專利名稱：醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鎂合金零件制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū) 激光熔化成型裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前，在臨床上普遍使用的金屬生物材料包括不銹鋼、鈦及鈦合金、鈷鉻合金等， 這些金屬生物材料雖然制造容易，但具有使用不足之處即可能在腐蝕或者在磨損過程中 釋放有毒的金屬離子或金屬顆粒，從而導(dǎo)致組織缺損以及降低生物相容性。而且，這些金屬 生物材料的彈性模量與正常骨組織并不十分相稱，導(dǎo)致應(yīng)力遮擋效應(yīng)，使內(nèi)植入體的穩(wěn)定 性下降，且必須在患者充分痊愈后二次手術(shù)將其取出。鎂是一種特殊的金屬材料，密度是1. 74g/cm3，鋁和鋼的密度是鎂的1. 6和4. 5倍。 鎂的斷裂韌性比包括羥基磷灰石在內(nèi)的陶瓷材料強，相比于現(xiàn)有的金屬生物材料(不銹 鋼、鈦及鈦合金、鈷鉻合金等)，具有如下優(yōu)點(1)鎂的彈性模量和壓力屈服強度更接近正 常骨組織；(2)鎂是一種輕金屬、可降解的、可承重骨科內(nèi)植入物，讓其在體內(nèi)保持機械完 整性12 18周的作用時間，待骨組織正常愈合后可被正常組織代替，不需二次手術(shù)取出；鎂合金可在人體內(nèi)降解，是因為鎂合金具有較低的腐蝕電位，在含有氯離子的體內(nèi)環(huán)境 下易發(fā)生腐蝕，并以緩慢腐蝕的方式在體內(nèi)完全降解，其腐蝕產(chǎn)物對生物體無毒害作用，且 能參與人體正常代謝。因此，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用的金屬生物材料經(jīng)常優(yōu) 先考慮使用鎂。雖然，鎂和鎂合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大意義，但由于鎂的制造存在著以下 缺陷鎂的化學(xué)活性很強，在空氣中易氧化，在高溫情況下可以發(fā)生燃燒，因此熔煉過程中 須采用復(fù)雜的保護措施，而工業(yè)中主要采用熔劑保護法和氣體保護法，目前工業(yè)上應(yīng)用鎂 合金零件一般采用壓鑄生產(chǎn)工藝，這種生產(chǎn)方式雖然能制得鎂合金零件，但是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域， 由于需要的零件一般用作針對病人個體信息獲得定制化的內(nèi)植入物件或者外科手術(shù)輔助 工具，即，醫(yī)用的鎂合金零件需要是要求獲得高自由度的復(fù)雜空間形狀零件，如果采用壓鑄 的方法則很難達到要求。因此，鎂合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用則受到很大的限制，只能用于簡單 形狀的零件，不能廣泛應(yīng)用，所以針對醫(yī)用的鎂合金零件，需要尋求一種滿足其復(fù)雜形狀生 產(chǎn)的技術(shù)。選區(qū)激光熔化技術(shù)(SLM，Selective laser melting)是近幾年在國內(nèi)外迅速發(fā)展 起來的快速制造技術(shù)，原理上能夠成型任意的可焊金屬材料，能夠成型任意復(fù)雜幾何形狀 的零件。而目前，選區(qū)激光熔化技術(shù)還沒見用于加工生產(chǎn)醫(yī)用的鎂合金零件。而且，現(xiàn)有的選區(qū)激光熔化成型裝置中，一般采用粉末缸和成型缸組成的雙缸式 結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)存在著以下缺陷(1)大大增加了整套設(shè)備的體積(2)即使成型非常細(xì)小的 零件，也需要倒入大量粉末，造成大量的浪費現(xiàn)象；(3)送鋪粉裝置需在雙缸上來回運行， 成型效率低下。而且，現(xiàn)有的技術(shù)中，一般都沒有預(yù)加熱裝置和結(jié)構(gòu)，往往容易產(chǎn)生成型過 程中的翹曲與裂紋，粉末完全熔化對激光能量的輸入要求也比較高，需要消耗較大的能量；同時用于加工鎂合金零件，若沒有預(yù)加熱裝置，則無法滿足鎂合金粉末的成型溫度和條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種能夠直接制造出滿 足醫(yī)學(xué)領(lǐng)域復(fù)雜形狀零件的醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型裝置。本發(fā)明的另一目的在于提供由上述裝置實現(xiàn)的醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光 熔化成型方法。