專利名稱：一種直接制造金屬零件的快速成形系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于快速制造領(lǐng)域，具體涉及一種直接制造金屬零件的快速成形系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
實(shí)踐證明采用快速成形技術(shù)制作高分子零件是行之有效的，但是用于制造金屬零件則存在許多技術(shù)上的困難。盡管目前有些快速成形方法可以直接制造金屬零件，但是更多的是通過間接方法得到。例如選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)方法——通過選取高熔點(diǎn)金屬粉末材料和低熔點(diǎn)粉末材料來制造金屬零件，即將兩種不同熔點(diǎn)的金屬粉末混合或在金屬粉末中添加某種粘結(jié)劑，用較小的激光功率(一般在100W以下)熔化部分低熔點(diǎn)金屬粉末或粘結(jié)劑，熔化的粉末材料粘結(jié)周圍未熔化的金屬粉末形成粗坯，然后再對坯體進(jìn)行高溫焙燒、滲金屬等后處理形成金屬零件。采用現(xiàn)有的方法快速制造復(fù)雜金屬零件，存在密度低、機(jī)械性能較差、制作成本高、制造工藝復(fù)雜和制作周期長等一系列的問題。為了解決這些問題，目前已經(jīng)研究出了可以直接制造高致密度金屬零件的選擇性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)方法。
德國的Fraunhofer學(xué)院在2002年就研究出了SLM技術(shù)，目前德國MCP公司和F&S公司已經(jīng)在生產(chǎn)和銷售SLM機(jī)器，他們制造的該設(shè)備，均可直接制造金屬零件，不需要滲金屬等后續(xù)處理，而且能得到致密性為100％的工件。但是，在他們制造的設(shè)備中采取的是振鏡式激光掃描系統(tǒng)，每小時(shí)只能生產(chǎn)5cm2的金屬零件，生產(chǎn)效率較低；而且他們制造的機(jī)器體積也較大，價(jià)格較高。
目前，國內(nèi)還沒有SLM快速成形系統(tǒng)的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供一種直接制造金屬零件的快速成形系統(tǒng)。采用本發(fā)明可以直接制造出任意復(fù)雜形狀的、具有高致密度、高強(qiáng)度和高精度等良好機(jī)械性質(zhì)的金屬零件。另外，采用本發(fā)明的快速成形系統(tǒng)，可以加快金屬零件的制作速度，降低制作成本。
本發(fā)明提供的一種直接制造金屬零件的快速成形系統(tǒng)，包括加工空間和激光掃描裝置，其特征在于氣體保護(hù)腔的兩側(cè)設(shè)有進(jìn)、出氣口，其兩端上面設(shè)置有用于盛裝金屬粉末的左、右落粉裝置，落粉裝置由電機(jī)控制其出粉，其出粉口與左、右落粉裝置相通；刮板位于氣體保護(hù)腔內(nèi)，由電機(jī)控制沿水平方向作雙向運(yùn)動(dòng)；激光掃描裝置位于左、右落粉置之間，在氣體保護(hù)腔的頂部設(shè)有激光窗，在氣體保護(hù)腔的底部設(shè)有工作腔，工作腔內(nèi)設(shè)有由電機(jī)控制其上、下運(yùn)動(dòng)的活塞，激光掃描裝置發(fā)出的光束通過激光窗聚焦在活塞上表面的待加工的金屬粉未上。
本發(fā)明可以直接制造出任意復(fù)雜形狀的高密度、高強(qiáng)度、高精度等良好機(jī)械性質(zhì)的金屬零件。另外，采用本發(fā)明的快速成形系統(tǒng)，可以加快金屬零件的制作速度，降低制作成本，節(jié)約資金。本系統(tǒng)適合直接制造高密度金屬零件。


圖1為本發(fā)明SLM快速成形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中落粉裝置的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖1中激光掃描裝置的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為SLM快速成形系統(tǒng)的控制流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
