CN104439240A - 激光成形制造集成平台设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光成形制造集成平台设备，成形子平台上设有激光熔覆沉积设备、选择性激光熔化成形设备和选择性激光烧结设备中的至少两种，修复子平台上设有能相对运动的激光熔覆沉积成形熔覆喷头和工件定位装置，激光器总成内的各路光纤将激光器的激光束分别供应给修复子平台和成形子平台内各设备，总控制***控制激光子控制***、成形子控制***和修复子控制***工作，成形子控制***控制成形子平台上各设备工作，修复子控制***控制修复子平台上各设备工作，激光子控制***控制激光器总成各路光纤上激光的功率和各路光纤上光闸的开合，本发明将多种激光成形设备集成在一起，提高了设备的性价比和生产效率，节省了能源。

Description

激光成形制造集成平台设备
技术领域
本发明涉及一种激光金属三维增材成形设备，特别涉及一种激光成形制造集成设备。
背景技术
在激光三维增材成形技术领域中激光熔覆沉积成形（Laser Cladding Deposition，以下简称LCD）和选择性激光熔化成形（SelectiveLaser Melting，以下简称SLM）是最为重要的无偏析（Segregation-free）和高柔性（high flexible）金属成形技术。LCD可将金属熔滴沉积在任意界面：磨损零件之表面——完成零件的修复；支撑结构的表面——完成金属结构件的直接制造；异种金属的表面——完成材料梯度结构成形制造等等。LCD可完成尺寸大，重量重，高性能，高可靠性的金属结构件，因而受到航空等高端制造界的青睐。SLM是三维打印家族中在成形件的复杂程度方面名列第一的，可完成嵌套性（复杂的多层包容性）、蜂窝性（以规则和不规则小子结构支撑母结构的特性）和三维曲线腔管性（在实体中的，贯通的，任意截面管道）结构之成形。选择性激光烧结成形（Selective Laser Sintering,简称SLS）与SLM十分相似，（仅激光功率小一些，粉末颗粒仅表面熔化——烧结。
目前，LCD、SLM和SLS工艺是在不同的独立三维增材成形设备中分别执行，激光金属三维增材成形设备工作时，激光的占空比（激光空运转与激光熔化金属所占时间比例）是很小的，按全工艺时间计算，相当多的时间用于探伤、检测、调整等，有的***甚至每堆积1~2层金属，就需探伤检测一次，浪费能源，同时购买两台设备成本高，占用空间大。
发明内容
为了弥补以上不足，本发明提供了一种激光成形制造集成设备，该激光成形制造集成设备性价比高，生产效率高，节省能源。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光成形制造集成平台设备，包括总控制***、成形子控制***、修复子控制***、激光子控制***、成形子平台、修复子平台、送粉器和激光器总成，所述成形子平台上设有激光熔覆沉积设备、选择性激光熔化成形设备和选择性激光烧结设备中的至少两种，修复子平台上设有激光熔覆沉积成形熔覆喷头和用于定位工件的工件定位装置，其中激光熔覆沉积成形熔覆喷头与工件定位装置上的工件能够相对运动实现将熔滴喷射于工件设定位置表面，送粉器为激光熔覆沉积成形熔覆喷头和成形子平台上激光熔覆沉积设备供粉，激光器总成内设有激光器和至少三路光纤，各路光纤将激光器产生的激光束分别供应给修复子平台上的激光熔覆沉积成形熔覆喷头和成形子平台内各设备，各路光纤上均设有光闸，总控制***分别控制激光子控制***、成形子控制***和修复子控制***工作，其中成形子控制***控制成形子平台上选择性激光熔化成形设备、选择性激光烧结设备和激光熔覆沉积设备工作，修复子控制***控制修复子平台上激光熔覆沉积成形熔覆喷头和工件定位装置工作，激光子控制***控制激光器总成各路光纤上激光的功率和各路光纤上光闸的开合。