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型裝置，包括控制裝置、送鋪粉裝置、激光 傳輸機構(gòu)、氣體凈化裝置和封閉的成型室，所述成型室內(nèi)設(shè)有成型缸和回收缸，回收缸設(shè)于 成型缸的一側(cè)；所述送鋪粉裝置設(shè)于成型室內(nèi)，包括料斗和安裝于料斗下方兩側(cè)的鋪粉刷， 所述料斗上方與成型室上方的填料口對應(yīng)設(shè)置，鋪粉刷的下方與成型缸的上表面水平對 應(yīng)；所述激光傳輸機構(gòu)設(shè)于成型室的外上方，且對應(yīng)成型缸設(shè)置；所述成型室的側(cè)壁上設(shè) 有便于氣體進出的進氣口和出氣口，所述氣體凈化裝置分別與進氣口和出氣口連接；所述 控制裝置分別連接送鋪粉裝置、激光傳輸機構(gòu)、成型缸和氣體凈化裝置。所述鋪粉刷為若干個疊加的刷片，每個刷片均由若干個刷片單元構(gòu)成，各刷片的 刷片單元之間錯開設(shè)置；鋪粉刷的刷片優(yōu)選30 100 i! m厚度的316L或者304不銹鋼片， 各刷片的刷片單元通過光纖光纖激光器或紫外光纖激光器切割的方式切割而成，刷片單元 之間的間隙為激光切割的縫寬。所述料斗下方前側(cè)的刷片前還安裝有刮板，其作用是將金屬粉末較厚的先預(yù)置在 成型缸上，避免粉末過多時刷片不能推動這些粉末前行，甚至導(dǎo)致刷片過度彎折的情況發(fā) 生，使得刷片損壞；刮板的低端比刷片的低端高。所述各刷片的刷片單元之間的間隙為0.05 0. 15mm，每個刷片單元的寬度為 3mm 5mm ；所述刮板的低端比刷片的低端高50 200 u m。所述激光傳輸機構(gòu)包括依次光路連接的光纖激光器、光路傳輸元件、掃描振鏡、聚 焦鏡片和透光鏡，所述聚焦鏡片和透光鏡設(shè)置于成型室的上方，并對應(yīng)成型缸設(shè)置；所述光 纖激光器和掃描振鏡均與控制裝置連接。所述聚焦鏡片優(yōu)選場聚焦鏡片或遠(yuǎn)心透鏡，場聚 焦鏡片或遠(yuǎn)心透鏡可以選用100mm、163mm或254mm的焦距鏡片，同時掃描振鏡的耦合墊片 和透光鏡的的焦距均分別與聚焦鏡片的焦距匹配，以滿足激光的掃描范圍。所述聚焦鏡片 采用遠(yuǎn)心透鏡，其作用不僅保證了不同位置的激光功率密度相等，也能夠保證激光聚焦后 的光束垂直入射到粉末表面，保證熔池的穩(wěn)定成型，提高鎂合金成型件的表面質(zhì)量。本發(fā)明 裝置在加工時，能夠獲得不同的掃描范圍與聚焦光斑尺寸，以滿足鎂合金成型件體積變化 較大要求。當(dāng)鎂合金成型零件小，且要求鎂合金成型件表面質(zhì)量與成型精度要求高時，聚焦 鏡片使用100mm焦距，同時調(diào)整掃描振鏡的耦合墊片和透光鏡的的焦距使其與聚焦鏡片的 焦距匹配，以獲得較小的掃描范圍和精細(xì)的聚焦光斑尺寸；而當(dāng)鎂合金成型零件較大，聚焦 鏡片使用254mm焦距，同時調(diào)整掃描振鏡的耦合墊片和透光鏡的的焦距使其與聚焦鏡片的 焦距匹配，此時雖伴隨掃描范圍的增大，激光聚焦光斑直徑相應(yīng)變大。所述光纖激光器的功率優(yōu)選50 400W，光束質(zhì)量M2 < 1. 1，激光能量呈現(xiàn)高斯分 布，光纖激光器的功率能夠滿足聚焦光斑的直徑要求，使得聚焦到成型面上的功率密度足夠熔化任何金屬粉末，其長期穩(wěn)定使用幾乎免維護，所述激光為連續(xù)模式激光。所述光路傳輸元件包括光纖傳輸線路以及依次安裝在光纖傳輸線路上的準(zhǔn)直擴 束鏡、光隔離器和光纖耦合頭，在光纖傳輸線路的外套上設(shè)有水冷結(jié)構(gòu)；所述掃描振鏡上設(shè)有風(fēng)冷結(jié)構(gòu)；所述聚焦鏡片和透光鏡的一側(cè)設(shè)有氣刀，所述氣刀為0. 15Mpa 0. 2Mpa的氬氣。光路傳輸元件的質(zhì)量對成型過程穩(wěn)定性及成型件質(zhì)量影響大，不但要保證光路傳 輸元件中的各光學(xué)器件處于完全密封的環(huán)境中，以防止外界灰塵對鏡片表面的污染。所述氣體凈化裝置包括相互連接的真空泵和過濾器，真空泵分別與控制裝置、成 型室的進氣口連接，過濾器與成型室的出氣口連接；所述真空泵外接惰性氣體供應(yīng)裝置。
在成型室的出氣口處設(shè)有氧含量監(jiān)測儀。所述送鋪粉裝置的料斗內(nèi)設(shè)有加熱絲；或者，所述成型缸的下方設(shè)有加熱絲。所述成型室外側(cè)還設(shè)有成型罩。因鎂合金的預(yù)熱的理想溫度接近為固態(tài)相變點， 鎂合金的固態(tài)相變點為565攝氏度，如此高的溫度容易使得成型室外側(cè)的成型罩的有機玻 璃發(fā)生軟化。因此，通過加熱絲在鎂合金金屬粉末激光掃描之前，先通過加熱絲將鎂合金粉 末預(yù)熱溫度控制在110°C 130°C，這樣熱擴散到成型罩時已下降到大概60 80°C，基本達 到預(yù)熱的目的。本發(fā)明的裝置中，其控制裝置負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)激光開關(guān)光、激光功率、鋪粉運動、成型缸Z 軸方向運行、掃描振鏡的掃描速度、加工過程掃描數(shù)據(jù)的實時調(diào)入等。