一種金屬零件的雷射增材製造設備的製作方法
2023-07-21 07:00:11 1
一種金屬零件的雷射增材製造設備的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種金屬零件的雷射增材製造設備，它包括振鏡雷射熔化成形裝置和薄壁牆製備裝置；振鏡雷射熔化成形裝置類似於不帶成型缸的選擇性雷射熔化成形裝置；薄壁牆製備裝置安裝在選擇性雷射熔化成形裝置的氣氛腔內，用於逐層完成薄壁牆的製造，形成隨形腔，所述雷射熔化成形裝置用於完成在所述隨形腔內鋪金屬粉末及對該金屬粉末進行選擇性雷射熔化成形。薄壁牆製備裝置可以是自動送粉的雷射增材製造裝置，也可以堆焊裝置，還可以採用多關節機器人或者自動落料機構。本實用新型既保留了SLM金屬增材製造技術的優點，又採用隨形缸，突破常規SLM設備固定尺寸成型缸的限制，可以實現大尺寸甚至超大尺寸零件的高精度製造。
【專利說明】一種金屬零件的雷射增材製造設備
【技術領域】
[0001]本實用新型設備屬於雷射增材製造【技術領域】，具體涉及一種高精度金屬零件的增材製造設備，尤其適用於大尺寸甚至超大尺寸的複雜金屬零件的製造。
【背景技術】
[0002]近幾年來，基於「離散一堆積」和「添加成形」的雷射增材製造技術已經可以從CAD模型和金屬粉末直接製造密度近乎100%的金屬零件。常用金屬材料如工具鋼、不鏽鋼、鎳合金、銅合金、鈦合金和鎢合金等都已經試製成功，製造的金屬零件正在逐步走向實際工業應用。
[0003]目前，採用雷射增材製造技術直接製造100%密度金屬零件的方法歸納起來有兩種:一種是基於自動送粉工藝的雷射熔化沉積技術(LaserMeltingDeposition,以下簡稱LMD技術)，另一種是基於預置鋪粉工藝的選區雷射熔化技術(Selective Laser Melting,也稱選擇性雷射熔化技術，以下簡稱SLM技術)。
[0004]由於粉末供給方式不同，LMD與SLM兩者的技術路線和設備都有明顯差異。LMD採用的是自動送粉，即在加工成形過程中，金屬粉末是從儲粉鬥通過噴嘴同步噴射到熔池中，一次性完成粉末的送入、熔化、凝固成形，因此也稱為一步法。
[0005]由於合金粉末是從噴嘴中動態噴出的，因此LMD技術中的雷射光斑不能夠太小，否則大部分金屬粉末將不能夠被雷射捕捉；而且由於雷射與工件的相對運動是採用工具機來實現的，工具機的加速度和速度都較小，成形製造精密構件時沉積效率將會很低。因此，LMD工藝一般採用較大的光斑直徑，所製造的零件形狀相對比較簡單，成形線寬較寬，空間解析度較低，成形件精度較差，一般在毫米量級。所以，LMD技術成形零件後續機加工較大。然而，LMD技術的顯著優勢之一是，成形設備可以借用發展十分成熟的通用工具機，製造大尺寸零部件所用的設備製造難度係數不高。因此，LMD技術可以製備大尺寸的零件，其投影面積尺寸可達到數平方米。
[0006]而SLM技術則採用預置鋪粉的方式，即預先在成型缸中鋪設一層一定厚度的金屬粉末床，然後採用雷射束對合金粉末層實現選擇性熔化。這種粉末先預置、然後熔化成形的工藝又稱為兩步法。
[0007]SLM成形工藝中，由於合金粉末處於靜止狀態，因此採用很小的雷射光斑也能夠有效捕捉住合金粉末，實現高精度成形。而且，由於採用掃描振鏡實現雷射與工件的相對運動，掃描振鏡的基本特性使得雷射束的掃描速度、跳轉速度和加速度比LMD採用工具機時的對應參數大得多。因此，與LMD相比，SLM技術的最小成形線寬小得多，成形件的空間解析度、成形精度和表面光潔度高得多。而且，由於是採用鋪粉工藝，粉床可以作為懸掛結構的支撐。上述種種原因使得SLM技術特別適合具有精細複雜結構的金屬零件的淨成形。
[0008]下面結合圖la、lb具體說明其工作過程。
[0009]現有技術中，SLM技術製造金屬零件I通常是在成型缸2內完成，如圖1a所示，具體過程說明如下。[0010]首先，按照待加工金屬零件I所需要的精度，採用SLM設備中專門設計的軟體對待加工金屬零件I的三維CAD模型按照一定厚度進行分層切片，獲得金屬零件I的每層平面輪廓掃描信息。為保護金屬在加工過程中不被氧化，成型缸2和儲粉鬥(或者儲粉缸)3均需要採用氣體保護，一般地將成型缸2置於氣氛室4中，氣氛室4中可以充入各種保護氣氛，如氬氣、氮氣等。有的設備還會在成型缸2周圍布置加熱保溫裝置，使其具有預熱緩冷功能。在製造金屬零件I過程中，儲粉鬥3中的金屬粉末5被送往成型缸2，自動鋪粉器7以成型缸2的上表面臺面6作為基準面將粉末鋪平。鋪粉時成型缸2的整個區域都需要鋪滿金屬粉末5 (如圖1b所示的鋪粉後成型缸俯視圖)。由於傳統SLM設備成型缸2的大小是固定的，因此在製作金屬零件過程中，整個零件高度內，成型缸2內將鋪滿金屬粉末；計算機控制系統按照所需加工零件給定的圖形信息驅動掃描振鏡，使得雷射束在粉床表面實現選擇性掃描、熔化金屬粉末，熔融粉末快速冷凝後就形成金屬零件I的一層；然後成型缸2的活塞下降一個單層厚度的高度，重複鋪粉-雷射選擇性掃描-熔化成形過程；通過上述過程熔化粉末層的層層疊加，即獲得了金屬零件I。儲粉鬥3可以置於成型缸2的側上方(此時一般稱為儲粉鬥)，也可以平行放置在成型缸2的側面(此時一般稱為儲粉缸)。儲粉鬥可以置於氣氛室4，也可以置於氣氛室4外；但是儲粉缸必須置於氣氛室4中。
