激光成形制造集成平臺設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光成形制造集成平臺設備，成形子平臺上設有激光熔覆沉積設備、選擇性激光熔化成形設備和選擇性激光燒結設備中的至少兩種，修復子平臺上設有能相對運動的激光熔覆沉積成形熔覆噴頭和工件定位裝置，激光器總成內(nèi)的各路光纖將激光器的激光束分別供應給修復子平臺和成形子平臺內(nèi)各設備，總控制系統(tǒng)控制激光子控制系統(tǒng)、成形子控制系統(tǒng)和修復子控制系統(tǒng)工作，成形子控制系統(tǒng)控制成形子平臺上各設備工作，修復子控制系統(tǒng)控制修復子平臺上各設備工作，激光子控制系統(tǒng)控制激光器總成各路光纖上激光的功率和各路光纖上光閘的開合，本發(fā)明將多種激光成形設備集成在一起，提高了設備的性價比和生產(chǎn)效率，節(jié)省了能源。
【專利說明】激光成形制造集成平臺設備

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光金屬三維增材成形設備，特別涉及一種激光成形制造集成設備。

【背景技術】
[0002]在激光三維增材成形【技術領域】中激光熔覆沉積成形(Laser CladdingDeposit1n,以下簡稱IXD)和選擇性激光熔化成形(Selective Laser Melting,以下簡稱SLM)是最為重要的無偏析(Segregat1n-free)和高柔性(high flexible)金屬成形技術。LCD可將金屬熔滴沉積在任意界面:磨損零件之表面——完成零件的修復；支撐結構的表面-完成金屬結構件的直接制造；異種金屬的表面-完成材料梯度結構成形制造等等。IXD可完成尺寸大，重量重，聞性能，聞可罪性的金屬結構件，因而受:到航空等聞端制造界的青睞。SLM是三維打印家族中在成形件的復雜程度方面名列第一的，可完成嵌套性(復雜的多層包容性)、蜂窩性(以規(guī)則和不規(guī)則小子結構支撐母結構的特性)和三維曲線腔管性(在實體中的，貫通的，任意截面管道)結構之成形。選擇性激光燒結成形(SelectiveLaser Sintering,簡稱SLS)與SLM十分相似，(僅激光功率小一些，粉末顆粒僅表面熔化——燒結。
[0003]目前，IXD、SLM和SLS工藝是在不同的獨立三維增材成形設備中分別執(zhí)行，激光金屬三維增材成形設備工作時，激光的占空比(激光空運轉(zhuǎn)與激光熔化金屬所占時間比例)是很小的，按全工藝時間計算，相當多的時間用于探傷、檢測、調(diào)整等，有的系統(tǒng)甚至每堆積f 2層金屬，就需探傷檢測一次，浪費能源，同時購買兩臺設備成本高，占用空間大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了彌補以上不足，本發(fā)明提供了一種激光成形制造集成設備，該激光成形制造集成設備性價比高，生產(chǎn)效率高，節(jié)省能源。
[0005]本發(fā)明為了解決其技術問題所采用的技術方案是:一種激光成形制造集成平臺設備，包括總控制系統(tǒng)、成形子控制系統(tǒng)、修復子控制系統(tǒng)、激光子控制系統(tǒng)、成形子平臺、修復子平臺、送粉器和激光器總成，所述成形子平臺上設有激光熔覆沉積設備、選擇性激光熔化成形設備和選擇性激光燒結設備中的至少兩種，修復子平臺上設有激光熔覆沉積成形熔覆噴頭和用于定位工件的工件定位裝置，其中激光熔覆沉積成形熔覆噴頭與工件定位裝置上的工件能夠相對運動實現(xiàn)將熔滴噴射于工件設定位置表面，送粉器為激光熔覆沉積成形熔覆噴頭和成形子平臺上激光熔覆沉積設備供粉，激光器總成內(nèi)設有激光器和至少三路光纖，各路光纖將激光器產(chǎn)生的激光束分別供應給修復子平臺上的激光熔覆沉積成形熔覆噴頭和成形子平臺內(nèi)各設備，各路光纖上均設有光閘，總控制系統(tǒng)分別控制激光子控制系統(tǒng)、成形子控制系統(tǒng)和修復子控制系統(tǒng)工作，其中成形子控制系統(tǒng)控制成形子平臺上選擇性激光熔化成形設備、選擇性激光燒結設備和激光熔覆沉積設備工作，修復子控制系統(tǒng)控制修復子平臺上激光熔覆沉積成形熔覆噴頭和工件定位裝置工作，激光子控制系統(tǒng)控制激光器總成各路光纖上激光的功率和各路光纖上光閘的開合。