作为本发明的进一步改进，所述激光器总成内还设有冷水机，冷水机给激光器提供冷却用水来冷却激光器。
作为本发明的进一步改进，成形子平台上设有选择性激光熔化成形（SLM）设备、选择性激光烧结(SLS)和激光熔覆沉积成形（LCD）设备。
作为本发明的进一步改进，还设有密封的惰性气氛加工室、净化气体储存罐和净化气体子控制***，所述选择性激光熔化成形（SLM）设备和激光熔覆沉积成形（LCD）设备位于惰性气氛加工室内，净化气体子控制***控制净化气体储存罐内净化气体供应到惰性气氛加工室内，总控制***控制净化气体子控制***启停。
作为本发明的进一步改进，工件定位装置包括用于定位盘类零件的定位盘以及用于定位杆轴件的卡盘、床头箱、支撑辊和尾座，所述卡盘能够转动定位于床头箱一侧，尾座与卡盘同轴对应设置，至少一对用于支撑工件的支撑辊能够同向转动定位于卡盘和尾座之间，还设有一机床子控制***，该机床子控制***控制床头箱带动卡盘(按要求的转速)旋转，总控制***控制机床子控制***启停，激光熔覆沉积成形熔覆喷头固定喷头定位装置上，喷头定位装置能够分别与定位盘和卡盘发生相对运动并将熔滴喷射于定位盘和卡盘上的工件设定位置表面。
作为本发明的进一步改进，喷头定位装置包括一工业机器人，所述激光熔覆沉积成形熔覆喷头固定于工业机器人手臂端部，还设有一工业机器人子控制***，工业机器人子控制***控制工业机器人运动，总控制***控制工业机器人子控制***启停。
作为本发明的进一步改进，所述激光熔覆沉积成形熔覆喷头为同轴送粉熔覆喷头和偏轴送粉熔覆喷头中的一种。
作为本发明的进一步改进，激光熔覆沉积成形设备为具有加速金属粉流动功能和无加速金属粉流动功能的一种。
作为本发明的进一步改进，激光熔覆沉积成形设备为具有聚焦集束磁透镜和无聚焦集束磁透镜中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述总控制***通过激光控制***控制激光器产生波长为1060nm激光束，光纤上采用1分4光闸使激光束通过4路光纤，分时进入或分功率同时进入选择性激光熔化成形（SLM）设备、选择性激光烧结(SLS)设备和激光熔覆沉积成形设备（LCD），所述激光器为15um-500nm的CO2激光器、半导体激光器、光纤激光器、YAG激光器、碟式激光器中的一种，激光器功率为500W～1.6万W。
本发明的有益技术效果是：本发明通过将选择性激光熔化成形（SLM）设备、选择性激光烧结(SLS)设备和激光熔覆沉积成形（LCD）设备集成在一起，通过总控制***、成形子控制***和修复子控制***等控制各个设备分别工作，它们共用一套激光器总成、一个惰性气氛加工室、一套净化气体子控制***等，各个激光金属三维增材成形设备通过光纤和光闸“全功率分时”或“分功率同时”工作，其与各个独立激光金属三维增材成形设备相比，具有明显的性能、价格比优势，提高了激光金属三维增材成形设备的性价比，提高生产效率，节省能源，减小设备和工程投资。
附图说明
图1为发明的结构原理示意图。
具体实施方式