因為成型過程中對處 理數(shù)據(jù)量較大，要求每一層信息加工完成后能夠迅速的完成下一層成型面的數(shù)據(jù)的處理、 調(diào)用，對系統(tǒng)實時性要求高。因此，控制裝置優(yōu)選嵌入式dsp控制系統(tǒng)，多線程同時處理，避 免了信號干擾。由上述裝置實現(xiàn)的醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型方法，具體包括如下 步驟(1)建立零件的CAD幾何模型，并進行分層離散，生成掃描路徑數(shù)據(jù)；將所述的掃 描路徑數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制裝置中；(2)向成型室內(nèi)注入惰性氣體，并將成型室內(nèi)的氧濃度控制在一定濃度范圍內(nèi)；(3)往填料口內(nèi)填送金屬粉末，金屬粉末沿料斗落入成型室內(nèi)，鋪粉刷預(yù)置一層金 屬粉末到成型缸上，同時將多余的金屬粉末送入回收缸中；(4)采用激光掃描金屬粉末，激光通過激光傳輸機構(gòu)發(fā)射傳輸，在金屬粉末的加工 平面上形成聚焦光斑，將金屬粉末熔化，形成零件單層截面；(5)判斷醫(yī)用鎂合金金屬零件是否已成型，若已成型，則取出成型件，否則執(zhí)行下
一步驟；(6)成型缸下降一層；根據(jù)步驟(1)生成的掃描路徑，重復(fù)步驟(3) (5)，使金屬 粉末逐層熔化，直到堆積成型，獲得成型的醫(yī)用鎂合金金屬零件?？筛鶕?jù)零件的使用要求與幾何特征采用不同的成型條件，當(dāng)致密度要求高時 (95%以上)時所述步驟⑷中，激光對金屬粉末進行層間錯開掃描，且同時對零件的外 輪廓勾邊掃描，激光勾邊的掃描速度為100 150mm/s，激光層間錯開掃描時的掃描速度為 200 400mm/s，掃描間距為60 80 y m ；所述激光的功率為150 200W，所述聚焦光斑的 直徑為70 100 ii m ；所述步驟(6)中，成型缸每層的下降量為20 50iim;
當(dāng)致密度要求不高時(90%左右)所述步驟(4)中，激光對金屬粉末進行層間錯 開或呈“之”字形掃描，激光的掃描速度為600 1000mm/S，掃描間距為80 120i!m ；所述 激光的功率為50W 150W，所述聚焦光斑的直徑為70 200iim ；所述步驟(6)中，成型缸 每層的下降量為50 100 u m。所述步驟(2)中，由氣體凈化裝置將成型室抽空后，再向成型室內(nèi)注入惰性氣體； 注入的惰性氣體為氬氣；成型室內(nèi)的氧濃度控制在5 lOppm的濃度范圍內(nèi)；所述步驟(3)中，在預(yù)置平鋪金屬粉末前，先在成型缸上放置基板；金屬粉末在預(yù) 置到成型缸前先經(jīng)所述加熱絲加熱，使其溫度達到110°c 130°C ；所述步驟(3)中送鋪粉裝置和步驟(6)中成型缸的操作均由控制裝置控制實現(xiàn)， 步驟(4)中的激光掃描由控制裝置控制激光傳輸機構(gòu)來實現(xiàn)；所述鎂合金金屬粉末的粉末形狀為球形，粒度在300 500目范圍內(nèi)。本發(fā)明裝置對加工的鎂合金材料的成分范圍有要求，要求材料化學(xué)成分(質(zhì)量 分?jǐn)?shù))為Mg 95. 0% 97. 0%, A1 2. 50% 3. 50%, Zn 0. 60% 1. 40%, Mn 0. 20% 1. 0%, Si < 0. 1%, Fe < 0. 1%, Cu < 0. 05%，對Mg合金粉末的物理特性有嚴(yán)格要求包 括粉末形狀為球形，粒度在300 500目范圍，粉末含氧量與雜質(zhì)含量盡量低等。本裝置可根據(jù)需要獲得可控的體致密度，即成型獲得相互聯(lián)通的微孔，使成型件 具有更低的體密度并能明顯改變其機械性能與變形能力。微孔的形狀、大小與空間幾何關(guān) 系可以由設(shè)計人員進行設(shè)計，并由本裝置控制加工成型。微孔的形狀與大小對多孔鎂合金 零件的機械性能具有顯著影響。本發(fā)明可用生產(chǎn)制造應(yīng)用醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的復(fù)雜形狀的鎂合金零件，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué) 領(lǐng)域。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果1、相對于現(xiàn)有技術(shù)的壓鑄生產(chǎn)，本發(fā)明可滿足醫(yī)學(xué)領(lǐng)域高自由度的復(fù)雜空間形狀 要求，能夠成型任意的復(fù)雜幾何形狀的鎂合金零件，大大推廣了鎂合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用， 不受生產(chǎn)的限制。