一種同步鋪粉式金屬雷射3D列印的送粉裝置的製作方法
2023-05-21 13:01:41
本實用新型涉及一種同步鋪粉式金屬雷射3D列印的送粉裝置與方法，屬雷射3D列印技術領域。
背景技術：
目前，金屬雷射熔覆或雷射3D列印過程粉末供給方式主要有兩種，即鋪粉式和同步送粉式。鋪粉式粉末供給系統通過機械方式將金屬粉末在腔體的整個區域鋪上薄薄的一層，雷射在指定區域進行「選區熔化」，大部分的粉末並未利用；而同步送粉式粉末供給系統通過氣體或重力將金屬粉末送至雷射光斑處，邊送粉邊熔化，大部分粉末被氣體吹走或者從基體彈走，粉末利用率很低。更重要的是，在載流氣體和保護氣體的衝擊下，熔池液面會發生明顯擾動，從而對熔覆層的組織形態產生影響。在某些雷射熔覆或雷射金屬3D列印的探索性研究中，金屬粉末十分昂貴且稀有，需要高效利用，而列印室都被惰性氣體保護，因此載流氣體及保護氣體的作用減弱以致可以忽略。
技術實現要素：
本實用新型的目的是，為了提高粉末供給精度及效率，消除載流氣體和保護氣體對熔池的衝擊與擾動，提高金屬雷射3D列印的精度與效率，減少粉末浪費，本實用新型提出一種同步鋪粉式金屬雷射3D列印的送粉裝置。
實現本實用新型的技術方案如下：一種同步鋪粉式金屬雷射3D列印的送粉裝置包括儲粉倉、送粉倉、送粉帶、鋪粉頭、主傳動齒輪、從傳動齒輪、驅動電機、橫梁、熔覆頭和外殼。
所述儲粉倉1固定在熔覆頭19之上並設置有進粉口10，與送粉倉2滑動配合；所述送粉倉2與從傳動齒輪6固定安裝在一起，並通過滾動軸承8固定在熔覆頭19之上；從傳動齒輪6上設置有輸粉口22與儲粉倉1相連，儲粉倉1中的粉末9通過進粉口10進入儲粉倉1後通過輸粉口22進入送粉倉2，實現對粉末9的連續輸送；所述送粉倉2底部設置出粉口23，粉末9通過出粉口23被經過的送粉帶3帶走並輸送至鋪粉頭4，然後在重力作用下均勻鋪展在基板17之上形成粉末層21，其寬度為1~10mm；所述從傳動齒輪6與主傳動齒輪5相互嚙合，主傳動齒輪5在電機7驅動下帶動從傳動齒輪6從而帶動送粉倉2及送粉帶3一起繞熔覆頭19轉動，通過程序設定與熔覆頭19做協調運動，以保證粉末層21始終位於雷射光斑20前進方向的正前方；所述電機7安裝在橫梁18上；所述鋪粉頭4通過外殼11固定在熔覆頭19之上，其內部採用循環冷卻水冷卻，冷卻水15通過進水口13進入鋪粉頭4，並通過出水口14流出鋪粉頭4；所述雷射光斑20照射在粉末層21之上，形成熔覆層，層層列印之後得到金屬雷射3D列印樣品。
所述送粉帶3上均布大量的送粉鬥24，起運輸粉末之用，其寬度為1~20mm；所述送粉鬥24在送粉帶3上橫向分布1~10個，其結構可為倒圓錐臺、倒四稜錐臺、鬥形；所述送粉帶3運動速度為0~1000mm/min；在驅動輪12的驅動下，送粉帶3可按照實際需要實現連續送粉、改變送粉速度、暫停動作；所述驅動輪12與兩個從動輪相對位置可調，從而實現送粉帶3下坡角度調節，下坡角度調節範圍30°~ 60°。
所述鋪粉頭4為中空圓錐環結構，其上設置有進水口13、出水口14；內部圓錐孔母線與軸線之間的角度在30°~ 60°，從而調節粉末鋪展均勻性。
所述主傳動齒輪5直徑為10~50mm，主傳動齒輪5和從傳動齒輪6直徑比1:1~1:5。
所述送粉倉2與從傳動齒輪6固定在一起，通過從傳動齒輪6與主傳動齒輪5相嚙合並在電機7驅動下與熔覆頭19協調運動，即熔覆頭19在運動軌跡上轉動θ角度，送粉倉2繞熔覆頭19相應轉動θ角度，以保證粉末層21始終均勻鋪展在雷射光斑20的正前方；送粉倉2轉動速度0~100 r/min。
所述滾動軸承8內圈固定在熔覆頭19之上，外圈與所述的送粉倉2緊密配合，並保證送粉倉2能夠運動自如。
所述鋪粉頭4通過外殼11固定在熔覆頭19之上，外殼11上設置有窗口16，供主傳動齒輪5進入與從傳動齒輪6相嚙合。
所述儲粉倉1、送粉倉2、外殼11均採用透明材料，以便於觀察。
與現有技術比較，本實用新型的有益效果是，
