一種激光熔覆疊層復合成形設備及成形方法
【專利摘要】本發明公開了一種激光熔覆疊層復合成形設備和成形方法，激光熔覆疊層復合成形設備，包括機架、固定在機架的Z向升降機構、纖維布送料機構和激光熔覆切割頭二維運動機構；所述Z向升降機構用于帶動熔覆平臺的升降，所述纖維布送料機構用于使纖維布水平穿經在下的熔覆平臺和在上的激光熔覆切割頭之間的空間；所述激光熔覆切割頭二維運動機構用于控制熔覆頭在水平方向上的二維運動。本發明可以解決現有的激光熔覆沉積增材制造技術所制造的實體零件比強度和比剛度方面難于滿足要求的技術問題。
【專利說明】
一種激光熔覆疊層復合成形設備及成形方法
技術領域
[0001]本發明屬于增材制造(3D打印)成形技術領域，具體地說是一種激光熔覆疊層復合成形設備及成形方法。
【背景技術】
[0002]激光恪覆沉積增材制造技術(Laser cladding deposit1n, IXD)，是在激光恪覆技術和3D打印技術的基礎上發展起來的一種金屬零件增材制造技術，主要是利用高能束激光將金屬粉末熔化后沉積成形。該技術所制得的實體零件重量較大，存在比強度和比剛度難于滿足要求的情況。
【發明內容】
[0003]本發明的目的就是提供一種激光熔覆疊層復合成形設備及成形方法，以解決現有的激光熔覆沉積增材制造技術所制造的實體零件比強度和比剛度方面難于滿足要求的技術問題。
[0004]本發明是這樣實現的:
激光熔覆疊層復合成形設備，包括機架、固定在機架的Z向升降機構、纖維布送料機構和激光熔覆切割頭二維運動機構;所述Z向升降機構用于帶動熔覆平臺的升降，所述纖維布送料機構用于使纖維布水平穿經在下的熔覆平臺和在上的激光熔覆切割頭之間的空間;所述激光熔覆切割頭二維運動機構用于控制熔覆頭在水平方向上的二維運動。
[0005]所述的激光熔覆疊層復合成形設備中，所述Z向升降機構包括安裝于機架的縱向絲杠、驅動所述縱向絲杠轉動的縱向步進電機、螺接于所述縱向絲杠的縱向螺母、與所述縱向螺母固接的連接板、與所述連接板固接的水平設置的用于承載所述熔覆平臺的支撐板以及加熱冷卻裝置。
[0006]所述的激光熔覆疊層復合成形設備中，在所述機架上安裝有與所述縱向絲杠平行設置的光杠，所述連接板上設置有滑塊，所述滑塊套接于所述光杠上。
[0007]所述的激光熔覆疊層復合成形設備中，所述纖維布送料機構包括纖維布卷、收布輥、供布輥以及驅動收布輥、供布輥轉動的步進電機。
[0008]所述的激光熔覆疊層復合成形設備中，所述激光熔覆切割頭二維運動機構包括X向運動機構、Y向運動機構和激光熔覆切割頭;其中，所述X向運動機構具體包括X向步進電機、由所述X向步進電機驅動的X向絲杠、螺接于X向絲杠的X向螺母以及與所述X向螺母固接的支撐架;所述Y向運動機構包括安裝于支撐架上的Y向絲杠、驅動所述Y向絲杠轉動的Y向步進電機、螺接于所述Y向絲杠的Y向螺母以及固接于所述Y向螺母上的板件，在所述板件上安裝有激光熔覆切割頭。
[0009]激光熔覆疊層復合成形方法，包括以下步驟:
(A)在機架上安裝Z向升降機構，所述Z向升降機構包括安裝于機架的縱向絲杠、驅動所述縱向絲杠轉動的縱向步進電機、螺接于所述縱向絲杠的螺母、與所述螺母固接的連接板、與所述連接板固接的水平設置的用于承載所述熔覆平臺的支撐板以及安裝于所述熔覆平臺的加熱冷卻裝置。
[0010](B)在機架上部安裝激光熔覆切割頭二維運動機構，所述激光熔覆切割頭二維運動機構包括X向運動機構、Y向運動機構以及激光恪覆切割頭;其中，所述X向運動機構具體包括X向步進電機、由所述X向步進電機驅動的X向絲杠、螺接于X向絲杠的X向螺母以及與所述X向螺母固接的支撐架;所述Y向運動機構包括安裝于支撐架上的Y向絲杠、驅動所述Y向絲杠轉動的Y向步進電機、螺接于所述Y向絲杠的Y向螺母以及固接于所述Y向螺母上的板件，在所述板件上安裝有激光熔覆切割頭。
