CN208288992U - 一种集成双类型激光提高slm成型件表面质量的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的装置；该装置包括光纤激光器、光纤激光扩束准直器、飞秒激光器、飞秒激光扩束准直器、扫描振镜、透镜等。在SLM叠层制造的过程中，利用飞秒激光技术对每一成型层内和轮廓上可能出现的球化、凸起、粉末黏附等缺陷进行烧蚀修整，从而在不产生额外热影响的基础上提高每个SLM成型层的表面质量，实现累积过程下改善SLM成型件的上表面和侧表面粗糙度，提高零件致密性和尺寸精度等性能指标，降低了SLM加工的废品率。
Description
技术领域
本实用新型涉及金属3D打印成型件的成型质量改善及优化措施，尤其涉及一种集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的装置。
背景技术
激光选区熔化(Selective LaserMelting，SLM)技术是一种能直接成型组织致密、机械性能良好的金属增材制造技术，可直接成型冶金结合、形状复杂的高精度金属零件。该技术在航空部件、刀具模具、珠宝首饰及个性化医学生物植入体制造等方面具有独特的优势。虽和传统制造加工相比，SLM具有很多优势，但由于目前SLM加工工艺难易实现统一，致使成型件的表面粗糙度较差成为其最大的缺陷。一般情况下SLM成型件表面的算数平均偏差达到10～50μm。成型件表面可分为平行于基板的零件外部成型面，即上表面；与基板成一定角度的成型面，即侧表面；零件底部与基板接触的成型面或平行于基板的悬垂面，即下表面。在成型过程中，上表面的粗糙度界定层与层之间的连接性和成型稳定性，对零件致密度、机械性能有较大影响，成型件侧表面粗糙度对零件的尺寸精度有较大影响。
目前，针对SLM成型件表面粗糙度提升手段主要包括加工过程中工艺参数的优化(激光功率、扫描速度、扫描策略等)、后期处理及抛光等方式，并未在SLM加工工程中对各层金属粉末熔融情况进行检测和处理，即当因工艺参数设置不当而出现球化、凸起和粉末黏附等缺陷时未实时的对缺陷进行修整。
发明内容
本实用新型提供一种集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的装置。目的是在SLM叠层制造的过程中，利用飞秒激光技术对每一成型层内和轮廓上可能出现的球化、凸起、粉末黏附等缺陷进行烧蚀修整，从而在不产生额外热影响的基础上提高每个SLM成型层的表面质量，实现累积过程下改善SLM成型件的上表面和侧表面粗糙度，提高零件致密性和尺寸精度等性能指标，降低了SLM加工的废品率。
本实用新型通过下述技术方案实现：
一种集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的装置，包括计算机***14、飞秒激光器5、光纤激光器13、飞秒激光扩束准直器7、光纤激光扩束准直器11、Y轴扫描振镜8、X轴扫描振镜10、X-Y扫描振镜控制器9、透镜4；所述飞秒激光器5和光纤激光器13分别电讯连接计算机***14；X轴扫描振镜10和Y轴扫描振镜8分别通过X-Y扫描振镜控制器9电讯连接计算机***14；
X-Y扫描振镜控制器9控制X轴扫描振镜10和Y轴扫描振镜8转动；
光纤激光器13的光路连接顺序为：光纤激光器13发出的光纤激光束12，经过光纤激光扩束准直器11射入X轴扫描振镜10，并反射射入Y轴扫描振镜8，在经过透镜4射出，并作用在成型缸2内的零件加工区域；
飞秒激光器5的光路连接顺序为：飞秒激光器5发出的飞秒激光束6，经过飞秒激光扩束准直器7射入反转180°后的X轴扫描振镜10，并反射射入Y轴扫描振镜8，再经过透镜4射出，并作用在成型缸2内的的零件加工区域。
所述光纤激光器13与飞秒激光器5之间设有一切换开关；该切换开关用于选择性开启或者关闭飞秒激光器5或者光纤激光器13，使它们各自单独作业。
所述成型缸2位于密封工作腔3内；密封工作腔3的两侧分别通过进/出管路与外部的气体循环过滤装置1连接。
一种集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的装置的运行方法，包括SLM成型模式和修整模式；
SLM成型模式如下：
通过切换开关，使光纤激光器13处于开启状态，飞秒激光器5处于关闭状态；
