專利名稱：一種金屬零件選區激光熔化快速成型方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及金屬零件成型加工領域，特別涉及一種金屬零件選區激光熔化快速成型方法及其裝置。
背景技術：
目前，用于直接制造金屬零件的快速原型制造技術主要有兩類(1)選區激光燒結SLS(Selective Laser Sintering)；(2)激光熔覆為基的金屬件直接成型技術。
選區激光燒結SLS(Selective Laser Sintering)制造金屬零件的方法包括采用低熔點金屬或有機粘接材料包覆在金屬粉末表面，選區激光照射時，在激光作用下低熔點金屬或粘接材料熔化，而金屬粉末不熔化，形成的三維實體為類似粉末冶金燒結的坯件，實體存在一定比例孔隙，一般為60％左右，遠不能達到100％的密度。金屬零件成型后，需再經過后處理，一般采用高溫燒結或滲金屬的方法，使成型件致密化。這種方法的設備配置方面采用50～200W的CO2激光器，光斑尺寸0.1～0.7mm，由于激光的功率密度不高，工業上難應用于金屬粉末的燒結，多用于工程塑料或有機材料粉末的燒結。
激光熔覆為基的金屬件直接成型技術，美國稱之為LENS(LaserEngineered N et Shaping)，在德國稱之為LG(Laser Generating)，在我國也稱為“激光熔覆快速成型”、“激光近形制造”或簡稱“激光快速成型”。該方法采用一種同軸環形粉末噴嘴，大功率Nd:YAG固體激光器或CO2激光器，輸送的粉末匯聚點與激光作用點重合，通過工作臺或噴嘴移動，獲得堆積的熔覆實體，致密度達到近乎100％，組織具有快速凝固特征，性能較常規方法略有提高。然而此技術使用的是大功率激光器，包括千瓦級的CO2和Nd:YAG激光器，雖然可以得到冶金結合的致密金屬實體，但由于激光作用區的光斑較大，一般在1mm左右，所以所得金屬零件尺寸精度和表面光潔度都比較差，只能制作粗毛坯，需進一步進行精加工后才能使用。
發明內容
本發明的目的就是為了解決上述現有技術中存在的不足之處，提供一種能夠直接制造出具有較高尺寸精度和表面光潔度的金屬模具、功能原型、有復雜形狀或空腔結構的部件、醫學植入體等的金屬零件選區激光熔化快速成型方法，本發明的目的還在于提供一種實現上述方法的金屬零件選區激光熔化快速成型裝置。
本發明通過下述技術方案實現所述一種金屬零件選區激光熔化快速成型方法包括下列步驟和工藝條件第一步給金屬零件建立CAD幾何模型，并進行分層離散；第二步采用粉末缸和成型件缸組成的雙缸結構，將粉末缸中的金屬或合金粉末，鋪至成型件缸中；第三步采用輸出功率100～200W、光束質量因子為M2＝1.1～2的半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器掃描金屬或合金粉末，在激光與金屬或合金粉末交互作用面上獲得30～50μm的聚焦光斑，將金屬或合金粉末熔化；第四步通過分層離散，重復第二、三步的過程，使金屬或合金粉末逐層熔化，堆積成一個實體，獲得成型金屬零件。
為了更好地實現本發明，所述金屬或合金粉末包括不銹鋼、鈦合金、鎳基合金和工具鋼的粉末材料，粉末粒子尺寸＜10μm；所述成型件缸中實施惰性氣體保護。
所述一種金屬零件選區激光熔化快速成型裝置包括半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器、光束聚焦系統、成型件缸和粉末缸組成，其相互連接關系為，所述半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器與光束聚焦系統相光路連接，并聚焦掃描于成型件缸，所述成型件缸通過鋪粉滾筒與粉末缸相連接，所述成型件缸和粉末缸分別連接有升降活塞，所述鋪粉滾筒連接有驅動電機，驅動電機與計算機相連接。
為了更好地實現本發明，所述半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器的輸出功率為100～200W，光束質量因子為M2＝1.1～2；所述光束聚焦系統包括依次光路連接的擴束鏡、聚焦鏡和掃描振鏡，掃描振鏡與計算機相連接；所述光束聚焦系統還包括依次光路連接的擴束鏡、掃描振鏡和Fθ組合透鏡，掃描振鏡與計算機相連接；所述掃描振鏡包括X、Y雙振鏡，有效寬度24～30mm，響應速度＜1微秒。