[0011](C)在機架上安裝纖維布送料機構，所述纖維布送料機構用于使纖維布水平穿經在下的熔覆平臺和在上的激光熔覆切割頭之間的空間；所述纖維布送料機構包括纖維布卷、收布輥、供布輥及驅動所述收布輥、供布輥轉動的步進電機；
(D)在所述支撐板上設置好熔覆平臺，在所述熔覆平臺上鋪設基板，利用縱向步進電機驅動熔覆平臺向上移動，直到熔覆平臺上的基材與纖維布相接觸或距離纖維布0.1-0.3mm;
(E)控制激光熔敷切割頭運動機構使其在纖維布成形區域內按預定形狀和高度有選擇地進行金屬或陶瓷材料的激光熔覆；
(F)當前層激光熔覆完畢后，控制激光熔敷切割頭停止輸送粉末，并利用激光將成形區域外的纖維布切割，使成形區域與纖維布分離；
(G)利用縱向步進電機驅動熔覆平臺向下移動一個激光熔覆的高度，再啟動纖維布送料機構，帶動纖維布卷轉動，將纖維布繼續移送至成形區域；
(H)重復(E)步至(G)步，各熔覆層之間通過熔覆金屬或陶瓷材料粘接為一體，直到工藝完成，得到完整的零件。
[0012]本發明將激光熔覆沉積增材制造技術進行改造，使金屬或陶瓷粉末受激光熔覆作用后按預定形狀有選擇地沉積到纖維布上，然后在纖維布上浸潤鋪展并將纖維包裹在金屬或陶瓷內部，依靠金屬或陶瓷凝固后形成纖維增強金屬基(或陶瓷基)復合材料。這種自上而下將纖維布滲透，進而將纖維布包裹于金屬或陶瓷粉末中的工藝，使得不同層之間的對接面仍是熔融的金屬或陶瓷粉末，從而無需另外施加粘結劑。另外，由于纖維布是經供布輥和收布輥輸送，因此，可以根據實際需求來對纖維布的品種、密度、經瑋線材質等各種參數指標進行選擇，同時還可調節纖維布的送布張力，其與無法進行各種參數調節的纖維相比，使用纖維布更適合機械化、標準化的工業化生產制造，只要按預定工藝執行，無須對每個沉積層進行水平方向的切削修整，從而可大大提高加工效率。而且，由于纖維布中纖維的密度、材質、纖維布的位置、張力等參數均可按預定標準進行調控，因此，所加工零件會更加符合預期，其比強度和比剛度更易于控制，從而可得到密度均勻、形狀復雜、性能優越也更符合預期的實體零件。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明設備的立體結構示意圖；
圖2是圖1的主視圖；
圖3是Z向升降機構的結構示意圖；
圖4是激光熔覆切割頭運動機構的結構示意圖； 圖5是纖維增強金屬基或陶瓷基復合材料激光熔覆疊層制造示意圖。
[0014]圖6是最終制備得到的一個零件的內部結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。但是，該說明不對本發明構成任何限制。
[0016]如圖1、圖2所示，本發明的激光熔覆成形設備包括機架、固定在機架的Z向升降機構1、纖維布送料機構2和激光熔覆切割頭二維運動機構3。機架包括內支撐框架4和外支撐框架5;Z向升降機構和纖維布送料機構安裝于內支撐框架上，激光熔覆切割頭二維運動機構3安裝于外支撐框架上。纖維布送料機構用于使纖維布水平穿經在下的熔覆平臺和在上的激光熔覆切割頭之間的空間。激光熔覆切割頭二維運動機構用于控制熔覆頭在水平方向上的二維運動。
[0017]圖1、圖2、圖3所示，Z向升降機構包括安裝于機架的縱向絲杠1-2、驅動縱向絲杠轉動的縱向步進電機1-6、螺接于所述縱向絲杠的縱向螺母1-5、與縱向螺母1-5固接的連接板1-3、與連接板1-3固接的支撐板1-11以及設置于支撐板的熔覆平臺1-8。在支撐板1-11和熔覆平臺1-8之間設置有隔熱布1-10。制備零件時需要的基板1-9固定于熔覆平臺1-8上。本發明在內支撐框架上還安裝有與縱向絲杠平行的縱向左光杠1-12和縱向右光杠1-1，在連接板1-3上固接有光杠左滑塊1-7和光杠右滑塊1-4，光杠左滑塊1-7套接于縱向左光杠1-12，光杠右滑塊1-4套接于縱向右光杠1-1上。在熔覆平臺上還按現有技術常規設置有通電加熱、通水冷卻的加熱冷卻裝置，以減少成形零件的熱應力。