实施例：一种激光成形制造集成平台设备，包括总控制***1、成形子控制***2、修复子控制***12、激光子控制***3、成形子平台、修复子平台、送粉器和激光器总成，所述成形子平台上设有激光熔覆沉积（LCD）设备18、选择性激光熔化成形（SLM）设备7和选择性激光烧结(SLS)设备8中的至少两种，修复子平台上设有激光熔覆沉积成形熔覆喷头20和用于定位工件的工件定位装置，其中激光熔覆沉积成形熔覆喷头20与工件定位装置上的工件能够相对运动实现将熔滴喷射于工件设定位置表面，送粉器21为激光熔覆沉积成形熔覆喷头20和成形子平台上激光熔覆沉积（LCD）设备供粉，激光器总成内设有激光器5和至少三路光纤，各路光纤将激光器5产生的激光束分别供应给修复子平台上的激光熔覆沉积成形熔覆喷头20和成形子平台内各设备，各路光纤上均设有光闸4，总控制***1分别控制激光子控制***3、成形子控制***2和修复子控制***12工作，其中成形子控制***2控制成形子平台上选择性激光熔化成形设备、选择性激光烧结设备和激光熔覆沉积设备18工作，修复子控制***12控制修复子平台上激光熔覆沉积成形熔覆喷头20和工件定位装置工作，激光子控制***3控制激光器总成各路光纤上激光的功率和各路光纤上光闸4的开合。
从成形学的角度分析，激光熔覆沉积（LCD）和选择性激光熔化成形（SLM）都是通过激光束（高能束）与粉末态金属的直接热能传递，熔化金属粉末（微粒）、沉积液态金属熔滴（微滴）而成形，即均为基于金属的“微粒熔化—微滴组装”的成形机理，因而具有共同的成形原理、技术内核和高度的共用性、互补性以及拓展性。根据微粒融化与微滴沉积的先后关系，可分为，“之前熔化”、“同时熔化”和“之后熔化”三类，“之前熔化”：合金粉末微粒从离开喷咀孔至熔池的沉降路径上已被激光完全熔化（也有部分熔化），熔化的微滴进入熔池组装成形，粉末先熔化后沉积组装，属激光熔覆沉积（LCD）范畴，常见于同轴送粉激光熔覆沉积（LCD）；“同时熔化”：粉末微粒到达熔池的瞬间才即刻融化，也就是边熔化成液态微滴边沉积组装，常见偏轴送粉激光熔覆沉积（LCD）等；“之后熔化”：激光根据扫描路径对当前层粉末微粒——已铺在粉床上并被压实的粉末微粒（已先沉积）进行聚焦熔化（之后熔化），功率足够的激光束，完全熔化被聚焦的粉末微粒及已成形的上一层金属实体的表层，使其熔为一体，冶金结合而成形，即选择性激光熔化成形（SLM）。“之后熔化”的另一种情况：称为选择性激光烧结，即降低激光的功率，其仅能熔化被聚焦的金属粉末微粒的表层，并与已成形金属实体表层相冶金结合，类似粉末冶金烧结过程，从而得名选择性激光烧结，即SLS——Selective Laser Sintering；由于选择性激光烧结（SLS）与选择性激光熔化成形（SLM）具有相同的成形机理，仅激光功率大小不同。采用选择性激光烧结（SLS）与选择性激光熔化成形（SLM）一样，可完成复杂的，其它工艺难以完成的嵌套性、蜂窝性、三维曲线腔管性结构，选择性激光烧结（SLS）适用于非金属，选择性激光熔化成形（SLM）适用于金属，本集成设备可以将选择性激光烧结（SLS）也纳入，使其功能更强大，用途更广泛，工作时，激光熔覆沉积成形（LCD）设备和选择性激光熔化成形（SLM）设备7在总控制***1、成形子控制***2和修复子控制***12的管控下采用同一激光器总成，通过光纤和光闸4“全功率分时”或“分功率同时”，传输给激光熔覆沉积成形（LCD）设备的熔覆头和选择性激光熔化成形（SLM）设备7（或选择性激光烧结(SLS)设备8）的振镜，分时或同时完成激光熔覆和激光熔化工艺，实现了各种激光金属三维增材成形设备集成在一个平台***中，使***同时拥有熔覆和熔化两类功能，即涵盖了金属成形制造绝大部分功能，同时大部分贵重的、昂贵的子***,如激光器总成等等共用，它们共用的总控制***1和子控制***、激光器总成等占整个***价格的二分之一至三分之二。激光熔覆沉积成形（LCD）/选择性激光熔化成形（SLM）集成平台与激光熔覆沉积成形（LCD）和选择性激光熔化成形（SLM）两种独立设备相比，具有明显的性能、价格比优势，提高了激光金属三维增材成形设备的性价比，提高生产效率，节省能源，减小设备和工程投资。
