專利名稱：直接制造大型零部件的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光快速制造領(lǐng)域，具體涉及到一種大尺寸、高精度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)致密零部件的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，零部件可以為金屬、非金屬或金屬與非金屬的復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
目前激光直接快速制造零件有兩種方式一種是基于同步送粉或者送絲過程的激光熔覆直接制造技術(shù)(Direct Laser Fabrication-DLF)，它是將激光加工頭固定在機(jī)床可 Z向移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軸上，利用聚焦激光束將同步送入的金屬粉末或金屬絲熔化，通過控制工作臺(tái)在XY平面依規(guī)劃軌跡的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)零部件的單層制造。在完成一個(gè)層面的制造后，Z向上升一定距離，然后重復(fù)前一過程，層層疊加直到實(shí)現(xiàn)零部件的三維成型；第二種是基于鋪粉的選區(qū)激光熔化快速成型技術(shù)(Selective Laser Melting-SLM)，它的基本工作原理是在工作缸內(nèi)平鋪一定厚度的粉末，依照計(jì)算機(jī)的控制，激光束通過振鏡掃描的方式按照三維零部件圖形的切片處理結(jié)果選擇性地熔化預(yù)置粉末層。隨后工作缸下降一定距離并再次鋪粉，激光束在振鏡的帶動(dòng)下再次按照零部件的三維圖形完成零部件下一層的制造。如此重復(fù)鋪粉、掃描和工作缸下降等工序，從而實(shí)現(xiàn)三維零部件的制造?；谧詣?dòng)送粉和送絲過程的激光熔覆直接制造技術(shù)可加工的零部件尺寸與機(jī)床可加工尺寸關(guān)系密切。該加工方式一般使用功率在1千瓦以上的Nd:YAG、CO2或光纖激光器，激光聚焦后在工件表面形成較大的熔池，向熔池中送入合金粉末或者金屬絲，所添加的材料熔凝后形成的單道熔覆層的高度和寬度較大，成型零部件的尺寸精度不高，需要進(jìn)行后續(xù)的機(jī)械加工處理，同時(shí)機(jī)床整體移動(dòng)的速度不高，不能提供較快的加工速度。此外，由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)量大、慣性大、加速度小，不僅影響加工效率，而且對(duì)于轉(zhuǎn)角、起停位置等的加工質(zhì)量影響也較大。由于基于自動(dòng)送粉和送絲的激光熔覆直接制造工藝自身技術(shù)原理特性的限制，該方法無法進(jìn)行一些形狀相對(duì)復(fù)雜的零件成型(如具有復(fù)雜內(nèi)腔和懸空結(jié)構(gòu)等)。選區(qū)激光熔化快速成型技術(shù)可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀零部件的成型，國(guó)內(nèi)外已有若干相關(guān)專利公開。美國(guó)專利 “PROCESS AND DEVICE FOR PRODUCING A SHAPED BODY BY SELECTIVE LASER MELTING”(專利號(hào)US7047098)詳細(xì)描述了一種利用三維數(shù)字模型制造致密零件的選區(qū)激光熔化成形方法及其設(shè)備。該設(shè)備中粉末由上方的貯粉腔體落入粉斗， 粉斗下方設(shè)置有鋪粉裝置，該鋪粉裝置將粉末平鋪至成形缸，并將多余的粉末送入回收腔體中。采用振鏡掃描系統(tǒng)控制激光在加工平面的運(yùn)動(dòng)軌跡，聚焦激光束根據(jù)金屬零部件三維模型的切片數(shù)據(jù)所形成的加工軌跡完成零件在該層圖形中的熔化、凝固成形。然后，成型缸Z軸下降一定的高度，重復(fù)鋪粉、激光選區(qū)熔化的過程，如此反復(fù)，最終獲得三維零件。此專利所涉及的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于鋪粉裝置擁有獨(dú)特的毛刷型避讓結(jié)構(gòu)及送粉量自控的機(jī)械結(jié)構(gòu)，修正或避免成形過程中前一層加工平整度不夠?qū)︿伔劬鹊挠绊?。其缺點(diǎn)在于盡管采用了落粉式的送粉結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了加工效率，但單向送粉本身存在一定的效率上的缺陷。國(guó)內(nèi)專利文獻(xiàn)“一種金屬零件選區(qū)激光熔化快速成形方法及其裝置”(專利公開號(hào)CN 1603031A)公開了一種選區(qū)激光熔化快速成形裝置。它采用送粉缸置于工作平面以下的頂粉式送粉方式，提高了成型缸中待加工粉末的松裝密度，但是不利于成形效率的提升。它還采用鋪粉輥進(jìn)行鋪粉，容易產(chǎn)生粘粉和抖動(dòng)，較難獲得又薄又均勻的高質(zhì)量鋪粉效果，最終影響零件的性能和質(zhì)量。中國(guó)專利文獻(xiàn)“一種直接制造金屬零件的快速成形系統(tǒng)”(專利公開號(hào)CN 1631582A)同樣詳細(xì)描述了一種選區(qū)激光快速成形系統(tǒng)。它采用相對(duì)高效的雙向落粉鋪粉結(jié)構(gòu)，同時(shí)使用硬質(zhì)刮板作為鋪粉工具，提高了鋪粉質(zhì)量。但是，所選用的開放式落粉結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)加工環(huán)境造成了較大的粉塵污染，降低了激光的有效功率， 并且其選用的激光運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)由上下偏鏡、滑塊和導(dǎo)軌構(gòu)成，掃描過程中上下偏鏡隨滑塊在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)激光聚焦光斑在加工面上的移動(dòng)，該結(jié)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)速度慢、運(yùn)動(dòng)過程不穩(wěn)定等缺陷，使其加工的零件精度和性能很難滿足要求。此外，前兩項(xiàng)專利還存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，設(shè)備所采用的光學(xué)系統(tǒng)均為只含有一個(gè)激光掃描振鏡和光學(xué)聚焦鏡系統(tǒng)， 因此不僅所能加工的零件尺寸非常有限，加工效率也較低。除公開的專利文獻(xiàn)以外，國(guó)外已有多家設(shè)備制造商開發(fā)出選區(qū)激光熔化快速成形設(shè)備，主要以德國(guó)的EOS公司、CONCEPT Laser和美國(guó)的DTM公司為代表，它們?cè)O(shè)計(jì)制造的選區(qū)激光熔化快速成形設(shè)備已較為成熟。其中EOS公司的設(shè)備采用一臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、響應(yīng)速度快的掃描振鏡，實(shí)現(xiàn)最高達(dá)7m/s的高速精確掃描，同時(shí)聚焦后光斑直徑細(xì)至100 μ m，熱影響區(qū)較小、成型零部件的尺寸精度高、表面粗糙度低，并且最小可以成型0. 08mm左右的薄壁結(jié)構(gòu)。而DTM公司采用激光熔化樹脂等非金屬粉末或混合粉末，實(shí)現(xiàn)粉末顆粒間之間的粘結(jié)，完成非金屬零件的制造。但上述設(shè)備的加工零部件尺寸受限于激光振鏡、θ組合透鏡等光學(xué)器件，目前該公司的設(shè)備加工的最大加工幅面為250mmX 250mm，無法進(jìn)行更大尺寸零件的加工。而CONCEPT Laser公司則采用機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)搭載一臺(tái)激光掃描振鏡， 較大幅度的擴(kuò)大了激光所能覆蓋的加工區(qū)域，使選區(qū)激光熔化快速成形設(shè)備所能加工零件的尺寸顯著加大，目前該公司設(shè)備的最大加工幅面為800mmX500mm。其缺點(diǎn)在于加工效率低下，一臺(tái)小功率的激光器制造大尺寸零件無法滿足快速成形技術(shù)對(duì)于生產(chǎn)周期的重要要求?？梢?，目前激光直接快速制造零部件主要存在以下三方面問題(1)可加工零件的尺寸與尺寸精度相矛盾。