8月31日
【发明者】任旭东, 周王凡, 袁寿其, 刘厚林, 卢加兴, 王勇, 王德顺, 左成亚, 吴坤 申请人:江苏大学