金屬粉末3D激光成型鋪粉裝置及成型方法與流程

本發明屬于3d激光成型技術領域，特別是涉及一種金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置及成型方法。

背景技術：

現有的同步送粉激光增材制造過程中粉末利用率不高，并且在金屬鋪粉激光3d成型過程中輔助支撐粉末較多，成型工件尺寸容易受制于鋪粉箱體大小；使得金屬粉末3d激光成型技術大規模應用受到限制。

具體來說，同步送粉，是利用氣載式送粉器，將激光熔覆粉末直接輸送入光斑內，隨著光斑在工件表面的移動，形成熔覆層。但是利用氣體送粉粉末浪費大，而且邊界形狀精度不易控制，即造成了粉末利用率不高，成型精度偏低。

技術實現要素：

本發明實施例的目的在于提供一種金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置，解決了現有技術中成型精度低、粉末利用率低的問題，且避免了常規需要較多輔助粉末、尺寸受限的問題。

本發明實施例的另一目的在于提供一種金屬粉末3d激光成型方法。

本發明所采用的技術方案是，金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置，包括出粉裝置，出粉裝置內部上方為裝粉槽，裝粉槽底面向開口處傾斜一定的角度，裝粉槽下方通過開口與一個傾斜粉道連接，傾斜粉道背面的出粉裝置上設置有圓柱孔，圓柱孔的大小小于傾斜粉道上方張開弧度的大小；傾斜粉道下方出粉口直至出粉裝置的底部；傾斜粉道最下方開口通過螺釘連接尺寸不同的出粉板件，出粉板件通過螺釘固定在出粉裝置上；所述出粉裝置上還設置方形槽孔；步進電機通過螺釘固定在出粉裝置的方形槽孔的位置；步進電機通過齒輪與送粉軸連接，送粉軸設置在圓柱孔的位置。

進一步的，所述送粉軸上設置有陣列槽孔。

進一步的，所述出粉裝置上圓柱孔的位置設置有兩個上下通過螺栓連接的半圓形托板，半圓形托板用于固定及調節送粉軸的位置，使得送粉軸壓緊圓柱孔的上半部分。

進一步的，所述傾斜粉道下方的出粉口為0.3mm-1.2mm的單個圓孔、陣列圓孔、或不同尺寸槽孔。

進一步的，松香酒精噴嘴通過螺栓固定連接在離出粉口較近的出粉裝置的側端，且松香酒精噴嘴安裝時可使其噴射液體方向和出粉口送粉方向在4-8毫米高度范圍內有交點。

進一步的，所述松香酒精噴嘴為微噴射噴嘴或霧化噴嘴。

進一步的，所述霧化噴嘴，利用流量泵控制送入液體的流量。

進一步的，所述微噴射噴嘴利用數控系統控制噴嘴開閉頻率來控制噴射的流量。

本發明所采用的另一技術方案是，一種金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置的成型方法，其特征在于，按照以下步驟進行：

步驟1，金屬粉末預置層的制備

選取金屬粉末過150目篩后烘干，配置松香酒精溶液作為粘結劑，質量濃度為1％-7％；

將金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置固定在機械手中，利用三維軟件設計零件模型，導出快速成型格式，導入分層切片軟件設置參數進行切片，得到切片數據，然后將切片數據導入機械手的控制系統，使得機械手帶著金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置在所需成型的部位行走掃描，同時開動送粉軸和松香酒精噴嘴，出粉口流出的粉末利用松香酒精噴嘴噴出的粘結劑在需成型區域表面相遇，形成一層厚度為0.1mm-0.8mm含有松香酒精的金屬粉末預置層；當整個需成型的區域平面掃面完成后，利用數據建模得到的切片數據控制數控系統帶動功率密度為10w/mm²-30w/mm²，掃描速度7mm/s-15mm/s的光束對含有松香酒精的金屬粉末預置層掃描加熱，使酒精完全揮發形成松香為粘結相且具有一定粘結強度的金屬粉末預置層；