基于自動(dòng)送粉的激光熔覆直接制造零部件技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)“米”級(jí)別的大尺寸零件的直接制造，但其尺寸精度則只能達(dá)到“毫米”級(jí)別；選區(qū)激光熔化快速成型技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的加工精度可達(dá)“微米”級(jí)別，但其加工尺寸受限于現(xiàn)有光學(xué)器件，不采用機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)光學(xué)器件的情況下最大只能達(dá)到250mmX250mm的加工幅面。若采用機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)，加工效率則大幅下降。(2)可加工零件的形狀復(fù)雜程度與零件的尺寸相矛盾?；谧詣?dòng)送粉的激光熔覆直接制造零部件技術(shù)只能直接成型大尺寸、簡(jiǎn)單形狀的毛坯件；選區(qū)激光熔化快速成型零部件技術(shù)盡管不受零件復(fù)雜程度的影響，但零件的尺寸卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前者。(3)可加工零件的尺寸精度與加工效率相矛盾。高精度選區(qū)激光熔化快速成型技術(shù)的加工效率僅為2-20mm7s，是低加工精度的自動(dòng)送粉激光熔覆快速制造技術(shù)的五分之一甚至更低。
總之，現(xiàn)有激光快速直接制造零件方法無法實(shí)現(xiàn)大尺寸、高效率、高精度和高復(fù)雜程度制造的有機(jī)統(tǒng)一。除此以外，無論從國(guó)內(nèi)外的專利還是從國(guó)外現(xiàn)有工業(yè)化應(yīng)用設(shè)備來看，現(xiàn)有設(shè)備要么精度不高、性能不好，要么成形效率低，要么無法進(jìn)行大尺寸零件的加工等。因此，發(fā)明一種能夠高效制造出精度高、性能優(yōu)異的大尺寸零件的選區(qū)激光熔化成形設(shè)備具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的種種不足，本發(fā)明提出了一種直接制造大型零部件的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，該設(shè)備能夠高效率、高精度地制造最大尺寸達(dá)到“米”級(jí)的大型復(fù)雜形狀的零部件，且零部件的表面光潔度很高。本發(fā)明公開了一種直接制造大型零部件的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，該設(shè)備包括基板，基板升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，成型缸，第一回收缸，鋪粉裝置以及控制系統(tǒng)，其特征在于，該設(shè)備包括激光器組，光學(xué)系統(tǒng)，成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)，以及第一送粉機(jī)構(gòu)；第一回收缸位于成型缸的一側(cè)，兩者的表面為同一平面并作為加工平面，鋪粉裝置在加工平面上運(yùn)動(dòng)；第一送粉機(jī)構(gòu)分別位于光學(xué)系統(tǒng)一側(cè)；光學(xué)系統(tǒng)位于成型缸上方， 激光器組由至少一臺(tái)激光器構(gòu)成，激光器發(fā)出的激光束經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)聚焦于成型缸表面；成型缸內(nèi)裝有基板，基板下方設(shè)置有升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)基板在成型缸內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)位于設(shè)備的底部，并作用于升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。本發(fā)明具有以下技術(shù)效果(1)本發(fā)明將一臺(tái)或數(shù)臺(tái)乃至數(shù)十臺(tái)激光器及對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)以固定陣列分布模式、移動(dòng)平臺(tái)模式或者上述兩者的混合模式排列，只需通過增減激光器及光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)量、 或移動(dòng)平臺(tái)的大小和數(shù)量即可滿足任意尺寸和形狀零件的加工要求。(2)本發(fā)明可以根據(jù)對(duì)于加工效率、平臺(tái)搭建成本等不同的需求優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的搭建模式，其中固定陣列分布模式加工效率最高，而移動(dòng)平臺(tái)模式和混合模式可以在犧牲一定效率的條件下減少激光器和光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)量以此大幅降低平臺(tái)的建設(shè)成本。(3)采用定量封閉落粉式雙向送粉結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)成型缸的雙向鋪粉，簡(jiǎn)化了快速成型設(shè)備的結(jié)構(gòu)并提高了激光熔化成型的效率，降低了成型設(shè)備的制造成本和零件的加工成本。(4)本發(fā)明采用成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)使成型缸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載在整個(gè)激光成型過程中保持不變，從而確保設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和高度方向的加工精度。本發(fā)明改進(jìn)的技術(shù)方案具有以下技術(shù)效果(5)本發(fā)明采用并行掃描的方式分區(qū)進(jìn)行零件成型，在保持高尺寸精度的前提下大幅度提高了成型效率，同時(shí)可以有效降低激光成型過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。(6)成型缸分段加熱保溫系統(tǒng)對(duì)成型零件進(jìn)行全程熱處理，大幅度減少零件內(nèi)部的熱應(yīng)力，保證成型零件的尺寸精度和性能。(7)本發(fā)明設(shè)計(jì)的加工區(qū)域保護(hù)罩能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到激光成型對(duì)水氧含量的要求，并迅速排除激光成型過程中所產(chǎn)生的煙塵。


圖1為本發(fā)明選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備的第一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備的第二種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的一種光學(xué)系統(tǒng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為固定陣列分布模式光學(xué)系統(tǒng)的第一種具體實(shí)現(xiàn)方式示意圖；圖5為固定陣列分布模式光學(xué)系統(tǒng)的第二種具體實(shí)現(xiàn)方式示意圖；圖6為移動(dòng)平臺(tái)模式光學(xué)系統(tǒng)的第一種具體實(shí)現(xiàn)方式示意圖；圖7為移動(dòng)平臺(tái)模式光學(xué)系統(tǒng)的第二種具體實(shí)現(xiàn)方式示意圖；圖8為混合模式光學(xué)系統(tǒng)的第一種具體實(shí)現(xiàn)方式示意圖；圖9為混合模式光學(xué)系統(tǒng)的第二種具體實(shí)現(xiàn)方式示意圖；圖10為混合模式光學(xué)系統(tǒng)的第三種具體實(shí)現(xiàn)方式示意圖；圖11為混合模式光學(xué)系統(tǒng)的第四種具體實(shí)現(xiàn)方式示意圖；圖12為本發(fā)明的基板升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、分段式加熱保溫系統(tǒng