直接制造大型零部件的选区激光熔化快速成型设备制造技术

本实用新型专利技术公开了一种直接制造大型零部件的选区激光熔化快速成型设备，主要包括激光器阵列、光学系统阵列、成型缸、成型缸立体式分段加热保温结构、成型缸重量平衡系统、基板调平装置、双回收缸、双贮粉箱、双定量送粉和落粉装置、铺粉装置、保护气氛罩、气体净化系统、控制系统。所采用的光学系统由多个光学系统单元、机械移动平台构建，可以任意扩展或缩减光学系统的覆盖范围。采用本实用新型专利技术制造的零件尺寸远大于目前国内外选区激光熔化技术所能制造的零件，在不改变成型精度、零件复杂程度和机械性能的同时，成型效率成倍提升。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于激光快速制造领域，具体涉及到一种大尺寸、高精度和复杂结构致密零部件的选区激光熔化快速成型设备，零部件可以为金属、非金属或金属与非金属的复合材料。
技术介绍
目前激光直接快速制造零件有两种方式一种是基于同步送粉或者送丝过程的激光熔覆直接制造技术(Direct Laser Fabrication-DLF),它是将激光加工头固定在机床可 Z向移动的运动轴上，利用聚焦激光束将同步送入的金属粉末或金属丝熔化，通过控制工作台在XY平面依规划轨迹的移动实现零部件的单层制造。在完成一个层面的制造后，Z向上升一定距离，然后重复前一过程，层层叠加直到实现零部件的三维成型；第二种是基于铺粉的选区激光熔化快速成型技术(Selective Laser Melting-SLM),它的基本工作原理是在工作缸内平铺一定厚度的粉末，依照计算机的控制，激光束通过振镜扫描的方式按照三维零部件图形的切片处理结果选择性地熔化预置粉末层。随后工作缸下降一定距离并再次铺粉，激光束在振镜的带动下再次按照零部件的三维图形完成零部件下一层的制造。如此重复铺粉、扫描和工作缸下降等工序，从而实现三维零部件的制造。基于自动送粉和送丝过程的激光熔覆直接制造技术可加工的零部件尺寸与机床可加工尺寸关系密切。该加工方式一般使用功率在I千瓦以上的Nd:YAG、CO2或光纤激光器，激光聚焦后在工件表面形成较大的熔池，向熔池中送入合金粉末或者金属丝，所添加的材料熔凝后形成的单道熔覆层的高度和宽度较大，成型零部件的尺寸精度不高，需要进行后续的机械加工处理，同时机床整体移动的速度不高，不能提供较快的加工速度。此外，由于机床运动时质量大、惯性大、加速度小，不仅影响加工效率，而且对于转角、起停位置等的加工质量影响也较大。由于基于自动送粉和送丝的激光熔覆直接制造工艺自身技术原理特性的限制，该方法无法进行一些形状相对复杂的零件成型(如具有复杂内腔和悬空结构坐')寸/ o选区激光熔化快速成型技术可实现任意复杂形状零部件的成型，国内外已有若干相关专利公开。美国专利 “PROCESS AND DEVICE FOR PRODUCING A SHAPED BODY BY SELECTIVE LASER MELTING”(专利号US7047098)详细描述了一种利用三维数字模型制造致密零件的选区激光熔化成形方法及其设备。该设备中粉末由上方的贮粉腔体落入粉斗， 粉斗下方设置有铺粉装置，该铺粉装置将粉末平铺至成形缸，并将多余的粉末送入回收腔体中。采用振镜扫描系统控制激光在加工平面的运动轨迹，聚焦激光束根据金属零部件三维模型的切片数据所形成的加工轨迹完成零件在该层图形中的熔化、凝固成形。然后，成型缸Z轴下降一定的高度，重复铺粉、激光选区熔化的过程，如此反复，最终获得三维零件。此专利所涉及的选区激光熔化快速成型设备的优点在于铺粉装置拥有独特的毛刷型避让结构及送粉量自控的机械结构，修正或避免成形过程中前一层加工平整度不够对铺粉精度的影响。其缺点在于尽管采用了落粉式的送粉结构，在一定程度上提高了加工效率，但单向送粉本身存在一定的效率上的缺陷。国内专利文献“一种金属零件选区激光熔化快速成形方法及其装置”(专利公开号CN 1603031A)公开了一种选区激光熔化快速成形装置。它采用送粉缸置于工作平面以下的顶粉式送粉方式，提高了成型缸中待加工粉末的松装密度，但是不利于成形效率的提升。它还采用铺粉辊进行铺粉，容易产生粘粉和抖动，较难获得又薄又均匀的高质量铺粉效果，最终影响零件的性能和质量。中国专利文献“一种直接制造金属零件的快速成形系统”(专利公开号CN 1631582A)同样详细描述了一种选区激光快速成形系统。它采用相对高效的双向落粉铺粉结构，同时使用硬质刮板作为铺粉工具，提高了铺粉质量。但是，所选用的开放式落粉结构对整个加工环境造成了较大的粉尘污染，降低了激光的有效功率， 并且其选用的激光运动控制结构由上下偏镜、滑块和导轨构成，扫描过程中上下偏镜随滑块在导轨上运动从而实现激光聚焦光斑在加工面上的移动，该结构具有运动速度慢、运动过程不稳定等缺陷，使其加工的零件精度和性能很难满足要求。此外，前两项专利还存在一个共同的缺点，设备所采用的光学系统均为只含有一个激光扫描振镜和光学聚焦镜系统， 因此不仅所能加工的零件尺寸非常有限，加工效率也较低。除公开的专利文献以外，国外已有多家设备制造商开发出选区激光熔化快速成形设备，主要以德国的EOS公司、CONCEPT Laser和美国的DTM公司为代表，它们设计制造的选区激光熔化快速成形设备已较为成熟。其中EOS公司的设备采用一台转动惯量小、响应速度快的扫描振镜，实现最高达7m/s的高速精确扫描，同时聚焦后光斑直径细至lOOiim，热影响区较小、成型零部件的尺寸精度高、表面粗糙度低，并且最小可以成型0. 08mm左右的薄壁结构。而DTM公司采用激光熔化树脂等非金属粉末或混合粉末，实现粉末颗粒间之间的粘结，完成非金属零件的制造。但上述设备的加工零部件尺寸受限于激光振镜、f_0组合透镜等光学器件，目前该公司的设备加工的最大加工幅面为250mmX 250mm，无法进行更大尺寸零件的加工。而CONCEPT Laser公司则采用机械移动平台搭载一台激光扫描振镜， 较大幅度的扩大了激光所能覆盖的加工区域，使选区激光熔化快速成形设备所能加工零件的尺寸显著加大，目前该公司设备的最大加工幅面为800mmX500mm。其缺点在于加工效率低下，一台小功率的激光器制造大尺寸零件无法满足快速成形技术对于生产周期的重要要求。可见，目前激光直接快速制造零部件主要存在以下三方面问题(I)可加工零件的尺寸与尺寸精度相矛盾。基于自动送粉的激光熔覆直接制造零部件技术可以实现“米”级别的大尺寸零件的直接制造，但其尺寸精度则只能达到“毫米”级别；选区激光熔化快速成型技术可以实现的加工精度可达“微米”级别，但其加工尺寸受限于现有光学器件，不采用机械结构移动光学器件的情况下最大只能达到250mmX250mm的加工幅面。若采用机械结构移动光学系统，加工效率则大幅下降。(2)可加工零件的形状复杂程度与零件的尺寸相矛盾。基于自动送粉的激光熔覆直接制造零部件技术只能直接成型大尺寸、简单形状的毛坯件；选区激光熔化快速成型零部件技术尽管不受零件复杂程度的影响，但零件的尺寸却远远小于前者。(3)可加工零件的尺寸精度与加工效率相矛盾。高精度选区激光熔化快速成型技术的加工效率仅为2-20mm3/s，是低加工精度的自动送粉激光熔覆快速制造技术的五分之一甚至更低。总之，现有激光快速直接制造零件方法无法实现大尺寸、高效率、高精度和高复杂程度制造的有机统一。除此以外，无论从国内外的专利还是从国外现有工业化应用设备来看，现有设备要么精度不高、性能不好，要么成形效率低，要么无法进行大尺寸零件的加工等。因此，专利技术一种能够高效制造出精度高、性能优异的大尺寸零件的选区激光熔化成形设备具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术存在的种种不足，本技术提出了一种直接制造大型零部件的选区激光熔化快速成型设备，该设备能够高效率、高精度地制造最大尺寸达到“米”级的大型复杂形状的零部件，且零部件的表面光洁度很高。本技术公开了一种直接制造大型零本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾晓雁，王泽敏，关凯，胡乾午，李祥友，高明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：实用新型
国别省市：