CN110202141B - 一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光增材制造领域,具体涉及一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置。该装置包括工作台、增材制造装置、监测分析反馈装置和总控制装置。首先在计算机中输入相关结构参数与工艺参数,程序开始后,支架摆动一个角度,滑动式熔覆头滑动一次,待支架走完预设角度后,沿导轨转动到下一个角度,重复上述过程,完成一层熔覆。接着横梁上升到下一层高度,如此往复,完成薄壁结构的增材制造。本发明可以完成一些复杂薄壁结构的激光增材制造,极大改善了薄壁结构的内壁粗糙度,大幅提高了生产效率;可以在原有激光器上进行改造,从而降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材制造领域,具体涉及一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除-切削加工技术,是一种"自下而上"的制造方法。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术亦称金属3D打印技术,是增材制造的前沿技术,它能直接成型出接近完全致密度、力学性能良好的金属零件。在加工前,首先通过专业数据处理软件将零件的CAD模型进行切片离散以及添加必要的支撑结构,然后规划扫描路径,处理后的数据包含能够控制激光束移动的轮廓信息。然后将此数据导入成型设备,计算机逐层调入轮廓信息,控制扫描振镜进行偏转,实现激光光斑选择性地熔化金属粉末,与前一层材料粘结为一体,而未被激光照射的区域内粉末仍呈松散状,可以循环使用。激光每熔化一层,成形缸下降一个层厚(10-50μm可调),送粉缸上升一定的距离(通常为层厚的1.5倍),用刮刀带走粉末完成一次铺粉动作。
在数百万年的进化过程中,自然生命开辟了优化的自然结构,以便在残酷的自然竞争中生存。在光学应用领域,天然结构也表现出优异的性能。其中一个最具代表性的例子是龙虾眼。龙虾的眼睛由许多布置在球形表面上的小方形通道组成。每个通道都是长而窄的,其中心轴线朝向球面的中心。龙虾眼结构光学器件具有重量轻,体积小,视野宽的优点,适用于航空航天领域。龙虾眼结构也广泛用于光学应用,表面质量,特别是内表面粗糙度,影响着它的光学性能。
目前,应用于处理龙虾眼结构的制造方法基本上是减法制造,例如传统的铣削和钻孔。但是,由于减法制造的限制,高纵横比通道的薄壁结构难以被制造。龙虾眼的通道阵列结构也可以被视为由两组彼此垂直的薄壁组成的复杂薄壁结构。对于这些复杂的薄壁结构的制造,增材制造(AM)技术与传统的减法(例如铣削和加工)或形成制造(例如铸造和塑料成形)技术相比具有显着的优势。目前,已经采用了多种AM技术来制造薄壁结构。比如,已经有人使用激光熔化沉积(LMD)来制造Ti6Al4V薄壁结构,或者使用电子束熔化(EBM)来构建Ti6Al4V薄壁结构。但是,由于能量输入大和进料较多,沉积技术和EBM制造的零件的表面质量和尺寸精度比SLM制造的差很多,导致所得到的零件性能远远达不到要求。并且,类似技术无法做到批量生产该薄壁结构。而本发明充分利用了选区激光融化技术的优势,而且针对性地设计了相关装置,所以能够比较好的制造出符合性能要求的零件,可以有效地解决类似于龙虾眼结构的复杂薄壁结构加工困难、加工精度不高、生产周期长和综合性能达不到要求的问题。
综上所述,如何有效地解决类似于龙虾眼结构这类的复杂薄壁结构加工困难、加工精度不高、生产周期长和综合性能达不到要求等问题,是目前需要考虑的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置,该装置可以有效地解决类似于龙虾眼结构的复杂薄壁结构加工困难、加工精度不高、生产周期长和综合性能达不到要求的问题。
为了达到上述第一个目的,本发明提供如下技术方案:
一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置,包括工作台、增材制造装置、监测分析反馈装置和总控制装置。
所述增材制造装置包括采用同轴送粉的滑动式熔覆头、用于带动滑动式熔覆头相对于工作台移动的机械臂。