)、成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖13為本發(fā)明的成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)的第二種形式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖14為本發(fā)明的第一種定量送粉機(jī)構(gòu)和鋪粉裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖15為本發(fā)明的第一種基板調(diào)平機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖16為本發(fā)明的保護(hù)氣氛罩蓋板上保護(hù)鏡片的第一種具體實(shí)現(xiàn)方式示意圖；圖17為本發(fā)明的保護(hù)氣氛罩蓋板上保護(hù)鏡片的第二種具體實(shí)現(xiàn)方式示意圖；圖18為本發(fā)明的第二種定量送粉機(jī)構(gòu)和鋪粉裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖19為本發(fā)明的第二種基板調(diào)平機(jī)構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖20為本發(fā)明的內(nèi)置光學(xué)系統(tǒng)實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖21為本發(fā)明的一種加裝密封結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖22為本發(fā)明的成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)的第三種形式的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過借助實(shí)施例更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，但以下實(shí)施例僅是說明性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。如圖1所示，本發(fā)明所涉及的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備的一種具體實(shí)施方式
包括激光器組1、光學(xué)系統(tǒng)3、基板8、基板升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)13、成型缸7、成型缸重量平衡機(jī)構(gòu) 15、回收缸6、定量送粉機(jī)構(gòu)2、鋪粉裝置12和控制系統(tǒng)14。成型缸7表面及回收缸6的表面為同一平面即加工平面，鋪粉裝置12可以在加工平面上左右運(yùn)動(dòng)。光學(xué)系統(tǒng)3位于成型缸7的正上方，定量送粉機(jī)構(gòu)2位于光學(xué)系統(tǒng)3的一側(cè)。激光器組1發(fā)出的多束激光經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)3聚焦于成型缸7表面。成型缸7內(nèi)裝有基板8，基板8是成型零件的生長(zhǎng)基底，其上方為粉末和待成型零件9，基板8由其下方的升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)13帶動(dòng)在成型缸7內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，成型缸重量平衡機(jī)構(gòu) 15位于設(shè)備的底部，并作用于升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)13上。在上述結(jié)構(gòu)中，可以增設(shè)第二回收缸6’、第二送粉機(jī)構(gòu)2’、保護(hù)氣氛罩5、氣體凈化系統(tǒng)4、基板調(diào)平機(jī)構(gòu)11和加熱保溫系統(tǒng)10中的至少一個(gè)，其中，第二回收缸6’和第二送粉機(jī)構(gòu)2’必須同時(shí)增設(shè)。保護(hù)氣氛罩5和氣體凈化系統(tǒng)4必須同時(shí)增設(shè)。當(dāng)上述各部件均同時(shí)增設(shè)時(shí)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。第二回收缸6’與第一回收缸6分別位于成型缸7的兩側(cè)，三者的表面為同一平面即加工平面，鋪粉裝置12可以在加工平面上左右運(yùn)動(dòng)，加工平面及鋪粉裝置12等所占用的空間由保護(hù)氣氛罩5所籠罩，保護(hù)氣氛罩5左右分別由進(jìn)氣口和排氣口連通氣體凈化系統(tǒng) 4(圖2中為了繪圖方便將氣體凈化系統(tǒng)4畫成了左右兩部分)。保護(hù)氣氛罩5的上方是光學(xué)系統(tǒng)3、定量送粉機(jī)構(gòu)2、2’，其中光學(xué)系統(tǒng)3位于中間，左右兩側(cè)各有一個(gè)定量送粉機(jī)構(gòu)， 激光器組1發(fā)出的多束激光經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)3聚焦于成型缸7表面。增設(shè)的基板調(diào)平機(jī)構(gòu)11安裝在基板8上方。增設(shè)的加熱保溫系統(tǒng)10位于在成型缸7內(nèi)，加熱保溫系統(tǒng)10為分段式，由基板8 與升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)13之間的加熱結(jié)構(gòu)和成型缸7內(nèi)壁的加熱結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成。該加熱結(jié)構(gòu)可以是電阻絲、加熱板、感應(yīng)加熱或者遠(yuǎn)紅外加熱等各種加熱形式。以圖2所示結(jié)構(gòu)為例，以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡為主體的控制系統(tǒng)14控制各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)?；竟ぷ鬟^程如下(1)打開保護(hù)氣氛罩5，將基板8置于成型缸7內(nèi)的加熱結(jié)構(gòu)上，通過基板調(diào)平機(jī)構(gòu)11將基板8調(diào)整至水平。將保護(hù)氣氛罩5密封并開啟氣體凈化系統(tǒng)4，由進(jìn)氣口向罩內(nèi)充入惰性氣體，并保持循環(huán)，使罩內(nèi)氣體氛圍控制在加工所需的范圍內(nèi)。(2)將待成型零件的STL文件導(dǎo)入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)并獲得零件的切片數(shù)據(jù)，生成每一層的激光加工軌跡。(3)定量送粉器2’將粉末按照設(shè)定的量送到成型缸7表面右側(cè)，基板8下降一個(gè)切片的高度，鋪粉裝置12從右向左移動(dòng)至回收缸6處，粉末即平鋪在基板8上，激光器組1 發(fā)出激光，光學(xué)系統(tǒng)3控制聚焦光斑按照加工軌跡在加工平面移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前層的加工。(4)定量送粉器2將粉末按照設(shè)定的量送到成型缸7表面左側(cè)，基板8下降一個(gè)切片的高度，鋪粉裝置12從左向右移動(dòng)至回收缸6’處，在已沉積的金屬層上均勻的平鋪上一層新的粉末，激光器組1發(fā)出激光，光學(xué)系統(tǒng)3控制聚焦光斑按照加工軌跡在加工平面移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前層的加工。(5)不斷重復(fù)步驟(3)、，最終實(shí)現(xiàn)零件由二維成型向三維成型的擴(kuò)展，獲得實(shí)體零件。(6)在加工過程中，加熱保溫系統(tǒng)10隨著基板8的不斷下降分階段的打開，確保始終只加熱位于基板8上方的粉末和零件。同時(shí)，每增加一層時(shí)，控制系統(tǒng)14根據(jù)零件的切片厚度和粉末的松裝密度計(jì)算出成型缸增加的重量，并控制成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)15提供同等重量的實(shí)時(shí)力進(jìn)行平衡，使升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)13承受的重量始終保持恒定，保證基板8平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。