CN110722160A - 一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置及制造方法，所述制造装置包括：激光发射单元，安装于机床或者机械手的运动机构上，且激光发射单元的出光口对准载粉气流形成的粉末帘，用于对载粉气流内的粉末进行激光照射；送粉单元，包括送粉部和载粉气控制部，其中送粉部的出粉口与载粉气控制部的送粉口管路连通；载粉气控制部包括载粉部和抽气部；送粉部、载粉气控制部与控制台电连接；以及控制台，用于控制送粉部和载粉气控制部工作以产生稳定流速的粉末帘，并对粉末帘进行激光照射；所述制造方法包括以下步骤：在激光头下方形成稳态流动的粉末帘；激光照射粉末颗粒，并在基材上产生熔池；向下运动的颗粒沉积在熔池内。本发明的有益效果是：避免粉末外漏，防止污染工件，可以在曲面上进行增材制造。

Description

一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置及制造方法

技术领域

本发明涉及一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置及制造方法。

背景技术

增材制造相当于减材制造是通过层层熔化递进实现零件成形，目前金属材料的增材制造技术主要有两种：基于粉末床的选区激光熔化技术和基于同步送粉的激光立体成形技术。选区激光熔化技术可以实现精细结构的增材制造，成形精度高，粉末是通过刮板运动获得层层熔化实现增材制造；激光立体成形技术送粉是通过送粉器把粉末送至熔池实现增材制造激光立体成形技术的精度较低。同时，上述方法均有粉末污染、灵活性不够、无法在曲面上实施同步送粉的激光立体成形等问题，主要归结在送粉方式上。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提出了一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置及制造方法。该技术用激光照射平行于基板的粉末流，利用激光照射粉末产生的汽化冲击力使粉末颗粒下行进入熔池内实现增材制造。和选区激光熔化技术相比，该技术可以避免粉末外漏，防止污染工件，可以在曲面上进行增材制造等。而且粉末是捕捉进熔池，不存在粉末间隙的问题，所以成形的致密度高，精度高。因此，如果同步送粉方式的激光增材制造可以实现激光选区熔化技术的精度，就可以在零件表面制备具有精细结构的功能涂层，实现复杂功能。

本发明所述的一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置，其特征在于，包括：

激光发射单元，安装于机床或者机械手的运动机构上，且激光发射单元的出光口对准载粉气流形成的粉末帘，用于对载粉气流内的粉末进行激光照射；

送粉单元，包括送粉部和载粉气控制部，其中送粉部的出粉口与载粉气控制部的送粉口管路连通；载粉气控制部包括载粉部和抽气部，其中载粉部和抽气部对称安装于激光发射单元的两侧，并保持载粉部的出粉口与抽气部的抽气口正对，使得出粉口与抽气口之间的载粉气流形成稳定的粉末帘；送粉部、载粉气控制部与控制台电连接；

以及控制台，其控制端分别与激光发射单元、送粉部和载粉气控制部的控制端电连接，用于控制送粉部和载粉气控制部工作以产生稳定流速的粉末帘，并对粉末帘进行激光照射。

进一步，所述激光发射单元包括用于产生激光的激光器、用于传输激光的光纤和用于控制光路的激光头，所述激光头安装于机床或者机械手的运动机构上，激光头的入光口通过光纤与激光器的出光口相连通，而激光头的出光口对送粉单元形成的粉末帘，使得激光器产生的激光照射到粉末帘上。

进一步，所述的激光头内使用振镜控制激光的扫描路径；在激光头的保护镜片下有一股保护气流，保护气流由管道通入，防止激光照射产生的金属蒸汽污染光路***。

进一步，所述送粉部包括送粉器、气瓶和载粉气流输运通道，其中所述送粉器的进气口与气瓶管路连通，所述送粉器的出粉口与载粉气流输运通道的进粉口连通，载粉气流输运通道的送粉口与载粉部的进粉口管路连通。

进一步，所述的抽气部分包括抽气泵、抽气管和粉末回收装置，其中抽气泵与抽气管出气口管路连通，抽气管末端的抽气口与送粉嘴正对，抽气泵内有粉末过滤回收装置，且粉末过滤回收装置的进粉口与抽气管管路连通，用于将粉末帘中未穿过激光束的粉末回收。

进一步，靠近激光束的载粉部和抽气部各配备有一套用于降温的循环降温装置，所述循环降温装置包括由水冷套和水管构成的循环水单元以及水冷装置，其中水冷套套设于送粉嘴和抽气管外侧，通过相应的水管与外部的水冷箱连通；水冷装置安装于水冷箱内，用于对水冷箱内的水进行降温以防止散射的激光束造成的机构过热。

进一步，所述载气部包括粉管和设置于粉管末端的送粉嘴，其中粉管的进口通过载粉气流输运通道与送粉器的出粉口管路连通。

根据本发明所述的一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置进行的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在激光头下方，通过管道形成一个稳定的载粉气流，从而在基材上方实现一个稳态流动的粉末帘；