光纤激光器13发出的光纤激光束12，经过光纤激光扩束准直器11射入X轴扫描振镜10，并反射射入Y轴扫描振镜8，最后经过透镜4作用在成型缸2内的粉末层上，由X-Y扫描振镜控制器9控制X轴扫描振镜10和Y轴扫描振镜8的转动，实现了改成成型层的金属粉末选择性熔化；
修整模式如下：
通过切换开关，使光纤激光器13处于关闭状态，飞秒激光器5处于开启状态；
飞秒激光器5发出的飞秒激光束6，经过飞秒激光扩束准直器7射入反转180°后的X轴扫描振镜10，并反射射入Y轴扫描振镜8，最后经过透镜4作用在当前成型层表面与轮廓上的缺陷，由X-Y扫描振镜控制器9控制X轴扫描振镜10和Y轴扫描振镜8的转动，实现该层成型层的烧蚀修整。
一种集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的方法，其包括如下步骤：
步骤一：气体循环过滤装置1打开，成型缸2下降一个成型层厚，粉料缸16上升至少一个成型层厚，铺粉臂5运动铺粉；
光纤激光器13打开；将成型件的模型切片信息导入计算机***14，计算机***14根据模型切片数据，将控制信息传输给X-Y扫描振镜控制器9，光纤激光束12穿过光纤激光扩束准直器11，并通过对X轴扫描振镜10和Y轴扫描振镜8的控制实现光纤激光对金属粉末的选择性熔化，完成本层成型层的激光选区熔化作业；关闭光纤激光器13；
步骤二：本层模型切片数据扫描完毕，光纤激光器13关闭，X-Y扫描振镜控制器9控制X轴扫描振镜10反转180°以准备对步骤一中所述成型层进行修整；
打开飞秒激光器5；将该成型层的表面和轮廓的缺陷信息输入计算机***14，计算机***14将该成型层的表面和轮廓缺陷信息转换为飞秒激光控制信息后，传输给X-Y扫描振镜控制器9；飞秒激光束6经过飞秒激光扩束准直器7，在X轴扫描振镜10和Y轴扫描振镜8的控制下，对该成型层轮廓与表面的缺陷进行烧蚀修整；
修整完成后关闭飞秒激光器5，X轴扫描振镜10反转180°，并打开光纤激光器13，以切换至下一个成型层的SLM成型作业；
步骤三：重复步骤一和步骤二直至SLM成型件完全成型；关闭气体循环过滤装置1，取出成型缸2内的SLM成型件，加工完毕。
上步骤二所述对该成型层轮廓与表面的缺陷进行烧蚀修整，是指对轮廓与表面上的球状凸起或者粉末黏附缺陷进行烧蚀修整。
本实用新型相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
在SLM成型过程中，通过飞秒激光对成型件的每一层内和轮廓上的缺陷进行修整，实现了成型件内部致密度等性能的提升，以及外表面粗糙度的改善，而不是以后期处理的方法提高成型件性能；
飞秒激光及时对缺陷的修整提高了SLM技术的成品率；
将光纤激光与飞秒激光同时包含在同一台SLM设备当中，提高了生产效率。飞秒激光具有脉冲宽度窄、峰值功率高的特性。在飞秒激光的烧蚀过程中，激光在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，伴随着无热能量扩散等现象，作用区域的温度瞬间急剧上升并远超过材料的熔化和气化温度，实现了真正的冷加工，避免了热加工带来的热变形、应力残留等负面影响。
附图说明
图1为本实用新型集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的装置结构示意图。
图2为本实用新型集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的方法流程图。
图3是飞秒激光束6对成型层表面与轮廓上的球状凸起或者粉末黏附缺陷进行烧蚀修整示意图。
图中：气体循环过滤装置1；成型缸2；密封工作腔3；透镜4；飞秒激光器5；飞秒激光束6；飞秒激光扩束准直器7；Y轴扫描振镜8；X-Y扫描振镜控制器9；X轴扫描振镜10；光纤激光扩束准直器11；光纤激光束12；光纤激光器13；计算机***14；铺粉臂15；粉料缸16。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述。
实施例
