CN106493366A - 多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置 - Google Patents

多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基板自动调平，能够监测铺粉及制品孔隙率、熔池温度、形状及面积和对成形件进行定向加热，的多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置，采用的技术方案为：成型腔下部设置有收料缸、成型缸和送粉缸，成型缸内安装有基板调平油缸，成形腔内铺粉刮刀支架滑动安装在滑轨上，刮刀支架的下部固定有铺粉刮刀，刮刀支架上同时安装有压实滚筒，压实滚筒下方安装应力传感器，成型腔体内上部设置有采集铺粉及制品孔隙率的电子显微镜和熔池监测CCD相机，成型腔体的顶部设置有激光扫描***、定向加热激光器和报警装置，成型腔体后壁设置有进排气装置，成型腔体侧壁上设置有主控***，本发明用于金属粉末材料选择性激光熔化成形。

Description

多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置
技术领域
本发明涉及一种多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置，属于3D打印增材制造技术领域。
背景技术
3D打印技术是一种与传统材料加工方法相反，基于三维CAD模型数据，通过材料逐层叠加构造三维物体的技术。3D打印是根据三维模型，以高分子塑料、光敏树脂、金属粉末、覆膜粉体等材料为原料，通过逐层叠加材料的原理来实现三维模型的制造。3D打印技术集CAD、机械自动化等技术于一体，简化了制造程序，缩短新品研制周期，降低开发成本和风险，被认为是第三次工业革命。
选择性激光熔化成形技术（SLM）是3D打印技术领域最具发展潜力的技术之一。该技术利用高能束激光直接熔化金属粉末，可成形高性能金属零件。SLM成形时先在计算机上设计出零件的三维模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的二维轮廓数据，随后将处理完的数据导入成形设备。工作时送粉缸先上升一定高度，由刮刀将粉末在成型缸上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地熔化凝固金属粉末材料以形成零件的一个层面。当该层轮廓扫描完毕后，重复上述步骤进行下一层面的激光熔化成形，直到整个零件加工完毕成三维金属零件。该技术可制造形状复杂的金属制品，成形件力学性能好、精度高，在医疗、航空航天、军事等领域有重要应用。
目前SLM成形过程中，仍存在以下问题需要解决：
①基板难以自动调平。为了减小零件翘曲变形，通常将制品烧结在基板上，使制品与基板成为一体。目前基板调平主要是人工采用塞尺进行调平，调整过程繁琐，精度低，降低了成形效率。
②铺粉及制品孔隙率难以监测。成形过程中铺粉及制品内部孔隙率直接影响制品组织性能。目前SLM成形过程中无法检测铺粉及制品内部的孔隙率，如果该制品内部空隙较多不合格，将重新进行成形，不仅降低了成形效率，而且浪费了材料。
③成形过程中熔池难以监测。成形过程中，熔池稳定性直接影响到成形制品的尺寸精度与力学性能。SLM成形时熔池受激光功率、光束扫描速度、气体成分、气流量、材料性能和层厚等因素影响较大，因此需要监测***拍摄速度要快，数据量较大，而且信号处理必须实施进行，常规监测设置无法实现实时监测。
④成形件易曲翘变形。成形过程中，成形件薄壁部分冷却快，内部温度分布不均，容易引起成形件翘曲变形，降低制品性能，甚至成为废件，从而降低成品率。
发明内容
本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种操作简单，基板自动调平，铺粉和制品孔隙率及熔池自动监测，能够控制零件翘曲变形，适用范围广的多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置，包括成型腔，所述成型腔下部设置有收料缸、成型缸和送粉缸，所述成型缸位于收料缸和送粉缸之间，所述收料缸、成型缸和送粉缸内均设置有升降装置，所述升降装置上设置有推料底板，所述收料缸、成型缸和送粉缸外均设置有加热装置和保温层，所述成型缸内底板上设置有基板，所述底板和基板之间安装有调平油缸；
