一种激光增材制造防裂装置的制作方法

本发明涉及一种激光增材制造的技术领域，具体涉及一种激光增材制造防裂装置。

背景技术：

激光增材制造俗称3d打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。

对于金属的激光增材加工制造中一般会选择性激光烧结法，其加工过程是做又称为选择性激光烧结，其加工过程是铺粉装置将活动缸体中的粉末材料平铺在成型缸体中已成型零件的，上表面并加热，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘结。当一层截面烧结完成后，缸体工作台下降一个层的厚度，铺料装置又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。由于受热不均匀产生应力与气泡从而造成材料成型不稳定与寿命短的问题产品存储时间过长后会因为内应力释放而变形。对容易发生变形的地方设计支撑，表面质量一般。

公开号为cn107603121a的一种耐翘曲防开裂的abs3d打印线材，这个专利仅仅在材料方面做出改变，而对于其它材料没有什么效果，仅仅局限于其一种材料，具有相当大的局限性。

申请号为201710099473.5的一种陶瓷3d打印挤出成型装置和方法只是采用了二位三通电磁阀与螺杆阀控制陶瓷材料的输送及及时停止，提高了打印的精度；螺杆采用聚四氟乙烯管，打印时不会粘住陶瓷材料，摩擦阻力非常小，保证材料流动的顺畅，防止气泡的产生；通过设置外部加热部分对打印挤出的陶瓷坯体进行烘烤，加快坯体的干燥速度，加快了打印的速度；同时加热部分发出的热量也可对挤出套内部的陶瓷材料进行加热，进一步保证了材料流动的顺畅，防止气泡的产生。该专利虽然提出防止产生气泡而开裂，但仅仅只限于陶瓷，不能对其他材料有防裂作用。

申请号为201611049166.8发明公开了一种3d打印线材及其制备方法，所述制备方法包括：将丙烯腈、丁二烯、苯乙烯塑料、聚乳酸、光敏树脂、尼龙、铝粉、陶瓷纤维、引发剂、交联剂和色料混合后熔融，形成熔融液m；将所述熔融液m拉丝成型得到所述3d打印线材；解决了普通的线材由于冷却速度不同，引起不均匀的收缩，容易导致线材成型后发生翘曲，影响成型品的质量的问题。该专利仅仅在3d打印线材方面改进，并不是对所有打印材料有用，具有相当大的局限性，没有达到防止所有打印材料开裂。

公开号为205826151u的一种sls技术所使用的温场测量装置仅可以控制单个区域加热温度的改变，而未实现对加热中心外围区域的温度控制问题，不能起到控制加工材料周围温度场的作用。

综上所述，采用择性激光烧结法或者采用一种耐翘曲防开裂的abs3d打印线材具有实际可行性，但并未达到理想的效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种激光增材制造防裂装置，解决增材制造过程中产生的应力或形变导致产品自身断裂及性能不达标的问题。利用分光镜与反射镜组成的分光装置改变增材制造过程中激光的发射方式，透镜与反射镜组成的照射装置，使得激光照射在金属上的光斑形成一个温度梯度，本发明能够对增材制造过程中受热不均匀的问题做出改善。通过分光装置与照射装置，使得增材制造的激光改变，从而在加工区域形成一个存在温度梯度的光斑，使打印时产生的温度梯度变得平缓，从而使成型的物体不会发生开裂；椭圆形光斑相对于与工件所做相对运动的运动方向的前端靠近圆形光斑，从而使得激光束的照射光斑与增材制造时工件表面的熔池的温度分布结构相匹配，更有利于平衡烧结效果和消除温差热应力；分光镜将射于的激光束分成50%的反射光和50%的穿透光，使得分光镜分出的激光强度相同；垂直射于工件表面的激光束所经过分光镜分光的次数在1次~4次的范围内，避免用于烧结的垂直设于工件表面的激光束由于分光次数过多之后导致激光束的强度较低而需要提高激光发射器的功率；激光束分别通过反光镜射于工件的表面，从而便于调整激光束与工件之间的入射角，操作方便、而且也提高了适用性；垂直射于工件的激光束经过透镜组后直径减小，进一步提高了用于烧结的激光束的强度，同时也便于增加射出椭圆形光斑其它激光束的数量，以减小工件烧结处周围不同温度梯度之间的温差，进一步有利于温差应力的消除；倾斜摄于工件的激光束经过透镜组后直径增加，提高了工件烧结处周围的温度梯度范围，进一步有利于温差应力的消除。

本发明所采取的技术方案是：

一种激光增材制造防裂装置，包括激光发射器和分光系统，所述激光发射器发出的光经过分光系统分成多组激光束，其中一组激光束垂直射于工件表面形成圆形光斑，其余的激光束分别倾斜射于工件的表面分别形成椭圆形光斑，所述圆形光斑小于其他激光束的椭圆形光斑，当椭圆形光斑有多个的时候、托圆形光斑的大小各不相同，所述较小的光斑位于较大的光斑范围内。