步驟2，制備金屬粉末激光熔積層

利用數據建模得到的切片數據控制數控系統帶動高能量密度的激光束對具有一定粘結強度的金屬粉末預置層掃描熔化燒結，形成一層金屬粉末激光熔積層，其中激光束功率密度200w/mm²-300w/mm²，掃描速度5mm/s-7mm/s；利用數控系統帶動金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置上升一個金屬粉末激光熔積層的高度，重復熔化燒結的過程制備出所需的金屬成型件。

進一步的，所述步驟1的金屬粉末為熔點在2000攝氏度以下的金屬粉末。

本發明的有益效果是由送粉量精確可控且出粉孔形狀可調的送粉機構和一個流量精確可控的松香酒精粘結劑噴嘴組合而成的鋪粉裝置，并配以相應的工藝，使得金屬粉末利用率在96％以上，并具有好的成型精度，避免了激光同步送粉3d成型工藝粉末利用率低、成型精度不高的問題；同時也避免了常規箱體鋪粉激光3d成型工藝需要較多只起支撐作用的輔助粉末、尺寸受制于鋪粉箱體大小的問題，在激光再制造和激光增材制造領域有重要的應用價值和巨大的社會效益。結構簡單、操作方便、粉末輸送連續均勻且邊界形狀精度可控。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例中出粉裝置的剖視圖。

圖2是本發明實施例中出粉裝置的立體圖。

圖3是本發明實施例中出粉裝置的軸側剖面圖。

圖4是本發明實施例中金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置的主視圖。

圖5是本發明實施例中金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置的俯視圖。

圖6是本發明實施例中送粉軸的結構示意圖。

圖7是本發明實施例中半圓形托板的結構示意圖。

圖8是本發明實施例得到的金屬粉末激光溶積層圖片。

圖中，1.裝粉槽，2.圓柱孔，3.傾斜粉道，4.螺釘，5.出粉板件，6.方形槽孔，7.出粉裝置，8.齒輪，9.松香酒精噴嘴，10.送粉軸，11.步進電機，12.半圓形托板，13.陣列槽孔。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置，結構如圖1-7所示，包括出粉裝置7，出粉裝置7的結構如圖1-3所示；出粉裝置7內部上方為裝粉槽1，裝粉槽1為底面向開口處傾斜一定的角度，裝粉槽1下方通過開口與一個傾斜粉道3連接，傾斜粉道3背面的出粉裝置7上設置有圓柱孔2，圓柱孔2的大小小于傾斜粉道3上方張開弧度的大小；傾斜粉道3下方出粉口直至出粉裝置7的底部；傾斜粉道3下方開口處通過螺釘4連接尺寸不同的出粉板件5，在出粉裝置7上還設置方形槽孔6。

如圖4-5所示，步進電機11通過螺釘固定在出粉裝置7的方形槽孔6的位置；步進電機11通過齒輪8與送粉軸10連接，送粉軸10設置在圓柱孔2的位置；如圖4、7所示，在出粉裝置7上圓柱孔2的位置設置有兩個上下通過螺栓連接的半圓形托板12，半圓形托板12用于固定及調節送粉軸10的位置，使得送粉軸10壓緊圓柱孔2的上半部分；松香酒精噴嘴9通過螺栓固定連接在離出粉口較近的出粉裝置7的側端。且松香酒精噴嘴安裝時可使其噴射液體方向和出粉口送粉方向在4-8毫米高度范圍內有交點。