如圖1所示，在本發(fā)明SLM快速成形系統(tǒng)中，加工空間9由左、右落粉裝置10、11、激光窗13、刮板15、活塞18、氣體保護(hù)腔19、工作腔20和激光掃描裝置21組成。左、右落粉裝置10和11內(nèi)部裝有金屬粉末，其出粉口與氣體保護(hù)腔19相通。如圖2所示，左、右落粉裝置10或11中設(shè)有帶葉片23的葉輪22，通過步進(jìn)電機(jī)控制葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩葉片轉(zhuǎn)到出口位置時(shí)，粉末自動(dòng)落入氣體保護(hù)腔19中。刮板15位于氣體保護(hù)腔19里面，通過變頻器控制的普通電機(jī)控制刮板15沿水平方向作雙向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鋪粉。從左落粉裝置10到右落粉裝置11或者右落粉裝置11到左落粉裝置10每運(yùn)動(dòng)一次鋪粉一層；激光掃描裝置21位于左、右落粉裝置10和11之間，在氣體保護(hù)腔19的頂部有一塊激光窗13。在氣體保護(hù)腔19的底部設(shè)有工作腔20，其工作腔20內(nèi)設(shè)有活塞18，活塞18由單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)控制沿豎直方向上下運(yùn)動(dòng)。激光掃描裝置21發(fā)出的激光束通過激光窗13作用于活塞18上表面上的待加工粉末上，工作過程中保護(hù)氣體從進(jìn)氣口12進(jìn)入，從出氣口14排出。每加工好一層，活塞18下降一層厚度的距離，圖中，16表示已加工的部分工件；17表示多余的金屬粉末。
如圖3所示，上述激光掃描裝置21由X軸導(dǎo)軌1、Y軸導(dǎo)軌2、偏鏡4和7、滑塊5、聚焦鏡6構(gòu)成。X軸導(dǎo)軌1和Y軸導(dǎo)軌2由絲桿構(gòu)成，Y軸導(dǎo)軌2在伺服電機(jī)的控制下可沿水平方向作雙向運(yùn)動(dòng)，X軸導(dǎo)軌1在另一個(gè)伺服電機(jī)控制下在水平面上可沿垂直Y軸導(dǎo)軌2作雙向運(yùn)動(dòng)?；瑝K5可在Y軸導(dǎo)軌2上通過絲桿作雙向運(yùn)動(dòng)，聚焦鏡6和下偏鏡4固定在滑塊5上，上偏鏡7固定在Y軸導(dǎo)軌2的上端。激光器發(fā)出的光束8經(jīng)過上偏鏡7和下偏鏡4改變運(yùn)行方向后，經(jīng)過聚焦鏡6聚焦后，通過激光窗13聚焦在位于活塞18上表面的待加工的金屬粉末上。
上述快速成形系統(tǒng)的控制流程圖如圖4所示。首先通過預(yù)熱裝置將金屬粉末預(yù)熱到一定溫度；其次通過計(jì)算機(jī)控制落粉機(jī)構(gòu)在加工平臺(tái)上鋪上一層預(yù)定厚度的金屬粉末；最后用Pro/Engineer、Unigraphic等三維造型軟件設(shè)計(jì)出金屬零件的實(shí)體造型，然后經(jīng)過切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLM快速成形系統(tǒng)機(jī)器中，在繪圖儀式X-Y軸掃描方式的激光掃描系統(tǒng)下，通過計(jì)算機(jī)控制激光按照設(shè)計(jì)的掃描軌跡運(yùn)行，熔化金屬粉末，層層制造。因?yàn)楫?dāng)采取繪圖儀式X-Y軸掃描方式的系統(tǒng)時(shí)，激光經(jīng)過聚焦后距離加工平臺(tái)穩(wěn)定在一個(gè)具體的數(shù)值，所以，光斑大小不會(huì)改變，激光能量密度穩(wěn)定，容易保證加工精度；另外，二維振鏡式激光掃描系統(tǒng)中聚焦后的光斑越向遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)變得越來越大，導(dǎo)致激光能量密度逐漸減小，如果不采取補(bǔ)償措施，可能將會(huì)導(dǎo)致金屬零件精度較低以及加工速度的減慢。因此，為了提高加工速度以及獲得更高的金屬零件精度，在本快速成形系統(tǒng)中，我們采取了繪圖儀式X-Y軸掃描方式的激光掃描系統(tǒng)。同時(shí)，我們采取了上落粉機(jī)構(gòu)和刮板結(jié)合的鋪粉裝置，加工空間位于其中，這使加工空間更加緊湊，同時(shí)減少了保護(hù)氣體的用量，節(jié)約了成本。
