CN1295051C - 一种直接制造金属零件的快速成形*** - Google Patents

一种直接制造金属零件的快速成形*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直接制造金属零件的快速成形***。其气体保护腔的两侧设有进、出气口，其两端上面设置有用于安装金属粉末的左、右落粉装置，落粉装置由电机控制其出粉，其出粉口与气体保护腔相通；刮板位于气体保护腔内，由电机控制沿水平方向作双向运动；激光扫描装置位于左、右落粉置之间，在气体保护腔的顶部设有激光窗，在气体保护腔的底部设有工作腔，工作腔内设有由电机控制其上、下运动的活塞，激光扫描装置发出的光束通过激光窗聚焦在活塞上表面的待加工粉未上。本发明可以直接制造出任意复杂形状的高密度、高强度、高精度等良好机械性质的金属零件，具有制作速度快、制作成本低的特点。

Description

一种直接制造金属零件的快速成形***
技术领域
本发明属于快速制造领域，具体涉及一种直接制造金属零件的快速成形***。
背景技术
实践证明采用快速成形技术制作高分子零件是行之有效的，但是用于制造金属零件则存在许多技术上的困难。尽管目前有些快速成形方法可以直接制造金属零件，但是更多的是通过间接方法得到。例如：选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)方法——通过选取高熔点金属粉末材料和低熔点粉末材料来制造金属零件，即将两种不同熔点的金属粉末混合或在金属粉末中添加某种粘结剂，用较小的激光功率(一般在100W以下)熔化部分低熔点金属粉末或粘结剂，熔化的粉末材料粘结周围未熔化的金属粉末形成粗坯，然后再对坯体进行高温焙烧、渗金属等后处理形成金属零件。采用现有的方法快速制造复杂金属零件，存在密度低、机械性能较差、制作成本高、制造工艺复杂和制作周期长等一系列的问题。为了解决这些问题，目前已经研究出了可以直接制造高致密度金属零件的选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)方法。
德国的Fraunhofer学院在2002年就研究出了SLM技术，目前德国MCP公司和F&S公司已经在生产和销售SLM机器，他们制造的该设备，均可直接制造金属零件，不需要渗金属等后续处理，而且能得到致密性为100％的工件。但是，在他们制造的设备中采取的是振镜式激光扫描***，每小时只能生产5cm2的金属零件，生产效率较低；而且他们制造的机器体积也较大，价格较高。
在国内，关于直接制造金属零件的快速成形方法、***和送粉装置已有专利申请，分别是“粉末材料的选区***化烧结快速薄壁成型的方法及***”(公开号为CN1363440A，公开日为2002年8月14日)和“激光三维快速微成型纳米相粉送粉装置”(公开号为CN2553946Y，公开日为2003年6月4日)。采用SLVS方法制造金属零件——即利用激光这种热源照射到低熔点和低沸点金属合金粉末材料(颗粒度一般小于50微米)上，激光经过聚焦后，能量高度集中，通过控制激光束输出能量、焦点位置和光束与材料的运动速度等，可以使位于光斑中央的粉末材料瞬间发生汽化而蒸发掉，而光斑边缘的功率密度较小，与粉末接触部分达不到汽化所需的能量，只能熔化，随后冷却凝固成金属零件。由上可知：采用该设备只能制造薄壁金属零件，而且金属粉末受限于低熔点和低沸点的金属粉末。另外，上述送粉装置存在结构复杂、制造成本高和主要输送纳米相粉材料等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种直接制造金属零件的快速成形***。采用本发明可以直接制造出任意复杂形状的、具有高致密度、高强度和高精度等良好机械性质的金属零件。另外，采用本发明的快速成形***，可以加快金属零件的制作速度，降低制作成本。
本发明提供的一种直接制造金属零件的快速成形***，包括加工空间和激光扫描装置，其特征在于：气体保护腔的两侧设有进、出气口，其两端上面设置有用于盛装金属粉末的左、右落粉装置，落粉装置由电机控制其出粉，其出粉口与气体保护腔相通；刮板位于气体保护腔内，由电机控制沿水平方向作双向运动；激光扫描装置位于左、右落粉装置之间，在气体保护腔的顶部设有激光窗，在气体保护腔的底部设有工作腔，工作腔内设有由电机控制其上、下运动的活塞，激光扫描装置发出的光束通过激光窗聚焦在活塞上表面的待加工的金属粉未上。
本发明可以直接制造出任意复杂形状的高密度、高强度、高精度等良好机械性质的金属零件。另外，采用本发明的快速成形***，可以加快金属零件的制作速度，降低制作成本，节约资金。本***适合直接制造高密度金属零件。
附图说明
图1为本发明SLM快速成形***的结构示意图。
图2为图1中落粉装置的一种具体实施方式的结构示意图。
图3为图1中激光扫描装置的一种具体实施方式的结构示意图。
图4为SLM快速成形***的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，在本发明SLM快速成形***中，加工空间9由左、右落粉装置10、11、激光窗13、刮板15、活塞18、气体保护腔19、工作腔20和激光扫描装置21组成。左、右落粉装置10和11内部装有金属粉末，其出粉口与气体保护腔19相通。如图2所示，左、右落粉装置10或11中设有带叶片23的叶轮22，通过步进电机控制叶轮的转动，当两叶片转到出口位置时，粉末自动落入气体保护腔19中。刮板15位于气体保护腔19里面，通过变频器控制的普通电机控制刮板15沿水平方向作双向运动进行铺粉。从左落粉装置10到右落粉装置11或者右落粉装置11到左落粉装置10每运动一次铺粉一层；激光扫描装置21位于左、右落粉装置10和11之间，在气体保护腔19的顶部有一块激光窗13。在气体保护腔19的底部设有工作腔20，其工作腔20内设有活塞18，活塞18由单独的步进电机控制沿竖直方向上下运动。激光扫描装置21发出的激光束通过激光窗13作用于活塞18上表面上的待加工粉末上，工作过程中保护气体从进气口12进入，从出气口14排出。每加工好一层，活塞18下降一层厚度的距离，图中，16表示已加工的部分工件；17表示多余的金属粉末。
如图3所示，上述激光扫描装置21由X轴导轨1、Y轴导轨2、偏镜4和7、滑块5、聚焦镜6构成。X轴导轨1和Y轴导轨2由丝杆构成，Y轴导轨2在伺服电机的控制下可沿水平方向作双向运动，X轴导轨1在另一个伺服电机控制下在水平面上可沿垂直Y轴导轨2作双向运动。滑块5可在Y轴导轨2上通过丝杆作双向运动，聚焦镜6和下偏镜4固定在滑块5上，上偏镜7固定在Y轴导轨2的上端。激光器发出的光束8经过上偏镜7和下偏镜4改变运行方向后，经过聚焦镜6聚焦后，通过激光窗13聚焦在位于活塞18上表面的待加工的金属粉末上。
上述快速成形***的控制流程图如图4所示。首先通过预热装置将金属粉末预热到一定温度；其次通过计算机控制落粉机构在加工平台上铺上一层预定厚度的金属粉末；最后用Pro/Engineer、Unigraphic等三维造型软件设计出金属零件的实体造型，然后经过切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLM快速成形***机器中，在绘图仪式X-Y轴扫描方式的激光扫描***下，通过计算机控制激光按照设计的扫描轨迹运行，熔化金属粉末，层层制造。因为当采取绘图仪式X-Y轴扫描方式的***时，激光经过聚焦后距离加工平台稳定在一个具体的数值，所以，光斑大小不会改变，激光能量密度稳定，容易保证加工精度；另外，二维振镜式激光扫描***中聚焦后的光斑越向远端运动变得越来越大，导致激光能量密度逐渐减小，如果不采取补偿措施，可能将会导致金属零件精度较低以及加工速度的减慢。因此，为了提高加工速度以及获得更高的金属零件精度，在本快速成形***中，我们采取了绘图仪式X-Y轴扫描方式的激光扫描***。同时，我们采取了上落粉机构和刮板结合的铺粉装置，加工空间位于其中，这使加工空间更加紧凑，同时减少了保护气体的用量，节约了成本。