2)激光头在控制台控制下开启，发射出的激光束扫描粉末帘，激光照射粉末颗粒时，颗粒的迎光面迅速加热产生汽化，汽化产生的冲击力给颗粒一个向下的力使颗粒向基板运动，穿透粉末帘的激光扫在基材上产生熔池；

3)向下运动的颗粒进入熔池，实现沉积，通过激光束及粉帘位置的运动实现增材制造；

4)没有穿过激光束的粉末，被抽气口吸入重新送入送粉器内。

本发明的有益效果是：和送粉方式的激光立体成形相比，实现了粉末动态回收，避免了粉末污染，成形精度大幅提高。激光立体成形技术如果用同样细小的光斑，粉斑很难匹配，而且扫描速度很低，效率低下。而该技术采用振镜激光，扫描速度快。结合熔敷头的移动，成形效率高。和选区激光熔化技术相比，该技术可以在曲面上进行增材制造。而且粉末是捕捉进熔池，不存在粉末间隙的问题，所以成形的致密度高。选区激光熔化铺粉的厚度和粉末的粒径相关，过细的粉末，在铺设时由于团簇结块，难以铺设。该技术的粉末在流化的情况下输送，可以采用更细的粉末，实现更高精度的成形。相对于其他一些送粉或者铺粉的方法，采用捕捉粉末的方法原理性比较创新，并且能够在一定程度上极大提高成型的精度，而且可以在曲面上进行增材制造，对改善选区激光熔覆的成型质量和效率有很大提升，成形的致密度高，并且可以多方位进行灵活加工。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为本发明的粉末颗粒的路径示意图(a代表粉末帘内的金属颗粒；F_冲击力代表被激光照射后的金属颗粒所受向下的冲击力，单位是N；V₀代表粉末帘的载粉气流流速，单位是L/min)；

图3为本发明示例路径规划示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参照附图：

实施例1本发明所述的一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置，包括：

激光发射单元，安装于机床或者机械手等运动机构上，且激光发射单元的出光口对准载粉气流形成的粉末帘，用于对载粉气流内的粉末进行激光照射；激光发射单元的控制端与控制端电连接或信号连接；

送粉单元，包括送粉部和载粉气控制部，其中送粉部的出粉口与载粉气控制部的送粉口管路连通；载粉气控制部包括载粉部和抽气部，其中载粉部和抽气部对称安装于激光发射单元的两侧，并保持载粉部的出粉口与抽气部的抽气口12正对，使得出粉口与抽气口之间的载粉气流形成稳定的粉末帘18；送粉部、载粉气控制部与控制台5电连接或信号连接；

以及控制台5，其控制端分别与激光发射单元、送粉部和载粉气控制部的控制端电连接或信号连接，由线路16连接，用于控制送粉部和载粉气控制部工作以产生稳定流速的粉末帘，并对粉末帘进行激光照射。

进一步，所述激光发射单元包括用于产生激光的激光器2、用于传输激光的光纤8和用于控制光路的激光头11，所述激光头安装于机床或者机械手的运动机构上，激光头11的入光口通过光纤与激光器的出光口相连通，而激光头11的出光口对送粉单元形成的粉末帘，使得激光器产生的激光A照射到粉末帘上。

进一步，所述的激光头内使用振镜控制激光的扫描路径；在激光头的保护镜片下有一股保护气流，保护气流由管道10通入，防止激光照射产生的金属蒸汽污染光路***。

进一步，所述送粉部包括送粉器3、气瓶4和载粉气流输运通道，其中所述送粉器3的进气口与气瓶4由管路17连通，所述送粉器3的出粉口与载粉气流输运通道的进粉口连通，载粉气流输运通道的送粉口与载粉部的进粉口管路连通。

进一步，所述的抽气部分包括抽气泵1、抽气管7和粉末回收装置，其中抽气泵1与抽气管7出气口管路连通，抽气管7末端的抽气口12与送粉嘴15正对，抽气泵1内有粉末过滤回收装置，且粉末过滤回收装置的进粉口与抽气管7管路连通，从而将未被激光束照射的粉末回收。进一步，靠近激光束的载粉部和抽气部各配备有一套用于降温的循环降温装置，所述循环降温装置包括由水冷套和水管构成的循环水单元以及水冷装置，其中水冷套套设于送粉嘴和抽气口外侧，通过相应的水管(13、14)与外部的水冷箱6连通；水冷装置安装于水冷箱内，用于对水冷箱内的水进行降温以防止散射的激光束造成的机构过热。

进一步，所述载气部包括粉管9和设置于粉管末端的送粉嘴15，其中粉管9的进口通过载粉气流输运通道与送粉器的出粉口管路连通。

实施例2在增材制造之前还需要先通过计算机建模软件建模，并用切分软件对零件三维模型进行分层切片离散处理，由于在曲面上分层，所以需要按照与曲面弧度相同的角度分层，分层切片后需要将每一层展平，由于两侧出粉口15和抽气口12之间的距离有限，所以还需要将每一层的截面分成宽相同的长条状，获得各层激光的扫描路径，从而指导装置逐层打印。

