一种选区激光熔化增材制造设备的制作方法

本发明属于金属激光增材制造，尤其涉及一种选区激光熔化增材制造设备。

背景技术：

选区激光熔化(selectivelasermelting，slm)技术属于快速凝固制造工艺，是20世纪90年代出现的一种最为前沿最具发展潜力的金属增材制造技术之一，备受各个发达国家重视，成为发达国家积极抢占的战略制高点，将带来整个制造体系的全面深刻变革。欧美等发达国家甚至将其提升到“再工业化”、“重新夺回制造业”、“重振经济”的国家战略层面，都纷纷制定了增材制造产业政策，以其作为提升国家竞争力的核心技术之一。它最初由m.fockele博士等人开发，以此直接从金属粉末成形致密零件，并于1997年首次申请专利。slm技术与选择性激光烧结(selectivelasersintering，sls)技术的原理基本相同，成形过程基本一致，不同的是slm技术是基于完全熔化/凝固的成形机理，其成形零件致密性远高于sls技术，接近完全致密。这主要归功于激光技术的不断发展，激光能量密度提高、光斑直径减小，使金属粉末材料得以完全熔化。slm技术的成形机理也赋予它非常大的优势：如能成形致密的高度复杂零件，且其抗拉强度等机械性能均能优于相应的传统铸件，甚至能达到锻件水平。且由于打印过程材料的完全熔化，光斑直径的细小，使成形零件精度较高。同时该技术具有大大解放了设计者设计自由度，能使多个装配零件一体化成形，节约材料等优势。

slm技术的一般成形过程如下：1、将建好的复杂零件三维模型切片及支撑数据导入slm设备；2、根据材料选择slm成形工艺参数如激光功率、扫描速度、扫描间距等以及扫描策略；3、在基板上用刮刀铺一层金属粉末，并往设备通入惰性气体，直到氧含量低于指定值；4、激光器启动发射激光，根据扫描路径规划完成粉末的选区熔化；5、基板下降一层厚的距离，刮刀回到起始位置(单向)或者直接(双向)进行第二层铺粉。循环以上步骤直到零件成形结束。6、取件并进行后处理。

从slm技术的成形过程可以发现，slm成形效率除受激光功率、扫描速度、粉末层厚、扫描线长等工艺参数影响外，很大程度受铺粉过程等待时间的影响，且零件越高，成形层数越多，铺粉次数则越多，铺粉时长越长，导致整个零件加工工时加长，成形效率较低。且加工工时越长也会引起加工过程残余应力的释放，导致零件翘曲变形，从而影响零件的成形质量。因此，slm技术成形效率问题将成为阻碍其快速发展的一个重要技术瓶颈。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种选区激光熔化增材制造设备，以解决现有slm技术成形效率上的不足等问题；使选区激光熔化设备效率的显著提高。

为解决上述问题，本发明提供了一种选区激光熔化增材制造设备，包括激光振镜系统、供粉系统、铺粉装置、成形工作台系统、烟尘循环过滤系统；

所述铺粉装置包括铺粉刮刀和加速吹烟机构；所述加速吹烟机构对称布置分布在铺粉刮刀两侧；所述铺粉刮刀采用对称式反向设计；即在可动基台转动时保证粉末始终落在刮刀片前方，实现整个基台的均匀铺粉；

所述成形工作台系统包括基板、可动基台、推力球轴承、预热装置、固定基台、旋转装置、垂直上下运动装置；所述基板固定在可动基台上；所述可动基台通过推力球轴承固定在固定基台上；所述可动基台还连接有旋转装置，带动可动基台匀速旋转；所述固定基台与垂直上下运动装置连接，带动固定基台垂直上下运动；所述预热装置布置在可动基台内部；

所述烟尘循环过滤系统包括吹烟装置、吸烟装置和外接过滤系统；所述吹烟装置和吸烟装置之间形成气体对流，气流速度可调，烟尘通过外接过滤系统实现惰性气体的过滤并循环使用；

所述铺粉装置、成形工作台系统、烟尘循环系统均设在舱内；所述供粉系统位于铺粉装置的上方，并置于舱外，可实时加粉，并为刮刀间歇式定量均匀供给粉末，避免成形过程中断；所述铺粉装置位于基板中线位置正上方；所述激光振镜系统位于基板的上方并置于舱外；所述烟尘循环过滤系统的吸烟装置对称分布在铺粉装置的两端；实现和铺粉装置的气体对流；

所述激光振镜系统为线热源激光振镜系统，位于基板的上方，主要包括激光发生器、光纤、准直仪、扩束镜、振镜、场镜和分光器；光纤起激光传导作用，依次连接激光发生器、分光器、准直仪、扩束镜、振镜、场镜；激光发生器产生激光束，分光器用于激光能量的均匀分配，准直仪对光束进行准直，扩束镜用于调整光束直径和发散角，振镜控制扫描线方向和速度，场镜用于光斑和速度的校准；所述激光振镜系统扫描动作与可动基台的旋转运动协同化处理，实现激光熔化成形和铺粉动作同步进行。对激光进行均匀分流并整形成线阵激光光源，通过开关控制线阵点数来控制线热源长度，实现线热源成形。