2、通過本發(fā)明制得的鎂合金零件的致密度可與鑄造件相當(dāng)，且尺寸精度為0. 1 0. 2mm，表面粗糙度為0. 1mm，具有較高的尺寸精度和表面光潔度；通過本發(fā)明值得的鎂合 金零件具有快速凝固特征的微觀組織，使得鎂合金零件的力學(xué)性能高于鑄造件。3、本發(fā)明的送鋪粉裝置采用料斗結(jié)合刷片的結(jié)構(gòu)，由料斗送粉并由刷片鋪粉預(yù) 置，相對于現(xiàn)有技術(shù)的由粉末缸和成型件缸組成的雙缸式成型裝置結(jié)構(gòu)，大大減小了整套 裝置的體積，且不受零件高度限制，可根據(jù)成型零件的體積調(diào)整用粉量，還可以實現(xiàn)梯度材 料零件的成型，且通過控制裝置的控制，料斗內(nèi)的粉末可定量定時的鋪展到成型缸上，而且 能保證鋪粉效果平整與層厚足夠薄，具有成型效率高、減少粉末的浪費等優(yōu)點。4、本發(fā)明的送鋪粉裝置的刷片采用柔性結(jié)構(gòu)，由若干個分割而成的刷片單元構(gòu) 成，且結(jié)合刮板使用，可避免剛性送鋪粉裝置與成型面凸起所造成的碰撞等，有效保證其使 用壽命及鋪粉效果。5、本發(fā)明設(shè)有加熱絲，金屬粉末在預(yù)置到成型缸的基板前先經(jīng)所述加熱絲預(yù)熱， 使其溫度達到110°C 130°C，能夠防止成型過程中的翹曲與裂紋，也能夠減少粉末完全熔 化對激光能量的輸入要求，在同樣的激光能夠輸入情況下，預(yù)熱能夠獲得更快的成型效率，預(yù)熱能夠減少鎂合金粉末中的水分，保證激光入射在干燥的粉末表面。因預(yù)熱的理想溫度 接近為固態(tài)相變點，鎂合金的固態(tài)相變點為565攝氏度，如此高的溫度容易使得有機玻璃 制成的成型室發(fā)生軟化。所以，將鎂合金粉末預(yù)熱溫度控制在110°C 130°C，這樣熱擴散 到成型室的外周時已下降到大概60 80°C，基本達到預(yù)熱的目的。6、本發(fā)明采用加熱絲預(yù)熱，具有傳熱隔熱的可靠性好、可精確控制溫度誤差等優(yōu) 點o7、本發(fā)明通過控制裝置對送鋪粉裝置、激光傳輸機構(gòu)等進行控制，具有實時性強、 處理速度快等優(yōu)點。8、本發(fā)明在聚焦鏡片和透光鏡附近設(shè)有氣刀，可及時將激光與鎂合金材料作用時 產(chǎn)生的黑煙、汽化產(chǎn)物吹走，以免污染了聚焦鏡片和透光鏡表面，導(dǎo)致激光入射時聚焦鏡片 和透光鏡吸熱多，激光能量輸入不足，黑煙也可能導(dǎo)致鏡片發(fā)熱膨脹破損，同時氣刀還有冷 卻的效果。9、本發(fā)明的激光聚焦光斑的直徑范圍較廣，可使得聚焦到成型面上的功率密度足 夠熔化任何金屬粉末，其長期穩(wěn)定使用幾乎免維護。10、本發(fā)明可通過氣體凈化裝置向成型室內(nèi)注入氬氣保護氣體，一方面可使得成 型過程中的黑煙、氣體雜質(zhì)能夠及時排出，另一方面大大減少了氬氣使用量，有利于改善成 型室內(nèi)的氣體流向，使得黑煙能夠向著排氣口方向流動；同時，成型室內(nèi)的氣體可在氣體凈 化系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)使用，具有環(huán)保的優(yōu)點，且在成型室出氣口處設(shè)氧含量監(jiān)測儀，可實時監(jiān)測 成型室內(nèi)的氧濃度，保持在5 lOppm的范圍內(nèi)，可有效保證鎂合金制造生產(chǎn)的環(huán)境要求。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1所示的送鋪粉裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖1所示的送鋪粉裝置預(yù)置金屬粉末的示意圖。圖4是本發(fā)明方法的流程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。實施例1如圖1所示，本醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型裝置，包括控制裝置18、 送鋪粉裝置、激光傳輸機構(gòu)、氣體凈化裝置和封閉的成型室21，所述成型室21內(nèi)設(shè)有成型 缸14和回收缸16，回收缸16設(shè)于成型缸14的一側(cè)；所述送鋪粉裝置設(shè)于成型室21內(nèi)，包 括料斗9和安裝于料斗9下方兩側(cè)的鋪粉刷，所述料斗9上方與成型室21上方的填料口 8 對應(yīng)設(shè)置，鋪粉刷的下方與成型缸14的上表面水平對應(yīng)；所述激光傳輸機構(gòu)設(shè)于成型室21 的外上方，且對應(yīng)成型缸14設(shè)置；所述成型室21的側(cè)壁上設(shè)有便于氣體進出的進氣口 17 和出氣口 11，所述氣體凈化裝置分別與進氣口 17和出氣口 11連接；所述控制裝置18分別 連接送鋪粉裝置、激光傳輸機構(gòu)、成型缸14和氣體凈化裝置。