下面舉例說明各部件的幾種具體實(shí)現(xiàn)方式。本發(fā)明所涉及的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備的激光器組由一臺(tái)或數(shù)臺(tái)乃至數(shù)十臺(tái)激光器組成，激光器可以是中、高功率的0)2激光器、Nd:YAG激光器、光纖激光器和半導(dǎo)體激光器等，其數(shù)量由光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)所決定。本發(fā)明所涉及的光學(xué)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備高效制造出精度高、 性能優(yōu)異的大尺寸零件的關(guān)鍵技術(shù)之一。本發(fā)明所涉及的光學(xué)系統(tǒng)可以采用固定陣列分布模式、移動(dòng)平臺(tái)模式或者上述兩者的混合模式。各種模式下的基本組成結(jié)構(gòu)為光學(xué)系統(tǒng)單元，如圖3所示，每一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元包括擴(kuò)束鏡17、XY激光掃描振鏡18、f-θ組合透鏡 19，激光從出光口 16發(fā)出，依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡17、XY激光掃描振鏡18和f-θ組合透鏡19聚焦在加工平面上，為防止煙塵、粉塵污染以上提到的光學(xué)器件，在f-θ組合透鏡19與加工平面之間安裝保護(hù)鏡片20。光學(xué)系統(tǒng)單元也可由擴(kuò)束鏡和XYZ三維動(dòng)態(tài)聚焦掃描振鏡構(gòu)成，激光從出光口 16發(fā)出，依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡17和CTZ三維動(dòng)態(tài)聚焦掃描振鏡聚焦在加工平面上。根據(jù)采用的模式不同，本發(fā)明所涉及的光學(xué)系統(tǒng)還包括可以使光學(xué)系統(tǒng)單元在二維或者三維空間移動(dòng)的相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)。光學(xué)系統(tǒng)單元還可以采用現(xiàn)有技術(shù)中其它任意一種能夠進(jìn)行激光束聚集用于激光加工的光學(xué)器件。圖4 圖11分別給出了固定陣列分布模式、移動(dòng)平臺(tái)模式、混合模式下的光路設(shè)計(jì)示意圖，但本發(fā)明并不局限于這些示意圖所描述的光學(xué)系統(tǒng)。不同的光學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)作只在每一層的激光掃描過程中存在差別，對(duì)于設(shè)備其他結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程不產(chǎn)生影響，在此不再贅述。根據(jù)加工零件尺寸大小不同，固定陣列分布模式可以采用數(shù)臺(tái)或數(shù)十臺(tái)的激光器及對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)單元按陣列排列構(gòu)成，可用于任意形狀零件的成型。一臺(tái)激光器可以對(duì)應(yīng)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元，也可以通過分光對(duì)應(yīng)多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元。圖4給出了固定陣列分布模式光學(xué)系統(tǒng)的第一種具體實(shí)現(xiàn)方式，若干光學(xué)系統(tǒng)單元21按照矩形陣列排列并固定在定位板22上，實(shí)際應(yīng)用時(shí)只需將定位板22放置在如圖2所示的光學(xué)系統(tǒng)所在的位置即可， 光學(xué)系統(tǒng)單元21即為圖3所示結(jié)構(gòu)。光學(xué)系統(tǒng)單元21所對(duì)應(yīng)的加工區(qū)域規(guī)劃方法如下 基板被劃分為若干相同或不同的區(qū)域，相鄰區(qū)域之間有少量重合的部分，每個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元的掃場(chǎng)覆蓋基板上的一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域的大小和形狀由光學(xué)系統(tǒng)所采用的器件(如XY激光掃描振鏡和f-θ組合透鏡或者CTZ三維動(dòng)態(tài)聚焦掃描振鏡等)決定。計(jì)算機(jī)將零件三維模型的XY平面分解成若干區(qū)域，與基板上劃分的區(qū)域在形狀、大小、位置上一一對(duì)應(yīng)，激光掃描時(shí)每一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元按照計(jì)算機(jī)分配的該單元所對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)切片圖形數(shù)據(jù)選區(qū)熔化粉末。激光加工時(shí)所有光學(xué)系統(tǒng)單元同時(shí)工作，重疊區(qū)域的加工可以選擇一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元掃描另一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元不掃描的形式，也可以選擇兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元分別掃描的形式或者交替掃描形式，以確保結(jié)合部位的加工質(zhì)量為準(zhǔn)。圖5給出了固定陣列分布模式光學(xué)系統(tǒng)的第二種具體實(shí)現(xiàn)方式，若干光學(xué)系統(tǒng)單元21按照?qǐng)A周陣列排列并固定在定位板22上，可用于大型圓環(huán)狀零件的加工。圖中每一條圓周點(diǎn)劃線表示一個(gè)圓周陣列中光學(xué)系統(tǒng)單元布置的中心線，自內(nèi)向外根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)單元所能覆蓋的范圍層層排列，以確保所有光學(xué)系統(tǒng)單元組合后的加工區(qū)域覆蓋整個(gè)零件。光學(xué)系統(tǒng)單元21所對(duì)應(yīng)的加工區(qū)域規(guī)劃方法與第一種實(shí)現(xiàn)方式相似，區(qū)別在于需要根據(jù)圓環(huán)零件的形狀、大小以圓周陣列形式排列各區(qū)域。采用圖4和圖5兩種固定陣列分布模式的光學(xué)系統(tǒng)，分別對(duì)應(yīng)加工不同形狀的金屬零部件，它們的共同優(yōu)點(diǎn)是掃描過程中所有激光器和光學(xué)系統(tǒng)單元同時(shí)工作，每一層的選區(qū)熔化成型時(shí)間取決于掃描時(shí)間最長(zhǎng)的那一組激光器和光學(xué)系統(tǒng)單元，單層加工時(shí)間短，加工效率很高。缺點(diǎn)是整個(gè)加工區(qū)域的覆蓋需要很多光學(xué)系統(tǒng)單元及對(duì)應(yīng)的激光器，設(shè)備搭建的成本較高。光學(xué)系統(tǒng)單元21可以為矩形、圓周形式或者其它任意形式的陣列排列。