在理解本发明创造工艺及结构后，现对其应用进行示例性说明：假设形状如图3上方图示所示，需要对增材制造的部分进行逐层切片，可以对不同形状不同结构进行增材制造，箭头所指方向为层与层叠加的方向，图3下方图示是对增材部分每一层扫面路径每一道的示意图，每一道长度根据具体形状决定，箭头所指方向是每一道移动的方向。

实施例3根据实施例1所述的一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置进行的制造方法，包括以下步骤：

1)在激光头下方，通过送粉装置在送粉嘴和抽气口形成一个稳定的平行于基材19的载粉气流，从而在基材上方实现一个稳态流动的粉末帘18；

2)激光头在控制台控制下开启，发射出的激光束扫描粉末帘，激光照射粉末颗粒时，颗粒的迎光面迅速加热产生汽化，汽化产生的冲击力给颗粒一个向下的力使颗粒向基板运动，穿透粉末帘的激光扫在基材19上产生熔池191；

3)向下运动的颗粒进入熔池，实现沉积，通过激光束及粉帘位置的运动实现增材制造；

4)没有穿过激光束的粉末，被抽气口吸入重新送入送粉器内。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置，其特征在于，包括：

激光发射单元，安装于机床或者机械手的运动机构上，且激光发射单元的出光口对准载粉气流形成的粉末帘，用于对载粉气流内的粉末进行激光照射；

送粉单元，包括送粉部和载粉气控制部，其中送粉部的出粉口与载粉气控制部的送粉口管路连通；载粉气控制部包括载粉部和抽气部，其中载粉部和抽气部对称安装于激光发射单元的两侧，并保持载粉部的出粉口与抽气部的抽气口正对，使得出粉口与抽气口之间的载粉气流形成稳定的粉末帘；送粉部、载粉气控制部与控制台电连接；

以及控制台，其控制端分别与激光发射单元、送粉部和载粉气控制部的控制端电连接，用于控制送粉部和载粉气控制部工作以产生稳定流速的粉末帘，并对粉末帘进行激光照射。

2.如权利要求1所述的一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置，其特征在于：所述激光发射单元包括用于产生激光的激光器、用于传输激光的光纤和用于控制光路的激光头，所述激光头安装于机床或者机械手的运动机构上，激光头的入光口通过光纤与激光器的出光口相连通，而激光头的出光口对送粉单元形成的粉末帘，使得激光器产生的激光照射到粉末帘上。

3.如权利要求2所述的一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置，其特征在于：所述的激光头内使用振镜控制激光的扫描路径；在激光头的保护镜片下有一股保护气流，保护气流由管道通入，防止激光照射产生的金属蒸汽污染光路***。

4.如权利要求1所述的一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置，其特征在于：所述送粉部包括送粉器、气瓶和载粉气流输运通道，其中所述送粉器的进气口与气瓶管路连通，所述送粉器的出粉口与载粉气流输运通道的进粉口连通，载粉气流输运通道的送粉口与载粉部的进粉口管路连通。

5.如权利要求1所述的一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置，其特征在于：所述的抽气部分包括抽气泵、抽气管和粉末回收装置，其中抽气泵与抽气管出气口管路连通，抽气管末端的抽气口与送粉嘴正对，抽气泵内有粉末过滤回收装置，且粉末过滤回收装置的进粉口与抽气管管路连通，用于将粉末帘中未穿过激光束的粉末回收。

6.如权利要求1所述的一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置，其特征在于：靠近激光束的载粉部和抽气部各配备有一套用于降温的循环降温装置，所述循环降温装置包括由水冷套和水管构成的循环水单元以及水冷装置，其中水冷套套设于送粉嘴和抽气口外侧，通过相应的水管与外部的水冷箱连通；水冷装置安装于水冷箱内，用于对水冷箱内的水进行降温以防止散射的激光束造成的机构过热。

7.如权利要求1所述的一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置，其特征在于：所述载气部包括粉管和设置于粉管末端的送粉嘴，其中粉管的进口通过载粉气流输运通道与送粉器的出粉口管路连通。

8.根据权利要求1～7所述的一种基于粉末帘的激光捕捉增材制造装置进行的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在激光头下方，通过管道形成一个稳定的载粉气流，从而在基材上方实现一个稳态流动的粉末帘；

2)激光头在控制台控制下开启，发射出的激光束扫描粉末帘，激光照射粉末颗粒时，颗粒的迎光面迅速加热产生汽化，汽化产生的冲击力给颗粒一个向下的力使颗粒向基板运动，穿透粉末帘的激光扫在基材上产生熔池；

3)向下运动的颗粒进入熔池，实现沉积，通过激光束及粉帘位置的运动实现增材制造；

4)没有穿过激光束的粉末，被抽气口吸入重新送入送粉器内。

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