本實用新型以同步鋪粉方式，金屬粉末通過送粉倉、送粉帶、鋪粉頭在重力的作用下將粉末平穩均勻的鋪展在基板之上，減小了粉末的流動速度，降低了粉末對基板表面的衝擊，減少了粉末從基板反彈的可能性，從而大大提高粉末利用率。本實用新型採用的驅動機構，可以通過程序設定使送粉倉與熔覆頭協調運動，保證粉末層始終位於雷射光斑的正前方；本實用新型的送粉帶，可在驅動程序的指導下完成連續送粉、改變送粉速度等動作，也可配合送粉倉的轉動暫停送粉（如熔覆頭180°急轉彎時，送粉倉繞熔覆頭旋轉180°，在此期間送粉帶暫停送粉）以減少粉末的浪費。本實用新型採用的鋪粉頭與基板距離、熔覆頭出光口與鋪粉頭相對位置可調，從而能保證雷射光斑以聚焦的狀態輻照在金屬粉末之上。本實用新型的送粉帶由大量的送粉鬥組成，通過對連續粉流的離散化完成對金屬粉末的可控送粉（改變送粉速率、粉末層寬度、粉末層厚度等），提高粉末利用率。
本實用新型適用於具有保護氣氛室的3D列印過程，粉末的輸送與鋪展過程中不涉及載流氣體與保護氣體，從而消除了氣體及粉末對熔池的衝擊與擾動，改善列印層內部組織結構一致性與方向性。
附圖說明
圖1為本實用新型整體結構示意圖；
圖2為送粉帶平面結構示意圖；
圖3為送粉帶橫截面結構示意圖；
圖4為送粉倉與熔覆頭協調運動示意圖；
其中：1為儲粉倉，2為送粉倉，3為送粉帶，4為鋪粉頭，5為主傳動齒輪，6為從傳動齒輪，7為驅動電機，8為滾動軸承，9為金屬粉末，10為進粉口，11為外殼，12為驅動輪，13為進水口，14為出粉口，15為冷卻水，16為窗口，17為基板，18為橫梁，19為熔覆頭，20為雷射光斑，21為粉末鋪展層，22為輸粉口，23為出粉口，24為送粉鬥。
具體實施方式
下面結合附圖對本實用新型作進一步詳述：
本實施例一種同步鋪粉式金屬雷射3D列印的送粉裝置結構如圖1所示，包括儲粉倉1、送粉倉2、送粉帶3、鋪粉頭4、主傳動齒輪5、從傳動齒輪6、驅動電機7、橫梁18、熔覆頭19和外殼11。
本實施例中金屬粉末9採用Inconel 625 高溫合金粉末，粉末為球狀，粒徑為40~100μm。通過雷射3D列印製備一塊尺寸為50mm×50mm×50mm的樣品，掃描路徑採用「S」形，雷射光斑直徑3mm，搭接率50%，掃描速度300mm/min，雷射功率1000W。
如圖1所示，金屬粉末9從進粉口10裝進儲粉倉1，儲粉倉1固定在熔覆頭19之上；粉末9通過輸粉口22流入送粉倉2直至填滿；此時送粉帶3處於靜止狀態，粉末9不會從出粉口流出；調整鋪粉頭4與基板17之間的距離為4mm，光斑直徑為3mm；啟動送粉帶3，輸送粉末9至鋪粉頭4，在重力作用下粉末9沿著鋪粉頭4內壁均勻平滑鋪展在基板17之上，形成粉末層21，粉末層21寬度約為4mm，在本實施例中送粉速度30mm/min，送粉帶3寬度為8mm，寬度方向分布送粉鬥24為4個，送粉鬥結構可為倒圓錐臺或倒四稜錐臺，在本實施例中採用倒四稜錐臺，如圖2和圖3所示。打開雷射器電源產生雷射光斑20，輻照在粉末層21之上並發生熔化，形成熔覆層。
根據程序設定，掃描路徑中短邊不出光，以改善直角轉彎處熔覆精度；通過配合熔覆頭19運動軌跡，即當熔覆頭19順時針轉過180°作反方向掃描時，驅動電機7帶動傳動齒輪5逆時針轉過180°帶動傳動齒輪6順時針轉過180°，從而使送粉倉2繞熔覆頭19相對於原來方向同樣順時針轉過180°，以保證粉末層21始終位於雷射光斑20的正前方；配合送粉倉2運動軌跡，送粉帶3的驅動輪12在送粉倉2轉動過程中停止轉動，從而使粉末9停留在送粉鬥24之中，減少粉末浪費。本實施例送粉倉與熔覆頭協調運動如圖4所示。
本實施例中驅動電機7轉動速度為30 r/min，傳動齒輪5直徑為20mm，傳動齒輪5與傳動齒輪6直徑比為1:2。
鋪粉頭4通過外殼11固定在熔覆頭19之上，工作時儲粉倉1、鋪粉頭4、外殼11固定不動，傳動齒輪6、送粉倉2、送粉帶3繞熔覆頭19轉動，送粉帶3在驅動輪12帶動下作循環運動；鋪粉頭4材料可用銅合金以增強冷卻效果，內部中空，循環冷卻水15從進水口13進入，從出水口14流出，本實施例中冷卻水流量在為20L/min。