一种集成激光清洗和3D打印成型加强筋的装置及控制方法

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种集成激光清洗和3d打印成型加强筋的装置及控制方法。

背景技术：

1、激光清洗是利用激光束在材料表面产生的高能量密度区域，将表面污染物或者氧化层等物质通过烧蚀、汽化等方式去除的一种表面清洗技术。激光清洗具有无化学污染、高效、节能、易自动化等优点。激光定向能量沉积(laser directed energy deposition,lded)技术，由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔区，熔化后逐层沉积，最终获得所需的金属构件或指定结构，激光定向能量沉积技术具有高精度、高效率、无接触等优点。

2、利用激光定向能量沉积技术在复杂金属构件表面成形加强筋具有以下优势：激光定向能量沉积技术可以通过逐层沉积金属粉末的方式制造金属加强筋，相较于传统的加工方法，减少了材料浪费；激光定向能量沉积技术可以快速制造出形状复杂的金属加强筋，相较于传统的加工方法，大大提高了制造效率；激光定向能量沉积技术可以根据特定要求和需求进行定制，生产出符合需求的金属构件，满足不同应用领域对构件加强筋性能的需求。

3、在现有技术情况下，经过激光清洗的零部件在进行后续激光定向能量沉积等加工过程前，通常暴露在空气气氛下，化学性质活泼的材料如铝合金，容易产生新的氧化层，不利于后续加工。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的上述不足，本发明通过将激光清洗过程集成到激光定向能量沉积加工加强筋的过程中，提供一种集成激光清洗和3d打印成型加强筋的装置及控制方法，对于易氧化金属构件的成形或加强筋构件有很高的应用价值，结合两项技术将激光器的利用率提高到最大，充分利用激光器的多种功能，使生产效率更高。其次，通过激光清洗将工件表面的污垢和氧化物去除后，再利用激光定向能量沉积技术对清洗后的表面进行加工处理，可以保证表面的精度和光洁度。此外，对于某些复杂结构的工件，激光清洗可以清除难以清洗的内部污渍，激光能量沉积可以对内部结构进行加工，达到清洗和加工的双重效果。本发明能够实现易氧化金属构件表面加强筋成形和激光修复，提高材料利用率，同时避免二次氧化的发生。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种集成激光清洗和3d打印成型加强筋的装置，该装置用于在已成型的金属构件上通过3d打印成型加强筋，包括三维扫描仪、旋转升降成形台、粉末收集装置、封闭气密性保护装置、同轴送粉激光头和多轴运动机械臂；

4、所述三维扫描仪、旋转升降成形台、粉末收集装置、同轴送粉激光头和多轴运动机械臂均位于所述封闭气密性保护装置内部；所述同轴送粉激光头安装在所述多轴运动机械臂上，所述多轴运动机械臂用于实现所述同轴送粉激光头在所述封闭气密性保护装置内部工作区域内的三维移动；所述同轴送粉激光头连接有送粉管与保护气管，用于实现同轴送粉激光增材制造；

5、所述三维扫描仪用于扫描位于所述旋转升降成形台上的已成型的金属构件，得到已成型的金属构件的复杂表面构件图像信息，并进行三维重构后，输入激光清洗控制装置中；

6、所述封闭气密性保护装置包括排气管、粉末收集管和保护气管，其中排气管和粉末收集管与外部的真空泵连接，保护气管与外部的高纯氩气连接。

7、进一步地，所述三维扫描仪包括：主拍摄镜头、辅助拍摄镜头、激光对焦装置和顶部标准螺纹卡口；所述辅助拍摄镜头和激光对焦装置均为两个，均分别在所述三维扫描仪两侧对称分布；所述激光对焦装置能够生成红色点状或十字激光，用于确定三维扫描仪拍摄时的焦点；所述顶部标准螺纹卡口用于将三维扫描仪安装在封闭气密性保护装置内部，实时检测已成型的金属构件的三维结构。