工作台包括耐高温玻璃底座、基座、横梁、支架、滑轨、转台、双滑块联接装置、电机、步进电机。
所述监测分析反馈装置包括照明装置、接收装置、分析反馈装置、工作台、计算机,计算机作为总控制与增材制造装置、工作台、控制台信号连接以控制整个***。
所述激光增材制造复杂薄壁结构的装置,机械臂安装在基座上,位于基座的一端;电机安装在基座上,位于基座的另一端;耐高温玻璃底座安装在基座上,位于电机与机械臂之间,耐高温玻璃底座为中空透明结构,照明装置位于耐高温玻璃底座内;转台固定在耐高温玻璃底座上,转台内置步进电机,支架与内置于转台上的步进电机相连,转台能够旋转,从而带动支架转动;横梁采用双滑块联接安装在支架上,双滑块联接装置中内置步进电机使横梁在支架上实现上下移动,机械臂与滑动式熔覆头连接,使得滑动式熔覆头能够在横梁上来回滑动;接收装置悬挂于整个***的上方并正对照明装置。
本发明所述支架可自由调节角度并固定,以适应不同薄壁倾角的制造需要。
所述计算机与控制台连接,控制台接收计算机指令并编译转为PLC代码。
所述计算机与分析反馈装置、接收装置依次连接。
所述控制台分别与电机、机械臂、内置于转台上的步进电机和双滑块联接装置中的内置步进电机连接。
控制台来控制电机动力输出与停机,电机为转台提供动力,让转台受控旋转,支架随着转台的转动而转动。
本发明所述支架与内置于转台上的步进电机相连,以实现支架的前后转动,步进电机与控制台为信号连接。
本发明所述支架上装有滑轨,双滑块联接装置中内置步进电机使横梁在支架上实现上下移动,步进电机与控制台为信号连接。
本发明所述支架与横梁间为双滑块联接,双滑块联接能够停住并固定在某一位置,以保证横梁上下运动时不会影响支架的倾角。
本发明中使用了采用同轴送粉的滑动式熔覆头,来进行熔覆。
本发明所述耐高温玻璃底座上装有转台以保证支架可以在耐高温玻璃底座上实现自由转动并在工作时实现固定。
本发明中用于监测增材制造过程的照明装置、接受装置与分析反馈装置的***,所述***可以监测薄壁结构加工过程中的内壁粗糙度,以进行实时反馈,动态调节相关工艺参数。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明,但本发明不应仅限于实施例。
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明的装置适用的以龙虾眼结构为例的薄壁结构示意图;
图3为本发明中双滑块联接装置的示意图;
图4为图1中A处局部放大图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置,以便于加工复杂薄壁结构,提高生产率和精度。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步介绍。
如图所示,本发明主要包括机械臂1,基座2,耐高温玻璃底座3,照明装置4,转台5,支架6,电机7,控制台8,计算机9,分析反馈装置10,接收装置11,滑动式熔覆头12,横梁13,双滑块联接装置14,熔覆基体15,步进电机16与18,滑轨17,其中计算机9与控制台8连接,控制台分别与电机7、机械臂1、内置于转台上的步进电机18和双滑块联接装置中的内置步进电机16连接,从而组成加工装置,实现熔覆过程,计算机9与分析反馈装置10、接收装置11信号依次连接以实现对基体实时动态监测并反馈。
所需的龙虾眼结构由通道阵列组成,每个通道的开口是长度为1.5mm的正方形,每个通道的高度和锥角分别为10mm和2°,所有通道薄壁的厚度设定为0.2mm。整个龙虾眼结构的锥角为18°。采用平均粒径为23μm的雾化的AlSi10Mg粉末,来制备龙虾眼结构,整个SLM工艺过程均在氩气气氛下进行,氧含量低于10ppm。激光功率设定在325W-425W之间,随着反馈装置实时调节。对于所有经SLM处理的龙虾眼组件,扫描速度,层厚度和层间距分别设定为2200mm/s,30μm和50μm。
请参照图1并结合图2所示,本发明的一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置,其通过同轴送粉式激光熔覆头在基体表面制备熔覆层。具体实施步骤:
(1)调节激光器功率在325W-425W之间,扫描速度,层厚度和层间距分别设定为2200mm/s,30μm和50μm,使用氩气进行保护;
(2)检查安装基座在上面的机械臂、耐高温玻璃底座、电机之间是否紧固,转台与耐高温玻璃底座之间是否紧固,确保没有问题后装置通电;
(3)根据所需要的零件的锥角调节两个支架的倾角角度与垂直方向呈2°并固定;
(4)启动滑动式熔覆头、照明装置、接收装置以及分析反馈装置,检测各项功能是否正常;
(5)待确认各项功能正常后,打开计算机与控制台,根据零件的各项尺寸要求,输入相关工艺参数;
(6)在耐高温玻璃基板上固定熔覆基体后开始加工,可以观察到转台上的步进电机带动支架摆动一个角度,滑动式熔覆头沿横梁滑动一次,完成一条扫描路径。待支架走完预设角度后,转台转动到下一个角度,重复上述过程,完成一层熔覆。接着双滑块联接装置中步进电机带动横梁上升到下一层高度,如此往复,直到完成全部熔覆过程;
(7)在熔覆过程中,接收装置接收下方照明装置产生的信号,并将其发送至分析反馈装置,经分析反馈装置处理后,将相关数据发送至计算机,计算机根据相关数据,动态调节相关加工参数。
Claims (8)
1.一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置,其特征在于,所述装置包括工作台、增材制造装置、监测分析反馈装置和总控制装置计算机;
所述增材制造装置包括采用同轴送粉的滑动式熔覆头、用于带动滑动式熔覆头相对于工作台移动的机械臂;
工作台包括耐高温玻璃底座、基座、横梁、支架、滑轨、转台、双滑块联接装置、电机、步进电机;
所述监测分析反馈装置包括照明装置、接收装置、分析反馈装置、控制台;
机械臂安装在基座上,位于基座的一端;电机安装在基座上,位于基座的另一端;耐高温玻璃底座安装在基座上,位于电机与机械臂之间,耐高温玻璃底座为中空透明结构,照明装置位于耐高温玻璃底座内;转台固定在耐高温玻璃底座上,转台内置步进电机,支架与内置于转台上的步进电机相连,转台能够旋转,从而带动支架转动;横梁采用双滑块联接安装在支架上,双滑块联接装置中内置步进电机使横梁在支架上实现上下移动,机械臂与滑动式熔覆头连接,使得滑动式熔覆头能够在横梁上来回滑动;接收装置悬挂于整个***的上方并正对照明装置;所述计算机与控制台连接,控制台接收计算机指令并编译转为PLC代码。
2.如权利要求1所述的一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置,其特征在于,所述支架可自由调节角度并固定,以适应不同薄壁倾角的制造需要。
3.如权利要求1所述的一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置,其特征在于,所述计算机与分析反馈装置、接收装置依次连接。
4.如权利要求1所述的一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置,其特征在于,所述控制台分别与电机、机械臂、内置于转台上的步进电机和双滑块联接装置中的内置步进电机连接。
5.如权利要求1所述的一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置,其特征在于,控制台来控制电机动力输出与停机,电机为转台提供动力,让转台受控旋转,支架随着转台的转动而转动。
6.如权利要求1所述的一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置,其特征在于,所述支架与内置于转台上的步进电机相连,以实现支架的前后转动,步进电机与控制台为信号连接。
7.如权利要求1所述的一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置,其特征在于,所述支架上装有滑轨,双滑块联接装置中内置步进电机使横梁在支架上实现上下移动,步进电机与控制台为信号连接。
8.如权利要求1所述的一种激光增材制造复杂薄壁结构的装置,其特征在于,所述支架与横梁间为双滑块联接,双滑块联接能够停住并固定在某一位置,以保证横梁上下运动时不会影响支架的倾角。
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