一种成型金属零件的3d打印设备及方法
阅读说明：本技术 一种成型金属零件的3d打印设备及方法 (3D printing equipment and method for forming metal parts ) 是由 刘洋 郑晓董 曹均 所新坤 李淑欣 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：一种成型金属零件的3D打印设备及方法,包含成型缸,还包含激光熔覆系统、激光扫描系统和密封成型室；成型缸、喷嘴、送粉器和三自由度驱动机构布置在密封成型室内,喷嘴与送粉器通过导管相连通,喷嘴在三自由度驱动机构驱动作用下位置于或者远离成型缸内的金属成型区。成型方法包含：第一步、喷嘴置于成型缸的上方,为熔覆加工做好备；第二步、送粉器启动,喷嘴喷射加热熔化的金属粉末；第三步、激光熔覆每加工一层后,扫描使熔覆层的起伏表面及表面的飞溅颗粒熔化；第四步、在激光扫描完熔覆层后,再次进行激光熔覆加工,重复上述过程,直至工件完成加工。本发明可实现大尺寸金属零件的高效和高质量直接成型。(A3D printing device and method for forming metal parts comprises a forming cylinder, a laser cladding system, a laser scanning system and a sealed forming chamber; the forming cylinder, the nozzle, the powder feeder and the three-degree-of-freedom driving mechanism are arranged in the sealed forming chamber, the nozzle is communicated with the powder feeder through a guide pipe, and the nozzle is arranged in or far away from a metal forming area in the forming cylinder under the driving action of the three-degree-of-freedom driving mechanism. The molding method comprises the following steps: firstly, a nozzle is arranged above a forming cylinder and is prepared for cladding processing; secondly, starting a powder feeder, and spraying molten metal powder by a nozzle; thirdly, after each layer is processed through laser cladding, scanning to enable the undulating surface of the cladding layer and the splashing particles on the surface to be melted; and fourthly, after the laser scanning of the cladding layer is finished, carrying out laser cladding processing again, and repeating the process until the workpiece is processed. The invention can realize the high-efficiency and high-quality direct forming of large-size metal parts.)
技术领域
本发明涉及一种3D打印设备及成型方法，具体涉及一种成型金属零件的3D打印设备及方法。
背景技术
激光选区熔化(Selective laser melting，简称SLM)采用高能量密度激光束熔化金属粉末，通过逐层堆积的方法成型致密的金属零件，在航空航天、模具、海洋工程等领域得到越来越多的应用。目前国内外厂家通过增加激光器和扫描振镜的方法，使得SLM的成型尺寸范围扩大到650×650mm以上，进一步扩展了SLM技术和产品的应用范围。但是由于激光与金属粉末的相互作用，在成型过程中产生大量的飞溅物(飞溅物主要包括熔化材料液体和未熔粉末颗粒)，这些飞溅物掉落在成型件表面，然后被混入到粉末材料中成为杂质，影响零件的性能。目前，消除飞溅物影响的方法之一是降低飞溅物的产生，但是这涉及到非常复杂的物理和工艺问题。另一方面则是采用大流量的气流将飞溅物吹散，但是在大尺寸成型时，这个方法的效果不甚理想。因此需要一种既能保证成型效率、又能降低飞溅物的负面影响的加工方法。
发明内容
本发明是为克服现有技术不足，提供一种成型金属零件的3D打印设备及方法。该3D打印设备及成型方法熔覆效率高，成型件表面质量好。
一种成型金属零件的3D打印设备，包含成型缸，还包含激光熔覆系统、激光扫描系统和密封成型室；所述激光熔覆系统包含激光器、熔覆喷头、送粉器和三自由度驱动机构；所述成型缸、喷嘴、送粉器和三自由度驱动机构布置在密封成型室内，所述密封成型室的外侧布置有激光扫描系统，喷嘴与送粉器通过导管相连通，激光器布置在密封成型室外部并可向喷嘴内提供激光束，喷嘴在三自由度驱动机构驱动作用下位置于或者远离成型缸内的金属成型区，所述激光扫描系统的激光能透过密封成型室熔化成型缸内的金属粉末。
一种成型金属零件的方法，包含：
第一步、喷嘴置于成型缸的上方，为熔覆加工做好备；
第二步、送粉器启动，将金属粉末通过导管送入喷嘴，激光熔覆系统的激光器将喷嘴中的金属粉末熔化，喷嘴喷射出加热熔化的金属粉末，在成型基板上滴落形成各个凸起；
第三步、激光熔覆每加工一层后，启动激光扫描系统扫描使熔覆层的起伏表面及表面的飞溅颗粒熔化，填充熔覆熔道的底部；
第四步、在激光扫描完熔覆层后，再次进行激光熔覆加工，重复上述过程，直至工件完成加工。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明的3D打印设备，设计了激光熔覆设备和激光扫描系统，激光熔覆系统熔覆加工金属材料，采用激光扫描系统熔化熔覆层材料，进而二次熔化，采用激光熔覆系统提高了大尺寸金属零件的3D打印效率，采用激光扫描技术提高熔覆表面的粗糙度和去除表面的杂质(飞溅颗粒、球化等)，提高了3D打印金属零件的表面精度和尺寸精度。
本发明的成型大尺寸金属零件的方法，首先采用激光熔覆金属粉末，激光熔覆效率高，因此在激光熔覆后采用激光扫描系统扫描熔覆表面，降低表面粗糙度。由于激光熔覆是同轴送粉的加工方式，成型过程中的飞溅物较少，而在激光扫描系统扫描(SLM)环节，由于是激光扫描熔覆层，产生的飞溅物也很少，这样就最大限度降低了飞溅物对成型件性能的影响。利用本发明的成型方法，步骤交替反复进行，既可以使得工件在超高速下进行加工，减少工件的加工时长，又能保证内部结构稳定，可以得到较好的精度和表面质量。可以实现大尺寸金属零件的高效和高质量直接成型。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为三自由度驱动机构的俯视图；
图3为激光熔覆加工一层金属粉末后，三自由度驱动机构驱动喷嘴远离成型缸进行激光扫描的示意图；
图4为3D打印设备成型金属零件的工作流程示意图。
具体实施方式
如图1-图2所示，本实施方式的一种成型金属零件的3D打印设备，包含成型缸8，还包含激光熔覆系统A、激光扫描系统B和密封成型室C；
所述激光熔覆系统A包含激光器A15、熔覆喷头A9、送粉器A11和三自由度驱动机构A7；所述成型缸8、喷嘴A9、送粉器A11和三自由度驱动机构A7布置在密封成型室C内，所述密封成型室C的外侧布置有激光扫描系统B，喷嘴A9与送粉器A11通过导管A10相连通，激光器A15布置在密封成型室C外部并可向喷嘴A9内提供激光束，喷嘴A9在三自由度驱动机构A7驱动作用下位置于或者远离成型缸8内的金属成型区，所述激光扫描系统A的激光能透过密封成型室C熔化成型缸8内的金属粉末。
本实施方式的上述方案将激光熔覆和激光扫描加工集成于一体，结构稳定可靠，成型工艺简便，可以实现金属材料的直接成型。激光熔覆系统A和激光扫描系统B与中央控制系统相连，控制三自由度驱动机构A7，控制喷嘴A9沿着上下、左右、前后移动，以实现激光熔覆加工金属粉末和激光扫描熔化。
通常，激光器A15为二氧化碳激光器。
进一步，所述激光扫描系统B包含光纤激光器B1、扩束准直镜B2、扫描振镜B3、窗口镜B4和光学透镜B5；扩束准直镜B2、扫描振镜B3、窗口镜B4和光学透镜B5均安装在密封成型室顶部的光路支撑板B6上，窗口镜B4和光学透镜B5布置在成型缸8的上方，光纤激光器B1的激光依次经过扩束准直镜B2、扫描振镜B3、窗口镜B4和光学透镜B5射入成型缸8内。
上述方案中，密封成型室C顶部设置窗口镜B4阵列布置，起到隔离密封成型室C和激光扫描系统B的作用，防止加工过程中产生的烟尘对激光扫描系统B产生影响；经过扩束准直镜B2(扩束镜和准直镜)的偏转光束通过窗口镜B4透射入密封成型室C内，熔化熔覆层，将熔覆层的起伏表面和杂质(如飞溅、球化等)再次熔化，使得熔覆层的起伏表面及其上面的飞溅颗粒熔化，并填充熔覆熔道的底部，使得工件的表面粗糙度降低，表面质量提高。
进一步地，如图1-图3所示，控制喷嘴A9运动的三自由度驱动机构A7为电动驱动，所述三自由度驱动机构A7包含控制喷嘴A9上下移动的竖向机构、控制竖向机构水平纵向移动的纵向机构A72、控制纵向机构A72水平横向移动的横向机构A73。
更进一步，所述横向机构A73包含横向丝杠副、横向导轨A732、基座A733和横向电机；横向电机安装在密封成型室C的内壁上，输出端与横向丝杠副的横向丝杠A730连接，横向丝杠A730可转动地设置在密封成型室C的内壁上，横向丝杠A730与横向导轨A732平行设置，横向导轨A732安装在密封成型室C的内壁上，基座A733与横向丝杠副的螺母连接并可滑动地设置在横向导轨A732上。基于丝杠和丝母的原理，横向电机启动，带动横向丝杠A730转动，进而实现基座A730在横向导轨A732上往复移动，带动其上布置的纵向机构A72往复移动，实现喷嘴A9的水平横向移动，便于完成金属熔覆和激光扫描熔化。
所述纵向机构A72包含纵向丝杠副、纵向导轨A722、支架A723、纵向移动架A724和纵向电机；纵向丝杠副的纵向丝杠A721与纵向导轨A722并列平行设置在支架A723上，并与横向导轨A732垂直，支架A723固定在基座A733上，纵向电机安装在支架A723上，纵向电机的输出端与纵向丝杠A721的一端连接，纵向丝杠A721的另一端可转动地设置在支架A723上，纵向移动架A724与纵向丝杠副的螺母连接，并可滑动地设置在纵向导轨A722上。基于丝杠和丝母的原理，纵向电机启动，带动纵向丝杠A721转动，进而实现纵向移动架A724在纵向导轨A722上往复移动，带动其上布置的竖向机构往复移动，实现喷嘴A9的水平纵向移动，便于完成金属熔覆。
所述竖向机构A71包含竖向丝杠副、固定板A712、连接板A713和竖向电机；固定板A712与纵向移动架A724间隔布置并相连，竖向丝杠副的竖向丝杠A711两端可转动地设置在固定板A712和纵向移动架A724上，竖向电机安装在固定板A712上，输出端与竖向丝杠A711连接，连接板A713与竖向丝杠副的螺母连接，喷嘴A9安装在连接板A713上。基于丝杠和丝母的原理，竖向电机启动，带动竖向丝杠711转动，进而实现连接板A713上下往复移动，带动其上布置喷嘴A9上下往复移动，实现喷嘴A9的竖向移动，便于完成金属熔覆。较佳地，横向电机、纵向电机和竖向电机均为伺服电机，可选用中智电气南京有限公司制造的110ZFMA1-0D80CBNM型号伺服电机。
上述中，通过中央控制系统控制激光熔覆系统A在成型缸8的金属成型区每次堆积金属的层厚度为1-3mm。
如图1-图4所示，另一个具体实施方式中，还提供一种利用上述3D打印设备成型金属零件的方法：
第一步、喷嘴A9置于成型缸8的上方，为熔覆加工做好备；
第二步、送粉器A11启动，将金属粉末通过导管A10送入喷嘴，激光熔覆系统A的激光器A15将喷嘴A9中的金属粉末熔化，喷嘴A9喷射出加热熔化的金属粉末，在成型基板上滴落形成各个凸起；
第三步、激光熔覆每加工一层后，启动激光扫描系统B扫描使熔覆层的起伏表面及表面的飞溅颗粒熔化，填充熔覆熔道的底部；
第四步、在激光扫描完熔覆层后，再次进行激光熔覆加工，重复上述过程，直至工件完成加工。
设备运行时，喷嘴A9通过横向机构A73和纵向机构A72移动至成型缸8的最右侧，利用竖向机构调整好然后送粉器A11启动，将金属粉末通过导管A10(比如软质导管)进入喷嘴A9，激光熔覆系统A的二氧化碳激光器通过同轴红光将喷嘴A9中的金属粉末熔化，使其堆积在成型基板上，在熔覆完第一层后，送粉器A11和激光器A15(比如二氧化碳激光器)停止工作，驱动横向机构使喷嘴A9移动至成型缸8的最左侧，进入待机状态。
激光扫描系统B进行二次加工，控制光纤激光束扫描熔覆层，熔化熔覆层的表面，将熔覆层的起伏表面和杂质(如飞溅、球化等)再次熔化，使得熔覆层的起伏表面及其上面的飞溅颗粒熔化，并填充熔覆熔道的底部，使得工件的表面粗糙度降低，表面质量提高。在激光扫描完熔覆层后，再次进行激光熔覆加工，重复上述过程，直到工件完成加工。
由于激光熔覆是同轴送粉的加工方式，成型过程中的飞溅物较少，而在激光选区熔化(激光扫描系统B)环节，由于是激光扫描熔覆层，产生的飞溅物也很少，这样就最大限度降低了飞溅物对成型件性能的影响。可选地，激光熔覆系统A在成型缸8的成型基板上每次堆积金属的层厚度为1-3mm。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
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