一种智能化激光选区熔化成型设备的制作方法

本实用新型涉及激光成型技术领域，具体地涉及一种智能化激光选区熔化成型设备。

背景技术：

增材制造技术(又称“3D打印”)，是近年来迅速发展起来的高端数字化快速制造技术，即把数据和原料放进3D打印机中，通过计算机程序控制将产品一层一层的打印出来，最终形成成品。激光选区熔化成型技术(Selective Laser Melting，SLM)是增材制造的典型代表，其通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，然后逐层铺粉、逐层熔化、凝固堆积的方式实现三维复杂精密零部件的制造。由于粉末处于静止状态可设计制造辅助支撑结构，因此几乎适合任意复杂形状金属零部件的制造，该工艺具有成型精度高，综合力学性能好，可直接满足实际工程应用。与传统的减材制造方法相比，SLM技术可以直接成型具有复杂特征和薄壁类的金属零部件，具有减少材料浪费、复杂零件加工不增加成本、无需开模、缩短产品周期等优点，因而越来越多的SLM产品应用于航空航天、汽车、模具、生物医疗与文化创意等行业。

然而，目前市面上的激光选区熔化设备在加工零部件的过程当中，存在前预处理和后处理，人工参与过多，费时费力和自动化程度不高的问题。在加工前，基板的安装定位，加工完成后基板的拆卸都需要人工去完成。设备在加工过程中也无法实现给送粉缸或者储粉区自动加粉，每次送粉缸或者储粉区的金属粉末用完后，设备需要暂停工作或者打开设备舱门人工添加金属粉末，然后再继续加工。整个零部件加工完成后，成型缸多余金属粉末的回收以及成型零部件表面多余金属粉末的清理，都需要人工来完成。因此，现有激光选区熔化设备在整个加工环节过程中，人工干预环节太多，这样不仅加工效率低，而且操作复杂、繁琐，不利于自动化生产。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种智能化激光选区熔化成型设备，以解决上述现有技术存在的问题，缩短了铺粉和加粉的时间，摒弃了在整个加工过程中人工干预的环节，实现了智能化加工；自动化程度高，极大的提高了工作效率。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供一种智能化激光选区熔化成型设备，包括密闭腔体，所述密闭腔体通过隔离板分割为上、下两部分，所述密闭腔体下部内设置有成型腔和供铺粉系统，上部内设置有光学系统；所述成型腔上设置有加热装置，所述加热装置上端连接有盖板，下端连接有第一伺服电机；所述光学系统包括依次水平设置在密闭腔体上部的激光器、激光动态聚焦装置、高速扫描振镜和安装在所述高速扫描振镜下端的场镜，所述场镜开口处的隔离板上设置有窗口玻璃，所述窗口玻璃位于所述成型腔正上方。

可选的，所述密闭腔体下部通过垂直升降密闭门分割为第一腔和第二腔；所述第一腔内设置有第一工业机器人，所述第二腔内设置有第二工业机器人和第三工业机器人；所述第二工业机器人上连接有第一夹具，所述第三工业机器人末端连接有第二夹具；所述第一工业机器人、第二工业机器人和第三工业机器人分别与一工业控制器连接。

可选的，所述第一腔内设置有LED照明灯，所述第二腔内设置有第二工业相机和第三工业相机，所述第一工业相机、第二工业相机和第三工业相机均与一显示器以及所述工业控制器连接。

可选的，所述光学系统还包括冰水机以及与所述激光器连接，且位于所述激光器和所述激光动态聚焦装置之间的激光头；所述冰水机与所述激光器连接。

可选的，还包括粉末回收系统，所述粉末回收系统包括位于第一腔的第一吸粉头和位于第二腔的第二吸粉头，所述第一吸粉头连接有防爆吸尘器，所述第二吸粉头连接有吸粉装置，所述吸粉装置上设置有粉末周转瓶；所述防爆吸尘器与所述吸粉装置分别与所述工业控制器连接。

可选的，还包括气体净化循环装置和安装在所述第一吸粉头上的吹气枪，所述吹气枪连接有洁净空气发生装置，所述气体净化循环装置连接有气体供应源；所述第一腔内还设置有第一过滤口和第二过滤口，所述第一过滤口和所述第二过滤口位于所述密闭腔体的内壁上。