如圖2所示，所述鋪粉刷為兩個刷片19，分別位于料斗9下方兩側(cè)；每個刷片19均由若干個刷片單元20構(gòu)成，各刷片19的刷片單元20之間錯開設(shè)置；鋪粉刷的刷片19采 用30 ym厚度的316L不銹鋼片，各刷片的刷片單元通過光纖光纖激光器切割的方式切割而 成，刷片單元之間的間隙為激光切割的縫寬。所述料斗9下方前側(cè)的刷片19前還安裝有刮板，刮板的低端比刷片19的低端高。所述各刷片19的刷片單元20之間的間隙為0. 05mm,每個刷片單元20的寬度為 3mm ；所述刮板的低端比刷片19的低端高50 u m。所述激光傳輸機構(gòu)包括依次光路連接的光纖激光器1、光路傳輸元件2、掃描振鏡 3、聚焦鏡片和透光鏡5，所述聚焦鏡片和透光鏡5設(shè)置于成型室21的上方，并對應(yīng)成型缸 14設(shè)置；所述光纖激光器1和掃描振鏡3均與控制裝置18連接。所述聚焦鏡片采用100mm焦距的場聚焦鏡片，同時調(diào)整掃描振鏡的耦合墊片和透 光鏡的焦距使其與聚焦鏡片的焦距匹配，以獲得精細(xì)的聚焦光斑尺寸。所述光纖激光器的功率為50W，光束質(zhì)量M2 < 1. 1，激光能量呈現(xiàn)高斯分布，光纖 激光器的功率能夠滿足聚焦光斑的直徑要求，使得聚焦到成型面上的功率密度足夠熔化任 何金屬粉末，其長期穩(wěn)定使用幾乎免維護，所述激光為連續(xù)模式激光。所述光路傳輸元件2包括光纖傳輸線路以及依次安裝在光纖傳輸線路上的準(zhǔn)直 擴束鏡、光隔離器和光纖耦合頭，在光纖傳輸線路的外套上設(shè)有水冷結(jié)構(gòu)；所述掃描振鏡3 上設(shè)有風(fēng)冷結(jié)構(gòu)；所述聚焦鏡片和透光鏡5的一側(cè)設(shè)有氣刀6，所述氣刀為0. 15Mpa的氬氣。所述氣體凈化裝置包括相互連接的真空泵和過濾器，真空泵分別與控制裝置18、 成型室21的進氣口 17連接，過濾器與成型室21的出氣口 11連接；所述真空泵外接惰性氣 體供應(yīng)裝置。在成型室21的出氣口 11處設(shè)有氧含量監(jiān)測儀。所述送鋪粉裝置的料斗9內(nèi)設(shè)有加熱絲。所述成型室21外側(cè)還設(shè)有成型罩。因 鎂合金的預(yù)熱的理想溫度接近為固態(tài)相變點，鎂合金的固態(tài)相變點為565攝氏度，如此高 的溫度容易使得成型室外側(cè)的成型罩的有機玻璃發(fā)生軟化。因此，通過加熱絲在鎂合金金 屬粉末激光掃描之前，先通過加熱絲將鎂合金粉末預(yù)熱溫度控制在110°C，這樣熱擴散到成 型罩時已下降到大概60 80°C，基本達到預(yù)熱的目的。本發(fā)明的裝置中，其控制裝置18負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)激光開關(guān)光、激光功率、鋪粉運動、成型 缸14的Z軸方向運行、掃描振鏡3的掃描速度、加工過程掃描數(shù)據(jù)的實時調(diào)入等。因為成 型過程中對處理數(shù)據(jù)量較大，要求每一層信息加工完成后能夠迅速的完成下一層成型面的 數(shù)據(jù)的處理、調(diào)用，對系統(tǒng)實時性要求高。因此，控制裝置18為嵌入式dsp控制系統(tǒng)，多線 程同時處理，避免了信號干擾。如圖4所示，由上述裝置實現(xiàn)的醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型方法， 具體包括如下步驟(1)建立零件的CAD幾何模型，并進行分層離散，生成掃描路徑數(shù)據(jù)；將所述的掃 描路徑數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制裝置18中；(2)向成型室內(nèi)注入惰性氣體，并將成型室21內(nèi)的氧濃度控制在一定濃度范圍 內(nèi)；(3)往填料口 8內(nèi)填送金屬粉末，如圖3所示，金屬粉末10沿料斗9落入成型室21內(nèi)，鋪粉刷預(yù)置一層金屬粉末到成型缸14上，同時將多余的金屬粉末15送入回收缸16 中；(4)采用激光掃描金屬粉末，如圖1所示，激光4通過激光傳輸機構(gòu)發(fā)射傳輸，在金 屬粉末的加工平面上形成聚焦光斑7，將金屬粉末熔化，形成零件單層截面12 ；(5)判斷醫(yī)用鎂合金金屬零件是否已成型，若已成型，則取出成型件，否則執(zhí)行下