所述成形腔中部设置有滑轨，所述滑轨上滑动安装有刮刀支架，所述刮刀支架通过皮带与电机连接，所述刮刀支架的下部固定有铺粉刮刀，所述刮刀支架上铰接有滚筒架，所述滚筒架上安装有压实滚筒，所述滚筒架两侧安装有扭力弹簧，所述压实滚筒下方安装应力传感器；
所述成型腔体上部一侧设置有采集铺粉及制品孔隙率的电子显微镜，另外一侧设置有高精度熔池监测CCD相机，在所述电子显微镜和CCD相机之间安装LED照明灯；
所述成型腔的顶部设置有激光扫描***、定向加热激光器和报警装置，所述成型腔体后壁设置有进排气装置，所述成型腔侧壁上设置有主控***。
优选地，所述收料缸、成型缸和送粉缸内的升降装置为液压升降装置，或为机械升降装置，所述升降装置与主控***相连接。
优选地，所述收料缸、成型缸和送粉缸外的加热装置均为加热板，所述加热板内为U型结构连续布置的加热管，所述保温层为耐高温硅酸铝毡，厚度为20-30mm，所述加热管与主控***相连接。
优选地，所述基板上设置有多个加热槽，所述加热槽内设置有加热丝和第二测温电偶，所述加热丝和第二测温电偶均与主控***相连接。
优选地，所述调平油缸安装在基板的四角，所述调平油缸的缸体固定在底板上，活塞杆固定在基板的底部，所述调平油缸与主控***相连接。
优选地，所述压实滚筒下方的应力传感器包括变形体、电阻应变式传感器、AD转换电路，所述应力传感器与主控***相连接。
优选地，所述电子显微镜和CCD相机的外部罩有透明保护罩，所述透明保护罩为透明石英玻璃，所述电子显微镜、CCD相机与主控***相连接。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明实现了基板自动调平，省去人工调节的复杂程序；能够监测铺粉及制品孔隙率，并且能够进行报警，对成形粉进行重铺、压实或者调整工艺参数，提高了产品致密度；能够实时监测熔池温度、形状及面积，并对成形精度及激光功率进行在线评估，从而保证成形稳定性；能够对成形件进行定向加热，实现成形件内温度均匀分布，防止成形过程中由于温度分布不均引起的成形件曲翘变形；提高了成形件质量及生产效率，对SLM成形技术的发展具有重要意义；并且适用范围广，能够进行不锈钢、模具钢、钴铬合金、镍合金、铝合金、铁基合金等材料的激光熔化成形。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图一。
图2为本发明的结构示意图二。
图3为本发明中成形缸的结构示意图。
图4为本发明中缸外加热装置结构示意图。
图5为本发明中基板的结构示意图。
图6为本发明中铺粉装置的结构示意图一。
图7为本发明中铺粉装置的结构示意图二。
图8为本发明中压实滚筒下应力传感器结构示意图。
图9为本发明中定向加热激光器的结构示意图。
图10为本发明中报警装置的结构示意图。
图11为本发明中气路***的结构示意图一。
图12为本发明中气路***的结构示意图二。
图中：1为成型腔、2为氧气传感器、3为透明保护罩、4为电子显微镜、5为LED照明灯、6为激光扫描***、7为定向加热激光器、8为报警装置、9为CCD相机、12为进气罩、13为主控***、14为电机、15为皮带、16为收料缸、17为成型缸、18为排气罩、19为送粉缸、20为铺粉刮刀、21为刮刀支架、22为扭力弹簧、23为应力传感器、24为滚筒架、25为转轮、26为压实滚筒、27为气体循环装置、28为排气管道、29为进气管道、30为密封罩、31为滑轨、32为刮刀固定螺栓、33为皮带固定螺栓、35为加热装置、36为保温层、37为保温层固定螺栓、38为横梁、39为基板、40为调平油缸、41为推料底板、42为活塞杆、43为液压油缸、44为加热管、45为第一测温热电偶、46为加热槽、47为第二测温电偶、48为加热丝、49为AD转换电路、50为电阻应变式传感器、51为变形体、52为激光器、53为光纤、54为扩束镜、55为扫描振镜、56为L型定向管、57为聚焦镜、58为上报警灯、59为中报警灯、60为下报警灯、61为蜂鸣器、62为支架。
具体实施方式