如圖6所示，送粉軸10上設置有陣列槽孔13。

傾斜粉道3下方的出粉口可以為0.3mm-1.2mm的單個圓孔、陣列圓孔、不同尺寸槽孔，用于控制鋪粉的邊界形狀精度。

送粉軸10上有一系列并具有一定寬度和深度的送粉槽(陣列槽孔13)，通過由步進電機11和齒輪8組成的驅動裝置帶動送粉軸10旋轉且控制轉速，實現粉末均勻連續供應；出粉裝置7的出粉口形狀可以通過更換不同的出粉板件進行調整。送粉軸10上槽口的寬度、深度和數量，形狀可按工藝要求進行調整。

通過步進電機控制送粉軸10的轉速和鋪粉裝置的行走掃描速度，將本發明的鋪粉裝置固定在機械手中，將所建立的三維模型利用切片軟件進行切片，將得到的切片數據導入機械手控制系統，使機械手帶著鋪粉裝置在所需成型的部位行走掃描。可使含有松香酒精粘結劑的金屬粉末預置層厚度為0.1mm-0.8mm可調從而達到控制送粉量的目的。

松香酒精噴嘴9為微噴射噴嘴或霧化噴嘴。霧化噴嘴，適用于大面積激光成型；微噴射噴嘴，適用于高精度、小面積成型。當松香酒精噴嘴9采用霧化噴嘴時利用流量泵控制送入液體的流量，當松香酒精噴嘴9采用微噴射噴嘴時利用數控系統控制噴嘴開閉頻率來控制噴射的流量。

金屬粉末3d激光成型方法，具體按照以下步驟進行：

步驟1，金屬粉末預置層的制備

選取金屬粉末過150目篩后烘干，保證金屬粉末具有良好的流動性能；配置松香酒精溶液作為粘結劑；

將金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置固定在機械手中，利用三維軟件設計零件模型，導出快速成型格式，導入分層切片軟件設置參數進行切片，得到切片數據，然后將切片數據導入機械手的控制系統，使得機械手帶著金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置在所需成型的部位行走掃描，同時開動送粉軸10和松香酒精噴嘴9，出粉口流出的粉末利用松香酒精噴嘴9噴出的松香酒精粘結劑在需成型區域表面相遇，形成一層厚度約為0.1mm-0.8mm含有松香酒精的金屬粉末預置層；當整個需成型的區域平面掃面完成后，利用數據建模得到的切片數據控制數控系統帶動功率密度為10w/mm²-30w/mm²，掃描速度7mm/s-15mm/s的光束對含有松香酒精的金屬粉末預置層掃描加熱，使酒精完全揮發形成松香為粘結相且具有一定粘結強度的金屬粉末預置層；

步驟2制備金屬粉末激光熔積層

利用數據建模得到的切片數據控制數控系統帶動高能量密度的激光束對具有一定粘結強度的金屬粉末預置層掃描熔化燒結，形成一層金屬粉末激光熔積層，其中激光束功率密度200w/mm²-300w/mm²，掃描速度5mm/s-7mm/s；利用數控系統帶動金屬粉末3d激光成型鋪粉裝置上升一個金屬粉末激光熔積層的高度，重復熔化燒結的過程制備出所需的金屬成型件。最后得到的如圖8所示。

其中，松香酒精粘結劑起粘結和造渣作用，質量濃度為1％-6％；

金屬粉末預置層的厚度在0.1mm-0.8mm；其厚度通過送粉速度和鋪粉裝置的行走掃描速度配合控制。

有兩種金屬粉末預置層邊界形狀控制方法，一種是利用數據建模得到的切片數據控制數控系統帶動鋪粉裝置在需要成型的區域進行掃描的同時開動送粉機構和霧化噴嘴，出粉口流出的粉末和利用霧化噴嘴噴出的松香酒精粘結劑在需成型區域表面相遇，形成一層厚度為0.1mm-0.8mm含有松香酒精的金屬粉末預置層，金屬粉末預置層的邊界形狀精度通過送粉口大小和送粉速度的配合控制，此種控制方法可用于大面積鋪粉，邊界形狀要求不高的應用領域；另一種是利用數控系統帶動鋪粉裝置在需要成型的區域進行掃描的同時開動送粉機構和微噴射噴嘴，送粉口流出的粉末和利用微噴射噴嘴噴出的松香酒精粘結劑在需成型區域表面相遇，形成一層厚度為0.1mm-0.8含有松香酒精的金屬粉末預置層，利用微噴射系統控制松香酒精粘結劑噴涂區域的形狀來達到控制鋪粉邊界形狀精度的目的，此種控制方法可應用于對邊界形狀精度要求高的應用領域。