[0011]與LMD技術相比，SLM技術成形的工藝特點為:金屬零件具有高精度、高機械性能、高表面光潔度，並且能成形複雜結構和形狀的金屬零件。其主要局限性在於，所能夠成形的零件大小受制於成型缸的尺寸和掃描振鏡掃場範圍。因此，現有的SLM技術一般用於製造中小型零件。如果的確需要採用SLM技術製造大尺寸零件，則必須採用大尺寸成型缸，大尺寸成型缸承載的大量粉末給工具機帶來很重的負荷，使得SLM成形設備中的活塞、絲杆等機械部件承載的負荷大，設備的製造成本與難度係數大幅度增加。
[0012]綜上所述，LMD技術一般用來製造形狀相對簡單、尺寸精度要求較低的大尺寸金屬零件；而SLM技術則用來製造形狀複雜、尺寸精度要求較高的金屬零件，但是目前無法製造大尺寸金屬零件。採用大尺寸成型缸的SLM方法製造大型金屬零件，會給SLM設備的製造帶來很多技術難題，例如必須有超量合金粉末填滿整個成型缸，才能完成零件製造，這將使得工具機變得超重，機械設備複雜程度大幅度和設備製造成本大幅度增加。因此，人們一直在尋找大尺寸複雜金屬零件的高精度增材製造方法和裝置。
實用新型內容
[0013]本實用新型設備提供了一種全新的金屬零件雷射增材製造設備，其目的在於實現大尺寸甚至超大尺寸複雜金屬零件的高精度製造。
[0014]本實用新型設備提供的一種金屬零件的雷射增材製造設備，其特徵在於，該設備包括振鏡雷射熔化成形裝置和薄壁牆製備裝置；
[0015]所述振鏡雷射熔化成形裝置類似於不帶成型缸的選擇性雷射熔化成形裝置；所述薄壁牆製備裝置安裝在選擇性雷射熔化成形裝置的氣氛腔內，用於逐層完成薄壁牆的製造，形成隨形腔，所述振鏡雷射熔化成形裝置用於完成在所述隨形腔內鋪金屬粉末及對該金屬粉末進行選擇性雷射熔化成形。
[0016]作為上述雷射增材製造設備的一種優選實現方式，所述振鏡雷射熔化成形裝置包括儲粉鬥、氣氛室、三維移動部件、工作檯面、掃描振鏡聚焦系統、第一導光系統、自動鋪粉器和雷射器；儲粉鬥置於氣氛室內或室外，工作檯面位於氣氛室底部，用於放置作為薄壁牆和零件承載體的基板；
[0017]掃描振鏡聚焦系統和自動鋪粉器通過安裝板安裝在三維移動部件上，自動鋪粉器的入粉口通過粉管或者自由落下的方式從儲粉鬥獲得粉末，自動鋪粉器用於向隨形腔內送粉，刮板並將隨形腔內粉末鋪平；雷射器通過第一導光系統與掃描振鏡聚焦系統的入光口相連；工作時，雷射器出射的雷射束經掃描振鏡聚焦系統匯聚在隨形腔內的粉末床表面，並按照零件形狀對粉末進行選擇性雷射熔化成形。
[0018]作為上述雷射增材製造設備的另一種優選實現方式，所述薄壁牆製備裝置包括雷射器、光學聚焦系統、第二導光系統、同軸送粉噴嘴和三維移動部件；光學聚焦系統和同軸送粉噴嘴均通過安裝板安裝在三維移動部件上，同軸送粉噴嘴與光學聚焦系統同軸，並嘴通過粉管與儲粉鬥的出粉口相連；工作時儲粉鬥中的合金粉末在負壓帶動下沿著粉管輸入到同軸送粉噴嘴後，噴出粉末的匯聚點與光學聚焦系統的焦點位於粉床表面同一位置；雷射器出射的雷射束經光學聚焦系統後匯聚在送粉噴嘴同軸噴出的粉末匯聚點上，在基板表面形成熔覆層。當同軸送粉噴嘴與光學聚焦系統隨水平軸按預定的軌跡運動時，在基板上形成所需形狀的薄壁牆，該薄壁牆所圍成的區域即隨形腔；所述薄壁牆製備裝置與所述振鏡雷射熔化成形裝置共用一臺雷射器和/或三維移動部件，或者各自分開配備。
[0019]所述薄壁牆製備裝置也可以採用焊接設備，或者配有板帶材料的多關節機器人，或者配有板帶材料且安裝在三維移動部件上的自動落料機構。
[0020]本實用新型設備的基本思想是:待加工零件的製造依然基於現有的SLM技術類似方法，即採用預置鋪粉和高速振鏡掃描方式，每一層預置一定厚度的粉末，掃描振鏡帶動雷射束選擇性掃描、加熱、熔化合金粉末，完成該層的成形。通過層層疊加，最終形成高精度的三維實體。與現有SLM技術所不同的是，本實用新型設備不再採用SLM技術中固定尺寸的成型缸，而是隨著零件每層切片的形狀和尺寸不同，成型缸的形狀和尺寸也適當調整變化，我們稱之為「隨形缸」。從三維空間來看，圍成該「隨形缸」的是薄壁牆。根據零件每層切片的形狀和尺寸，薄壁牆形成的空腔區域我們稱之為「隨形腔」，「隨形腔」的作用是為待加工零件每層的鋪粉提供平面基準和腔體，使得合金粉末能夠按照所設計的厚度均勻地鋪放在成形構件的表面。每一層中，「隨形腔」的個數可以是一個，也可以是多個:他們的形狀與其所包圍的金屬零件層的外輪廓基本一致，薄壁牆離待加工零件外圍輪廓有一定距離。「隨形腔」層疊即形成「隨形缸」。