如图1-3所示。本实用新型公开了一种集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的装置，包括计算机***14、飞秒激光器5、光纤激光器13、飞秒激光扩束准直器7、光纤激光扩束准直器11、Y轴扫描振镜8、X轴扫描振镜10、X-Y扫描振镜控制器9、透镜4；所述飞秒激光器5和光纤激光器13分别电讯连接计算机***14；X轴扫描振镜10和Y轴扫描振镜8分别通过X-Y扫描振镜控制器9电讯连接计算机***14；透镜4为f-θ透镜。
X-Y扫描振镜控制器9控制X轴扫描振镜10和Y轴扫描振镜8转动；
光纤激光器13的光路连接顺序为：光纤激光器13发出的光纤激光束12，经过光纤激光扩束准直器11射入X轴扫描振镜10，并反射射入Y轴扫描振镜8，在经过透镜4射出，并作用在成型缸2内的零件加工区域；
飞秒激光器5的光路连接顺序为：飞秒激光器5发出的飞秒激光束6，经过飞秒激光扩束准直器7射入反转180°后的X轴扫描振镜10，并反射射入Y轴扫描振镜8，再经过透镜4射出，并作用在成型缸2内的的零件加工区域。
所述光纤激光器13与飞秒激光器5之间设有一切换开关；该切换开关用于选择性开启或者关闭飞秒激光器5或者光纤激光器13，使它们各自单独作业。
所述成型缸2位于密封工作腔3内；密封工作腔3的两侧分别通过进/出管路与外部的气体循环过滤装置1连接。
飞秒激光束6、光纤激光束12在实际选型时应确定各自波长等属性，以及飞秒激光束的脉宽、脉冲能量等特有属性会对光学元件选型有一定要求。
飞秒激光扩束准直器7、光纤激光扩束准直器11作用均为实现激光束的扩束准直，选型时应考虑所选激光束的属性参数。
X-Y扫描振镜包括光学元件反射镜与机械电机装置；为满足扫描振镜对飞秒激光束与光纤激光束的在本实用新型内使用上的通用性，反射镜选型时同时应考虑两种激光的波长、飞秒激光束的脉宽等参数的要求；较一般X-Y扫描振镜相比，为实现振镜***为两种激光束分时共用，本实用新型所用扫描振镜中X轴振镜的电机装置在保证定位精度的基础上拥有更大的旋转角度。当飞秒与光纤激光装置分布两侧设置时，X轴振镜的扫描范围为±115°。
透镜将一束以不同角度入射的准直激光束聚焦到一个平面像场上，而且在整个平场像面上得到大小一致的聚焦光斑。透镜的工作波长由其表面镀膜的特性决定，当激光的波长不在透镜的工作波长范围内时，透镜会被激光烧损；透镜的聚焦光斑直径与入射激光直径、透镜焦距及光束质量因子有关，合理的在所述飞秒激光束和光纤激光束中设计扩束镜可获得更小的聚焦光斑提高加工质量；透镜选型应考虑所通过的飞秒激光束和光纤激光束的波长，以及飞秒激光束平均功率的大小。
飞秒激光束对熔化缺陷的作用时间与扫描路径，由于飞秒激光烧蚀效果与激光的功率、脉宽等参数及作用的时间有关，故根据不同的缺陷类型，修整过程中飞秒激光的参数应有所不同。由于SLM技术中所应用的粉末一般达到几十微米，球化等缺陷直径为毫米级别，均大于飞秒激光的一般加工尺寸，故飞秒激光满足缺陷修整的要求。金属在飞秒激光的烧蚀作用下，以气化物质和离子的形式被SLM设备的气体循环装置消除。通过对成型层内与轮廓的球化、凸起等缺陷进行飞秒激光修整实现最终成型件表面粗糙度等性能的提升。
本实用新型集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的装置分为两种运行模式，即SLM成型模式和修整模式；
SLM成型模式如下：
通过切换开关，使光纤激光器13处于开启状态，飞秒激光器5处于关闭状态；
光纤激光器13发出的光纤激光束12，经过光纤激光扩束准直器11射入X轴扫描振镜10，并反射射入Y轴扫描振镜8，最后经过透镜4作用在成型缸2内的粉末层上，由X-Y扫描振镜控制器9控制X轴扫描振镜10和Y轴扫描振镜8的转动，实现了改成成型层的金属粉末选择性熔化；
修整模式如下：
通过切换开关，使光纤激光器13处于关闭状态，飞秒激光器5处于开启状态；
飞秒激光器5发出的飞秒激光束6，经过飞秒激光扩束准直器7射入反转180°后的X轴扫描振镜10，并反射射入Y轴扫描振镜8，最后经过透镜4作用在当前成型层表面与轮廓上的缺陷，由X-Y扫描振镜控制器9控制X轴扫描振镜10和Y轴扫描振镜8的转动，实现该层成型层的烧蚀修整。
本实用新型集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的方法，可通过如下步骤实现：
步骤一：气体循环过滤装置1打开，成型缸2下降一个成型层厚，粉料缸16上升至少一个成型层厚，铺粉臂5运动铺粉；