8、进一步地：所述旋转升降成形台包括成形平台、三维扫描仪定位点、液压升降杆、平台旋转装置和气密性保护底座；所述成形平台固连在所述所述液压升降杆上；所述液压升降杆安装在所述平台旋转装置中，用于实现成形平台上下移动；所述平台旋转装置内部为电动机控制的行星齿轮组，用于实现成形平台绕中轴匀速旋转特定角度，辅助所述三维扫描仪得到已成型的金属构件的表面三维特征。

9、进一步地：所述粉末收集装置安装在封闭气密性保护装置内部，且位于所述旋转升降成形台上方，包括粉末收集软管、粉末收集口和粉末收集口法兰；所述粉末收集软管与真空泵连接，用于收集激光定向能量沉积实验过程中从同轴送粉激光头中喷出未进入熔池的多余金属粉末。

10、进一步地：所述同轴送粉激光头固连在所述多轴运动机械臂上，所述同轴送粉激光头包括从内到外依次嵌套且同轴布置的内锥体、中间锥体、外锥体、冷却套；所述内锥体内部包含光路系统激光路径；所述中间锥体通过其上的粉末输送孔与供粉系统相连；所述外锥体通过其上的保护气孔与高纯氩气连通；所述冷却套位于所述同轴送粉激光头的底部，通过其上的冷却水入口与冷却水循环系统相连；

11、所述多轴运动机械臂包括依次连接的激光头安装台、球形旋转机构、机械臂旋转关节和机械臂连杆；所述多轴运动机械臂通过球形旋转机构和机械臂旋转关节配合运动实现安装在所述激光头安装台上的同轴送粉激光头的不同姿态；所述多轴运动机械臂通过机械臂连杆的伸缩运动实现所述同轴送粉激光头移动到不同位置。

12、一种集成激光清洗和3d打印成型加强筋的装置的控制方法，该方法包括如下步骤：

13、步骤一：将需要成形加强筋的已成型的金属构件放置在旋转升降成形台上，所述旋转升降成形台每旋转固定角度，使用经过标定的三维扫描仪拍摄已成型的金属构件的图像，直到完全记录下已成型的金属构件的复杂表面构件图像信息，根据获得的图像进行三维重构，得到已成型的金属构件的三维表面信息，输入到激光清洗控制装置中；

14、步骤二：打开封闭气密性保护装置的排气管、真空泵，向封闭气密性保护装置内通入高纯氩气，控制氩气压力保持在1.0mpa以下，观察封闭气密性保护装置内的氧含量，当氧含量低于0.05％时，关闭排气管真空泵；

15、步骤三：激光清洗控制装置根据所述三维表面信息生成激光头各轴的位移运动轨迹，打开冷却水循环系统，循环冷却水通过冷却水入口进入冷却套，打开激光生成系统，同轴送粉激光头和多轴运动机械臂根据激光头运动轨迹在已成型的金属构件表面进行激光清洗工作，去除构件表面不平整或氧化层；

16、步骤四：激光清洗过程结束后，打开供粉系统、载粉气与保护气，金属粉末通过粉末输送孔进入中间锥体，载粉气与保护气通过保护气孔进入外锥体，调整激光工艺参数，打开激光生成系统，同轴送粉激光头和多轴运动机械臂根据结构强度需要，在已成型的金属构件的表面上堆叠成形加强筋，最终实现激光定向能量沉积构件表面加强筋成形。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、本发明公开的集成激光清洗和3d打印成型加强筋的装置，包括三维扫描仪、旋转升降成形台、粉末收集装置、封闭气密性保护装置、同轴送粉激光头和多轴运动机械臂；其中同轴送粉激光头可自由调节激光光斑直径、激光功率、粉末供给、保护气供给，使用不同的工艺参数应对激光清洗或激光定向能量沉积等不同的加工工况。将激光清洗处理过程整合到激光定向能量沉积加工过程中，使整个“前处理-加工-后处理”流程都处于封闭气密性保护装置提供的保护气氛之下，可以避免二次氧化的发生，提高成形质量；旋转升降成形台可实现360°旋转及上下升降运动，在成形过程中与多轴运动机械臂配合可以提高成形效率；粉末收集装置回收多余的金属粉末，不仅可以提高材料利用率，获得经济效益，还可以减少加工过程中由漂浮金属粉末引起的可能危险。