可选的，所述第二腔内安装有分别与所述工业控制器连接的氧传感器和湿度传感器。

可选的，还包括与所述成型腔开口位于同一水平线的直线模组，所述直线模组上安装有固定连接板，所述固定连接板上安装有固定夹具，所述固定夹具夹持有基板。

可选的，所述工业控制器上连接有备用键盘和鼠标。

可选的，所述密闭腔体上设置有第一防护门和第二防护门，所述第一防护门和第二防护门均安装有工业乳胶手套和把手锁，所述第一防护门上安装有透视玻璃，所述第二防护门上安装有激光防护玻璃。

本实用新型提供的智能化激光选区熔化成型设备与现有技术相比，具有以下技术效果：

本实用新型通过采用多个工业机器人解决了在加工前基板的安装定位、加工完成后基板的拆卸以及零部件完成后的后处理都需要人工去完成的问题，实现了自动化回收成型缸多余金属粉末以及自动化清理成型零部件表面多余金属粉末。本实用新型通过采用各种传感器以及监视设备实现了定量送粉、自动加粉，以及加工过程中全程在线监视的功能。本实用新型摒弃了在整个加工过程中人工干预的环节，达到了基板放进去，成型件出来的一键式加工的目的，实现了智能化加工，极大的提高了工作效率，有利于自动化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型智能化激光选区熔化成型设备整体结构示意图；

图2为本实用新型智能化激光选区熔化成型设备中供铺粉系统的部分结构示意图；

图3为本实用新型智能化激光选区熔化成型设备正面结构示意图；

附图标记说明：1为气体供应源；2为防爆吸尘器；3为冷水机；4为第一气体过滤口；5为吹气枪；6为第一吸粉头；7为透视门；8为第一密封圈；9为直线模组；10为洁净空气发生装置；11为激光器；12为LED照明灯；13为第一工业相机；14为第一工业机器人；15为第二气体过滤口；16为垂直升降密闭门；17为固定夹具；18为固定连接板；19为激光头；20为激光动态聚焦装置；21为氧传感器；22为第二工业相机；23为第二工业机器人；24为第一夹具；25为基板；26为第一回收腔；27为高速扫描振镜；28为场镜；29为窗口玻璃；30为盖板；31为基板加热装置；32为第一伺服电机；33为成型腔；34为金属粉末；35为LED环形灯；36为第二密封圈；37为连接管；38为伸缩管；39为自动开闭合装置；40为储粉器；41为刮刀；42为第二回收腔；43为供粉舱；44为第一粉末余量传感器；45为粉末用量调节装置；46为湿度传感器；47为第三工业相机；48为驱动电机；49为连接机构；50为第二夹具；51为第三工业机器人；52为第二粉末余量传感器；53为第二吸粉头；54为送粉花轮；55为气体净化与循环装置；56为吸粉装置；57为粉末周转瓶；58为触屏显示器；59为备用键盘与鼠标；60为工业控制器；61为第一直线电机导轨；62为直线电机；63为第一连接板；64为第二直线电机导轨；65为联轴器；66为第二伺服电机；67为第二连接板；68为第一防护门；69为透视玻璃；70为工业乳胶手套；71为把手锁；72为第二防护门；73为激光防护玻璃。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种智能化激光选区熔化成型设备，以解决上述现有技术存在的问题，缩短了铺粉和加粉的时间，摒弃了在整个加工过程中人工干预的环节，实现了智能化加工；自动化程度高，极大的提高了工作效率。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供一种智能化激光选区熔化成型设备，包括密闭腔体，所述密闭腔体通过隔离板分割为上、下两部分，所述密闭腔体下部内设置有成型腔和供铺粉系统，上部内设置有光学系统；所述成型腔上设置有加热装置，所述加热装置上端连接有盖板，下端连接有第一伺服电机；所述光学系统包括依次水平设置在密闭腔体上部的激光器、激光动态聚焦装置、高速扫描振镜和安装在所述高速扫描振镜下端的场镜，所述场镜开口处的隔离板上设置有窗口玻璃，所述窗口玻璃位于所述成型腔正上方。

所述密闭腔体下部通过垂直升降密闭门分割为第一腔和第二腔；所述第一腔内设置有第一工业机器人，所述第二腔内设置有第二工业机器人和第三工业机器人；所述第二工业机器人上连接有第一夹具，所述第三工业机器人末端连接有第二夹具；所述第一工业机器人、第二工业机器人和第三工业机器人分别与一工业控制器连接。

本实用新型通过采用多个工业机器人解决了在加工前基板的安装定位、加工完成后基板的拆卸以及零部件完成后的后处理都需要人工去完成的问题，实现了自动化回收成型缸多余金属粉末以及自动化清理成型零部件表面多余金属粉末。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1、图2和图3所示，本实用新型提供一种智能化的激光选区熔化成型设备，包括光学系统、供铺粉系统、监视与控制系统、粉末回收系统和辅助系统，具体的：