所述激光器总成内还设有冷水机6，冷水机6给激光器5提供冷却用水来冷却激光器5。
成形子平台上设有选择性激光熔化成形（SLM）设备7、选择性激光烧结(SLS)和激光熔覆沉积成形（LCD）设备，使集成设备同时具有选择性激光熔化成形（SLM）、选择性激光烧结(SLS)和激光熔覆沉积成形（LCD）设备三种功能之设备。
还设有密封的惰性气氛加工室9、净化气体储存罐10和净化气体子控制***11，所述选择性激光熔化成形（SLM）设备7和激光熔覆沉积成形（LCD）设备位于惰性气氛加工室9内，净化气体子控制***11控制净化气体储存罐10内净化气体供应到惰性气氛加工室9内，总控制***1控制净化气体子控制***启停，实现无氧加工，避免产品加工过程中氧化，确保产品的加工质量。
工件定位装置包括用于定位盘类零件的定位盘15以及用于定位杆轴件的卡盘16、床头箱17、支撑辊和尾座，所述卡盘16能够转动定位于床头箱17一侧，尾座与卡盘16同轴对应设置，至少一对用于支撑工件的支撑辊能够同向转动定位于卡盘16和尾座之间，还设有一机床子控制***12，该机床子控制***12控制床头箱带动卡盘按要求的转速旋转，总控制***1控制机床子控制***启停，激光熔覆沉积成形熔覆喷头20固定于喷头定位装置上，喷头定位装置能够分别与定位盘15和卡盘16发生相对运动并将熔滴喷射于定位盘15和卡盘16上的工件设定位置表面，杆轴类可以定位在卧式花盘车床、立式花盘上，卡盘最好为花盘，只要能够实现杆轴类工件转动定位即可，实现了杆轴类工件和盘类工件分别的快速定位和加工修复，定位方便，定位方式简单，除了此种分别定位加工方式外还可以采用其它定位方式，如夹紧固定方式。
喷头定位装置包括一工业机器人19，所述激光熔覆沉积成形熔覆喷头20固定于工业机器人手臂端部，还设有一工业机器人子控制***13，工业机器人子控制***13控制工业机器人19运动，总控制***1控制工业机器人子控制***13启停，通过采用工业机器人实现了激光熔覆沉积成形熔覆喷头20在一定范围内任意位置的修复加工，自动化程度高，当然也可以通过使定位盘和卡盘相对激光熔覆沉积成形熔覆喷头20运动，进而实现其上零件任意位置到达激光熔覆沉积成形熔覆喷头20所在位置，实现全方位修复，工业机器人可选用自由度为3～6轴的，工业机器人可置于地基上或滑座14上，用拖链或不用拖链带动其沿滑座运动。
所述激光熔覆沉积成形熔覆喷头20为同轴送粉熔覆喷头和偏轴送粉熔覆喷头中的一种。
激光熔覆沉积成形设备为具有加速金属粉流动功能和无加速金属粉流动功能的一种。
激光熔覆沉积成形设备为具有聚焦集束磁透镜和无聚焦集束磁透镜中的一种。
所述总控制***1通过激光控制***控制激光器5产生波长为1060nm激光束，光纤上采用1分4光闸4使激光束通过4路光纤，分时进入或分功率同时进入选择性激光熔化成形（SLM）设备7、选择性激光烧结(SLS)设备8和激光熔覆沉积成形设备（LCD），所述激光器5为15um-500nm的CO2激光器、半导体激光器、光纤激光器、YAG激光器、碟式激光器中的一种，激光器5功率为500W～1.6万W。

Claims (10)

1.一种激光成形制造集成平台设备，其特征为：包括总控制***（1）、成形子控制***（2）、修复子控制***（12）、激光子控制***（3）、成形子平台、修复子平台、送粉器和激光器总成，所述成形子平台上设有激光熔覆沉积设备（18）、选择性激光熔化成形设备（7）和选择性激光烧结设备（8）中的至少两种，修复子平台上设有激光熔覆沉积成形熔覆喷头（20）和用于定位工件的工件定位装置，其中激光熔覆沉积成形熔覆喷头（20）与工件定位装置上的工件能够相对运动实现将熔滴喷射于工件设定位置表面，送粉器（21）为激光熔覆沉积成形熔覆喷头（20）和成形子平台上