[0021]因此，本實用新型設備既保留了雷射選區熔化成形(SLM)金屬增材製造技術的優點，即採用預置鋪粉和高速振鏡掃描，滿足複雜金屬零件高精度成形的要求；又由於採用了「隨形缸」，突破常規SLM設備固定尺寸成型缸的限制，實現大尺寸零件的高精度製造。所以，本實用新型設備不僅可使得製造高精度大尺寸零件成為可能，而且與現有基於固定成型缸結構的大尺寸零件SLM成形技術相比，裝置複雜程度大幅度降低，需要的備用金屬粉末量也大幅度降低，從而為大尺寸複雜金屬零件的高精度、短流程製造提供了一種全新的雷射增材製造技術。本實用新型設備可以採用的技術路線主要包括循環執行的三個步驟:I)先根據零件層尺寸的大小製造隨形腔；2)鋪粉；3)高速掃描振鏡選擇性雷射熔化成形。因此，又稱為二步法。
[0022]與LMD、SLM工藝相似，本實用新型設備可以釆用三步法增材製造技術，也是在封閉的氣氛室中完成的，因此可以通過調控氣氛室內的氣氛，防止金屬材料發生氧化。
[0023]與現有的金屬零件雷射增材製造技術LMD( —步法)和SLM( 二步法)技術相比，本實用新型設備提出的新型雷射增材製造技術(三步法)具有如下優勢:第一，可以製造大尺寸、高精度、複雜金屬零件:現有的LMD技術可以成形大尺寸構件，但是加工精度低，後續加工量大，無法成形複雜、高精度零件；而SLM技術成形精度高，但是加工零件的尺寸受到成型缸的限制，成形大尺寸零件需要大成型缸，大成型缸不僅需要備用粉末多，而且存在負荷重、零件難以取出等諸多技術難題。本實用新型設備則使得大尺寸複雜金屬零件的高精度雷射增材製造成為可能，並且設備相對簡單:通過保留SLM技術中預置鋪粉和振鏡掃描的方法成形待加工金屬零件，採用隨形缸技術避免需要大量金屬粉末，使得大尺寸甚至超大尺寸複雜零件的高精度雷射增材製造成為可能；
[0024]第二，使用本實用新型設備，可以大幅度降低成形設備的製造成本:本實用新型設備提出的技術路線，採用傳統的多軸工具機或者多關節機器人與SLM熔化成形方法相結合，設備構成相對簡單，使得大尺寸複雜零件的高精度成形設備大幅度簡化，設備製造的難度係數與成本大幅度降低；
[0025]第三，使用本實用新型設備，可以大幅度節約備用金屬粉末:隨形缸是由隨形腔層疊而成，而隨形腔的尺寸大小是根據實際零件的形狀、輪廓和尺寸大小逐層變化，可以緊貼待加工零件，對於有的零件甚至可以按照零件的特點進行分區設計多個隨形腔。因此所需要填入隨形缸體中的金屬粉末比傳統SLM設備固定「成型缸」時要少得多，從而解決了粉末大量「閒置」的難題，減少備用金屬粉末，降低投資力度；
[0026]第四，使用本實用新型設備，基板概念可以從傳統的平板向異形板擴展:基板有時是可以作為零件的一部分的，在基板上採用本實用新型設備提供的技術成形完成其餘部分零件製作。在傳統SLM技術中，第一層鋪粉厚度是由固定成型缸的上表面和基板之間的高度差決定的，因此為了保證均勻的鋪粉厚度，必須採用表面是水平的基板，這在製備有的零件比如底部存在大面積實體結構但表面不水平的零件時會很浪費時間和金錢。採用本實用新型設備，由於採用隨形腔結構，可以使基板的概念和形狀圍大幅度擴大，使得選區雷射熔化工藝能夠象LMD工藝那樣，適用於非平面基板。比如，對於上述的情況，就可以使用表面為非平面的基體作為基板，這種底部實體就可以成為基板的一部分，這樣不但可以省卻這部分實體的成形時間，還可以採用不規則形狀基板。可見，採用本實用新型設備提出的隨形缸，可以使在複雜形狀或者大尺寸基板上局部成形精密構件成為可能，這是傳統的SLM技術或者LMD技術所無法達到的；
[0027]第五，本實用新型設備可以將LMD技術與SLM技術組合使用:對於零件一些精度要求不高的部分，也可以直接採用LMD技術直接成形毛坯，結合機械加工完成部件的精密成形，提高成形效率；然後在此基礎上，再利用SLM技術進一步製造複雜精密結構；
[0028]第六，本實用新型設備可以採用多臺振鏡協同工作，提高成型效率:如果所成形的金屬零件的尺寸足夠大，單臺振鏡工作效率低，則由於金屬粉末處於靜止狀態，還可以配置多臺雷射器、多臺掃描振鏡進行掃描成形加工，從而大幅度提高成形效率。
[0029]綜上所述，本實用新型設備可以通過即時製備隨形缸，克服了傳統的SLM固定成型缸的需要粉末多、負荷重以及設備製造工藝複雜等技術難題，既使得製造大尺寸複雜零件具有高精度的特點，又大大簡化了設備的複雜程度，使得從CAD模型和金屬粉末直接製造100%密度的大尺寸高精度金屬零件成為可能，具有廣泛的工業應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1a是常規SLM技術製造金屬零件的主視圖，圖1b為鋪粉後成型缸俯視圖；
[0031]圖2是本實用新型設備提供的設備的一種具體實現方式的結構示意圖；
[0032]圖3是圖2的細節放大圖；
[0033]圖4是本實用新型設備提供的設備的另一種具體實現方式的結構示意圖；
[0034]圖5是圖4的細節放大圖；
[0035]圖6是薄壁牆製備裝置採用的焊接設備示意圖；
[0036]圖7是薄壁牆製備裝置採用的多關節機器人的示意圖。
[0037]圖8是本實用新型設備實例提供的製造金屬零件的方法流程圖；
[0038]圖9a是本實用新型設備實例所製造的金屬零件主視圖，圖9b為鋪粉後成型缸俯視圖。
【具體實施方式】