Claims (3)

1、一种直接制造金属零件的快速成形***，包括加工空间和激光扫描装置，其特征在于：气体保护腔(19)的两侧设有进、出气口(12、14)，其两端上面设置有用于安装金属粉末的左、右落粉装置(10、11)，落粉装置由电机控制其出粉，其出粉口与气体保护腔(19)相通；刮板(15)位于气体保护腔(19)内，由电机控制沿水平方向作双向运动；激光扫描装置(21)位于左、右落粉装置(10、11)之间，在气体保护腔(19)的顶部设有激光窗(13)，在气体保护腔(19)的底部设有工作腔(20)，工作腔(20)内设有由电机控制其竖直运动的活塞(18)，激光扫描装置(21)发出的光束通过激光窗(13)聚焦在活塞(18)上表面的待加工粉末上。
2、根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述激光扫描装置(21)的结构为：X轴导轨(1)和Y轴导轨(2)由丝杆构成，前者由伺服电机控制下可沿水平方向运动，后者由另一伺服电机控制下在水平面上沿垂直方向运动，滑块(5)位于Y轴导轨(2)上、并沿Y轴导轨滑动；聚焦镜(6)和下偏镜(4)固定在滑块(5)上，上偏镜(7)固定在Y轴导轨(2)的上端，由激光器发出的光束(8)依次经过上偏镜(7)和下偏镜(4)改变运行方向后，再经过聚焦镜(6)聚焦，再通过工作窗(13)照射在位于活塞(18)上表面的待加工的金属粉末上。
3、根据权利要求1或2所述的***，其特征在于：所述左、右落粉装置(10、11)内为带叶片(23)的叶轮(22)，由电机控制叶轮的转动，使粉末落入气体保护腔(19)中。
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