本發明的原理如下根據公式d＝4λM2F/(πD)，其中d為聚焦光斑，M2為光束質量因子，d與M2成正比關系。本發明的核心是要獲得30～50μm的聚焦光斑，這樣才能達到所需的功率密度＞5×106W/cm2，才能把金屬粉末熔化，而只有M2＝1.1～2才能達到聚焦光斑的要求(能夠達到上述要求的激光發生器包括半導體泵浦YAG激光器和光纖激光器)。高質量、高功率密度激光的聚焦光斑把金屬或合金粉末逐層熔化，堆積成一個冶金結合、組織致密的實體，實體密度達到90～100％。把成型后的金屬零件在密封并充滿高純惰性氣體的成型件缸內進行整體保護。同時，在金屬或合金粉末成型件分層熔化過程中，為了保證活性元素不產生氧化，還需要進行局部氣體保護。
本發明相對于現有技術具有如下優點和效果1、光束模式好，本發明使用功率在100～200W的半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器，可以達到30～50μm的聚焦光斑，功率密度達到5×106W/cm2以上。
2、金屬零件機械性能良好，本發明采用聚焦光斑把金屬或合金粉末逐層熔化，堆積成一個冶金結合、組織致密的實體，實體密度接近100％，可以防止裂紋和氣孔的發生，并使加工后的金屬零件具有較好的機械性能，具有比冶煉方法獲得的同成分材料較高的強度和硬度。
3、金屬零件尺寸精度和表面光潔度高，由于采用的聚焦光斑尺寸為30～50μm，加工后金屬零件的表面粗糙度可達30～50μm，尺寸精度可達0.1mm，這為精密零件的成型奠定了基礎，金屬零件在經過表面拋光或噴沙處理后即可作為成品零件使用。
4、適用范圍廣，本發明可以直接制造不銹鋼、工具鋼、鈦合金、鎳基合金和工具鋼的三維實體構件，完成各種復雜形狀零件的快速成型，如金屬模具、功能原型、有復雜形狀或空腔結構的部件、醫學植入體等。
圖1是本發明的一種金屬零件選區激光熔化快速成型方法的工藝流程原理圖；圖2是本發明實施例一的一種金屬零件選區激光熔化快速成型裝置的結構示意圖；
圖3是本發明實施例二的一種金屬零件選區激光熔化快速成型裝置的結構示意圖；圖4是本發明金屬零件成型后局部氣體保護示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
如圖1所示，本發明的一種金屬零件選區激光熔化快速成型方法的工藝流程是(1)建立幾何模型——(2)對幾何模型進行分層離散——(3)將粉末缸中的金屬或合金粉末，鋪至成型件缸中——(4)激光掃描進行激光熔化快速成型——(5)重復鋪粉、掃描的過程，直至成型完成——(6)取下工件。
實施例一如圖2所示，金屬零件選區激光熔化快速成型裝置采用前聚焦方式，包括激光器1以及擴束鏡2、聚焦鏡3、掃描振鏡4組成的光束聚焦系統，成型件缸5通過鋪粉滾筒6與粉末缸7相連接，成型件缸5和粉末缸7連接有升降活塞8。成型件缸5、鋪粉滾筒6、粉末缸7、升降活塞8以及相應控制驅動部件和計算機構成粉末鋪設系統。其中，激光器1采用半導體泵浦YAG激光器及其附設的電源、水冷系統，激光功率100瓦，波長1.06μm，光束質量因子M2＝1.5，激光輸出光斑3～6毫米；掃描振鏡4采用X、Y雙振鏡，有效寬度24～30mm，響應速度＜1微秒；聚焦鏡3采用Φ40、焦距f＝500mm的透鏡。激光9從激光器1輸出后，經擴束鏡2擴束成24mm，經聚焦鏡3照射在掃描振鏡4表面，然后在距透鏡500mm處聚焦，即成型件缸5內激光9與金屬粉末的交互作用點，通過掃描振鏡4的微小擺動，可以實現聚焦點的平面移動。升降活塞8采用精度為±1μm的精密絲杠帶動，實現成型件缸30～50μm的升降移動。鋪粉滾筒6由電機帶動，在計算機的控制下自動完成鋪粉和回位的動作，粉末缸7中的金屬粉末采用工具鋼粉末材料，粉末粒子尺寸＜10μm。計算機把設計的CAD三維模型經Magics等通用軟件切片，然后通過針對本裝置掃描振鏡模塊參數編寫的路徑生成軟件實現幾何模型掃描加工控制。
實施例二如圖3所示，金屬零件選區激光熔化快速成型裝置采用后聚焦方式，光束聚焦系統包括擴束鏡2、掃描振鏡4和Fθ組合透鏡10，激光器1采用光纖激光器。其中，Fθ組合透鏡10的焦距f＝160～200mm。激光9從激光器1輸出，經擴束鏡2擴束后，先照射在掃描振鏡4表面，然后經過Fθ組合透鏡10聚焦，即成型件缸5內激光9與金屬粉末的交互作用點，同樣通過掃描振鏡4的微小擺動，可以實現聚焦點的平面移動。粉末缸7中的金屬粉末采用不銹鋼粉末材料，粉末粒子尺寸＜10μm。其它結構與實施例一相同。