[0006]作為本發(fā)明的進一步改進，所述激光器總成內(nèi)還設有冷水機，冷水機給激光器提供冷卻用水來冷卻激光器。
[0007]作為本發(fā)明的進一步改進，成形子平臺上設有選擇性激光熔化成形(SLM)設備、選擇性激光燒結(SLS)和激光熔覆沉積成形(LCD)設備。
[0008]作為本發(fā)明的進一步改進，還設有密封的惰性氣氛加工室、凈化氣體儲存罐和凈化氣體子控制系統(tǒng)，所述選擇性激光熔化成形(SLM)設備和激光熔覆沉積成形(LCD)設備位于惰性氣氛加工室內(nèi)，凈化氣體子控制系統(tǒng)控制凈化氣體儲存罐內(nèi)凈化氣體供應到惰性氣氛加工室內(nèi)，總控制系統(tǒng)控制凈化氣體子控制系統(tǒng)啟停。
[0009]作為本發(fā)明的進一步改進，工件定位裝置包括用于定位盤類零件的定位盤以及用于定位桿軸件的卡盤、床頭箱、支撐棍和尾座，所述卡盤能夠轉(zhuǎn)動定位于床頭箱一側(cè)，尾座與卡盤同軸對應設置，至少一對用于支撐工件的支撐輥能夠同向轉(zhuǎn)動定位于卡盤和尾座之間，還設有一機床子控制系統(tǒng)，該機床子控制系統(tǒng)控制床頭箱帶動卡盤(按要求的轉(zhuǎn)速)旋轉(zhuǎn)，總控制系統(tǒng)控制機床子控制系統(tǒng)啟停，激光熔覆沉積成形熔覆噴頭固定噴頭定位裝置上，噴頭定位裝置能夠分別與定位盤和卡盤發(fā)生相對運動并將熔滴噴射于定位盤和卡盤上的工件設定位置表面。
[0010]作為本發(fā)明的進一步改進，噴頭定位裝置包括一工業(yè)機器人，所述激光熔覆沉積成形熔覆噴頭固定于工業(yè)機器人手臂端部，還設有一工業(yè)機器人子控制系統(tǒng)，工業(yè)機器人子控制系統(tǒng)控制工業(yè)機器人運動，總控制系統(tǒng)控制工業(yè)機器人子控制系統(tǒng)啟停。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，所述激光熔覆沉積成形熔覆噴頭為同軸送粉熔覆噴頭和偏軸送粉熔覆噴頭中的一種。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，激光熔覆沉積成形設備為具有加速金屬粉流動功能和無加速金屬粉流動功能的一種。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，激光熔覆沉積成形設備為具有聚焦集束磁透鏡和無聚焦集束磁透鏡中的一種。
[0014]作為本發(fā)明的進一步改進，所述總控制系統(tǒng)通過激光控制系統(tǒng)控制激光器產(chǎn)生波長為1060nm激光束，光纖上采用I分4光閘使激光束通過4路光纖，分時進入或分功率同時進入選擇性激光熔化成形(SLM)設備、選擇性激光燒結(SLS)設備和激光熔覆沉積成形設備(IXD),所述激光器為15um_500nm的C02激光器、半導體激光器、光纖激光器、YAG激光器、碟式激光器中的一種，激光器功率為500W?1.6萬W。