圖6給出了移動(dòng)平臺(tái)模式光學(xué)系統(tǒng)的第一種具體實(shí)現(xiàn)方式，該光學(xué)系統(tǒng)采用XY滾珠絲杠搭載光學(xué)系統(tǒng)單元。在XY滾珠絲杠移動(dòng)平臺(tái)模式光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)系統(tǒng)單元21直接安裝在由X向絲杠23和Y向絲杠M構(gòu)成的移動(dòng)平臺(tái)上，計(jì)算機(jī)通過控制XY滾珠絲杠移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)單元21使其加工區(qū)域覆蓋整個(gè)基板。光學(xué)系統(tǒng)單元21的加工區(qū)域規(guī)劃方法如下由若干形狀、大小相同或者不同的區(qū)域拼合零件在XY平面的投影圖形，相鄰區(qū)域有少量重合部分，各區(qū)域的形狀和大小由光學(xué)系統(tǒng)所采用的器件決定。在激光掃描加工時(shí)，計(jì)算機(jī)通過控制XY滾珠絲杠移動(dòng)平臺(tái)將光學(xué)系統(tǒng)單元21按照一定的順序分別移動(dòng)到每一個(gè)區(qū)域的上方，依次完成這些區(qū)域內(nèi)的激光掃描過程。圖7給出了移動(dòng)平臺(tái)模式光學(xué)系統(tǒng)的第二種具體實(shí)現(xiàn)方式，由圓周環(huán)繞移動(dòng)平臺(tái)搭載光學(xué)系統(tǒng)單元21，加工區(qū)域的劃分方式參照?qǐng)D5所示的圓周陣列分布模式的光學(xué)系統(tǒng)。激光加工時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)單元21在圓形滑軌25上依次移動(dòng)至每一個(gè)區(qū)域的上方，完成這些區(qū)域內(nèi)圖形的激光掃描過程。此模式借助移動(dòng)平臺(tái)擴(kuò)大了單臺(tái)激光器和單個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元所能加工的零件尺寸，使選區(qū)激光熔化設(shè)備所能成型零件的尺寸不再受光學(xué)元器件的限制，但是，每一層的選區(qū)激光掃描任務(wù)都是由這一臺(tái)激光器和光學(xué)系統(tǒng)單元完成，加工所需時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于固定陣列分布模式，效率非常低。光學(xué)系統(tǒng)單元21可以安裝在除了 XY滾珠絲杠和圓形滑軌以外的任意形式的二維和三維移動(dòng)平臺(tái)。圖8 圖11是給出的四種混合模式光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。圖8是混合模式光學(xué)系統(tǒng)的第一種實(shí)現(xiàn)方式，它采用XY滾珠絲杠搭載矩形陣列模式光學(xué)系統(tǒng)26 ；圖9中混合模式光學(xué)系統(tǒng)的第二種實(shí)現(xiàn)方式，它采用圓周環(huán)繞移動(dòng)平臺(tái)搭載矩形陣列模式光學(xué)系統(tǒng)26。 矩形陣列模式光學(xué)系統(tǒng)26即如圖4所示的矩形陣列模式光學(xué)系統(tǒng)，矩形陣列模式光學(xué)系統(tǒng) 26分別取代圖6中XY滾珠絲杠移動(dòng)平臺(tái)模式光學(xué)系統(tǒng)和圖7中圓周環(huán)繞移動(dòng)平臺(tái)模式光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)單元21，即構(gòu)成混合模式光學(xué)系統(tǒng)的第一種和第二種實(shí)現(xiàn)方式。根據(jù)矩形陣列模式光學(xué)系統(tǒng)26所覆蓋的加工區(qū)域及移動(dòng)平臺(tái)的形狀和運(yùn)動(dòng)特性拼合零件在XY平面的投影圖形，激光掃描加工時(shí)，矩形陣列模式光學(xué)系統(tǒng)26依次移動(dòng)至不同的加工區(qū)域上方，所有光學(xué)系統(tǒng)單元21、21’…同時(shí)加工該區(qū)域。圖10所示的混合模式光學(xué)系統(tǒng)的第三種實(shí)現(xiàn)方式。它以圖6所示的移動(dòng)平臺(tái)模式光學(xué)系統(tǒng)27為基本組成單元，按照矩形陣列形式安裝在定位板22上。各基本組成單元的加工區(qū)域的劃分方法與混合模式的第一種實(shí)現(xiàn)方式相同，并且各基本組成單元的激光掃描加工同時(shí)進(jìn)行。圖11給出的混合模式光學(xué)系統(tǒng)的第四種實(shí)現(xiàn)方式，采用圓周環(huán)繞移動(dòng)平臺(tái)搭載多個(gè)矩形陣列光學(xué)系統(tǒng)26，所有矩形陣列光學(xué)系統(tǒng)沈均勻分散排列，且都可以在移動(dòng)平臺(tái)上運(yùn)動(dòng)。該模式下的光學(xué)系統(tǒng)在加工區(qū)域分配上與圖9所示光學(xué)系統(tǒng)的區(qū)域分配相同，每個(gè)矩形陣列光學(xué)系統(tǒng)26和沈’等需要進(jìn)行若干區(qū)域的激光掃描加工，加工過程中各矩形陣列光學(xué)系統(tǒng)26和26 ’等同時(shí)掃描、同時(shí)移動(dòng)，完成每一層的激光加工任務(wù)?；旌夏Ｊ绞枪潭嚵心Ｊ胶鸵苿?dòng)平臺(tái)模式的綜合應(yīng)用，采用多臺(tái)激光器和多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元同時(shí)掃描，加工效率介于上述兩種模式之間，并且可以根據(jù)零部件的不同形狀采用優(yōu)化算法控制不同光學(xué)系統(tǒng)單元或者光學(xué)系統(tǒng)單元組成的陣列在移動(dòng)平臺(tái)上先后移動(dòng)的次序和位置，以此進(jìn)一步提高激光器和光學(xué)系統(tǒng)的利用效率，獲得最優(yōu)的效率、成本比。如圖12所示，本發(fā)明的分段式加熱保溫系統(tǒng)由兩部分組成，一部分為位于成型缸 7內(nèi)壁的電阻絲32，電阻絲32自上而下分成若干段，在零件成型過程中隨著基板8的下降依次打開；另一部分固定在基板8的下方，依次為加熱板觀、隔熱用陶瓷纖維板四和具有冷卻流道的冷卻板30。在零件的成型過程中，根據(jù)零件的材料決定是否采用加熱保溫功能、 設(shè)定加熱保溫的溫度以及加熱保溫的時(shí)機(jī)。分段電阻絲的應(yīng)用目的在于提高熱量的利用效率，隔熱板和冷卻板則主要用于阻止加熱產(chǎn)生的熱量向基板升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和其他功能機(jī)構(gòu)擴(kuò)散，影響設(shè)備工作的穩(wěn)定性。此加熱系統(tǒng)還可以采用感應(yīng)加熱、遠(yuǎn)紅外加熱等不同的加熱形式，具體方案以獲得最高加熱效率為準(zhǔn)。如圖12所示，基板升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括活塞31、圓形銜接板33、第一滾珠絲杠35、 渦輪蝸桿減速器36和第一電機(jī)37?；钊?1上端與冷卻板30相連，下端與圓形銜接板33 相連，滾珠絲杠35 —端位于圓形銜接板33的中心位置并與之固定，另一端與渦輪蝸桿減速器36相連，渦輪蝸桿減速器36與第一電機(jī)37相連。工作時(shí)由第一電機(jī)37帶動(dòng)渦輪減速器36轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滾珠絲杠35轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)與之相連的圓形銜接板33、活塞31等同步運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使基板8上下運(yùn)動(dòng)?；迳颠\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)所需載荷的不同還可添加多套電機(jī)、渦輪蝸桿減速器結(jié)構(gòu)共同作用于圓形銜接板上；也可以采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)替換滾珠絲杠，由電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)， 齒條上下移動(dòng)帶動(dòng)固定在其上端的活塞、圓形銜接板及基板等一致上下移動(dòng)；還可以采用伺服液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接作用于基板或加熱保溫系統(tǒng)下部，帶動(dòng)基板等上下移動(dòng)。如圖12所示，成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)由至少二個(gè)液壓機(jī)構(gòu)38和鋼絲繩、滑輪構(gòu)成的連接機(jī)構(gòu)；34組成，在基板8下降的過程中，各液壓機(jī)構(gòu)38通過連接機(jī)構(gòu)34的鋼絲繩作用于圓形銜接板33上，提供實(shí)時(shí)作用力以平衡隨著成型缸7內(nèi)粉末不斷積累、零件不斷生長(zhǎng)所產(chǎn)生的巨大負(fù)載，使升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)13承受的重量始終保持恒定。