[0039]預置鋪粉與振鏡掃描相結合，是SLM成形技術能實現高精度、複雜結構製造的主要原因。但是，現有的SLM技術都採用固定大小的成型缸，使得製備的金屬零件尺寸受限。因此，如果在待加工零件的三維CAD模型中添加閉合的、一定厚度的(其厚度可以根據待加工零件的大小和材料確定)、能將待加工零件包圍的薄壁牆，則該薄壁型腔就可以充當現有SLM設備中固定成型缸的作用。換句話說，閉合薄壁牆實質作用就是常規SLM成形過程中的成型缸，只是其形狀和尺寸不再是固定不變的，而是根據所待加工金屬零件的形狀和尺寸變化，以與待加工金屬零件同步成形、並能夠包圍待加工金屬零件外輪廓的薄壁牆體。薄壁牆每層的上表面作為鋪粉的平面基準，其高度增量等於擬鋪粉的單層粉末厚度，我們將這種薄壁牆形成的腔體稱之為「隨形腔」，層層疊加的「隨形腔」組合即為「隨形缸」。可見，與採用固定成型腔的SLM技術不同，本實用新型設備中的隨形缸是隨著零件的生長而同步生長的，其形狀和尺寸是隨零件形狀和尺寸的變化而變化的。
[0040]下面結合附圖對本實用新型設備的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對於這些實施方式的說明用於幫助理解本實用新型設備，但並不構成對本實用新型設備的限定。此外，下面所描述的本實用新型設備各個實施方式中所涉及到的技術特徵，只要彼此之間未構成衝突，就可以相互組合。
[0041]本實用新型設備包括雷射熔化成形裝置和薄壁牆製備裝置；所述振鏡雷射熔化成形裝置為不帶成型缸的雷射選區熔化成形裝置，它可以是任意一種實現選區雷射熔化成形功能的裝置，用於實現待加工金屬零件的雷射熔化成形，得到所需成形的金屬零件。薄壁牆製備裝置安裝在雷射選區熔化成形裝置的氣氛腔內，用於逐層完成薄壁牆的製造，形成隨形腔，所述雷射熔化成形裝置用於完成所述隨形腔內鋪金屬粉末及對該金屬粉末進行選擇性雷射熔化成形。
[0042]下面列舉幾種具體實現的設備:
[0043]所述振鏡雷射熔化成形裝置包括儲粉鬥、氣氛室、三維移動部件、工作檯面、掃描振鏡聚焦系統、導光系統、自動鋪粉器和雷射器。其中，三維移動部件可以是多軸工具機或者多關節機器人。
[0044]所述薄壁牆製備裝置可以是基於LMD原理，即採用自動送粉的雷射增材製造裝置逐層製備薄壁牆；也可以是基於焊接原理，採用堆焊裝置逐層製備薄壁牆；還可以是基於機加工原理，採用多關節機器人或者自動落料機構將事先剪切好的板帶(鋼板、鋼帶、塑料帶、紙帶等)逐層鋪設薄壁牆。
[0045]如圖2、圖3所示，三維移動部件採用的是工具機主軸式結構，包括工具機臺架11和工具機主軸12。
[0046]儲粉鬥3、氣氛室4、三維移動部件、工作檯面13、掃描振鏡聚焦系統15、導光系統19、自動鋪粉器17和雷射器18構成所述振鏡雷射熔化成形裝置。
[0047]儲粉鬥3置於氣氛室4上方，工作檯面13位於氣氛室4底部，用於放置作為薄壁牆和零件的承載體的基板。
[0048]掃描振鏡聚焦系統15、自動鋪粉器17、光學聚焦系統22和送粉噴嘴25均通過安裝板14安裝在工具機主軸12上，工具機主軸12可以在X軸、Y軸和Z軸三個方向運動。
[0049]自動鋪粉器的入粉口通過粉管或者自由落下的方式從儲粉鬥獲得粉末，自動鋪粉器用於向隨形腔內送粉，並將隨形腔內粉末鋪平。
[0050]本實例中，自動鋪粉器17包含粉鬥以及刮板16。刮板16的下表面平整，並且不得低於光學聚焦系統22和送粉噴嘴25的下表面平面。粉鬥的入粉口通過粉管或者自由落下的方式從儲粉鬥獲得粉末，並向隨形腔內送粉，粉鬥的出粉口開口寬度可以根據隨形腔大小由計算機控制系統調節。刮板16將隨形腔內粉末鋪平。
[0051]所述雷射器18、光學聚焦系統22、導光系統23、粉管24、同軸送粉噴嘴25和所述三維移動部件構成所述薄壁牆製備裝置。
[0052]送粉噴嘴25與光學聚焦系統22同軸，且同軸送粉噴嘴的噴出粉末的匯聚點與光學聚焦系統22的焦點位於基板表面同一位置；同軸送粉噴嘴25的入粉口通過粉管24與儲粉鬥3相連，粉末經過同軸送粉噴嘴25的噴嘴噴出。雷射器18出射的雷射束經光學聚焦系統22後匯聚在同軸送粉噴嘴25同軸噴出的粉末匯聚點上，在基板表面形成熔覆層，當同軸送粉噴嘴25與光學聚焦系統22隨水平軸按預定的軌跡運動時，在基板上形成所需形狀的薄壁牆，該薄壁牆所圍成的區域即隨形腔。
[0053]自動鋪粉器17的入粉口通過粉管或者自由落下等方式獲得儲粉鬥3的粉末5，用於向隨形腔內送粉；自動鋪粉器17的刮板16將隨形腔內粉末鋪平。雷射器18的另一路光通過導光系統19與掃描振鏡聚焦系統15的入光口相連；雷射器18出射的雷射束經掃描振鏡聚焦系統15匯聚在隨形腔內的粉末上，並按照零件形狀對粉末進行雷射選區熔化成形，當所成形的面積大於掃描振鏡聚焦系統15的掃場範圍時，掃描振鏡聚焦系統15在工具機主軸12帶動下移動，完成對整個隨形腔進行雷射選區熔化成形，得到所需形狀的金屬零件層。
[0054]在完成一層金屬零件層製備後，送粉噴嘴25、光學聚焦系統22、自動鋪粉器17和掃描振鏡聚焦系統15在工具機主軸12帶動下在Z軸方向移動一個層厚，再進行下一金屬零件層的製備。雷射熔化成形裝置和薄壁牆製備裝置交替工作，完成整個金屬零件製備成形。