进一步的，所述加速吹烟机构采用锥形吹气口设计，用于气流加速。

进一步的，所述预热装置采用螺旋分布在可动基台内部，提高预热温度均匀性。

进一步的，述旋转装置包括角接触球轴承、带轮机构和小型伺服电机；所述角接触球轴承与可动基台连接；所述小型伺服电机通过带轮机构和角接触球轴承带动可动基台匀速旋转运动。

进一步的，所述垂直上下运动装置包括丝杆机构、大型伺服电机；所述丝杆机构与所述固定基台连接；所述大型伺服电机通过丝杆机构带动固定基台垂直上下运动。

进一步的，所述可动基台可实现连续旋转。

进一步的，所述铺粉装置可左右移动避让激光扫描区域，实现成形区域覆盖整个基板面。

与现有技术相比，本发明基于可动基台旋转式对称铺粉，以及激光振镜系统和铺粉装置协同控制的增材制造技术，可实现激光熔化成形和铺粉动作同步进行，实现铺粉时间最短，接近忽略不计，大大缩短铺粉等待时间，解决了激光熔化增材制造成形效率低导致零件加工成本高难题。本发明还引入线激光热源，将使激光增材制造设备成形效率进一步成数十倍增加。尤其适用于复杂金属零部件的高效率成形。

附图说明

图1为实施例1的选区激光熔化增材制造设备的结构示意图；

图2为实施例2的选区激光熔化增材制造设备的结构示意图；

图3为本发明的选区激光熔化增材制造设备中铺粉装置结构示意图；

其中1激光振镜系统，2供粉系统，3吸烟循环系统，4铺粉装置，5基板，6可动基台，7推力球轴承，8预热装置，9固定基台，10角接触球轴承，11带轮机构，12小型伺服电机，13丝杆机构，14大型伺服电机，4-1刮刀架，4-2加速式吹烟机构，4-3刮刀片，4-4落粉口，4-5进气，4-6出气。

具体实施方式

下面通过借助实施例及附图更加详细地说明本发明，但下列实施例及附图仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。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。

实施例1

本发明的激光熔化增材制造设备如图1所示。所述设备包括了点热源激光振镜系统1；供粉系统2、铺粉装置4、成形工作台系统、烟尘循环系统。

成形工作台系统包括基板5、可动基台6、推力球轴承7、预热装置8、固定基台9、角接触球轴承10、带轮机构11、小型伺服电机12、丝杆机构13、大型伺服电机14。基板5固定在可动基台上6；可动基台6通过推力球轴承7固定在固定基台上9；角接触球轴承10与可动基台6连接，小型伺服电机12通过角接触球轴承10和带轮机构11带动可动基台6匀速旋转运动。丝杆机构13与固定基台9连接，大型伺服电机14通过丝杆机构13带动固定基台9垂直上下运动。预热装置8采用螺旋分布在可动基台6内部，提高预热温度均匀性。铺粉装置的两端设有传感器。

激光振镜系统1为点热源激光振镜系统，主要包括激光发生器、光纤、准直仪、扩束镜、振镜和场镜；为材料的熔化提供高斯点热源，并按照路径规划完成扫描。激光振镜系统可优选设有2套或4套或8套或12套。

烟尘循环系统包括吹烟装置、吸烟装置3和外接过滤系统。

铺粉装置、成形工作台系统、烟尘循环系统均设在舱内。选区激光熔化增材制造设备最外层设有一个外壳，可将激光振镜系统、供粉系统、铺粉装置、成形工作台系统、烟尘循环过滤系统盖起来。供粉系统2位于铺粉装置4的上方；可实时加粉，并为刮刀间歇式定量均匀供给粉末，避免成形过程中断；铺粉装置4位于基板5中线位置正上方并置于舱外；点热源激光振镜系统1位于基板5的上方并置于舱外；点热源激光振镜系统1扫描动作与可动基台6的旋转运动协同化处理，实现激光熔化成形和铺粉动作同步进行；实现铺粉时间最短，接近忽略不计。烟尘循环过滤系统的吸烟装置3对称分布在铺粉装置4的两端；实现和铺粉装置的气体对流。

如图3所示，铺粉装置4包括4-1刮刀架，4-2加速式吹烟机构，4-3刮刀片，4-4落粉口。4-2加速式吹烟机构包括4-5进气，4-6出气。加速吹烟机构对称布置分布在铺粉刮刀两侧；铺粉刮刀采用对称式反向设计；即在可动基台转动时保证粉末始终落在刮刀片前方，实现整个基台的均匀铺粉。加速吹烟机构采用锥形吹气口设计，用于气流加速。