實施例三金屬零件選區激光熔化快速成型裝置中的激光器1采用半導體泵浦YAG激光器及其附設的電源、水冷系統，激光功率150瓦，光束質量因子M2＝1.1；粉末缸7中的合金粉末采用鎳基合金粉末材料，粉末粒子尺寸＜10μm。其它結構與實施例一相同。
實施例四金屬零件選區激光熔化快速成型裝置中的激光器1采用半導體泵浦YAG激光器及其附設的電源、水冷系統，激光功率200瓦，光束質量因子M2＝2；粉末缸7中的合金粉末采用鈦合金粉末材料，粉末粒子尺寸＜10μm。其它結構與實施例一相同。
在金屬零件成型后，需放入成型件缸進行惰性氣體保護，成型件缸密封并充滿高純氬氣。如圖4所示，在合金粉末成型件11分層熔化過程中，為了保證活性元素不產生氧化，還需要局部氣體保護，即將高純氬氣輸送管設計成“回”字形或圓環形，環繞在進行熔化的合金粉末成型件11周圍，在管壁上開有小孔，向合金粉末成型件11周圍釋放高純氬氣，形成局部氣體保護。
如上所述，即可較好地實現本發明。
權利要求
1.一種金屬零件選區激光熔化快速成型方法，其特征是，包括下列步驟和工藝條件第一步給金屬零件建立CAD幾何模型，并進行分層離散；第二步采用粉末缸和成型件缸組成的雙缸結構，將粉末缸中的金屬或合金粉末，鋪至成型件缸中；第三步采用輸出功率100～200W、光束質量因子為M2＝1.1～2的半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器掃描金屬或合金粉末，在激光與金屬或合金粉末交互作用面上獲得30～50μm的聚焦光斑，將金屬或合金粉末熔化；第四步通過分層離散，重復第二、三步的過程，使金屬或合金粉末逐層熔化，堆積成一個實體，獲得成型金屬零件。
2.根據權利要求1所述的一種金屬零件選區激光熔化快速成型方法，其特征是，所述金屬或合金粉末包括不銹鋼、鈦合金、鎳基合金和工具鋼的粉末材料，粉末粒子尺寸＜10μm。
3.根據權利要求1所述的一種金屬零件選區激光熔化快速成型方法，其特征是，所述成型件缸中實施惰性氣體保護。
4.一種金屬零件選區激光熔化快速成型裝置，其特征是，包括半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器、光束聚焦系統、成型件缸和粉末缸組成，其相互連接關系為，所述半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器與光束聚焦系統相光路連接，并聚焦掃描于成型件缸，所述成型件缸通過鋪粉滾筒與粉末缸相連接，所述成型件缸和粉末缸分別連接有升降活塞，所述鋪粉滾筒連接有驅動電機，驅動電機與計算機相連接。
5.根據權利要求4所述的一種金屬零件選區激光熔化快速成型裝置，其特征是，所述半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器的輸出功率為100～200W，光束質量因子為M2＝1.1～2。
6.根據權利要求4所述的一種金屬零件選區激光熔化快速成型裝置，其特征是，所述光束聚焦系統包括依次光路連接的擴束鏡、聚焦鏡和掃描振鏡，掃描振鏡與計算機相連接。
7.根據權利要求4所述的一種金屬零件選區激光熔化快速成型裝置，其鏡，掃描振鏡與計算機相連接。
8.根據權利要求4所述的一種金屬零件選區激光熔化快速成型裝置，其特征是，所述掃描振鏡包括X、Y雙振鏡，有效寬度24～30mm，響應速度＜1微秒。
全文摘要
本發明提供一種金屬零件選區激光熔化快速成型方法及其裝置，該方法包括建立CAD幾何模型、對幾何模型進行分層離散、逐層鋪粉、采用高功率密度、高光束質量因子的激光器，通過光束聚焦系統形成30～50μm的聚焦光斑，把金屬或合金粉末逐層熔化，堆積成一個冶金結合、組織致密的實體。該裝置包括半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器、光束聚焦系統、成型件缸和粉末缸組成，半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器與光束聚焦系統相光路連接，并聚焦掃描于成型件缸，成型件缸通過鋪粉滾筒與粉末缸相連接，鋪粉滾筒連接有驅動電機，驅動電機與計算機相連接。本發明光束模式好，金屬零件加工后機械性能良好、尺寸精度和表面光潔度高，適用范圍廣。
文檔編號B22F7/06GK1603031SQ20041005207
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月5日 優先權日2004年11月5日
發明者楊永強, 江澤文, 馮濤 申請人:華南理工大學