所述的光学系统包括激光器11、激光头19、激光动态聚焦装置20、高速扫描振镜27和场镜28。激光头19通过光纤与激光器11相连，激光动态聚焦装置20位于激光头19和高速扫描振镜27的中间，激光动态聚焦装置20对准高速扫描振镜27的入光口，场镜28安装在高速扫描振镜27上。所述的激光器11、激光动态聚焦装置20和高速扫描振镜27分别与工业控制器60相连。

所述的供铺粉系统包括供粉舱43、粉末用量调节装置45、连接管37、第二密封圈36、伸缩管38、连接机构49、驱动电机48、自动开闭合装置39、储粉器40、刮刀41、送粉花轮54、盖板30、基板加热装置31、成型腔33、第一伺服电机32、第一直线电机导轨61、第二直线电机导轨64、第一连接板63、第二连接板67、直线电机62、联轴器65和第二伺服电机66。供粉舱43下端与粉末用量调节装置45相连，连接管37上端与粉末用量调节装置45连接，下端通过第二密封圈36安装在腔体上。伸缩管38套在连接管37上，伸缩管38固定在连接机构49上，驱动电机48通过控制连接机构49上下运动从而控制伸缩管38的上下往复运动。自动开闭合装置39安装在储粉器40的上方，并与工业控制器60相连，用于控制储粉器40加粉口的开关。刮刀41固定在储粉器40上。第一直线电机导轨61和第二直线电机导轨64分布在成型腔33的两侧，储粉器40两端通过第一连接板63和第二连接板67固定在第一直线电机导轨61和第二直线电机导轨64的移动滑块上。直线电机62用于驱动储粉器40在直线导轨上滑动。送粉花轮54安装在储粉器40内中下部，并通过联轴器与第二伺服电机66相连，第二伺服电机66安装在储粉器40上，并驱动送粉花轮54转动。盖板30安装在基板加热装置31上面，整体位于成型腔33内，基板加热装置31用于给基板25加热。第一伺服电机32控制盖板30的上下往复运动。所述的粉末用量调节装置45用于控制金属粉末34的流量。所述的驱动电机48为伺服电机或者直线电机。所述的伸缩管38内径要大于连接管37的外径，伸缩管38的外径要小于储粉器40加粉口的直径。所述的储粉器40下端有出粉口，出粉口的长度大于成型腔33的截面宽度。

所述的监视与控制系统包括第一粉末余量传感器44、粉末用量调节装置45、第二粉末余量传感器52、第一工业相机13、第二工业相机22、第三工业相机47、氧传感器21、湿度传感器46、触屏显示器58、备用键盘与鼠标59和工业控制器60。第一粉末余量传感器44安装在供粉舱43内并与工业控制器60相连，用于监控供粉舱43内的粉末余量，当供粉舱43内的粉末余量小于设定值后，第一粉末余量传感器44会反馈给工业控制器60并提示要向供粉舱43添加金属粉末34。粉末用量调节装置45与工业控制器60相连，用于控制供粉舱43内的粉末进入储粉器40的总量。第二粉末余量传感器52安装在储粉器40内并与工业控制器60相连，用于监控储粉器40内的粉末余量，当储粉器40内的粉末余量小于设定值后，会反馈给工业控制器60，工业控制器60通过控制直线电机62使储粉器40运动到自动加粉位置，然后整体协调控制自动开闭合装置39、粉末用量调节装置45和驱动电机48，完成储粉器40自动加粉过程。第一工业相机13安装在Ⅰ腔内，用于监视Ⅰ腔内各组件的运行情况，第二工业相机22和第三工业相机47安装在Ⅱ腔，用于监视Ⅱ腔内各组件的运行情况，第一工业相机13、第二工业相机22和第三工业相机47分别与工业控制器60相连，并把所监视的画面显示在触屏显示器58上。氧传感器21和湿度传感器46安装在Ⅱ腔，并分别与工业控制器60相连，用于监控Ⅱ腔的氧含量和湿度情况，氧传感器21和湿度传感器46所采集的数据传送给工业控制器60，并以具体数值的形式显示在触屏显示器58上。备用键盘与鼠标59镶嵌在触屏显示器58的下放，用于人工操作工业控制器60。所述的触屏显示器58可以直接在屏幕上点击输入信息或者通过备用键盘与鼠标59来输入信息。