一步驟；(6)成型缸下降一層；根據(jù)步驟(1)生成的掃描路徑，重復(fù)步驟(3) (5)，使金屬 粉末逐層熔化，直到堆積成型，獲得成型的醫(yī)用鎂合金金屬零件。所述步驟(4)中，激光對金屬粉末進行層間錯開掃描，激光的掃描速度為600mm/ s，掃描間距為80 y m ；所述激光的功率為50W，所述聚焦光斑的直徑為70 y m ；所述步驟(6) 中，成型缸14每層的下降量為50 u m。所述步驟(2)中，由氣體凈化裝置將成型室21抽空后，再向成型室21內(nèi)注入惰性 氣體；注入的惰性氣體為氬氣；成型室21內(nèi)的氧濃度控制在5ppm的濃度范圍內(nèi)；所述步驟(3)中，在預(yù)置平鋪金屬粉末前，先在成型缸14上放置基板13 ；金屬粉 末在預(yù)置到成型缸14前先經(jīng)所述加熱絲加熱，使其溫度達到110°C ；所述步驟(3)中送鋪粉裝置和步驟(6)中成型缸14的操作均由控制裝置控制實 現(xiàn)，步驟(4)中的激光掃描由控制裝置控制激光傳輸機構(gòu)來實現(xiàn)；所述鎂合金金屬粉末的粉末形狀為球形，粒度在300 500目范圍內(nèi)。本發(fā)明裝置對加工的鎂合金材料的成分范圍有要求，要求材料化學(xué)成分(質(zhì)量 分?jǐn)?shù))為Mg 95. 0% 97. 0%, A1 2. 50% 3. 50%, Zn 0. 60% 1. 40%, Mn 0. 20% 1. 0%, Si < 0. 1%, Fe < 0. 1%, Cu < 0. 05%，對Mg合金粉末的物理特性有嚴(yán)格要求包 括粉末形狀為球形，粒度在300 500目范圍，粉末含氧量與雜質(zhì)含量盡量低等。本裝置可根據(jù)需要獲得可控的體致密度，即成型獲得相互聯(lián)通的微孔，使成型件 具有更低的體密度并能明顯改變其機械性能與變形能力。微孔的形狀、大小與空間幾何關(guān) 系可以由設(shè)計人員進行設(shè)計，并由本裝置控制加工成型。微孔的形狀與大小對多孔鎂合金 零件的機械性能具有顯著影響。本實施例可用生產(chǎn)制造應(yīng)用醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的復(fù)雜形狀的鎂合金零件，可廣泛應(yīng)用于醫(yī) 學(xué)領(lǐng)域。實施例2本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 所述鋪粉刷為四個的刷片19，其中 兩個刷片相互疊加，并位于料斗下方一側(cè)，另外兩個刷片相互疊加，并位于料斗9下方的另 一側(cè)；所述各刷片19的刷片單元20之間的間隙為0. 15mm,每個刷片單元20的寬度為5mm ； 所述刮板的低端比刷片19的低端高200 u m。鋪粉刷的刷片19采用lOOym厚度的304不銹鋼片，各刷片的刷片單元20通過紫 外光纖激光器切割的方式切割而成，刷片單元20之間的間隙為激光切割的縫寬。所述成型缸14的下方設(shè)有加熱絲。所述氣刀6為0. 2Mpa的氬氣。所述聚焦鏡片為254mm焦距的遠(yuǎn)心透鏡。所述光纖激光器的功率為150W，光束質(zhì)量M2 < 1. 1，激光能量呈現(xiàn)高斯分布，光纖激光器的功率能夠滿足聚焦光斑的直徑要求，使得聚焦到成型面上的功率密度足夠熔化任 何金屬粉末，其長期穩(wěn)定使用幾乎免維護，所述激光為連續(xù)模式激光。所述步驟(4)中，激光對金屬粉末進行層間錯開掃描，激光的掃描速度為1000mm/ s，掃描間距為120 ym;所述激光的功率為150W，所述聚焦光斑的直徑為200 ym;所述步驟 (6)中，成型缸每層的下降量為lOOym。所述步驟(3)中，金屬粉末在預(yù)置到成型缸的基板前先經(jīng)所述加熱絲加熱，使其 溫度達到120°C。所述步驟(2)中，成型室內(nèi)的氧濃度控制在lOppm的濃度范圍內(nèi)。實施例3本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 所述鋪粉刷為六個的刷片19，其中 三個刷片相互疊加，并位于料斗下方一側(cè)，另外三個刷片相互疊加，并位于料斗下方的另一 側(cè)；所述各刷片的刷片單元20之間的間隙為0. 1mm，每個刷片單元20的寬度為4mm;所述刮 板的低端比刷片的低端高100 u m。鋪粉刷的刷片19采用50 y m厚度的304不銹鋼片，各刷 片的刷片單元20通過紫外光纖激光器切割的方式切割而成，刷片單元20之間的間隙為激 光切割的縫寬。所述氣刀6為0. 18Mpa的氬氣。所述聚焦鏡片為163mm焦距的遠(yuǎn)心透鏡。所述光纖激光器的功率為100W，光束質(zhì)量M2 < 1. 1，激光能量呈現(xiàn)高斯分布，光纖 激光器的功率能夠滿足聚焦光斑的直徑要求，使得聚焦到成型面上的功率密度足夠熔化任 何金屬粉末，其長期穩(wěn)定使用幾乎免維護，所述激光為連續(xù)模式激光。所述步驟(4)中，激光對金屬粉末進行層間錯開掃描，激光的掃描速度為800mm/ s，掃描間距為100 u m ；所述激光的功率為100W，所述聚焦光斑的直徑為100 u m ；所述步驟 (6)中，成型缸每層的下降量為SOym。所述步驟(3)中，金屬粉末在預(yù)置到成型缸的基板前先經(jīng)所述加熱絲加熱，使其 溫度達到130°C。所述步驟(2)中，成型室內(nèi)的氧濃度控制在8ppm的濃度范圍內(nèi)。實施例4本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 所述步驟(4)中，激光對金屬粉末進 行呈“之”字形掃描。