該機(jī)構(gòu)的構(gòu)成形式不局限于采用鋼絲繩和滑輪組成的連接結(jié)構(gòu)，還可以根據(jù)設(shè)備尺寸的不同采用如圖13所示的形式，即液壓機(jī)構(gòu)38直接作用在圓形銜接板33上。本設(shè)備可以采用單個(gè)送粉機(jī)構(gòu)也可以采用兩個(gè)送粉機(jī)構(gòu)，送粉機(jī)構(gòu)可以為定量或非定量方式，送粉機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)可以采用現(xiàn)有的各種結(jié)構(gòu)，也可以采用本實(shí)例提供的結(jié)構(gòu)。下面說明定量送粉機(jī)構(gòu)的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)。如圖14所示，定量送粉機(jī)構(gòu)主要包括貯粉箱41，套筒42、滾筒43、輸粉管44和第二電機(jī)49等。套筒42水平放置，筒壁上開有進(jìn)粉槽和出粉槽，進(jìn)粉槽的位置與貯粉箱41的出口 39相對(duì)應(yīng)，出粉槽與輸粉管44相連通。滾筒43安裝在套筒42內(nèi)，其外圍與套筒42內(nèi)壁緊密貼合，并沿圓周開有至少一個(gè)貯粉凹槽40，第二電機(jī)49帶動(dòng)滾筒43在套筒42內(nèi)旋轉(zhuǎn)。需要注意的是凹槽40的橫截面、 套筒42的進(jìn)粉槽和出粉槽的橫截面、出口 39以及輸粉管44的管口五者形狀相匹配，最好均為細(xì)窄的長(zhǎng)方形。送粉時(shí)，第二電機(jī)49帶動(dòng)滾筒43旋轉(zhuǎn)，貯粉凹槽40的一個(gè)凹槽對(duì)準(zhǔn)出口 39時(shí)粉末進(jìn)入貯粉凹槽40，同時(shí)與之相對(duì)的另一個(gè)凹槽則對(duì)準(zhǔn)輸粉管44的上管口，其內(nèi)粉末隨輸粉管44下落，滾筒43每轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，即可送出一定量的粉末。根據(jù)零部件制造的要求不同，送粉機(jī)構(gòu)可以為開放式或封閉式結(jié)構(gòu)。當(dāng)零件需要在保護(hù)氣氛中制造時(shí)，必須采用封閉式的送粉機(jī)構(gòu)，這種封閉式的送粉機(jī)構(gòu)是指貯粉箱41為封閉式，僅通過輸粉管44對(duì)外送粉。本發(fā)明采用的定量送粉機(jī)構(gòu)除了采用前述旋轉(zhuǎn)式定量送粉機(jī)構(gòu)，還可以采用平移式定量送粉機(jī)構(gòu)。如圖18所示，平移式定量送粉機(jī)構(gòu)包括貯粉箱41、支架60、進(jìn)粉槽59、出粉槽61、送粉板62、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)63和輸粉管44。支架60上部和下部分別開有水平錯(cuò)開的進(jìn)粉槽59和出粉槽61，進(jìn)粉槽59的位置與貯粉箱41的出口 39相對(duì)應(yīng)，出粉槽61與輸粉管 44相連通。開有貯粉孔64的送粉板62水平安裝在支架60中，送粉板62的右端連接運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)63，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)63可以由電機(jī)和絲杠組合，也可以由高壓氣流和繼電器組合，或者是其它能夠推動(dòng)送粉板62左右移動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。與旋轉(zhuǎn)式定量送粉機(jī)構(gòu)類似，進(jìn)粉槽59、出粉槽61、貯粉孔64的橫截面、出口 39以及輸粉管44的管口五者形狀相匹配，最好均為細(xì)窄的長(zhǎng)方形。送粉時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)63帶動(dòng)送粉板62運(yùn)動(dòng)使貯粉孔64對(duì)準(zhǔn)進(jìn)粉槽59，貯粉箱41 中的粉末依靠重力進(jìn)入貯粉孔64，送粉板左移使貯粉孔64對(duì)準(zhǔn)出粉槽61，貯粉孔64中的粉末沿輸粉管44自由下落，即可送出一定量的粉末，通過左右移動(dòng)的次數(shù)即可實(shí)現(xiàn)定量送粉。使用兩個(gè)送粉機(jī)構(gòu)時(shí)，二者結(jié)構(gòu)可以相同也可以不同。如圖22所示，成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)還可以由至少二套定量送粉組件構(gòu)成，各定量送粉組件均包括第三定量送粉機(jī)構(gòu)69，盛粉箱70、定向?qū)к?1和鋼絲繩、滑輪構(gòu)成的連接結(jié)構(gòu)34組成。定向?qū)к?1垂直安裝在設(shè)備底部，盛粉箱70活動(dòng)安裝在定向?qū)к?1上，可以沿定向?qū)к?1上下移動(dòng)，第三定量送粉機(jī)構(gòu)69的出粉口分別位于盛粉箱70的上方，在基板8下降的過程中，第三定量送粉機(jī)構(gòu)69不斷的向盛粉箱70送入粉末，送入粉末的重量與成型缸7內(nèi)粉末積累和零件生長(zhǎng)所產(chǎn)生的重量相同，保證基板8精確、穩(wěn)定的上下運(yùn)動(dòng)。 第三定量送粉機(jī)構(gòu)69可以采用與第一、第二定量送粉機(jī)構(gòu)相同結(jié)構(gòu)，也可以采用當(dāng)前應(yīng)用較廣的皮帶輪送粉結(jié)構(gòu)和熔覆用送粉器結(jié)構(gòu)。如圖14所示，鋪粉裝置包括T型橫梁45、位于橫梁45兩側(cè)的導(dǎo)粉管46、刮板48、 壓塊47和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。導(dǎo)粉管46的上管口與輸粉管44的下管口齊高，確保粉末在自由下落過程中不會(huì)對(duì)加工腔體造成污染。刮板48的材料可以是陶瓷、硬質(zhì)金屬合金或有機(jī)材質(zhì)等，由壓塊47緊固在T型橫梁45下端的凹槽中，刮板48下表面為光滑平面并緊貼加工平面，T型橫梁45位于基板8上方。送粉前，T型橫梁45在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下移動(dòng)至右側(cè)定量送粉機(jī)構(gòu)的下方，并使左側(cè)導(dǎo)粉管46的上管口與輸粉管44管口對(duì)齊，粉末完全下落后， T型橫梁水平移動(dòng)至左側(cè)回收缸，完成當(dāng)前層的鋪粉動(dòng)作，同理適用于與之對(duì)稱的左側(cè)結(jié)構(gòu)的鋪粉過程，由此實(shí)現(xiàn)本設(shè)備的雙向鋪粉功能，大幅提高鋪粉效率。T型橫梁45的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可采用電機(jī)帶動(dòng)的滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，也可采用電機(jī)帶動(dòng)的皮帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，或者其他類型的直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在精度要求不高的條件下，鋪粉裝置也可以采用滾筒式鋪粉機(jī)構(gòu)。如圖15所示，基板調(diào)平機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)軌52、調(diào)平支架M。導(dǎo)軌52沿成型缸Y軸方向安裝在T型橫梁45上，并平行于加工平面，調(diào)平支架M安裝在導(dǎo)軌52上，該支架水平部分前端開有上下貫穿圓孔55，用于裝夾千分表，另有垂直圓孔的螺釘53緊固。為了達(dá)到更好的調(diào)平效果，基板8通過定位螺釘50與調(diào)平螺釘51安裝在加熱板觀上，定位螺釘50與調(diào)平螺釘51均呈均勻分布，不局限于圖15所示的三組螺釘。