[0015]本發(fā)明的有益技術效果是:本發(fā)明通過將選擇性激光熔化成形(SLM)設備、選擇性激光燒結(SLS)設備和激光熔覆沉積成形(LCD)設備集成在一起，通過總控制系統(tǒng)、成形子控制系統(tǒng)和修復子控制系統(tǒng)等控制各個設備分別工作，它們共用一套激光器總成、一個惰性氣氛加工室、一套凈化氣體子控制系統(tǒng)等，各個激光金屬三維增材成形設備通過光纖和光閘“全功率分時”或“分功率同時”工作，其與各個獨立激光金屬三維增材成形設備相t匕，具有明顯的性能、價格比優(yōu)勢，提高了激光金屬三維增材成形設備的性價比，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省能源，減小設備和工程投資。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為發(fā)明的結構原理示意圖。

【具體實施方式】
[0017]實施例:一種激光成形制造集成平臺設備，包括總控制系統(tǒng)1、成形子控制系統(tǒng)2、修復子控制系統(tǒng)12、激光子控制系統(tǒng)3、成形子平臺、修復子平臺、送粉器和激光器總成，所述成形子平臺上設有激光熔覆沉積(LCD)設備18、選擇性激光熔化成形(SLM)設備7和選擇性激光燒結(SLS)設備8中的至少兩種，修復子平臺上設有激光熔覆沉積成形熔覆噴頭20和用于定位工件的工件定位裝置，其中激光熔覆沉積成形熔覆噴頭20與工件定位裝置上的工件能夠相對運動實現(xiàn)將熔滴噴射于工件設定位置表面，送粉器21為激光熔覆沉積成形熔覆噴頭20和成形子平臺上激光熔覆沉積(LCD)設備供粉，激光器總成內(nèi)設有激光器5和至少三路光纖，各路光纖將激光器5產(chǎn)生的激光束分別供應給修復子平臺上的激光熔覆沉積成形熔覆噴頭20和成形子平臺內(nèi)各設備，各路光纖上均設有光閘4，總控制系統(tǒng)I分別控制激光子控制系統(tǒng)3、成形子控制系統(tǒng)2和修復子控制系統(tǒng)12工作，其中成形子控制系統(tǒng)2控制成形子平臺上選擇性激光熔化成形設備、選擇性激光燒結設備和激光熔覆沉積設備18工作，修復子控制系統(tǒng)12控制修復子平臺上激光熔覆沉積成形熔覆噴頭20和工件定位裝置工作，激光子控制系統(tǒng)3控制激光器總成各路光纖上激光的功率和各路光纖上光閘4的開合。
[0018]從成形學的角度分析，激光熔覆沉積(IXD)和選擇性激光熔化成形(SLM)都是通過激光束(高能束)與粉末態(tài)金屬的直接熱能傳遞，熔化金屬粉末(微粒)、沉積液態(tài)金屬熔滴(微滴)而成形，即均為基于金屬的“微粒熔化一微滴組裝”的成形機理，因而具有共同的成形原理、技術內(nèi)核和高度的共用性、互補性以及拓展性。根據(jù)微粒融化與微滴沉積的先后關系，可分為，“之前熔化”、“同時熔化”和“之后熔化”三類，“之前熔化”:合金粉末微粒從離開噴咀孔至熔池的沉降路徑上已被激光完全熔化(也有部分熔化)，熔化的微滴進入熔池組裝成形，粉末先熔化后沉積組裝，屬激光熔覆沉積(LCD)范疇，常見于同軸送粉激光熔覆沉積(LCD); “同時熔化”:粉末微粒到達熔池的瞬間才即刻融化，也就是邊熔化成液態(tài)微滴邊沉積組裝，常見偏軸送粉激光熔覆沉積(LCD)等；“之后熔化”:激光根據(jù)掃描路徑對當前層粉末微粒——已鋪在粉床上并被壓實的粉末微粒(已先沉積)進行聚焦熔化(之后熔化)，功率足夠的激光束，完全熔化被聚焦的粉末微粒及已成形的上一層金屬實體的表層，使其熔為一體，冶金結合而成形，即選擇性激光熔化成形(SLM)。“之后熔化”的另一種情況:稱為選擇性激光燒結，即降低激光的功率，其僅能熔化被聚焦的金屬粉末微粒的表層，并與已成形金屬實體表層相冶金結合，類似粉末冶金燒結過程，從而得名選擇性激光燒結，即SLS——Selective Laser Sintering ;由于選擇性激光燒結(SLS)與選擇性激光熔化成形(SLM)具有相同的成形機理，僅激光功率大小不同。