如图1至图5所示，多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置，包括成型腔1，成型腔1下部设置有收料缸16、成型缸17和送粉缸19，成型缸17位于收料缸16和送粉缸19之间。收料缸16、成型缸17和送粉缸19内均设置有液压油缸43，液压油缸43的活塞杆42上设置有推料底板。缸外设置有加热装置35和保温层36，加热装置35为加热板，加热板内为U型结构连续布置的加热管44和第一测温热电偶45，保温层36为耐高温硅酸铝毡，厚度为20-30mm，加热装置35和保温层36通过保温层固定螺栓37和横梁38将其固定在缸体上。所述成型缸17内底板上设置有基板39，基板39上设置有多个加热槽46，加热槽46内设置有加热丝48和第二测温电偶47。底板和基板39之间安装有基板39调平油缸40，四个调平油缸40分别安装在底板的四个角，调平油缸40的缸体固定在底板41上，活塞杆固定在基板39的底部。
如图1、图6至图8所示，成形腔中部设置有滑轨31，刮刀支架21滑动安装在滑轨31上，刮刀支架21通过皮带15与电机14连接，皮带固定螺栓33将皮带15固定在刮刀支架21上，皮带15另外一端与转轮25连接，电机14和转轮25分别安装在成型腔1内两侧。刮刀支架21的下部通过刮刀固定螺栓32固定有铺粉刮刀20，滚筒架24的一端铰接在刮刀支架21上，滚筒架24上安装有压实滚筒26，滚筒架24两侧安装有扭力弹簧22，压实滚筒26下方安装应力传感器23。应力传感器23主要由变形体51、电阻应变式传感器50、AD转换电路49构成。在进行调平工作时，1）将压实滚筒26调整到基板39最左侧。此时压实滚筒26下方安装的应力传感器23将压力数值传到主控***13，主控***13将会根据应力传感器23反馈的数据调整基板39左侧下面两个调平油缸40的高度，使压实滚筒26两侧安装的应力传感器23数值一致。2）将压实滚筒26调整到基板39最右侧， 主控***13根据最左侧应力传感器23的数值，调整基板39最右侧下面两个调平油缸40的高度，使最右侧与最左侧应力传感器23的数值一致。此时，整个基板39处于调平状态。
如图1所示，所述成型腔体1上部一侧设置有采集铺粉及制品孔隙率的电子显微镜4，另外一侧设置有高精度熔池监测CCD相机9，CCD相机拍摄采样速度大于2mm/s，形成的数据流大于520Mb/s。在电子显微镜4和CCD相机9之间安装LED照明灯5。电子显微镜4和CCD相机9的外部罩有透明保护罩3，所述透明保护罩3为透明石英玻璃。检测铺粉及制品孔隙率时，1）电子显微镜4对铺粉表面进行拍照，并将图片信息反馈到主控***13；2）主控***13接收到图片信息后，对铺粉的孔隙进行自动识别、统计、分析；如果铺粉的孔隙率满足设定要求，则进行激光熔化成形；如果孔隙率超过设定要求，则启动报警器8，提醒操作人员进行重新铺粉，并对粉末进行压实；3）熔化成形后，电子显微镜4对制品截面进行拍照，并将图片信息反馈到主控***13；4）主控***13对制品截面的孔隙进行自动识别、统计、分析；如果制品截面的孔隙率满足设定要求，则进行下一次的铺粉及激光熔化成形；如果孔隙率超过设定要求，则启动报警***，提醒操作人员调整工艺参数。熔池实时监测时，1）高精度熔池监测CCD相机9对熔池进行拍照，并且将熔池图片反馈到主控***13，主控***13对熔池温度、形状及面积进行分析，计算成形激光实际工作功率，并且与设定值进行对比；2）主控***13根据上述信息，调整激光扫描***6的功率，实现对金属熔池的控制，从而实现对成形制品精度及力学性能的控制。
如图1、图9和图10所示，所述成型腔体的顶部设置有激光扫描***6、定向加热激光器7和报警装置8。定向加热激光器7包括L型定向管56、激光器52，L型定向管56的一端设置有聚焦镜57，另一端设置有扩束镜54和激光器52，L型定向管56内还设置有扫描振镜55。激光器52主要采用长脉冲激光器，长脉冲激光器52与扩束镜54之间通过光纤53连接，定向加热激光器52主要是对成形件截面进行加热处理，无法使成形粉末或成形件进行熔化。所述报警装置8主要由上报警器58、中报警器59、下报警器60和蜂鸣器61组成，报警装置8工作电压为24V，所述报警装置8安装在支架62上。