本發明使用簡單高效的機械裝置送粉，送粉口流出的粉末和利用微噴射噴嘴或霧化噴嘴噴出的松香酒精粘結劑在需成型區域表面相遇，形成一層厚度約為0.1mm-0.8mm含有松香酒精粘結劑的金屬粉末預置層；金屬粉末預置層的邊界形狀精度和厚度通過送粉口形狀大小和送粉速度、以及送粉軸上的槽口的寬度、深度和數量的配合控制。并配以相應的工藝，可使得金屬粉末利用率在96％以上，并具有好的成型精度，避免了激光同步送粉3d成型工藝粉末利用率低、成型精度不高的問題；同時也避免了常規箱體鋪粉激光3d成型工藝需要較多只起支撐作用的輔助粉末、尺寸受制于鋪粉箱體大小的問題，在激光再制造和激光增材制造領域有重要的應用價值和巨大的社會效益。

實施例1：

步驟1，金屬粉末預置層的制備。

數據建模：利用三維軟件設計零件模型，導出快速成型格式，導入分層切片軟件設置參數進行切片，得到切片數據；選取金屬粉末過150目篩后烘干，保證粉末具有良好的流動性能；配置松香酒精溶液作為粘結劑質量濃度為1％；設計送粉量精確可控且出粉孔形狀可調的送粉機構和流量精確可控的松香酒精噴嘴9組成的鋪粉裝置；將烘干后粉末裝入裝分槽，利用數據建模得到的切片數據控制數控系統帶動上述鋪粉裝置在需要成型的區域進行掃描的同時開動送粉機構和松香酒精粘結劑噴嘴，送粉口流出的粉末和利用霧化噴嘴噴出的松香酒精粘結劑在需成型區域表面相遇，形成一層厚度約為0.3mm含有松香酒精的金屬粉末預置層；當整個需成型的區域平面掃面完成后，利用數據建模得到的切片數據控制數控系統帶動功率密度為10w/mm²，掃描速度15mm/s的光束對含有松香酒精的金屬粉末預置層掃描加熱，使酒精完全揮發形成松香為粘結相且具有一定粘結強度的金屬粉末預置層。

步驟2制備金屬粉末激光熔積層

利用數據建模得到的切片數據控制數控系統帶動高能量密度的激光束對上述具有一定粘結強度的金屬粉末預置層掃描熔化燒結，形成一層金屬粉末激光熔積層，其中激光束功率密度200w/mm²，掃描速度7mm/s；利用數控系統帶動鋪粉裝置上升一個金屬粉末激光熔積層的高度，重復上述過程制備出所需的金屬成型件。

實施例2

所選松香酒精質量濃度為6％；步驟1中利用數據建模得到的切片數據控制數控系統帶動功率密度為30w/mm²，掃描速度7mm/s的光束對含有松香酒精的金屬粉末預置層掃描加熱，步驟2中激光束功率密度300w/mm²，掃描速度5mm/s；其它過程同實施例1。

實施例3

所選松香酒精質量濃度為4％；步驟1中利用數據建模得到的切片數據控制數控系統帶動功率密度為20w/mm²，掃描速度10mm/s的光束對含有松香酒精的金屬粉末預置層掃描加熱，步驟2中激光束功率密度250w/mm²，掃描速度6mm/s；其它過程同實施例1。

本說明書中的各個實施例均采用相關的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于系統實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護范圍內。