[0055]如圖4、圖5所示，三維移動部件採用兩個多關節機器人34，多關節機器人34安裝固定在氣氛室4底部，並在工作檯面13之外。掃描振鏡聚焦系統15、自動鋪粉器17、光學聚焦系統22、送粉噴嘴25五個部件可以通過安裝板分別任意安裝在兩個多關節機器人上。圖4、圖5為其中一種方式，掃描振鏡聚焦系統15通過一塊安裝板14安裝在一個多關節機器人34上，光學聚焦系統22和同軸送粉噴嘴25以及自動鋪粉器17通過另一安裝板14安裝在另一個多關節機器人34上，二個多關節機器人34均可以在X軸、Y軸和Z軸三個方向運動。其它結構與圖2所示結構相同。
[0056]如圖6所示，薄壁牆製備裝置可採用焊接設備，它包括焊槍28和焊機29。焊槍28同樣是通過安裝板安裝在工具機主軸或多關節機器人或者其它三維移動部件上，焊接材料可以是粉末，也可以是焊絲。
[0057]如圖7所示，薄壁牆製備裝置採用多關節機器人或者安裝在三維移動部件上的自動落料機構31，該三維移動部件可以與雷射熔化成形裝置共用或者單獨配置。每製作薄壁牆8的一層時，多關節機器人或者可以自動落料機構31就按照計算機指令將板帶材料30安放合適的空間位置上，並與前一層的上表面固定好，即完成該層薄壁牆的製作。板帶材料30可以是厚度等於單層鋪粉厚度的板帶，如鋼板、鋼帶、塑料帶、紙帶等，其形狀與隨形腔的形狀相同。
[0058]所述振鏡雷射熔化成形裝置如雷射選區熔化成形裝置一樣，通常還包括計算機控制系統20和氣氛控制系統21，計算機控制系統20用於控制三維移動部件、雷射器18、掃描振鏡聚焦系統15和自動鋪粉器17的工作,氣氛控制系統21用於控制氣氛室4的氣氛,如抽真空和除塵等。計算機控制系統20還可以用於控制薄壁牆製備裝置的工作。
[0059]在薄壁牆製備裝置採用自動送粉的雷射增材製造裝置時，它可以也雷射熔化成形裝置共用一臺雷射器18，在雷射器18上設置光束自動轉換裝置26，或者掃描振鏡聚焦系統15和光學聚焦系統22之間設置光束切換系統27。光束自動轉換裝置26或光束切換系統27由計算機控制系統20控制，以實現雷射在掃描振鏡聚焦系統15和發射聚焦系統22之間的切換。上述技術方案也可以各自設置單獨的雷射器。
[0060]本實用新型設備中，儲粉鬥3既可以置於氣氛室內4內，也可以置於氣氛室內4夕卜。安裝板14也可以根據需要配置一套或者多套。自動鋪粉器17可以採用其它結構形式，如刮板16也可以用滾筒替換。
[0061]同軸送粉噴嘴25和焊接設備所需的合金粉末既可以來自於儲粉鬥3，也可以來自於單獨設置的自動送粉器，它所使用的粉末可以與待加工金屬零件一樣的粉末，也可以不一樣。
[0062]導光系統19和23均可以是光纖，或者由反射鏡等光學器件組成的導光光路。
[0063]掃描振鏡聚焦系統15也可以米用飛行掃描方式(即加工頭一邊移動,振鏡一邊掃描)，也可以採用分區掃描方式(即加工頭每次移動一個區域，在完成該區掃描後再移動到另一個位置，通過圖形拼接實現大尺寸構件的製造)。
[0064]如果薄壁牆需要測量和修整，還需要配備薄壁牆測量裝置32和修整裝置33。則它們均應置於氣氛室4中，並通過安裝板14安裝在三維移動部件上，可以在XYZ三個方向移動。薄壁牆測量裝置32可以是深度尺等各種測量器件，修整裝置33可以如銑刀、磨頭等機加工器件。當有兩套三維移動部件(如圖4所示結構)時，薄壁牆測量裝置32和修整裝置33可以安裝在同一三維移動部件上(對於工具機結構而言)，也可以分別在不同的三維移動部件上(對於多關節機器人而言)。[0065]如圖8所示，採用本實用新型設備實例進行金屬零件的雷射增材製造過程為:
[0066](I)對待加工零件的三維CAD模型進行改造，增加包圍待加工零件的閉合薄壁牆。每一層薄壁牆都是一個閉合的環，環可以是圓形，方形或所需的任意形狀，與待加工零件外輪廓一樣或者部分一樣，這些閉合的環形成的空腔區域我們稱之為「隨形腔」。
[0067]薄壁牆所形成的隨形腔可以封閉或非封閉的所需的任意形狀，非封閉是指上和/或下邊開口。
[0068]該薄壁牆層疊的集合體最終形成「隨形缸」，每層薄壁牆形成「隨形腔」，每層「隨形腔」形狀可以一樣，也可以不一樣，與待加工零件形狀相關，即形狀與金屬零件層的形狀相適應。該隨形缸可以是將整個零件全部包含進去的一個型腔體，如其形狀與金屬零件層的外輪廓相同；也可以是根據待加工零件形狀，將其分割成數個區域，將這些分割區域分別包含進去的數個型腔體之和。顯然，隨形缸尺寸不像傳統SLM的成型腔那樣固定不變，而是可以根據零件尺寸和形狀的變化而變化。
[0069](2)將添加了薄壁牆的三維CAD模型當成新的零件，按照需要的精度採用計算機軟體對其按照一定厚度進行分層切片，得到待加工零件的雷射平面掃描輪廓信息和薄壁牆輪廓的平面掃描信息，並按照掃描聚焦系統的掃場範圍將待加工零件的每層平面掃描輪廓信息進行分區；
[0070](3)即時製備薄壁牆，形成「隨形腔」:
[0071]與固定成型腔的結構不同，本實用新型設備中的隨形缸是由隨著零件的生長而同步生長的薄壁牆形成的空腔即「隨形腔」層疊而成。在製造閉合薄壁牆時，可以採用LMD工藝以及焊接等方法實時製備，也可以事先切割厚度與設定切片厚度一致的板材或者帶材，並將其圍成隨形腔尺寸大小，固定在前一層的「薄壁牆」表面上，形成新的一層。薄壁牆圍成的空腔構成「隨形腔」。
[0072](4)在「隨形腔」內鋪粉:儲粉鬥裡的金屬粉末被自動鋪粉器送到隨形腔內，自動鋪粉器的刮板以薄壁牆的上表面為基準，將隨形腔內金屬粉末刮平整均勻，要求粉末充滿整個隨形腔；
[0073]如果薄壁牆的新增高度和表面平整度不符合後續鋪粉的要求，還要對薄壁牆採用深度尺等進行深度測量和銑削、磨削等方法對其新增表面修整，使其新增高度和上表面的平整度和光潔度符合鋪粉要求。
[0074](5)對隨形腔內的粉末進行選擇性掃描，使被雷射輻照的金屬粉末熔化成形，製備一層待加工的金屬零件層:按照零件的分層掃描輪廓信息，啟動掃描振鏡聚焦系統，完成對隨形腔內金屬粉末層的選擇性雷射熔化掃描加工，從而使金屬粉末熔化成形一層；如果該層尺寸大於掃描振鏡的掃場範圍，則採用三維移動部件帶動掃描振鏡聚焦系統在XY平面內移動，通過分區或者飛行掃描方式完成零件該層的掃描，從而完成一層的製造。
[0075](6)振鏡沿垂直方向移動一個層厚高度:在選擇性雷射熔化成形完畢後，振鏡和自動鋪粉器在三維移動部件的帶動下沿垂直方向向下或向上移動一個單層層厚的高度。
[0076](7)重複進行步驟(3) - (7)，直至零件完成全部成形過程:
[0077]根據零件的三維圖形數據，重複步驟(3)-(7)，直至薄壁牆層疊形成隨形缸，零件也完成全部成形過程。
[0078](8)去除薄壁牆，即得到所需要的金屬零件。[0079]與圖la、Ib所示的常規SLM技術製造金屬零件不同，採用圖8所示流程，成形完成後的零件示意圖如圖9a、lb所示，成形後的零件由金屬零件I和薄壁牆8組成。薄壁牆8是與待加工金屬零件同步製備的，即每製備一層金屬零件，必先製備一層閉合的薄壁牆。薄壁牆8最終層疊形成隨形缸9，每層薄壁牆閉合形成「隨形腔」 10，根據零件形狀，隨形腔10可以是一個也可以是多個。整個零件和薄壁牆製備完成後，還要將薄壁牆8去除，具體實施過程如圖8所示。
[0080]薄壁牆8的掃描輪廓是採用計算機控制軟體在金屬零件I的CAD模型的邊沿一定距離處添加一定厚度的閉合外沿形成的，厚度可以在0.1mm?50mm(優選值是I?IOmm)之間，薄壁牆距待加工零件的距離在0.1mm?300mm(優選值是I?50mm)之間，薄壁牆的厚度和距待加工零件外輪廓的距離由待加工零件的材料、形狀和尺寸具體決定；然後將薄壁牆8和金屬零件I看成一個整體零件，根據金屬零件的精度要求採用計算機控制軟體按照一定厚度對改造後的三維CAD模型進行分層切片，獲得薄壁牆8和金屬零件I的每層平面掃描輪廓信息；其中，薄壁牆8可以是採用LMD工藝或者焊接工藝與待加工金屬零件I同步成形的；也可以是將事先按照單層切片厚度切割好的薄鋼片、薄鋼帶甚至塑料帶、紙帶等非金屬材料加工成薄壁牆形狀尺寸大小，然後採用多關節機器人或者自動抖落機構將其逐層落下並固定在前一層薄壁牆的上表面，以形成薄壁牆新的一層。這一過程與待加工金屬零件I同步成形。每層成形都是先成形薄壁牆8 (即形成隨形腔10，隨形腔10層疊形成隨形缸9)，以薄壁牆8的上表面為基準，在隨形腔10內鋪滿金屬粉末5，再採用掃描振鏡驅動雷射選擇性熔化金屬粉末(即SLM工藝)，成形金屬零件I的一層，如果該層的尺寸大於掃描振鏡的掃場範圍，則採用三維移動部件在XY平面內移動掃描振鏡聚焦系統，採用飛行掃描或者分區掃描的方式完成整個該層的製造。在控制系統控制下，順序進行薄壁牆8和金屬零件I的下一層成形。如此重複、逐層疊加，完成整個零件的製造。去除薄壁牆8後，SP可獲得金屬零件I。
[0081]可見，本實用新型設備的待加工零件I的製備都是採用掃描振鏡和預置鋪粉的方式完成的，即與傳統的SLM技術一樣，因此，本實用新型設備既具備了 SLM技術的高精度特點，又因為採用隨形缸技術，可以很方便地實現大尺寸零件的高精度製造。
[0082]實例:
[0083]實例1:
[0084]本實例採用圖2所示結構實現。
[0085](I)對金屬零件I的CAD模型進行改造，獲得金屬零件I和薄壁牆8的分層輪廓信息:在距金屬零件輪廓外圍1_處添加一 4_寬的薄壁牆8，薄壁牆8閉合形成「隨形缸」9 ；根據所需要的精度採用計算機對改造的三維CAD模型進行分層切片，分別獲得薄壁牆8和金屬零件I的每層掃描輪廓信息；
[0086](2)採用LMD技術製造一層薄壁牆8:雷射通過光束轉換器27轉換到導光系統23，到達光學聚焦系統22，然後在工作面上聚焦成合適的光斑，控制系統控制工具機帶動雷射和光學聚焦系統沿著薄壁牆8的該層輪廓和路徑規划進行掃描，金屬粉末5則由儲粉鬥3經過粉管24，然後被送粉噴嘴25同步送入熔池中，完成薄壁牆8該層的成形，形成薄壁牆8的一層薄壁牆8採用與金屬零件I所用的金屬粉末一樣。薄壁牆形成的空腔即為隨形腔10。
