一种金属零件的激光增材制造设备制造技术

本实用新型专利技术公开了一种金属零件的激光增材制造设备，它包括振镜激光熔化成形装置和薄壁墙制备装置；振镜激光熔化成形装置类似于不带成型缸的选择性激光熔化成形装置；薄壁墙制备装置安装在选择性激光熔化成形装置的气氛腔内，用于逐层完成薄壁墙的制造，形成随形腔，所述激光熔化成形装置用于完成在所述随形腔内铺金属粉末及对该金属粉末进行选择性激光熔化成形。薄壁墙制备装置可以是自动送粉的激光增材制造装置，也可以堆焊装置，还可以采用多关节机器人或者自动落料机构。本实用新型专利技术既保留了SLM金属增材制造技术的优点，又采用随形缸，突破常规SLM设备固定尺寸成型缸的限制，可以实现大尺寸甚至超大尺寸零件的高精度制造。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种金属零件的激光增材制造设备
本技术设备属于激光增材制造
，具体涉及一种高精度金属零件的增材制造设备，尤其适用于大尺寸甚至超大尺寸的复杂金属零件的制造。
技术介绍
近几年来，基于“离散一堆积”和“添加成形”的激光增材制造技术已经可以从CAD模型和金属粉末直接制造密度近乎100%的金属零件。常用金属材料如工具钢、不锈钢、镍合金、铜合金、钛合金和钨合金等都已经试制成功，制造的金属零件正在逐步走向实际工业应用。目前，采用激光增材制造技术直接制造100%密度金属零件的方法归纳起来有两种:一种是基于自动送粉工艺的激光熔化沉积技术(LaserMeltingDeposition,以下简称LMD技术)，另一种是基于预置铺粉工艺的选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,也称选择性激光熔化技术，以下简称SLM技术)。由于粉末供给方式不同，LMD与SLM两者的技术路线和设备都有明显差异。LMD采用的是自动送粉，即在加工成形过程中，金属粉末是从储粉斗通过喷嘴同步喷射到熔池中，一次性完成粉末的送入、熔化、凝固成形，因此也称为一步法。由于合金粉末是从喷嘴中动态喷出的，因此LMD技术中的激光光斑不能够太小，否则大部分金属粉末将不能够被激光捕捉；而且由于激光与工件的相对运动是采用机床来实现的，机床的加速度和速度都较小，成形制造精密构件时沉积效率将会很低。因此，LMD工艺一般采用较大的光斑直径，所制造的零件形状相对比较简单，成形线宽较宽，空间分辨率较低，成形件精度较差，一般在毫米量级。所以，LMD技术成形零件后续机加工较大。然而，LMD技术的显著优势之一是，成形设备可以借用发展十分成熟的通用机床，制造大尺寸零部件所用的设备制造难度系数不高。因此，LMD技术可以制备大尺寸的零件，其投影面积尺寸可达到数平方米。而SLM技术则采用预置铺粉的方式，即预先在成型缸中铺设一层一定厚度的金属粉末床，然后采用激光束对合金粉末层实现选择性熔化。这种粉末先预置、然后熔化成形的工艺又称为两步法。SLM成形工艺中，由于合金粉末处于静止状态，因此采用很小的激光光斑也能够有效捕捉住合金粉末，实现高精度成形。而且，由于采用扫描振镜实现激光与工件的相对运动，扫描振镜的基本特性使得激光束的扫描速度、跳转速度和加速度比LMD采用机床时的对应参数大得多。因此，与LMD相比，SLM技术的最小成形线宽小得多，成形件的空间分辨率、成形精度和表面光洁度高得多。而且，由于是采用铺粉工艺，粉床可以作为悬挂结构的支撑。上述种种原因使得SLM技术特别适合具有精细复杂结构的金属零件的净成形。下面结合图la、lb具体说明其工作过程。现有技术中，SLM技术制造金属零件I通常是在成型缸2内完成，如图1a所示，具体过程说明如下。首先，按照待加工金属零件I所需要的精度，采用SLM设备中专门设计的软件对待加工金属零件I的三维CAD模型按照一定厚度进行分层切片，获得金属零件I的每层平面轮廓扫描信息。为保护金属在加工过程中不被氧化，成型缸2和储粉斗(或者储粉缸)3均需要采用气体保护，一般地将成型缸2置于气氛室4中，气氛室4中可以充入各种保护气氛，如氩气、氮气等。有的设备还会在成型缸2周围布置加热保温装置，使其具有预热缓冷功能。在制造金属零件I过程中，储粉斗3中的金属粉末5被送往成型缸2，自动铺粉器7以成型缸2的上表面台面6作为基准面将粉末铺平。铺粉时成型缸2的整个区域都需要铺满金属粉末5 (如图1b所示的铺粉后成型缸俯视图)。由于传统SLM设备成型缸2的大小是固定的，因此在制作金属零件过程中，整个零件高度内，成型缸2内将铺满金属粉末；计算机控制系统按照所需加工零件给定的图形信息驱动扫描振镜，使得激光束在粉床表面实现选择性扫描、熔化金属粉末，熔融粉末快速冷凝后就形成金属零件I的一层；然后成型缸2的活塞下降一个单层厚度的高度，重复铺粉-激光选择性扫描-熔化成形过程；通过上述过程熔化粉末层的层层叠加，即获得了金属零件I。储粉斗3可以置于成型缸2的侧上方(此时一般称为储粉斗)，也可以平行放置在成型缸2的侧面(此时一般称为储粉缸)。储粉斗可以置于气氛室4，也可以置于气氛室4外；但是储粉缸必须置于气氛室4中。与LMD技术相比，SLM技术成形的工艺特点为:金属零件具有高精度、高机械性能、高表面光洁度，并且能成形复杂结构和形状的金属零件。其主要局限性在于，所能够成形的零件大小受制于成型缸的尺寸和扫描振镜扫场范围。因此，现有的SLM技术一般用于制造中小型零件。如果的确需要采用SLM技术制造大尺寸零件，则必须采用大尺寸成型缸，大尺寸成型缸承载的大量粉末给机床带来很重的负荷，使得SLM成形设备中的活塞、丝杆等机械部件承载的负荷大，设备的制造成本与难度系数大幅度增加。综上所述，LMD技术一般用来制造形状相对简单、尺寸精度要求较低的大尺寸金属零件；而SLM技术则用来制造形状复杂、尺寸精度要求较高的金属零件，但是目前无法制造大尺寸金属零件。采用大尺寸成型缸的SLM方法制造大型金属零件，会给SLM设备的制造带来很多技术难题，例如必须有超量合金粉末填满整个成型缸，才能完成零件制造，这将使得机床变得超重，机械设备复杂程度大幅度和设备制造成本大幅度增加。因此，人们一直在寻找大尺寸复杂金属零件的高精度增材制造方法和装置。
技术实现思路
本技术设备提供了一种全新的金属零件激光增材制造设备，其目的在于实现大尺寸甚至超大尺寸复杂金属零件的高精度制造。本技术设备提供的一种金属零件的激光增材制造设备，其特征在于，该设备包括振镜激光熔化成形装置和薄壁墙制备装置；所述振镜激光熔化成形装置类似于不带成型缸的选择性激光熔化成形装置；所述薄壁墙制备装置安装在选择性激光熔化成形装置的气氛腔内，用于逐层完成薄壁墙的制造，形成随形腔，所述振镜激光熔化成形装置用于完成在所述随形腔内铺金属粉末及对该金属粉末进行选择性激光熔化成形。作为上述激光增材制造设备的一种优选实现方式，所述振镜激光熔化成形装置包括储粉斗、气氛室、三维移动部件、工作台面、扫描振镜聚焦系统、第一导光系统、自动铺粉器和激光器；储粉斗置于气氛室内或室外，工作台面位于气氛室底部，用于放置作为薄壁墙和零件承载体的基板；扫描振镜聚焦系统和自动铺粉器通过安装板安装在三维移动部件上，自动铺粉器的入粉口通过粉管或者自由落下的方式从储粉斗获得粉末，自动铺粉器用于向随形腔内送粉，刮板并将随形腔内粉末铺平；激光器通过第一导光系统与扫描振镜聚焦系统的入光口相连；工作时，激光器出射的激光束经扫描振镜聚焦系统汇聚在随形腔内的粉末床表面，并按照零件形状对粉末进行选择性激光熔化成形。作为上述激光增材制造设备的另一种优选实现方式，所述薄壁墙制备装置包括激光器、光学聚焦系统、第二导光系统、同轴送粉喷嘴和三维移动部件；光学聚焦系统和同轴送粉喷嘴均通过安装板安装在三维移动部件上，同轴送粉喷嘴与光学聚焦系统同轴，并嘴通过粉管与储粉斗的出粉口相连；工作时储粉斗中的合金粉末在负压带动下沿着粉管输入到同轴送粉喷嘴后，喷出粉末的汇聚点与光学聚焦系统的焦点位于粉床表面同一位置；激光器出射的激光束经光学聚焦系统后汇聚在送粉喷嘴同轴喷出的粉末汇聚点上，在基板表面形成熔覆层。当同轴送粉喷嘴与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属零件的激光增材制造设备，其特征在于，该设备包括振镜激光熔化成形装置和薄壁墙制备装置； 所述振镜激光熔化成形装置为不带成型缸的选择性激光熔化成形装置；所述薄壁墙制备装置安装在选择性激光熔化成形装置的气氛腔内，用于逐层完成薄壁墙的制造，形成随形腔，所述激光熔化成形装置用于完成在所述随形腔内铺金属粉末及对该金属粉末进行选择性激光熔化成形。

【技术特征摘要】
1.一种金属零件的激光增材制造设备，其特征在于，该设备包括振镜激光熔化成形装置和薄壁墙制备装置； 所述振镜激光熔化成形装置为不带成型缸的选择性激光熔化成形装置；所述薄壁墙制备装置安装在选择性激光熔化成形装置的气氛腔内，用于逐层完成薄壁墙的制造，形成随形腔，所述激光熔化成形装置用于完成在所述随形腔内铺金属粉末及对该金属粉末进行选择性激光熔化成形。2.根据权利要求1所述的金属零件的激光增材制造设备，其特征在于，所述激光熔化成形装置包括储粉斗、气氛室、三维移动部件、工作台面、扫描振镜聚焦系统、第一导光系统、自动铺粉器和激光器； 储粉斗置于气氛室内或室外，工作台面位于气氛室底部，用于放置作为薄壁墙和零件承载体的基板； 扫描振镜聚焦系统和自动铺粉器通过安装板安装在三维移动部件上，自动铺粉器的入粉口通过粉管或者自由落下的方式从储粉斗获得粉末，自动铺粉器用于向随形腔内送粉，刮板并将随形腔内粉末铺平；工作时，激光器通过第一导光系统与扫描振镜聚焦系统的入光口相连；激光器出射的激光束经扫描振镜聚焦系统汇聚在随形腔内的粉末上，并按照零件形状对粉末进行选择性激光熔化成形。3.根据权利要求1或2所述的金属零件的激光增材制造设备，其特征在于，所述薄壁墙制备装置包括激光器、光学聚焦系统、第二导光系统、送粉喷嘴和三维移动部件； 光学聚焦系统和送粉喷嘴均通过安装板安装在三维移动部件上，送粉喷嘴与光学聚焦系统同轴，送粉喷嘴通过粉管与储粉斗相连...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾晓雁，朱海红，王福德，王泽敏，陈立新，李重洋，张红波，
申请(专利权)人：武汉新瑞达激光工程有限责任公司，华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北;42