本发明的具体实施先后顺序为：将基板5预先磨平固定在可动基台6上并调平至与刮刀片4-3一个层厚的距离，通过预热装置8进行加热到指定温度，同时往舱内充入惰性气体直到氧含量低于指定值。预热装置8布置在可动基台6内部，采用螺旋分布，提高温度分布均匀性。铺粉装置4位于基板中线位置正上方，定义为原始位置。供粉系统2位于铺粉装置4正上方且布置在舱外，便于实时粉末供给。通过供粉驱动2往铺粉装置4注入粉末，铺粉装置粉量通过两端的传感器进行检测。待所有前处理准备工作完成如工艺参数设置、舱内环境达到预设值，小型伺服电机12启动，通过带轮机构10带动圆形可动基台6进行匀速旋转运动，旋转速度可根据铺粉质量进行调整。可动基台6旋转180°即可实现整个加工平面的铺粉。烟尘循环过滤系统开启，实现铺粉装置4和吸烟循环系统3的气体对流。激光振镜系统1包括激光发生器、光纤、准直仪、扩束镜、振镜、场镜，根据成形尺寸大小可以选取多套激光振镜系统均匀布置，可优选2、4、8、12套激光振镜系统方案，完成零件多区域拼接成形。激光振镜系统1启动，根据扫描路径规划完成当前层选取激光熔化成形。当成形大尺寸零件时，铺粉装置4位于基板5中线位置，对零件成形有部分遮挡，此时铺粉装置4根据扫描路径规划智能选择向左或向右移动进行避让，结合可动基台6的旋转运动，以此实现整个大零件当前层的成形。铺粉装置4通过电机驱动带轮传动机构或丝杆传动机构实现左右运动。待成形完成当前层的成形，铺粉装置4回到原始位置。大型伺服电机14驱动丝杆机构13实现固定基台9向下移动一个层厚。重复以上步骤，实现整个零件的加工成形。

实施例2

本发明的选区激光熔化增材制造设备如图2所示。所述设备包括了线热源激光振镜系统1；供粉系统2、铺粉装置4、成形工作台系统、烟尘循环系统。

成形工作台系统包括基板5、可动基台6、推力球轴承7、预热装置8、固定基台9、角接触球轴承10、带轮机构11、小型伺服电机12、丝杆机构13、大型伺服电机14。基板5固定在可动基台上6；可动基台6通过推力球轴承7固定在固定基台上9；角接触球轴承10与可动基台6连接，小型伺服电机12通过角接触球轴承10和带轮机构11带动可动基台6匀速旋转运动。丝杆机构13与固定基台9连接，大型伺服电机14通过丝杆机构13带动固定基台9垂直上下运动。预热装置8采用螺旋分布在可动基台6内部，提高预热温度均匀性。铺粉装置的两端设有传感器。

烟尘循环系统包括吹烟装置、吸烟装置3和外接过滤系统。

铺粉装置、成形工作台系统、烟尘循环系统均设在舱内。选区激光熔化增材制造设备最外层设有一个外壳，可将激光振镜系统、供粉系统、铺粉装置、成形工作台系统、烟尘循环过滤系统盖起来。供粉系统2位于铺粉装置4的上方；可实时加粉，并为刮刀间歇式定量均匀供给粉末，避免成形过程中断；铺粉装置4位于基板5中线位置正上方并置于舱外；线热源激光振镜系统1位于基板5的上方并置于舱外；线热源激光振镜系统1扫描动作与可动基台6的旋转运动协同化处理，实现激光熔化成形和铺粉动作同步进行；实现铺粉时间最短，接近忽略不计。烟尘循环过滤系统的吸烟装置3对称分布在铺粉装置4的两端；实现和铺粉装置的气体对流。

如图3所示，铺粉装置4包括4-1刮刀架，4-2加速式吹烟机构，4-3刮刀片，4-4落粉口。4-2加速式吹烟机构包括4-5进气，4-6出气。加速吹烟机构对称布置分布在铺粉刮刀两侧；铺粉刮刀采用对称式反向设计；即在可动基台转动时保证粉末始终落在刮刀片前方，实现整个基台的均匀铺粉。加速吹烟机构采用锥形吹气口设计，用于气流加速。

激光振镜系统1为线热源激光振镜系统，主要包括激光发生器、光纤、准直仪、扩束镜、振镜、场镜和分光器；区别于实施例1激光振镜系统1采用了分光器，对激光进行均匀分流并整形成线阵激光光源，通过开关控制线阵点数来控制线热源长度，实现线热源成形，使零件成形效率成数十倍增加。激光振镜系统1启动实行激光熔化成形过程与可动基台6旋转运动进行协同优化处理，实现同步进行，即铺粉过程中进行激光熔化，将铺粉时间降到最低，进一步提高设备零件成形效率。