所述的粉末回收系统包括回第一收腔26、第二回收腔42、第一吸粉头6、吸粉装置56、第二吸粉头53、防爆吸尘器2和粉末周转瓶57。第一收腔26和第二回收腔42分布在成型腔的两侧。吸粉头B固定在Ⅱ腔内，并通过吸尘管与吸粉装置56相连，吸粉装置56同时也与工业控制器60相连。吸粉装置56用于吸收成型腔33里的金属粉末34。第一吸粉头6固定在Ⅰ腔内并通过吸尘管与防爆吸尘器2相连，防爆吸尘器2同时也与工业控制器60相连，防爆吸尘器2用于清理Ⅰ腔的金属粉末34。粉末周转瓶57通过快装蝶阀与吸粉装置56相连，用于收集吸粉装置56吸收的金属粉末34。所述的粉末周转瓶57材料为金属或者塑料或者陶瓷等。

所述的辅助系统包括气体供应源1、气体净化与循环装置55、吹气枪5、洁净空气发生装置10、冷水机3、第一气体过滤口4、第二气体过滤口15、LED照明灯12、LED环形灯35、垂直升降密闭门16、第一工业机器人14、第二工业机器人23、第三工业机器人51、直线模组9、第一夹具24、固定夹具17、固定连接板18、第二夹具50、第一防护门68、透视玻璃69、工业乳胶手套70、把手锁71、第二防护门72和激光防护玻璃73。气体供应源1用于给气体净化与循环装置55提供所需的气体。吹气枪5固定在Ⅰ腔内，吹气枪5通过气管与洁净空气发生装置10相连，洁净空气发生装置10用于产生经过油水分离器后的空气。冷水机3通过水管与激光器11相连，用于给激光器11降温。第一气体过滤口4、第二气体过滤口15位于Ⅰ腔内，用于排空气。LED照明灯12安装在Ⅰ腔内的上方，用于Ⅰ腔照明，LED环形灯35嵌套在窗口玻璃下方，用于Ⅱ腔照明。垂直升降密闭门16将腔体分成Ⅰ腔和Ⅱ腔，并且当垂直升降密闭门16下降到最低位置时，可使Ⅱ腔成为密闭腔体。第一工业机器人14安装在Ⅰ腔，用于取、放以及移动吹气枪5和第一吸粉头6。第二工业机器人23安装在Ⅱ腔，第一夹具24安装在第二工业机器人23上，第二工业机器人23通过控制第一夹具24来取、放和移动基板25。第三工业机器人51安装在Ⅱ腔，第二夹具50安装在第三工业机器人51上，第二工业机器人23通过控制第二夹具50来取、放和移动第二吸粉头53。固定夹具17安装在固定连接板18上，固定连接板18安装在直线模组9上，直线模组9通过控制基板25左右移动来实现基板35在Ⅰ腔和Ⅱ腔的位置变化。透视玻璃69和激光防护玻璃73上分别安装有工业乳胶手套70，用于人工操作设备里面的部件。透视玻璃69安装在第一防护门68上，激光防护玻璃73安装在第二防护门72上。第一防护门68和第二防护门72上分别安装有把手锁71，用于人工打开和关闭防护门。操作人员可以在设备外部通过工业乳胶手套70对设备里的部件进行操作。所述的气体供应源1是气瓶或者气体发生器。所述的气体是高纯氮气或者高纯氩气。所述的第一工业机器人14、第二工业机器人23、第三工业机器人51可由工业控制器60控制也可由人工单独操作。所述窗口玻璃29为光学镀膜石英镜片。