實施例5本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 所述光纖激光器的功率為150W，光 束質(zhì)量M2 < 1. 1，激光能量呈現(xiàn)高斯分布，光纖激光器的功率能夠滿足聚焦光斑的直徑要 求，使得聚焦到成型面上的功率密度足夠熔化任何金屬粉末，其長期穩(wěn)定使用幾乎免維護， 所述激光為連續(xù)模式激光。所述步驟(4)中，激光對金屬粉末進行層間錯開掃描，且同時對零件的外輪廓勾 邊掃描，激光勾邊的掃描速度為100mm/S，激光層間錯開掃描時的掃描速度為200mm/s，掃 描間距為60 y m ；所述激光的功率為150W，所述聚焦光斑的直徑為70 y m ；所述步驟(6)中， 成型缸每層的下降量為20 ym。實施例6
本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 所述光纖激光器的功率為200W，光 束質(zhì)量M2 < 1. 1，激光能量呈現(xiàn)高斯分布，光纖激光器的功率能夠滿足聚焦光斑的直徑要 求，使得聚焦到成型面上的功率密度足夠熔化任何金屬粉末，其長期穩(wěn)定使用幾乎免維護， 所述激光為連續(xù)模式激光。所述步驟(4)中，激光對金屬粉末進行層間錯開掃描，且同時對零件的外輪廓勾 邊掃描，激光勾邊的掃描速度為150mm/s，激光層間錯開掃描時的掃描速度為400mm/s，掃 描間距為80 ym;所述激光的功率為200W，所述聚焦光斑的直徑為100 ym;所述步驟(6) 中，成型缸每層的下降量為50 u m。實施例7本實施例除下述特征外其他特征同實施例1 所述光纖激光器的功率為180W，光 束質(zhì)量M2 < 1. 1，激光能量呈現(xiàn)高斯分布，光纖激光器的功率能夠滿足聚焦光斑的直徑要 求，使得聚焦到成型面上的功率密度足夠熔化任何金屬粉末，其長期穩(wěn)定使用幾乎免維護， 所述激光為連續(xù)模式激光。所述步驟(4)中，激光對金屬粉末進行層間錯開掃描，且同時對零件的外輪廓勾 邊掃描，激光勾邊的掃描速度為130mm/s，激光層間錯開掃描時的掃描速度為300mm/s，掃 描間距為70 ym;所述激光的功率為180W，所述聚焦光斑的直徑為SOym;所述步驟(6)中， 成型缸每層的下降量為30 ym。上述各實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例 的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡 化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型裝置，其特征在于包括控制裝置、送鋪粉裝置、激光傳輸機構(gòu)、氣體凈化裝置和封閉的成型室，所述成型室內(nèi)設(shè)有成型缸和回收缸，回收缸設(shè)于成型缸的一側(cè)；所述送鋪粉裝置設(shè)于成型室內(nèi)，包括料斗和安裝于料斗下方兩側(cè)的鋪粉刷，所述料斗上方與成型室上方的填料口對應(yīng)設(shè)置，鋪粉刷的下方與成型缸的上表面水平對應(yīng)；所述激光傳輸機構(gòu)設(shè)于成型室的外上方，且對應(yīng)成型缸設(shè)置；所述成型室的側(cè)壁上設(shè)有便于氣體進出的進氣口和出氣口，所述氣體凈化裝置分別與進氣口和出氣口連接；所述控制裝置分別連接送鋪粉裝置、激光傳輸機構(gòu)、成型缸和氣體凈化裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型裝置，其特征在 于所述鋪粉刷為若干個疊加的刷片，每個刷片均由若干個刷片單元構(gòu)成，各刷片的刷片單 元之間錯開設(shè)置；所述料斗下方前側(cè)的刷片前還安裝有刮板，刮板的低端比刷片的低端高。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型裝置，其特征在 于所述各刷片的刷片單元之間的間隙為0. 05 0. 15mm,每個刷片單元的寬度為3mm 5mm ；所述刮板的低端比刷片的低端高50 200 u m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型裝置，其特征在 于所述激光傳輸機構(gòu)包括依次光路連接的光纖激光器、光路傳輸元件、掃描振鏡、聚焦鏡 片和透光鏡，所述聚焦鏡片和透光鏡設(shè)置于成型室的上方，并對應(yīng)成型缸設(shè)置；所述光纖激 光器和掃描振鏡均與控制裝置連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型裝置，其特征在 于所述光路傳輸元件包括光纖傳輸線路以及依次安裝在光纖傳輸線路上的準(zhǔn)直擴束鏡、 光隔離器和光纖耦合頭，在光纖傳輸線路的外套上設(shè)有水冷結(jié)構(gòu)；所述掃描振鏡上設(shè)有風(fēng)冷結(jié)構(gòu)；所述聚焦鏡片和透光鏡的一側(cè)設(shè)有氣刀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型裝置，其特征在 于所述氣刀為0. 