具體調(diào)平方法如下以加工平面為基準(zhǔn)，通過T型橫梁45帶動(dòng)安裝有千分表的調(diào)平支架M沿X軸方向左右移動(dòng)，同時(shí)調(diào)平支架M可以沿Y向?qū)к?2前后移動(dòng)，從而顯示基板8各位置的高度數(shù)值，并通過調(diào)整調(diào)平螺釘51的高低位置使基板8上表面與加工平面重合。由于較大尺寸的基板重量很大，采用定位螺釘和調(diào)平螺釘進(jìn)行調(diào)平在調(diào)平過程中準(zhǔn)確性較差或受到人體力量限制，較難達(dá)到使用要求。為此本發(fā)明還可以采用另外一種機(jī)構(gòu)取代定位螺釘和調(diào)平螺釘，該機(jī)構(gòu)包括位于冷卻板30和活塞31之間的固定桿68、支撐架 66、66，、第三、第四電機(jī)67、67，、第二、第三滾珠絲杠65、65，，如圖19所示，其中固定桿68 的一端固定在活塞31上，另一端直接連接在冷卻板30下面。第一、第二支撐架66、66’固定在活塞31上，第二滾珠絲杠65垂直安裝在第一支撐架66上，其上端與冷卻板30固定， 下端與第三電機(jī)67相連。同理第二支撐架66’、第四電機(jī)67’、第三滾珠絲杠65’以相同的結(jié)構(gòu)連接，即第三滾珠絲杠65’垂直安裝在第二支撐架66’上，上端與冷卻板30固定，下端與第四電機(jī)67’相連。為了便于調(diào)節(jié)，固定桿68與第一、第二支撐架66、66’連接所形成的三角形最好為等邊三角形。調(diào)平過程中依靠第三、第四電機(jī)67、67’帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)冷卻板30運(yùn)動(dòng)，以三點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理實(shí)現(xiàn)并保持基板8水平。保護(hù)氣氛罩在對(duì)加工腔體內(nèi)進(jìn)行密封的同時(shí)必須保證足夠的通光面積以確保激光束經(jīng)振鏡偏轉(zhuǎn)后可以完全聚焦在加工平面，因此須在保護(hù)氣氛罩蓋板上增設(shè)有保護(hù)鏡片。圖16、17分別為不同保護(hù)鏡片類型的保護(hù)氣氛罩的俯視圖，其中圖16所示為陣列分布的多個(gè)保護(hù)鏡片57嵌于保護(hù)氣氛罩蓋板56上，主要與陣列分布模式的光學(xué)系統(tǒng)搭配，每一個(gè)保護(hù)鏡片對(duì)應(yīng)陣列分布模式中一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元。圖17所示為單一大型保護(hù)鏡片58嵌于保護(hù)氣氛罩蓋板56上，主要與移動(dòng)平臺(tái)模式、混合模式的光學(xué)系統(tǒng)搭配。前者對(duì)于保護(hù)鏡片的材料及制作要求不高，可隨時(shí)更換出現(xiàn)故障的保護(hù)鏡片，經(jīng)濟(jì)性較好；后者雖然成本較高，但可以滿足移動(dòng)平臺(tái)模式和混合模式下光學(xué)系統(tǒng)單元隨機(jī)定位的使用要求，在任意位置均可實(shí)現(xiàn)激光束的完全穿透。氣體凈化系統(tǒng)通過進(jìn)氣口和排氣口與保護(hù)氣氛罩構(gòu)成封閉循環(huán)，確保保護(hù)氣氛罩內(nèi)的水、氧含量達(dá)到使用要求。進(jìn)氣口與排氣口均設(shè)置有粉塵過濾裝置，防止加工過程中產(chǎn)生的微、納米粉塵污染內(nèi)外環(huán)境。大型保護(hù)鏡片的加工制造難度較大，為了更好的實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)模式光學(xué)系統(tǒng)和混合模式光學(xué)系統(tǒng)也可將光學(xué)系統(tǒng)3整體置入氣體保護(hù)罩5內(nèi)。具體布置方法如圖20所示， 光學(xué)系統(tǒng)3固定在氣體保護(hù)罩5的蓋板下方，其他部件和結(jié)構(gòu)位置基本不變。如圖21所示，采用此結(jié)構(gòu)，需要對(duì)每一個(gè)開放式的光學(xué)系統(tǒng)單元單獨(dú)加裝密封罩69，保護(hù)光學(xué)器件免受腔體內(nèi)粉塵和煙塵的污染，光學(xué)系統(tǒng)單元的排列布置及掃描方式與外置光學(xué)系統(tǒng)一致。本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種直接制造大型零部件的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，該設(shè)備包括基板(8)，基板升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(13)，成型缸(7)，第一回收缸(6)，鋪粉裝置(1 以及控制系統(tǒng)(14)，其特征在于，該設(shè)備包括激光器組(1)，光學(xué)系統(tǒng)(3)，成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)(15)，以及第一送粉機(jī)構(gòu)；第一回收缸(6)位于成型缸(7)的一側(cè)，兩者的表面為同一平面并作為加工平面，鋪粉裝置(12)在加工平面上運(yùn)動(dòng)；第一送粉機(jī)構(gòu)分別位于光學(xué)系統(tǒng)(3) —側(cè)；光學(xué)系統(tǒng)(3)位于成型缸(7)上方，激光器組(1)由至少一臺(tái)激光器構(gòu)成，激光器發(fā)出的激光束經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)(3)聚焦于成型缸(7)表面；成型缸(7)內(nèi)裝有基板(8)，基板(8)下方設(shè)置有升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(1 連接，升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(1 帶動(dòng)基板(8)在成型缸(7)內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)(1 位于設(shè)備的底部，并作用于升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(13)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，在基板(8)上方還設(shè)置有基板調(diào)平機(jī)構(gòu)(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，在成型缸(7)內(nèi)設(shè)置加熱保溫系統(tǒng)(10)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，加熱保溫系統(tǒng) (10)為分段式，由基板⑶與升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(13)之間的加熱結(jié)構(gòu)和成型缸(7)內(nèi)壁的加熱結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括第二送粉機(jī)構(gòu)和第二回收缸(6’)，第二送粉機(jī)構(gòu)與第一送粉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，位于光學(xué)系統(tǒng)的另一側(cè)，第二回收缸(6’ )位于成型缸(7)的另一側(cè)，其表面位于加工平面內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括氣體凈化系統(tǒng)(4)和保護(hù)氣氛罩(5)，加工平面及鋪粉裝置(12)位于保護(hù)氣氛罩(5)內(nèi)，保護(hù)氣氛罩(5)分別通過進(jìn)氣口和排氣口連通氣體凈化系統(tǒng)G)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，光學(xué)系統(tǒng)由至少一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元構(gòu)成，各光學(xué)系統(tǒng)單元按照陣列排列并固定在定位板02)上，由激光器發(fā)出的激光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)單元后進(jìn)行并行分區(qū)掃描，使加工區(qū)域覆蓋整個(gè)基板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，光學(xué)系統(tǒng)由一個(gè)或按照陣列形式分布的多個(gè)光學(xué)子系統(tǒng)構(gòu)成，光學(xué)子系統(tǒng)由安裝在由X向絲杠03)和Y向絲杠04)構(gòu)成的移動(dòng)平臺(tái)上的至少一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元構(gòu)成，控制系統(tǒng)(14)通過控制移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)單元(21)，由激光器發(fā)出的激光束經(jīng)學(xué)系統(tǒng)單元后進(jìn)行并行分區(qū)掃描，使加工區(qū)域覆蓋整個(gè)基板。