如图1、图2、图11和图12所示，所述成型腔体1后壁设置有进排气装置。进排气装置主要由设置在成型腔体内的进气罩12和排气罩18，进气罩12、排气罩18均通过密封罩30、进气管道29、排气管道28与气体循环装置27相连接，氧气传感器2安装在成型腔体1的内壁上。氧气传感器2用于测量成形腔内氧气含量，并将氧气含量信息反馈给主控***13，从而通过进气循环装置27调整惰性气体进气量。排气罩18安装在成形腔1前端，排气罩18通过排气管道28与进气循环装置27连接，实现保护气体的供应及循环。
所述成型腔体1侧壁上设置有主控***13，上述所有装置均与主控***13相连。上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置，其特征在于：包括成型腔（1），所述成型腔（1）下部设置有收料缸（16）、成型缸（17）和送粉缸（19），所述成型缸（17）位于收料缸（16）和送粉缸（19）之间，所述收料缸（16）、成型缸（17）和送粉缸（19）内均设置有升降装置，所述升降装置上设置有推料底板，所述收料缸（16）、成型缸（17）和送粉缸（19）外均设置有加热装置（35）和保温层（36），所述成型缸（17）内底板上设置有基板（39），所述底板和基板（39）之间安装有调平油缸（40）；
所述成形腔（1）中部设置有滑轨（31），所述滑轨（31）上滑动安装有刮刀支架（21），所述刮刀支架（21）通过皮带（15）与电机（14）连接，所述刮刀支架（21）的下部固定有铺粉刮刀（20），所述刮刀支架（21）上铰接有滚筒架（24），所述滚筒架（24）上安装有压实滚筒（26），所述滚筒架（24）两侧安装有扭力弹簧（22），所述压实滚筒（26）下方安装应力传感器（23）；
所述成型腔体（1）上部一侧设置有采集铺粉及制品孔隙率的电子显微镜（4），另外一侧设置有高精度熔池监测CCD相机（9），在所述电子显微镜（4）和CCD相机（9）之间安装LED照明灯（5）；
所述成型腔（1）的顶部设置有激光扫描***（6）、定向加热激光器（7）和报警装置（8），所述成型腔体（1）后壁设置有进排气装置，所述成型腔（1）侧壁上设置有主控***（13）。
2.根据权利要求1所述的多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置，其特征在于：所述收料缸（16）、成型缸（17）和送粉缸（19）内的升降装置为液压升降装置，或为机械升降装置，所述升降装置与主控***（13）相连接。
3.根据权利要求1所述的多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置，其特征在于：所述收料缸（16）、成型缸（17）和送粉缸（19）外的加热装置（35）均为加热板，所述加热板内为U型结构连续布置的加热管，所述保温层（36）为耐高温硅酸铝毡，厚度为20-30mm，所述加热管与主控***（13）相连接。
4.根据权利要求1所述的多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置，其特征在于：所述基板（39）上设置有多个加热槽（46），所述加热槽（46）内设置有加热丝（48）和第二测温电偶（47），所述加热丝（48）和第二测温电偶（47）均与主控***（13）相连接。
5.根据权利要求1所述的多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置，其特征在于：所述调平油缸（40）安装在基板（39）的四角，所述调平油缸（40）的缸体固定在底板上，活塞杆固定在基板（39）的底部，所述调平油缸（40）与主控***（13）相连接。
6.根据权利要求1所述的多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置，其特征在于：所述压实滚筒（26）下方的应力传感器（23）包括变形体（51）、电阻应变式传感器（50）、AD转换电路（49），所述应力传感器（23）与主控***（13）相连接。
7.根据权利要求1所述的多种金属粉末材料选择性激光熔化成形装置，其特征在于：所述电子显微镜（4）和CCD相机（9）的外部罩有透明保护罩（3），所述透明保护罩（3）为透明石英玻璃，所述电子显微镜（4）、CCD相机（9）与主控***（13）相连接。
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