15Mpa 0. 2Mpa的氬氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型裝置，其特征在 于所述氣體凈化裝置包括相互連接的真空泵和過濾器，真空泵分別與控制裝置、成型室的 進氣口連接，過濾器與成型室的出氣口連接；所述真空泵外接惰性氣體供應(yīng)裝置；在成型室的出氣口處設(shè)有氧含量監(jiān)測儀；所述送鋪粉裝置的料斗內(nèi)設(shè)有加熱絲；或者，所述成型缸的下方設(shè)有加熱絲。
8.由權(quán)利要求1 7任一項所述裝置實現(xiàn)的醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型 方法，其特征在于，具體包括如下步驟(1)建立零件的CAD幾何模型，并進行分層離散，生成掃描路徑數(shù)據(jù)；將所述的掃描路 徑數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制裝置中；(2)向成型室內(nèi)注入惰性氣體，并將成型室內(nèi)的氧濃度控制在一定濃度范圍內(nèi)；(3)往填料口內(nèi)填送金屬粉末，金屬粉末沿料斗落入成型室內(nèi)，鋪粉刷預(yù)置一層金屬粉 末到成型缸上，同時將多余的金屬粉末送入回收缸中；(4)采用激光掃描金屬粉末，激光通過激光傳輸機構(gòu)發(fā)射傳輸，在金屬粉末的加工平面 上形成聚焦光斑，將金屬粉末熔化，形成零件單層截面；(5)判斷醫(yī)用鎂合金金屬零件是否已成型，若已成型，則取出成型件，否則執(zhí)行下一步驟；(6)成型缸下降一層；根據(jù)步驟(1)生成的掃描路徑，重復(fù)步驟(3) (5)，使金屬粉末 逐層熔化，直到堆積成型，獲得成型的醫(yī)用鎂合金金屬零件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型方法，其特征在于 所述步驟(4)中，激光對金屬粉末進行層間錯開掃描，且同時對零件的外輪廓勾邊掃描，激 光勾邊的掃描速度為100 150mm/s，激光層間錯開掃描時的掃描速度為200 400mm/ s，掃描間距為60 80iim ；所述激光的功率為150 200W，所述聚焦光斑的直徑為70 lOOiim;所述步驟(6)中，成型缸每層的下降量為20 50 iim;或者，所述步驟(4)中，激光對金屬粉末進行層間錯開或呈“之”字形掃描，激光的掃描 速度為600 1000mm/s，掃描間距為80 120 y m ；所述激光的功率為50W 150W，所述聚 焦光斑的直徑為70 200iim ；所述步驟(6)中，成型缸每層的下降量為50 100 y m。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型方法，其特征在于 所述步驟(2)中，由氣體凈化裝置將成型室抽空后，再向成型室內(nèi)注入惰性氣體；注入的惰 性氣體為氬氣；成型室內(nèi)的氧濃度控制在5 lOppm的濃度范圍內(nèi)；所述步驟(3)中，在預(yù)置平鋪金屬粉末前，先在成型缸上放置基板；金屬粉末在預(yù)置到 成型缸前先經(jīng)所述加熱絲加熱，使其溫度達到110°C 130°C ；所述步驟(3)中送鋪粉裝置和步驟(6)中成型缸的操作均由控制裝置控制實現(xiàn)，步驟 (4)中的激光掃描由控制裝置控制激光傳輸機構(gòu)來實現(xiàn)；所述鎂合金金屬粉末的粉末形狀為球形，粒度在300 500目范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型裝置，包括控制裝置、送鋪粉裝置、激光傳輸機構(gòu)、氣體凈化裝置和封閉的成型室，送鋪粉裝置包括料斗和安裝于料斗下方兩側(cè)的鋪粉刷，料斗上方與成型室上方的填料口對應(yīng)設(shè)置，鋪粉刷的下方與成型缸的上表面水平對應(yīng)；激光傳輸機構(gòu)設(shè)于成型室的外上方，且對應(yīng)成型缸設(shè)置；成型室的側(cè)壁上設(shè)有便于氣體進出的進氣口和出氣口，氣體凈化裝置分別與進氣口和出氣口連接；控制裝置分別連接送鋪粉裝置、激光傳輸機構(gòu)、成型缸和氣體凈化裝置。本發(fā)明還提供了由上述裝置實現(xiàn)的醫(yī)用鎂合金金屬零件的選區(qū)激光熔化成型方法。本發(fā)明能夠直接制造出滿足醫(yī)學(xué)領(lǐng)域復(fù)雜形狀零件，具有成型效率高等優(yōu)點。
文檔編號B22F3/105GK101856724SQ20101020255
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月13日
發(fā)明者楊永強, 王迪, 蘇旭彬 申請人:華南理工大學(xué)