采用選擇性激光燒結(SLS)與選擇性激光熔化成形(SLM)—樣，可完成復雜的，其它工藝難以完成的嵌套性、蜂窩性、三維曲線腔管性結構，選擇性激光燒結(SLS )適用于非金屬，選擇性激光熔化成形(SLM)適用于金屬，本集成設備可以將選擇性激光燒結(SLS)也納入，使其功能更強大，用途更廣泛，工作時，激光熔覆沉積成形(LCD)設備和選擇性激光熔化成形(SLM)設備7在總控制系統(tǒng)1、成形子控制系統(tǒng)2和修復子控制系統(tǒng)12的管控下采用同一激光器總成，通過光纖和光閘4 “全功率分時”或“分功率同時”，傳輸給激光熔覆沉積成形(LCD)設備的熔覆頭和選擇性激光熔化成形(SLM)設備7 (或選擇性激光燒結(SLS)設備8)的振鏡，分時或同時完成激光熔覆和激光熔化工藝，實現(xiàn)了各種激光金屬三維增材成形設備集成在一個平臺系統(tǒng)中，使系統(tǒng)同時擁有熔覆和熔化兩類功能，即涵蓋了金屬成形制造絕大部分功能，同時大部分貴重的、昂貴的子系統(tǒng)，如激光器總成等等共用，它們共用的總控制系統(tǒng)I和子控制系統(tǒng)、激光器總成等占整個系統(tǒng)價格的二分之一至三分之二。激光熔覆沉積成形(IXD) /選擇性激光熔化成形(SLM)集成平臺與激光熔覆沉積成形(LCD)和選擇性激光熔化成形(SLM)兩種獨立設備相比，具有明顯的性能、價格比優(yōu)勢，提高了激光金屬三維增材成形設備的性價比，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省能源，減小設備和工程投資。
[0019]所述激光器總成內(nèi)還設有冷水機6，冷水機6給激光器5提供冷卻用水來冷卻激光器5。
[0020]成形子平臺上設有選擇性激光熔化成形(SLM)設備7、選擇性激光燒結(SLS)和激光熔覆沉積成形(LCD)設備，使集成設備同時具有選擇性激光熔化成形(SLM)、選擇性激光燒結(SLS)和激光熔覆沉積成形(LCD)設備三種功能之設備。
[0021]還設有密封的惰性氣氛加工室9、凈化氣體儲存罐10和凈化氣體子控制系統(tǒng)11，所述選擇性激光熔化成形(SLM)設備7和激光熔覆沉積成形(LCD)設備位于惰性氣氛加工室9內(nèi)，凈化氣體子控制系統(tǒng)11控制凈化氣體儲存罐10內(nèi)凈化氣體供應到惰性氣氛加工室9內(nèi)，總控制系統(tǒng)I控制凈化氣體子控制系統(tǒng)啟停，實現(xiàn)無氧加工，避免產(chǎn)品加工過程中氧化，確保產(chǎn)品的加工質(zhì)量。
[0022]工件定位裝置包括用于定位盤類零件的定位盤15以及用于定位桿軸件的卡盤16、床頭箱17、支撐棍和尾座,所述卡盤16能夠轉(zhuǎn)動定位于床頭箱17 —側(cè),尾座與卡盤16同軸對應設置，至少一對用于支撐工件的支撐輥能夠同向轉(zhuǎn)動定位于卡盤16和尾座之間，還設有一機床子控制系統(tǒng)12，該機床子控制系統(tǒng)12控制床頭箱帶動卡盤按要求的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，總控制系統(tǒng)I控制機床子控制系統(tǒng)啟停，激光熔覆沉積成形熔覆噴頭20固定于噴頭定位裝置上，噴頭定位裝置能夠分別與定位盤15和卡盤16發(fā)生相對運動并將熔滴噴射于定位盤15和卡盤16上的工件設定位置表面,桿軸類可以定位在臥式花盤車床、立式花盤上，卡盤最好為花盤，只要能夠?qū)崿F(xiàn)桿軸類工件轉(zhuǎn)動定位即可，實現(xiàn)了桿軸類工件和盤類工件分別的快速定位和加工修復，定位方便，定位方式簡單，除了此種分別定位加工方式外還可以采用其它定位方式，如夾緊固定方式。