[0018]圖1、圖2、圖4所示，激光恪覆切割頭二維運動機構包括X向運動機構、Y向運動機構和激光熔覆切割頭。其中，X向運動機構包括X向步進電機3-1、由X向步進電機3-1驅動的X向絲杠3-2、螺接于X向絲杠3-2的X向螺母以及與所述X向螺母固接的支撐架3-4。其中，X向步進電機3-1安裝于外部支撐框架上，在外部支撐框架上還安裝有X向左導軌3-9和X向右導軌3-3，支撐架3-4底面設置有套接于X向左導軌3-9和X向右導軌3-3的滑塊。Y向運動機構包括安裝于支撐架3-4上的Y向絲杠3-7、驅動Y向絲杠3-7轉動的Y向步進電機3_8、螺接于Y向絲杠的Y向螺母以及固接于Y向螺母上的板件3-10，在板件3-10上安裝有激光熔覆切割頭3-5。本發明中，激光熔覆切割頭兼有激光熔覆頭和激光切割頭的作用，根據需要既可以控制粉末輸出并對其進行熔化，以起到激光熔覆頭的作用;也可以停止粉末輸出，通過調高輸出功率進行激光切割，以起到激光切割頭的作用。
[0019]圖1、圖2所示，纖維布送料機構包括纖維布卷、系列收布輥、供布輥及驅動收布輥、供布輥轉動的收布電機和供布電機。固定于內支撐框架上的系列收布輥、供布輥分列于Z向升降機構的兩側，在Z向升降機構的左側自上至下排布有上供布輥2-6、中供布輥2-7以及下供布輥2-8，在Z向升降機構的右側自上至下排布有上收布輥2-5、中收布輥2-4以及下收布輥2-1，上供布輥2-6和上收布輥2-5所在的縱向位置相平且位于激光熔覆切割頭下方，以使其輸送的纖維布2-2的位置便于激光熔覆切割頭3-5向平置段的纖維布進行金屬或陶瓷激光熔覆為宜。供布電機2-9用于驅動下供布輥2-8，收布電機2-3用于驅動下收布輥2-1。本發明設置供布電機和收布電機，利用這兩個電機正反轉形成張力，即，首先由供布電機正向轉動，驅動供布輥至纖維布至適當位置，再由收布電機反向轉動使纖維布張緊，由此避免在熔覆過程中纖維布產生松弛。
[0020]參考圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6，本發明的激光熔覆成形方法，包括以下步驟:
(A)在機架上安裝Z向升降機構；
(B)在機架上部安裝激光熔覆切割頭二維運動機構；
(C)在機架上安裝纖維布送料機構；
(D)設置好熔覆平臺，在熔覆平臺上鋪設基板，利用縱向步進電機驅動熔覆平臺向上移動，直到熔覆平臺上的基材與纖維布相接觸或距離纖維布0.1-0.3mm;
(E)控制激光熔敷切割頭二維運動機構使激光熔敷切割頭在纖維布成形區域內按預定尺寸、形狀和高度有選擇地按預定的層厚進行金屬或陶瓷材料的激光熔覆；
(F)當前層η層激光熔覆完畢后，控制激光熔敷切割頭行使切割功能，將成形區域外的纖維布切割，使成形區域與纖維布分離(參考圖5);
(G)利用縱向步進電機驅動熔覆平臺向下移動一個激光熔覆的高度，再啟動纖維布送料機構，帶動纖維布卷轉動，將纖維布繼續移送至成形區域；
(H)重復(E)步進行η+1層激光恪覆(參考圖5)，再重復(F)、(G)步。
[0021]在激光熔覆過程中，各熔覆層之間通過熔覆金屬或陶瓷材料相粘接為一體，直到完成整個零件的加工。圖6所示，所制備的零件中，在每一層的熔覆金屬或陶瓷材料6內均有均布的纖維織物構成的纖維增強體7。
[0022]本發明中所有的機械傳動方式可以采用滾珠絲杠、皮帶傳動及液壓傳動等已知傳動方式中的一種或多種。
【主權項】