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，光學(xué)系統(tǒng)由安裝在圓形滑軌05)上的至少一個(gè)光學(xué)子系統(tǒng)構(gòu)成，光學(xué)子系統(tǒng)由一個(gè)或按照陣列形式分布的多個(gè)的光學(xué)系統(tǒng)單元構(gòu)成，由激光器發(fā)出的激光束經(jīng)學(xué)系統(tǒng)單元后進(jìn)行并行分區(qū)掃描，使加工區(qū)域覆蓋整個(gè)基板。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)由二至四套送粉組件構(gòu)成，各送粉組件均包括定量送粉機(jī)構(gòu)、盛粉箱、定向?qū)к壓瓦B接結(jié)構(gòu)，定向?qū)к壌怪卑惭b在設(shè)備底部，盛粉箱活動(dòng)安裝在定向?qū)к壣?，沿定向?qū)к壣舷乱苿?dòng)，定量送粉機(jī)構(gòu)的出粉口位于盛粉箱的上方。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，第一送粉機(jī)構(gòu)為定量送粉機(jī)構(gòu)，它包括貯粉箱(41)，套筒02)、滾筒03)、輸粉管04)和第二電機(jī)G9)；套筒0 水平放置，筒壁上開有進(jìn)粉槽和出粉槽，進(jìn)粉槽的位置與貯粉箱Gl) 的出口(39)相對(duì)應(yīng)，出粉槽與輸粉管G4)相連通；滾筒03)安裝在套筒G2)內(nèi)，其外圍與套筒G2)內(nèi)壁緊密貼合，并沿圓周開有至少一個(gè)貯粉凹槽(40)，第二電機(jī)09)與滾筒 (43)相連。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，第一送粉機(jī)構(gòu)為定量送粉機(jī)構(gòu)，它包括貯粉箱(41)、支架(60)、進(jìn)粉槽(59)、出粉槽(61)、送粉板(62)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(63)和輸粉管04)；支架(60)上部和下部分別開有水平錯(cuò)開的進(jìn)粉槽 (59)和出粉槽(61)，進(jìn)粉槽(59)的位置與貯粉箱(41)的出口 (40)相對(duì)應(yīng)，出粉槽(61)與輸粉管G4)相連通，開有貯粉孔(64)的送粉板(6 水平安裝在支架(60)中，送粉板(62) 的端部連接運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(63)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，鋪粉裝置包括T型橫梁(45)、位于橫梁0 兩側(cè)的導(dǎo)粉管(46)、刮板(48)、壓塊07)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；導(dǎo)粉管G6)的上管口與定量送粉機(jī)構(gòu)的出粉口齊高，刮板G8)由壓塊07)緊固在 T型橫梁0 下端的凹槽中，刮板G8)下表面為光滑平面并緊貼加工平面，T型橫梁05) 位于基板(8)上方，T型橫梁0 與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，T型橫梁0 在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下移動(dòng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，分段式加熱保溫系統(tǒng)由兩部分組成，一部分為位于成型缸(7)內(nèi)壁的電阻絲(32)，電阻絲(32)自上而下分成若干段，另一部分包括由上而下依次連接的加熱板( )、隔熱用陶瓷纖維板09)和具有冷卻流道的冷卻板(30)，加熱板08)位于在基板(8)下方，并與基板(8)固定連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，基板升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括活塞(31)、圓形銜接板(33)、第一滾珠絲杠(35)、渦輪蝸桿減速器(36) 和第一電機(jī)(37)；活塞(31)上端與基板(8)或者加熱保溫系統(tǒng)(10)相連，下端與圓形銜接板(3 相連，第一滾珠絲杠(3 —端位于圓形銜接板(3 的中心位置并與之固定，另一端與渦輪蝸桿減速器(36)相連，渦輪蝸桿減速器(36)與第一電機(jī)(37)相連。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，成型缸重量平衡機(jī)構(gòu)由至少二個(gè)液壓機(jī)構(gòu)(38)和連接機(jī)構(gòu)(34)組成，液壓機(jī)構(gòu)(38)通過連接機(jī)構(gòu)(34)作用于基板升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，基板調(diào)平機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)軌(5 和調(diào)平支架(54)；導(dǎo)軌(5 沿成型缸Y軸方向安裝在T型橫梁0 上，并平行于加工平面，調(diào)平支架(54)安裝在導(dǎo)軌(52)上，該調(diào)平支架水平部分前端開有用于裝夾千分表的上下貫穿圓孔(55)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，其特征在于，在冷卻板(30) 和活塞(31)之間設(shè)置有固定桿(68)，第一、第二支撐架(66、66’)，第三、第四電機(jī)(67、 67’)，以及第二、第三滾珠絲杠(65、65’)；固定桿(68) —端固定在活塞(31)的上面，另一端直接連接在冷卻板(30)下面，第一、第二支撐架(66、66’)均固定在活塞(31)上，第二滾珠絲杠(6 垂直安裝在第一支撐架(66)上，其一端與冷卻板(30)相連并固定，另一端與第三電機(jī)(67)相連；第三滾珠絲杠(65’)垂直安裝在第二支撐架(66’)上，其一端與冷卻板(30)相連并固定，另一端與第四電機(jī)(67’ )相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接制造大型致密零件的選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，主要包括激光器陣列、光學(xué)系統(tǒng)陣列、成型缸、成型缸立體式分段加熱保溫結(jié)構(gòu)、成型缸重量平衡系統(tǒng)、基板調(diào)平裝置、雙回收缸、雙貯粉箱、雙定量送粉和落粉裝置、鋪粉裝置、保護(hù)氣氛罩、氣體凈化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。所采用的光學(xué)系統(tǒng)由多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)單元、機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)建，可以任意擴(kuò)展或縮減光學(xué)系統(tǒng)的覆蓋范圍。采用本發(fā)明制造的零件尺寸遠(yuǎn)大于目前國(guó)內(nèi)外選區(qū)激光熔化技術(shù)所能制造的零件，在不改變成型精度、零件復(fù)雜程度和機(jī)械性能的同時(shí)，成型效率成倍提升。
文檔編號(hào)B22F3/105GK102266942SQ201110199540
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者關(guān)凱, 曾曉雁, 李祥友, 王澤敏, 胡乾午, 高明 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)