激光熔覆沉积设备供粉，激光器总成内设有激光器（5）和至少三路光纤，各路光纤将激光器（5）产生的激光束分别供应给修复子平台上的激光熔覆沉积成形熔覆喷头（20）和成形子平台内各设备，各路光纤上均设有光闸（4），总控制***（1）分别控制激光子控制***（3）、成形子控制***（2）和修复子控制***（12）工作，其中成形子控制***（2）控制成形子平台上选择性激光熔化成形设备、选择性激光烧结设备和激光熔覆沉积设备（18）工作，修复子控制***（12）控制修复子平台上激光熔覆沉积成形熔覆喷头（20）和工件定位装置工作，激光子控制***（3）控制激光器总成各路光纤上激光的功率和各路光纤上光闸（4）的开合。
2.如权利要求1所述的激光成形制造集成平台设备，其特征是：所述激光器总成内还设有冷水机（6），冷水机（6）给激光器（5）提供冷却用水。
3.如权利要求1所述的激光成形制造集成平台设备，其特征是：成形子平台上设有选择性激光熔化成形设备（7）、选择性激光烧结和激光熔覆沉积成形设备。
4.如权利要求3所述的激光成形制造集成平台设备，其特征是：还设有密封的惰性气氛加工室（9）、净化气体储存罐（10）和净化气体子控制***（11），所述选择性激光熔化成形设备（7）和激光熔覆沉积成形设备位于惰性气氛加工室（9）内，净化气体子控制***（11）控制净化气体储存罐（10）内净化气体供应到惰性气氛加工室（9）内，总控制***（1）控制净化气体子控制***启停。
5.如权利要求1所述的激光成形制造集成平台设备，其特征是：工件定位装置包括用于定位盘类零件的定位盘（15）以及用于定位杆轴件的卡盘（16）、床头箱（17）、支撑辊和尾座，所述卡盘（16）能够转动定位于床头箱（17）一侧，尾座与卡盘（16）同轴对应设置，至少一对用于支撑工件的支撑辊能够同向转动定位于卡盘（16）和尾座之间，还设有一机床子控制***（12），该机床子控制***（12）控制床头箱带动卡盘旋转，总控制***（1）控制机床子控制***启停，激光熔覆沉积成形熔覆喷头（20）固定于喷头定位装置上，喷头定位装置能够分别与定位盘（15）和卡盘（16）发生相对运动并将熔滴喷射于定位盘（15）和卡盘（16）上的工件设定位置表面。
6.如权利要求5所述的激光成形制造集成平台设备，其特征是：喷头定位装置包括一工业机器人（19），所述激光熔覆沉积成形熔覆喷头（20）固定于工业机器人手臂端部，还设有一工业机器人子控制***（13），工业机器人子控制***（13）控制工业机器人（19）运动，总控制***（1）控制工业机器人子控制***（13）启停。
7.如权利要求1所述的激光成形制造集成平台设备，其特征是：所述激光熔覆沉积成形熔覆喷头（20）为同轴送粉熔覆喷头和偏轴送粉熔覆喷头中的一种。
8.如权利要求1所述的激光成形制造集成平台设备，其特征是：激光熔覆沉积成形设备为具有加速金属粉流动功能和无加速金属粉流动功能的一种。
9.如权利要求1所述的激光成形制造集成平台设备，其特征是：激光熔覆沉积成形设备为具有聚焦集束磁透镜和无聚焦集束磁透镜中的一种。
10.如权利要求5所述的激光成形制造集成平台设备，其特征是：所述总控制***（1）通过激光控制***控制激光器（5）产生波长为1060nm激光束，光纤上采用1分4光闸（4）使激光束通过4路光纤，分时进入或分功率同时进入选择性激光熔化成形设备（7）、选择性激光烧结设备（8）和激光熔覆沉积成形设备，所述激光器（5）为15um-500nm的CO2激光器、半导体激光器、光纤激光器、YAG激光器、碟式激光器中的一种，激光器（5）功率为500W～1.6万W。
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