本发明进一步改进方案是，所述椭圆形光斑的长轴在同一直线上，并且椭圆形光斑的长轴经过圆形光斑的圆心。

本发明更进一步改进方案是，所述椭圆形光斑的长轴所在直线与圆形光斑的圆心相对于与工件的运动方向所在直线为同一直线。

本发明更进一步改进方案是，所述椭圆形光斑相对于与工件所做相对运动的运动方向的前端靠近圆形光斑。

本发明更进一步改进方案是，所述分光系统包括一级分光镜或多级分光镜。

本发明更进一步改进方案是，所述分光镜将射于的激光束分成50%的反射光和50%的穿透光。

本发明更进一步改进方案是，垂直射于工件表面的激光束所经过分光镜分光的次数在1次~4次的范围内。

本发明更进一步改进方案是，经过分光系统分光后的激光束分别通过反光镜射于工件的表面。

本发明更进一步改进方案是，经过分光系统分光后的激光束分别通过透镜组后形成平行光束射于工件的表面。

本发明更进一步改进方案是，垂直射于工件的激光束经过透镜组后直径减小。

本发明更进一步改进方案是，倾斜摄于工件的激光束经过透镜组后直径增加。

本发明的有益效果在于：

第一、本发明的一种激光增材制造防裂装置，通过分光装置与照射装置，使得增材制造过程中激光改变，从而在加工区域形成一个存在温度梯度的光斑，使打印时产生的温度梯度变得平缓，从而使成型的物体不会发生开裂。

第二、本发明的一种激光增材制造防裂装置，所述椭圆形光斑的长轴在同一直线上，并且椭圆形光斑的长轴经过圆形光斑的圆心所述椭圆形光斑的长轴所在直线与圆形光斑的圆心相对于与工件的运动方向所在直线为同一直线；椭圆形光斑相对于与工件所做相对运动的运动方向的前端靠近圆形光斑，从而使得激光束的照射光斑与增材制造时工件表面的熔池的温度分布结构相匹配，更有利于平衡烧结效果和消除温差热应力。

第三、本发明的一种激光增材制造防裂装置，分光镜将射于的激光束分成50%的反射光和50%的穿透光，使得分光镜分出的激光强度相同。

第四、本发明的一种激光增材制造防裂装置，垂直射于工件表面的激光束所经过分光镜分光的次数在1次~4次的范围内，避免用于烧结的垂直设于工件表面的激光束由于分光次数过多之后导致激光束的强度较低而需要提高激光发射器的功率。

第五、本发明的一种激光增材制造防裂装置，激光束分别通过反光镜射于工件的表面，从而便于调整激光束与工件之间的入射角，操作方便、而且也提高了适用性。

第六、本发明的一种激光增材制造防裂装置，垂直射于工件的激光束经过透镜组后直径减小，进一步提高了用于烧结的激光束的强度，同时也便于增加射出椭圆形光斑其它激光束的数量，以减小工件烧结处周围不同温度梯度之间的温差，进一步有利于温差应力的消除。

第七、本发明的一种激光增材制造防裂装置，倾斜摄于工件的激光束经过透镜组后直径增加，提高了工件烧结处周围的温度梯度范围，进一步有利于温差应力的消除。

附图说明：

图1为本申请的光路示意图。

图2为本申请的光斑放大示意图。

具体实施方式：

结合图1~图2可知，本发明包括激光发射器1和分光系统，分光系统包括第一级分光镜2和第二级分光镜a3和第二级分光镜b4，还包括反射镜a5、反射镜b6、反射镜c7、反射镜d8、反射镜e9，以及透镜组a10、透镜组b11、透镜组c12和透镜组d13。

所述激光发射器1发出的光经过分光系统分成4组激光束：

激光发射器1发出的激光束a经过第一级分光镜2的分光后分成反射的激光束b和穿透的激光束c；激光束b再经过第二级分光镜a3的分光后分成反射的激光束e和穿透的激光束d；激光束c再经过第二级分光镜b4的分光后分成反射的激光束g和穿透的激光束h。

其中激光束e经过反光镜a5反射出激光束f，激光束f再经过透镜组a10后射出激光束k，激光束k的直径小于激光束f的直径、并且激光束k垂直射于工件14表面、形成圆形光斑15。

其中激光束d经过透镜组b11后射出激光束j，激光束j的直径大于激光束d的直径，激光束j经过反光镜c7反射出激光束n，激光束n倾斜射于工件14表面的圆形光斑15位置处，形成椭圆形光斑a16。

其中激光束g经过透镜组c12后射出激光束l，激光束l的直径大于激光束g的直径，激光束l经过反光镜d8反射出激光束o，激光束o倾斜射于工件14表面的圆形光斑15位置处，形成椭圆形光斑b17.

其中激光束h经过反光镜b6反射出激光束i，激光束i经过透镜组d13后射出激光束m，激光束m的直径大于激光束i的直径，激光束m经过反光镜e9反射出激光束p，激光束p倾斜射于工件14表面的圆形光斑15位置处，形成托圆形光斑c18。

其中激光束n与工件14表面的入射角小于激光束o与工件14表面的入射角，并且激光束o与工件14表面的入射角小于激光束p与工件14表面的入射角，所以椭圆形光斑a16小于椭圆形光斑b17、椭圆形光斑b17小于椭圆形光斑c18。

另外椭圆形光斑a16的长轴、椭圆形光斑b17的长轴和椭圆形光斑c18的长轴同轴、并且经过圆形光斑15的圆心。

所述椭圆形光斑a16的长轴、椭圆形光斑b17的长轴和椭圆形光斑c18的长轴所在直线与圆形光斑15的圆心相对于与工件14的运动方向所在直线为同一直线。

所述椭圆形光斑a16、椭圆形光斑b17和椭圆形光斑c18相对于与工件14所做相对运动的运动方向的前端均靠近圆形光斑15。