[0087]如果薄壁牆新增層的新增高度和表面粗糙度不符合後續鋪粉要求，則需要採用測量裝置32如深度尺等以及修整裝置33如銑刀、磨頭等測量和修整薄壁牆表面，使得薄壁牆新增層的新增高度和表面粗糙度符合後續鋪粉要求。
[0088](3)在隨形腔10內填滿粉末:控制系統將儲粉鬥3到達粉管24的通道阻斷，將到達自動鋪粉器17的通道打開，足量的儲粉鬥3中的金屬粉末5被送入隨形腔10內，自動鋪粉器17的刮板16以薄壁牆的上表面為基準將粉末刮平。為提高鋪粉效率和質量，自動鋪粉器17的出粉口開口大小可以根據隨形腔的大小和形狀由控制系統控制。
[0089](4)光束轉換器27將雷射轉換到導光系統19上，雷射經掃描振鏡聚焦系統15並聚焦到工作面上，在控制系統的控制下掃描振鏡聚焦系統15的振鏡偏轉實現該隨形腔10內的金屬粉末的選擇性熔化成形，製造金屬零件I的一層。如果金屬零件在該層的掃描區域大于振鏡掃場範圍，則計算機控制系統20控制三維移動部件帶動安裝板14在XY平面內移動，從而使得掃描振鏡系統15移動，採用分區或者飛行掃描方式完成該層的成形加工。
[0090](5)完成該層的加工後，三維移動部件帶動安裝板14及其安裝在安裝板14上的部件向上運動一個層厚的高度，重複進行下一層的薄壁牆和金屬零件製造。
[0091](6)如此往復，逐層疊加，就可完成整個帶隨形缸的零件製造。
[0092](7)完成後，通過常規的切割或者其它分離技術去除薄壁牆8，即可獲得金屬零件
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[0093]實例2:
[0094]本實例採用如6所示的焊接方式製備薄壁牆8，其步驟如下:
[0095](I)對金屬零件的三維CAD模型進行改造，獲得金屬零件I和薄壁牆8的分層輪廓信息。在計算機控制系統軟體中對金屬零件I的三維CAD模型進行改造:在距金屬零件I邊沿輪廓25_遠的地方添加寬度為1_的閉合的外沿(即薄壁牆8)，薄壁牆8可形成隨形缸9。該隨形缸9根據零件形狀，可以是包圍整個零件的一個型腔體，也可以是根據零件特徵分區的、能形成閉合區域的多個型腔體；按照所製造零件所要求的尺寸精度，採用計算機對改造過的帶有薄壁牆的CAD模型進行分層切片，得到金屬零件I的雷射平面掃描輪廓信息和薄壁牆8的各層平面輪廓信息；
[0096](2)採用焊接技術製造一層薄壁牆8在控制系統控制下，多關節焊接機器人根據薄壁牆的掃描輪廓和路徑規劃，在基板上通過焊接成形薄壁牆8的一層，薄壁牆8形成的空腔即隨形缸9的一層，也即隨形腔10 ；
[0097]如果薄壁牆新增層的新增高度和表面粗糙度不符合後續鋪粉要求，則需要採用測量裝置32如深度尺等以及修整裝置33如銑刀、磨頭等測量和修整薄壁牆表面，使得薄壁牆新增層的新增高度和表面粗糙度符合後續鋪粉要求。
[0098](3)在隨形腔10內填滿粉末:控制系統將觸發粉鬥3到達粉管24的通道阻斷，將到達自動鋪粉器17的通道打開，足量的儲粉鬥3中的金屬粉末5被送入隨形腔10內，刮板16以薄壁牆的上表面為基準將粉末刮平。為提高鋪粉效率和質量，自動鋪粉器17的出粉口開口可以根據隨形腔的大小開啟。
[0099](4)雷射束經導光系統19到達掃描振鏡聚焦系統15，並聚焦到工作面上，在控制系統的控制下掃描振鏡聚焦系統15的振鏡偏轉實現該隨形腔10內金屬粉末的雷射選區熔化成形，製造金屬零件I的一層。如果金屬零件在該層的掃描區域大于振鏡掃場範圍，則計算機控制系統20控制三維移動部件帶動安裝板14在XY平面內移動，從而使得掃描振鏡系統15移動，採用分區或者飛行掃描方式完成該層的成形加工。
[0100](5)完成該層的加工後，三維移動部件帶動安裝板14及其安裝在安裝板14上的部件向上運動一個層厚的高度，重複進行下一層的薄壁牆和金屬零件製造。
[0101](6)如此往復，逐層疊加，就可完成整個帶隨形缸的零件製造。
[0102](7)完成後，通過常規的切割或者其它分離技術去除薄壁牆8，即可獲得金屬零件
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[0103]實例3
[0104]本實例採用多關節機器人將實現加工好的板帶(鋼板、鋼帶、塑料帶、紙帶等)安放的方法製備薄壁牆8，其步驟如下:
[0105](I)對金屬零件的三維CAD模型進行改造，獲得金屬零件I和薄壁牆8的分層輪廓信息。在計算機控制系統軟體中對金屬零件I的三維CAD模型進行改造:在距金屬零件I邊沿輪廓50mm遠的地方添加寬度為IOmm的閉合的外沿(即薄壁牆8)，薄壁牆8可形成隨形缸9。該隨形缸9根據零件形狀，可以是包圍整個零件的一個型腔體，也可以是根據零件特徵分區的、能形成閉合區域的多個型腔體；按照所製造零件所要求的尺寸精度，採用計算機對改造過的帶有薄壁牆的CAD模型進行分層切片，得到金屬零件I的雷射平面掃描輪廓息和薄壁牆8的各層平面輪廓信息；
[0106](2)採用焊接技術製造一層薄壁牆8:在計算機控制系統20控制下，多關節機器人31將事先按照薄壁牆的掃描輪廓和單層鋪粉厚度的薄鋼板30安放合適的空間位置上，並與薄壁牆前一層固定，形成薄壁牆8新的一層，薄壁牆8的新增層形成空腔區域，即隨形腔10。