權(quán)利要求
1.一種直接制造金屬零件的快速成形系統(tǒng)，包括加工空間和激光掃描裝置，其特征在于氣體保護(hù)腔(19)的兩側(cè)設(shè)有進(jìn)、出氣口(12、14)，其兩端上面設(shè)置有用于安裝金屬粉末的左、右落粉裝置(10和11)，落粉裝置由電機(jī)控制其出粉，其出粉口與左、右落粉裝置(10和11)相通；刮板(15)位于氣體保護(hù)腔(19)內(nèi)，由電機(jī)控制沿水平方向作雙向運(yùn)動(dòng)；激光掃描裝置(21)位于左、右落粉置(10和11)之間，在氣體保護(hù)腔(19)的頂部設(shè)有激光窗(13)，在氣體保護(hù)腔(19)的底部設(shè)有工作腔(20)，工作腔(20)內(nèi)設(shè)有由電機(jī)控制其豎直運(yùn)動(dòng)的活塞(18)，激光掃描裝置(21)發(fā)出的光束通過激光窗(13)聚焦在活塞(18)上表面的待加工粉末上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述激光掃描裝置(21)的結(jié)構(gòu)為X軸導(dǎo)軌(1)和Y軸導(dǎo)軌(2)由絲桿構(gòu)成，前者由伺服電機(jī)控制下可沿水平方向運(yùn)動(dòng)，后者由另一伺服電機(jī)控制下在水平面上沿垂直方向運(yùn)動(dòng)，滑塊(5)位于Y軸導(dǎo)軌(2)上、并沿Y軸導(dǎo)軌滑動(dòng)；聚焦鏡(6)和下偏鏡(4)固定在滑塊(5)上，上偏鏡(7)固定在Y軸導(dǎo)軌(2)的上端，由激光器發(fā)出的光束(8)依次經(jīng)過上偏鏡(7)和下偏鏡(4)改變運(yùn)行方向后，再經(jīng)過聚焦鏡(6)聚焦，再通過工作窗(13)照射在位于活塞(18)上表面的待加工的金屬粉末上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述左、右落粉裝置(10和11)內(nèi)為帶葉片(23)的葉輪(22)，由電機(jī)控制葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，使粉末落入氣體保護(hù)腔(19)中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接制造金屬零件的快速成形系統(tǒng)。其氣體保護(hù)腔的兩側(cè)設(shè)有進(jìn)、出氣口，其兩端上面設(shè)置有用于安裝金屬粉末的左、右落粉裝置，落粉裝置由電機(jī)控制其出粉，其出粉口與左、右落粉裝置和相通；刮板位于氣體保護(hù)腔內(nèi)，由電機(jī)控制沿水平方向作雙向運(yùn)動(dòng)；激光掃描裝置位于左、右落粉置之間，在氣體保護(hù)腔的頂部設(shè)有激光窗，在氣體保護(hù)腔的底部設(shè)有工作腔，工作腔內(nèi)設(shè)有由電機(jī)控制其上、下運(yùn)動(dòng)的活塞，激光掃描裝置發(fā)出的光束通過激光窗聚焦在活塞上表面的待加工粉末上。本發(fā)明可以直接制造出任意復(fù)雜形狀的高密度、高強(qiáng)度、高精度等良好機(jī)械性質(zhì)的金屬零件，具有制作速度快、制作成本低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B22F3/105GK1631582SQ20041006136
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者黃樹槐, 史玉升, 陳國清, 魯中良 申請人:華中科技大學(xué)