1.一種激光熔覆疊層復合成形設備，其特征在于，包括機架、固定在機架的Z向升降機構、纖維布送料機構和激光熔覆切割頭二維運動機構;所述Z向升降機構用于帶動熔覆平臺的升降，所述纖維布送料機構用于使纖維布水平穿經在下的熔覆平臺和在上的激光熔覆切割頭之間的空間;所述激光熔覆切割頭二維運動機構用于控制熔覆頭在水平方向上的二維運動。2.根據權利要求1所述的激光熔覆疊層復合成形設備，其特征在于，所述Z向升降機構包括安裝于機架的縱向絲杠、驅動所述縱向絲杠轉動的縱向步進電機、螺接于所述縱向絲杠的縱向螺母、與所述縱向螺母固接的連接板、與所述連接板固接的水平設置的用于承載所述熔覆平臺的支撐板以及加熱冷卻裝置。3.根據權利要求2所述的激光熔覆疊層復合成形設備，其特征在于，在所述機架上安裝有與所述縱向絲杠平行設置的光杠，所述連接板上設置有滑塊，所述滑塊套接于所述光杠上。4.根據權利要求1所述的激光熔覆疊層復合成形設備，其特征在于，所述纖維布送料機構包括纖維布卷、收布輥、供布輥以及驅動收布輥、供布輥轉動的步進電機。5.根據權利要求1所述的激光熔覆疊層復合成形設備，其特征在于，所述激光熔覆切割頭二維運動機構包括X向運動機構、Y向運動機構和激光熔覆切割頭;其中，所述X向運動機構具體包括X向步進電機、由所述X向步進電機驅動的X向絲杠、螺接于X向絲杠的X向螺母以及與所述X向螺母固接的支撐架;所述Y向運動機構包括安裝于支撐架上的Y向絲杠、驅動所述Y向絲杠轉動的Y向步進電機、螺接于所述Y向絲杠的Y向螺母以及固接于所述Y向螺母上的板件，在所述板件上安裝有激光熔覆切割頭。6.一種激光熔覆疊層復合成形方法，其特征在于，包括以下步驟: (A)在機架上安裝Z向升降機構，所述Z向升降機構包括安裝于機架的縱向絲杠、驅動所述縱向絲杠轉動的縱向步進電機、螺接于所述縱向絲杠的螺母、與所述螺母固接的連接板、與所述連接板固接的水平設置的用于承載所述熔覆平臺的支撐板以及安裝于所述熔覆平臺的加熱冷卻裝置； (B)在機架上部安裝激光熔覆切割頭二維運動機構，所述激光熔覆切割頭二維運動機構包括X向運動機構、Y向運動機構以及激光恪覆切割頭;其中，所述X向運動機構具體包括X向步進電機、由所述X向步進電機驅動的X向絲杠、螺接于X向絲杠的X向螺母以及與所述X向螺母固接的支撐架;所述Y向運動機構包括安裝于支撐架上的Y向絲杠、驅動所述Y向絲杠轉動的Y向步進電機、螺接于所述Y向絲杠的Y向螺母以及固接于所述Y向螺母上的板件，在所述板件上安裝有激光熔覆切割頭； (C)在機架上安裝纖維布送料機構，所述纖維布送料機構用于使纖維布水平穿經在下的熔覆平臺和在上的激光熔覆切割頭之間的空間；所述纖維布送料機構包括纖維布卷、收布輥、供布輥及驅動所述收布輥、供布輥轉動的步進電機； (D)在所述支撐板上設置好熔覆平臺，在所述熔覆平臺上鋪設基板，利用縱向步進電機驅動熔覆平臺向上移動，直到熔覆平臺上的基材與纖維布相接觸或距離纖維布0.1-0.3mm; (E)控制激光熔敷切割頭運動機構使其在纖維布成形區域內按預定形狀和高度有選擇地進行金屬或陶瓷材料的激光熔覆； (F)當前層激光熔覆完畢后，控制激光熔敷切割頭停止輸送粉末，并利用激光將成形區域外的纖維布切割，使成形區域與纖維布分離； (G)利用縱向步進電機驅動熔覆平臺向下移動一個激光熔覆的高度，再啟動纖維布送料機構，帶動纖維布卷轉動，將纖維布繼續移送至成形區域； (H)重復(E)步至(G)步，各熔覆層之間通過熔覆金屬或陶瓷材料粘接為一體，直到工藝完成，得到完整的零件。
【文檔編號】B28B1/00GK106077652SQ201610650443
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月10日 公開號201610650443.4, CN 106077652 A, CN 106077652A, CN 201610650443, CN-A-106077652, CN106077652 A, CN106077652A, CN201610650443, CN201610650443.4
【發明人】任德亮, 齊海波, 李金國, 王望明, 鄭明軍, 丁占來
【申請人】河北大學