[0107](3)在隨形腔10內填滿粉末:控制系統將儲粉鬥3內的粉末到達自動鋪粉器17的通道打開，足量的儲粉鬥3中的金屬粉末5被送入隨形腔10內，刮板16以薄壁牆的上表面為基準將粉末刮平。為提高鋪粉效率和質量，自動鋪粉器17的開口可以根據隨形腔的大小開啟。
[0108](4)雷射束經導光系統19到達掃描振鏡聚焦系統15，並聚焦到工作面上，在控制系統的控制下掃描振鏡聚焦系統15的振鏡偏轉實現該隨形腔10內的金屬粉末的選擇性熔化成形，製造金屬零件I的一層。如果金屬零件在該層的掃描區域大于振鏡掃場範圍，則控制系統控制三維移動部件帶動安裝板14在XY平面內移動，從而使得掃描振鏡系統15移動，採用分區或者飛行掃描方式完成該層的成形加工。
[0109](5)完成該層的加工後，三維移動部件帶動安裝板14及其安裝在安裝板14上的部件向上運動一個層厚的高度，重複進行下一層的薄壁牆和金屬零件製造。
[0110](6)如此往復，逐層疊加，就可完成整個帶隨形缸的零件製造。
[0111](7)完成後，通過常規的切割或者其它分離技術去除薄壁牆8，即可獲得金屬零件
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[0112]以上所述為本實用新型的較佳實施例而已，但本實用新型不應該局限於該實施例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本實用新型所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本實用新型保護的範圍。
【權利要求】
1.一種金屬零件的雷射增材製造設備，其特徵在於，該設備包括振鏡雷射熔化成形裝置和薄壁牆製備裝置； 所述振鏡雷射熔化成形裝置為不帶成型缸的選擇性雷射熔化成形裝置；所述薄壁牆製備裝置安裝在選擇性雷射熔化成形裝置的氣氛腔內，用於逐層完成薄壁牆的製造，形成隨形腔，所述雷射熔化成形裝置用於完成在所述隨形腔內鋪金屬粉末及對該金屬粉末進行選擇性雷射熔化成形。
2.根據權利要求1所述的金屬零件的雷射增材製造設備，其特徵在於，所述雷射熔化成形裝置包括儲粉鬥、氣氛室、三維移動部件、工作檯面、掃描振鏡聚焦系統、第一導光系統、自動鋪粉器和雷射器； 儲粉鬥置於氣氛室內或室外，工作檯面位於氣氛室底部，用於放置作為薄壁牆和零件承載體的基板； 掃描振鏡聚焦系統和自動鋪粉器通過安裝板安裝在三維移動部件上，自動鋪粉器的入粉口通過粉管或者自由落下的方式從儲粉鬥獲得粉末，自動鋪粉器用於向隨形腔內送粉，刮板並將隨形腔內粉末鋪平；工作時，雷射器通過第一導光系統與掃描振鏡聚焦系統的入光口相連；雷射器出射的雷射束經掃描振鏡聚焦系統匯聚在隨形腔內的粉末上，並按照零件形狀對粉末進行選擇性雷射熔化成形。
3.根據權利要求1或2所述的金屬零件的雷射增材製造設備，其特徵在於，所述薄壁牆製備裝置包括雷射器、光學聚焦系統、第二導光系統、送粉噴嘴和三維移動部件； 光學聚焦系統和送粉噴嘴均通過安裝板安裝在三維移動部件上，送粉噴嘴與光學聚焦系統同軸，送粉噴嘴通過粉管與儲粉鬥相連；工作時送粉噴嘴的噴出粉末的匯聚點與光學聚焦系統的焦點位於基板表面同一位置；雷射器出射的雷射束經光學聚焦系統後匯聚在送粉噴嘴同軸噴出的粉末匯聚點上，在基板表面形成熔覆層，當送粉噴嘴與光學聚焦系統隨水平軸按預定的軌跡運動時，在基板上形成所需形狀的薄壁牆，該薄壁牆所圍成的區域即隨形腔； 所述薄壁牆製備裝置與所述雷射熔化成形裝置共用一臺雷射器和/或三維移動部件，或者各自分開配備一臺雷射器和/或三維移動部件。
4.根據權利要求1或2所述的金屬零件的雷射增材製造設備，其特徵在於，所述薄壁牆製備裝置為焊接設備，或者配有板帶材料的多關節機器人，或者配有板帶材料且安裝在三維移動部件上的自動落料機構。
5.根據權利要求3中任一所述的金屬零件的雷射增材製造設備，其特徵在於，所述三維移動部件是工具機或者多關節機器人。
6.根據權利要求4中任一所述的金屬零件的雷射增材製造設備，其特徵在於，所述三維移動部件是工具機或者多關節機器人。
7.根據權利要求2中任一所述的金屬零件的雷射增材製造設備，其特徵在於，所述自動鋪粉器由粉鬥和刮板構成，粉鬥的入粉口通過粉管或者自由落下的方式從儲粉鬥獲得粉末，粉鬥的出粉口開口寬度可調，刮板用於將隨形腔內粉末鋪平。
8.根據權利要求2中任一所述的金屬零件的雷射增材製造設備，其特徵在於，所述自動鋪粉器由粉鬥和滾筒構成，粉鬥的入粉口通過粉管或者自由落下的方式從儲粉鬥獲得粉末，粉鬥的出粉口開口寬度可調，滾筒用於將隨形腔內粉末鋪平。
【文檔編號】C23C24/10GK203807559SQ201420013022
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】曾曉雁, 朱海紅, 王福德, 王澤敏, 陳立新, 李重洋, 張紅波 申請人:武漢新瑞達雷射工程有限責任公司, 華中科技大學