光纤激光器13打开；将成型件的模型切片信息导入计算机***14，计算机***14根据模型切片数据，将控制信息传输给X-Y扫描振镜控制器9，光纤激光束12穿过光纤激光扩束准直器11，并通过对X轴扫描振镜10和Y轴扫描振镜8的控制实现光纤激光对金属粉末的选择性熔化，完成本层成型层的激光选区熔化作业；关闭光纤激光器13；
步骤二：本层模型切片数据扫描完毕，光纤激光器13关闭，X-Y扫描振镜控制器9控制X轴扫描振镜10反转180°以准备对步骤一中所述成型层进行修整；
打开飞秒激光器5；将该成型层的表面和轮廓的缺陷信息输入计算机***14，计算机***14将该成型层的表面和轮廓缺陷信息转换为飞秒激光控制信息后，传输给X-Y扫描振镜控制器9；飞秒激光束6经过飞秒激光扩束准直器7，在X轴扫描振镜10和Y轴扫描振镜8的控制下，对该成型层轮廓与表面的缺陷进行烧蚀修整；
修整完成后关闭飞秒激光器5，X轴扫描振镜10反转180°，并打开光纤激光器13，以切换至下一个成型层的SLM成型作业；
步骤三：重复步骤一和步骤二直至SLM成型件完全成型；关闭气体循环过滤装置1，取出成型缸2内的SLM成型件，加工完毕。
上步骤二所述对该成型层轮廓与表面的缺陷进行烧蚀修整，是指对轮廓与表面上的球状凸起或者粉末黏附缺陷进行烧蚀修整。
如上所述，便可较好地实现本实用新型。
本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的装置，其特征在于：
包括计算机***(14)、飞秒激光器(5)、光纤激光器(13)、飞秒激光扩束准直器(7)、光纤激光扩束准直器(11)、Y轴扫描振镜(8)、X轴扫描振镜(10)、X-Y扫描振镜控制器(9)、透镜(4)；所述飞秒激光器(5)和光纤激光器(13)分别电讯连接计算机***(14)；X轴扫描振镜(10)和Y轴扫描振镜(8)分别通过X-Y扫描振镜控制器(9)电讯连接计算机***(14)；
X-Y扫描振镜控制器(9)控制X轴扫描振镜(10)和Y轴扫描振镜(8)转动；
光纤激光器(13)的光路连接顺序为：光纤激光器(13)发出的光纤激光束(12)，经过光纤激光扩束准直器(11)射入X轴扫描振镜(10)，并反射射入Y轴扫描振镜(8)，在经过透镜(4)射出，并作用在成型缸(2)内的零件加工区域；
飞秒激光器(5)的光路连接顺序为：飞秒激光器(5)发出的飞秒激光束(6)，经过飞秒激光扩束准直器(7)射入反转180°后的X轴扫描振镜(10)，并反射射入Y轴扫描振镜(8)，再经过透镜(4)射出，并作用在成型缸(2)内的的零件加工区域。
2.根据权利要求1所述集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的装置，其特征在于：所述光纤激光器(13)与飞秒激光器(5)之间设有一切换开关；该切换开关用于选择性开启或者关闭飞秒激光器(5)或者光纤激光器(13)，使它们各自单独作业。
3.根据权利要求2所述集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的装置，其特征在于：所述成型缸(2)位于密封工作腔(3)内；密封工作腔(3)的两侧分别通过进/出管路与外部的气体循环过滤装置(1)连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Guangdong Tianfu Magnesium Heat Treatment Co.,Ltd. Assignor: SOUTH CHINA University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980048011 Denomination of utility model: A device for integrating dual type lasers to improve the surface quality of SLM formed parts Granted publication date: 20181228 License type: Common License Record date: 20231123 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |