一种用于激光选区熔化设备的成形缸及其成形方法
阅读说明：本技术 一种用于激光选区熔化设备的成形缸及其成形方法 (Forming cylinder for selective laser melting equipment and forming method thereof ) 是由 王殿政 王志敏 张铁军 韩维群 干建宁 何智 苏江舟 步贤政 刘玉平 李宏伟 李 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于激光选区熔化设备的成形缸及其成形方法,属于增材制造领域,解决了现有技术中粉末浪费、成形缸中基板负载较重的问题。本发明的用于激光选区熔化设备的成形缸,包括成形缸、基板、丝杠,丝杠位于成形缸的底部,基板安装于丝杠上。本发明的成形缸在零件成形过程中能有效节省粉末,提高了粉末利用率,解决了现有技术中粉末浪费、成形缸中基板负载较重的问题,适用于钢、钛合金、铝合金、高温合金、铜合金和金属间化合物等材料的增材制造,应用范围广泛。(The invention relates to a forming cylinder for selective laser melting equipment and a forming method thereof, belongs to the field of additive manufacturing, and solves the problems of powder waste and heavy substrate load in the forming cylinder in the prior art. The forming cylinder for the selective laser melting equipment comprises a forming cylinder, a base plate and a lead screw, wherein the lead screw is positioned at the bottom of the forming cylinder, and the base plate is arranged on the lead screw. The forming cylinder can effectively save powder in the part forming process, improves the powder utilization rate, solves the problems of powder waste and heavier substrate load in the forming cylinder in the prior art, is suitable for additive manufacturing of materials such as steel, titanium alloy, aluminum alloy, high-temperature alloy, copper alloy, intermetallic compounds and the like, and has wide application range.)
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种用于激光选区熔化设备的成形缸及其成形方法。
背景技术
金属材料增材制造技术作为整个增材制造体系中最具前沿和难度的技术，是先进制造技术的重要发展方向。对于金属材料增材制造技术，按照热源类型的不同主要可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造等。其中激光增材制造(Laser AdditiveManufacturing，LAM)技术是一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术，也是目前金属增材制造最可靠和可行的方法。
激光选区熔化工艺(Selective Laser Melting，SLM)作为一种典型的金属增材制造(3D打印)技术，它是采用先预置粉末(铺粉)，利用高能激光束有选择性地熔化固体粉末，并使熔化成形的固化层层层叠加生成所需形状的零件。铺粉作为选区熔化工艺过程的一个关键环节，通常是工作缸下降一个工作单位，送粉缸相应地上升一个工作单位，然后由刮刀将高于成形平面的粉末刮入工作缸，进行逐层选区激光熔化。激光选区熔化技术可以直接制造出终端金属产品，实现了材料、结构和功能的一体化设计和制造，可以加工出传统制造方法无法加工的复杂金属零件，如轻质点阵夹芯结构、空间曲面多孔结构、复杂型腔流道结构等，解决了复杂金属构件难加工、周期长、成本高等技术难题。
激光选区熔化增材制造技术逐渐向大尺寸、多光束方向发展，虽然具有成形尺寸大效率高的优势，但是现有的激光选区熔化设备的成形缸所需要准备的金属粉末也非常多，例如成形幅面为600mm×600mm的大尺寸激光选区熔化成形装备增材制造高度为1000mm的零件，所需要准备的粉末超过1000kg，而准备的粉末不能充分利用，在完成3D打印只能等待下次使用，由此带来一个问题是粉末准备成本高。此外，大尺寸激光选区熔化成形大型复杂零件时，随着成形高度逐渐加大，成形零件极易出现变形，尤其是完全成形后的冷却阶段。本发明提供了一种用于激光选区熔化设备的成形缸，解决了现有技术中粉末浪费、成形缸中基板负载较重的的问题，同时，本发明提供的成形缸适用于钢、钛合金、铝合金、高温合金、铜合金和金属间化合物材料的增材制造，应用范围广泛。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于激光选区熔化设备的成形缸及成形方法，用以解决现有技术中粉末浪费、成形缸中基板负载较重的的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种用于激光选区熔化设备的成形缸，包括成形缸、基板、丝杠，所述丝杠位于成形缸的底部，所述基板安装于丝杠上。
进一步地，成形缸还包括插孔、翻转式观察单元。
进一步地，所述插孔位于成形缸的两侧，呈对称分布。
进一步地，所述翻转式观察单元包括翻转板和观察窗。
进一步地，所述成形缸的长、宽、高尺寸均为200～1500mm。
进一步地，所述翻转式观察单元位于所述成形缸的侧面。
另一方面，本发明提供了一种用于激光选区熔化设备的成形缸的成形方法，使用上述的用于激光选区熔化设备的成形缸，步骤包括：
步骤1：安装基板；
步骤2：在基板表面铺设金属粉末；
步骤3：激光成形；
步骤4：待层厚度达到要求，零件成形完成。
进一步地，所述步骤1包括：
在成形缸中安装基板，基板与成形缸高度齐平，在丝杠的作用下，基板向下运动一个零件层厚的距离。
进一步地，所述步骤3包括：
控制激光器根据成形零件截面尺寸及形状对金属粉末进行扫描，完成零件当前层的成形；当零件厚度达到要求值时，省粉棒自上而下插入成形缸，且所述省粉棒不与零件表面接触。
进一步地，所述步骤4中，零件成形完成后，省粉棒与零件表面接触。
进一步地，所述插孔设置密封盖，所述密封盖通过卡扣固定于成形缸上。
进一步地，所述成形缸设有插孔的两侧自顶部至底部设有刻度。
进一步地，所述省粉棒与插孔采用螺纹密封。
进一步地，所述省粉棒包括圆柱部和弧形部，弧形部位于省粉棒的尖端。
进一步地，所述圆柱部的直径为10～50mm。
进一步地，所述省粉棒与距离传感器相连，以精确控制省粉棒的运动距离。
进一步地，所述省粉棒自端部至尾部设有刻度。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明通过在成形缸两侧插入省粉棒的方式，减少了成形缸中粉末的使用量，节省粉末，降低生产成本，降低了成形缸中基板的负载。
2、当零件成形完成之后，省粉棒继续插入成形缸，与成形零件表面接触，省粉棒作为柔性工装，起到约束零件的作用，控制零件在冷却过程中的变形。
3、本发明的省粉棒与距离传感器相连，精确控制省粉棒与零件之间的距离，避免省粉棒对零件成形过程造成影响。
4、本发明的省粉棒自端部至尾部带有刻度值标记，以保证省粉棒进入精确的距离，避免对零件造成破坏，同时也能够对零件轮廓进行精确定位。
5、本发明的成形缸的前面和两个侧面自顶部至底部带有刻度值标记，以保证在零件成形足够的厚度时，省粉棒的及时插入。
6、本发明的成形缸的前面设置翻转式观察窗，翻转式观察窗包括翻转板和观察窗，观察窗的玻璃采用多层中空钢化玻璃，观察窗高度与成形缸相同，当零件成形至一定厚度后，将翻转板翻起，通过观察窗观察零件成形的情况，在省粉棒插入成形缸的过程中，也可通过观察窗对省粉棒插入的情况进行观察，成形过程中出现任何问题可以第一时间进行处理。
7、本发明的成形缸的两侧插孔设置密封盖，密封盖通过卡扣固定于成形缸上，对于厚度较薄的成形零件，成形缸底部未用到的插孔，通过密封盖密封，节约省粉棒的数量。
8、本发明提供的成形缸适用于钢、钛合金、铝合金、高温合金、铜合金和金属间化合物材料的增材制造，应用范围广泛。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为省粉棒未进入成形缸时的结构示意图；
图2为省粉棒进入成形缸，未控制零件变形时的结构示意图；
图3为省粉棒进入成形缸，并控制零件时的结构示意图；
图4为激光选区熔化设备示意图；
图5为成形缸的结构示意图；
图6为省粉棒的结构示意图；
图7为成形缸与省粉棒的装配示意图。
附图标记：
1-成形缸；2-省粉棒；3-基板；4-丝杠；5-金属粉末；6-零件；7-激光。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
实施例1
本实施例提供了一种用于激光选区熔化设备的成形缸，结合附图1-7说明，成形缸1包括省粉棒2、基板3、丝杠4。
成形缸1底部设置可上下移动的丝杠4，丝杠4上安装基板3，基板3由丝杠4控制升降，成形缸1的长、宽、高尺寸为200～1500mm。成形缸1的两侧设有插孔，如图5所示，插孔呈对称分布，省粉棒2由插孔进入成形缸1，省粉棒2包括圆柱部和弧形部，如图6所示，弧形部位于省粉棒2的尖端，圆柱部的直径为10～50mm，弧形部可为圆或椭圆，省粉棒2为实心或空心棒，与插孔采用螺纹密封。
优选地，省粉棒2自端部至尾部带有刻度值标记，以保证省粉棒2进入精确的距离，避免对零件6造成破坏，同时也能够对零件6轮廓进行精确定位。
优选地，成形缸1的两个设有插孔的侧面自顶部至底部带有刻度值标记，以保证在零件6成形足够的厚度时，省粉棒2的及时插入。
进一步地，省粉棒2与距离传感器相连，零件6成形过程中，通过距离传感器设置省粉棒2与零件6之间的距离，当省粉棒2与零件6外表面之间的距离为10～50mm时，省粉棒2停止插入，零件6成形完成后，更改距离传感器设置省粉棒2与零件6之间的距离，省粉棒2继续插入，与成形零件6接触。
优选地，成形缸1的侧面(与插孔所在面为垂直关系)设置翻转式观察窗，翻转式观察窗包括翻转板和观察窗，观察窗的玻璃采用多层中空钢化玻璃，观察窗高度与成形缸1相同，当零件6成形至一定厚度后，将翻转板翻起，通过观察窗观察零件6成形的情况，在省粉棒2插入成形缸1的过程中，也可通过观察窗对省粉棒2插入的情况进行观察，成形过程中出现任何问题可以第一时间进行处理(如停止成形等)。
优选地，成形缸1两侧的插孔设置密封盖，密封盖通过卡扣固定于成形缸1上，对于厚度较薄的成形零件，成形缸1底部未用到的插孔，通过密封盖密封。
增材制造成形过程中，如图4所示，铺粉装置在基板3上部铺设金属粉末5，激光7根据待成形零件6截面尺寸及形状对金属粉末5进行扫描，完成零件6当前层的成形后，成形缸1中的丝杠4带动基板3向下运动一个层厚的距离，铺粉装置在零件6上一层表面铺设金属粉末5，继而成形，如此循环，完成整个零件6的成形。
示例性地，增材制造成形过程中，铺粉装置在基板3上部铺设金属粉末5，激光7根据待成形零件6截面尺寸及形状对金属粉末5进行扫描，完成零件6当前层的成形后，成形缸1中的丝杠4带动基板3向下运动一个层厚的距离，铺粉装置在零件6上一层表面铺设金属粉末5，继而成形，根据零件6的厚度大小，选择直径合适的省粉棒2(如成形零件6的厚度为20～100mm，可选择半椭球直径为10mm的省粉棒；成形零件6的厚度大于100mm时，可选择半椭球直径为50mm的省粉棒)，当零件6成形厚度达到1.5～2个省粉棒2直径的厚度时，成形缸1两侧首次插入省粉棒2，省粉棒2与成形零件6保持10～50mm的距离，成形缸1两侧首次插入省粉棒2之后，继续零件6的成形，如此循环。
需要说明的是，本发明的省粉棒与距离传感器相连，精确控制省粉棒与零件之间的距离，避免省粉棒对零件成形过程造成影响。本发明的省粉棒自端部至尾部带有刻度值标记，以保证省粉棒进入精确的距离，避免对零件造成破坏，同时也能够对零件轮廓进行精确定位。本发明的成形缸的前面和两个侧面自顶部至底部带有刻度值标记，以保证在零件成形足够的厚度时，省粉棒的及时插入。
与现有技术相比，本发明的成形缸的前面设置翻转式观察窗，翻转式观察窗包括翻转板和观察窗，观察窗的玻璃采用多层中空钢化玻璃，观察窗高度与成形缸相同，当零件成形至一定厚度后，将翻转板翻起，通过观察窗观察零件成形的情况，在省粉棒插入成形缸的过程中，也可通过观察窗对省粉棒插入的情况进行观察，成形过程中出现任何问题可以第一时间进行处理。本发明的成形缸的两侧插孔设置密封盖，密封盖通过卡扣固定于成形缸上，对于厚度较薄的成形零件，成形缸底部未用到的插孔，通过密封盖密封，节约省粉棒的数量。
实施例2
本实施例提供了实施例1中的用于激光选区熔化设备的成形缸的成形方法，结合附图1-3所示，步骤包括：
步骤1：在成形缸1中安装基板3，基板3与成形缸1高度齐平，在丝杠4的作用下，基板3向下运动一个零件6层厚的距离；
步骤2：铺粉装置在基板3表面铺设金属粉末5；
步骤3：控制激光器根据成形零件6截面尺寸及形状对金属粉末5进行扫描，完成零件6当前层的成形后，成形缸1中的丝杠4带动基板3向下运动一个层厚的距离，铺粉装置在基板3表面铺设金属粉末5，控制激光器根据成形零件6截面尺寸及形状对金属粉末5进行扫描，继而成形，如此循环，当零件6厚度达到要求值时，省粉棒2自上而下依次插入成形缸1，所述省粉棒2不与零件6的表面接触；
步骤4：待层厚度达到要求，零件6成形完成。
具体地，用于激光选区熔化设备的成形缸的成形方法，步骤包括：
步骤1：在成形缸1中安装基板3，基板3与成形缸1高度齐平，在丝杠4的作用下，基板3向下运动一个零件6层厚的距离；
步骤2：铺粉装置在基板3表面铺设金属粉末5，粉末厚度为0.03～0.06mm；
步骤3：控制激光器根据成形零件6截面尺寸及形状对金属粉末5进行扫描，激光功率为200～400W，扫描速度为800～1500mm/s，完成零件6当前层的成形后，成形缸1中的丝杠4带动基板3向下运动一个层厚的距离，铺粉装置在基板3表面铺设0.03～0.06mm厚度的金属粉末5，控制激光器根据成形零件6截面尺寸及形状对金属粉末5进行扫描，继续成形，如图1-2所示，当零件6成形厚度达到15～75mm或15～75mm的倍数n(n≥2)时，成形缸1两侧自上而下依次插入省粉棒2，省粉棒2与成形零件6不接触(省粉棒2与成形零件6保持10～50mm的距离)。
步骤4：待层厚度达到要求，零件6成形完成，如图3所示，零件6成形完成后，省粉棒2继续插入成形缸1与零件6表面接触。
示例性地，用于激光选区熔化设备的成形缸的成形方法，对于高度为60mm的零件6，选取直径为10mm的省粉棒2，步骤包括：
步骤1：在成形缸1中安装基板3，基板3与成形缸1高度齐平，在丝杠4的作用下，基板3向下运动一个零件6层厚的距离；
步骤2：铺粉装置在基板3表面铺设金属粉末5，粉末厚度为0.06mm；
步骤3：控制激光器根据成形零件6截面尺寸及形状对金属粉末5进行扫描，激光功率为200W，扫描速度为1500mm/s，完成零件6当前层的成形后，基板3向下运动一个零件6层厚的距离，铺粉装置在基板3表面铺设0.06mm厚度的金属粉末5，继续进行激光扫描成形；当零件6成形厚度为一定厚度时，如：20mm、40mm或60mm时，省粉棒2自上而下依次插入成形缸1中，省粉棒2与成形零件6不接触，与零件6保持一定距离(如：10mm)。
步骤4：待层厚度达到要求，零件6成形完成，将省粉棒2继续插入成形缸1，直到与零件6表面接触。
需要说明的是，本发明通过在成形缸两侧插入省粉棒的方式，减少了成形缸中粉末的使用量，节省粉末，降低生产成本，降低了成形缸中基板的负载。当零件成形完成之后，省粉棒继续插入成形缸，与成形零件表面接触，省粉棒作为柔性工装，起到约束零件的作用，控制零件在冷却过程中的变形。本发明提供的成形缸适用于钢、钛合金、铝合金、高温合金、铜合金和金属间化合物材料的增材制造，应用范围广泛。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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