设备开启的时候，设备中所包括的光学系统、供铺粉系统、监视与控制系统、粉末回收系统和辅助系统里的所有装置自动归零或者恢复到原始状态，然后把预先处理好的零部件三维模型导入到工业控制器60里。归零或者恢复动作完成后，工业控制器60会根据安装在储粉器40里的第二粉末余量传感器52判断储粉器40里的金属粉末余量，如果少于设定的值，会反馈给工业控制器60并提示需要向储粉器40里加入金属粉末。同时也会根据安装在供粉舱43里的第一粉末余量传感器44判断供粉舱43里的金属粉末余量，如果粉末余量少于设定的值，会反馈给工业控制器60并提示向供粉舱43里加入金属粉末。在保证储粉器40里的粉末余量大于设定值的前提下，储粉器40在直线电机62的带动下运动到预先定好的位置。这时触屏显示器会提示设备准备工作已经完成，可以放入基板了。人工打开第一防护门68，把基板25放置到固定连接板上的指定位置后，在触屏显示器上点击确定后，固定夹具17将基板25夹紧固定，然后人工关闭第一防护门68。当触屏显示器上所有的提示信息都处于正常状态下，根据工艺要求在触屏显示器上进行设置各种加工参数，设置完成后就可以点击确定开始打印了。此时，直线模组9通过移动固定连接板将基板25送到Ⅱ腔内，固定夹具17松开基板25，第二工业机器人23将基板25转移到成型腔内，并放到指定位置，然后第二工业机器人23恢复到原位，直线模组9恢复原位。第三工业机器人51用第二夹具50将基板25固定在盖板上后恢复到原位。随后，垂直升降密闭门16向下运动使Ⅱ腔处于密闭状态。此时，气体净化与循环装置运行起来，并不停的向密闭Ⅱ腔充入高纯气体，同时使密闭Ⅱ腔里的气体循环起来，不停的将密闭Ⅱ腔里原有空气洗出去，当氧传感器21和湿度传感器46反馈给工业控制器60的数值小于预先设置的数值时，工业控制器60根据SLM成型厚度给伺服电机66发指令并完成相应的角度偏转，伺服电机66的偏转带动送粉花轮54转动一定的角度，送粉花轮54上花形凹槽里的金属粉末在重力的作用下通过储粉器40下端的出粉口自由落下，然后直线电机62带动储粉器40进行铺粉。当完成铺粉的同时，沿着铺粉方向在储粉器40前端的刮刀会将多余的金属粉末送入回收腔。紧跟着激光光束通过光学系统在成型区域面按照工业控制器60上设定好的图形进行扫描，在激光扫描图形的同时，储粉器40在直线电机62的带动下反向运动到预先定好的位置，伺服动电机66的偏转带动送粉花轮54转动一定的角度，金属粉末在重力的作用下通过储粉器40下端的出粉口自由落下。当激光扫描完成后，直线电机62带动储粉器40进行铺粉。当完成铺粉的同时，沿着铺粉方向在储粉器40前端的刮刀会将多余的金属粉末送入回收腔。然后激光光束通过光路系统在成型区域面按照工业控制器60上设定好的图形进行扫描，直至扫描完成。如此重复运行以上步骤直到打印件成型。当打印件成型后，吸粉装置56运行，第三工业机器人51夹持第二吸粉头53将成型腔里的多余金属粉末吸收到吸粉装置56内，通过过滤进入粉末周转瓶内。成型腔内多余的金属粉末回收完后，第三工业机器人51将第二吸粉头53放回原位，然后将基板25从盖板上松开，自身并恢复原位。此时，气体净化与循环装置55和吸粉装置56停止工作。垂直升降密闭门16向上运动，直线模组9将固定连接板移动到Ⅱ腔内，第二工业机器人23将基板25转移到固定连接板上的指定位置后恢复原位，固定夹具17夹紧基板25，然后直线模组9恢复原位。垂直升降密闭门16向下运动，将Ⅰ腔和Ⅱ腔隔离开来。然后洁净空气发生装置10运行起来，第一工业机器人14夹持这吹气枪5对基板25上的成型零部件进行吹气清理，清理结束后第一工业机器人14将吹气枪5放回原位，随后防爆吸尘器2开始工作，第一工业机器人14再夹持第二吸粉头对Ⅰ腔内进行吸尘处理，完成后将第二吸粉头放回原位，自身恢复原位，固定夹具17松开基板25。此时，触屏显示器提示加工的零部件已经完成，可以打开第一防护门68取出基板25了。

若在加工过程当中，由于打印件体积较大，遇到储粉器40中的粉末量不够时，第二粉末余量传感器52会给工业控制器60反馈，并提示需要向储粉器40里加入金属粉末。此时，直线电机62带动储粉器40到达自动加粉的位置。然后在触屏显示器60上设置要加入到储粉器40金属粉末的量值，设置好后，自动开闭合装置39打开，储粉器40加粉口显露出来，伸缩管38在驱动电机48的带动下向下移动到预先定好的位置，然后粉末用量调节装置45打开，金属粉末通过粉末用量调节装置45、连接管37和伸缩管38进入储粉器40，当进入储粉器40的金属粉末量达到设定量值后，粉末用量调节装置45关闭，然后伸缩管38向上移动上升到原来位置，自动开闭合装置39关闭。随后，接着进行加工。

需要特别说明的是，本实用新型中所述透视玻璃的材质并不限于光学镀膜石英镜片，在保证其功能的前提下还可以为其他材质；所述的气体供应源所供应的气体除高纯氮气和高纯氩气外还可以为其他无污染的惰性气体。

本说明书中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。