[0023]噴頭定位裝置包括一工業(yè)機器人19，所述激光熔覆沉積成形熔覆噴頭20固定于工業(yè)機器人手臂端部，還設有一工業(yè)機器人子控制系統(tǒng)13，工業(yè)機器人子控制系統(tǒng)13控制工業(yè)機器人19運動，總控制系統(tǒng)I控制工業(yè)機器人子控制系統(tǒng)13啟停，通過采用工業(yè)機器人實現(xiàn)了激光熔覆沉積成形熔覆噴頭20在一定范圍內(nèi)任意位置的修復加工，自動化程度高，當然也可以通過使定位盤和卡盤相對激光熔覆沉積成形熔覆噴頭20運動，進而實現(xiàn)其上零件任意位置到達激光熔覆沉積成形熔覆噴頭20所在位置，實現(xiàn)全方位修復，工業(yè)機器人可選用自由度為3?6軸的，工業(yè)機器人可置于地基上或滑座14上，用拖鏈或不用拖鏈帶動其沿滑座運動。
[0024]所述激光熔覆沉積成形熔覆噴頭20為同軸送粉熔覆噴頭和偏軸送粉熔覆噴頭中的一種。
[0025]激光熔覆沉積成形設備為具有加速金屬粉流動功能和無加速金屬粉流動功能的一種。
[0026]激光熔覆沉積成形設備為具有聚焦集束磁透鏡和無聚焦集束磁透鏡中的一種。
[0027]所述總控制系統(tǒng)I通過激光控制系統(tǒng)控制激光器5產(chǎn)生波長為1060nm激光束，光纖上采用I分4光閘4使激光束通過4路光纖，分時進入或分功率同時進入選擇性激光熔化成形(SLM)設備7、選擇性激光燒結(SLS)設備8和激光熔覆沉積成形設備(LCD)，所述激光器5為15um_500nm的C02激光器、半導體激光器、光纖激光器、YAG激光器、碟式激光器中的一種，激光器5功率為500W?1.6萬W。
【權利要求】
1.一種激光成形制造集成平臺設備，其特征為:包括總控制系統(tǒng)(1)、成形子控制系統(tǒng)(2)、修復子控制系統(tǒng)(12)、激光子控制系統(tǒng)(3)、成形子平臺、修復子平臺、送粉器和激光器總成，所述成形子平臺上設有激光熔覆沉積設備(18)、選擇性激光熔化成形設備(7)和選擇性激光燒結設備(8)中的至少兩種，修復子平臺上設有激光熔覆沉積成形熔覆噴頭(20)和用于定位工件的工件定位裝置，其中激光熔覆沉積成形熔覆噴頭(20)與工件定位裝置上的工件能夠相對運動實現(xiàn)將熔滴噴射于工件設定位置表面，送粉器(21)為激光熔覆沉積成形熔覆噴頭(20 )和成形子平臺上激光熔覆沉積設備供粉，激光器總成內(nèi)設有激光器(5)和至少三路光纖，各路光纖將激光器(5)產(chǎn)生的激光束分別供應給修復子平臺上的激光熔覆沉積成形熔覆噴頭(20)和成形子平臺內(nèi)各設備，各路光纖上均設有光閘(4)，總控制系統(tǒng)(1)分別控制激光子控制系統(tǒng)(3)、成形子控制系統(tǒng)(2)和修復子控制系統(tǒng)(12)工作，其中成形子控制系統(tǒng)(2)控制成形子平臺上選擇性激光熔化成形設備、選擇性激光燒結設備和激光熔覆沉積設備(18)工作，修復子控制系統(tǒng)(12)控制修復子平臺上激光熔覆沉積成形熔覆噴頭(20)和工件定位裝置工作，激光子控制系統(tǒng)(3)控制激光器總成各路光纖上激光的功率和各路光纖上光閘(4)的開合。
2.如權利要求1所述的激光成形制造集成平臺設備，其特征是:所述激光器總成內(nèi)還設有冷水機(6)，冷水機(6)給激光器(5)提供冷卻用水。
3.如權利要求1所述的激光成形制造集成平臺設備，其特征是:成形子平臺上設有選擇性激光熔化成形設備(7 )、選擇性激光燒結和激光熔覆沉積成形設備。
4.如權利要求3所述的激光成形制造集成平臺設備，其特征是:還設有密封的惰性氣氛加工室(9)、凈化氣體儲存罐(10)和凈化氣體子控制系統(tǒng)(11)，所述選擇性激光熔化成形設備(7)和激光熔覆沉積成形設備位于惰性氣氛加工室(9)內(nèi)，凈化氣體子控制系統(tǒng)(11)控制凈化氣體儲存罐(10)內(nèi)凈化氣體供應到惰性氣氛加工室(9)內(nèi)，總控制系統(tǒng)(1)控制凈化氣體子控制系統(tǒng)啟停。
5.如權利要求1所述的激光成形制造集成平臺設備，其特征是:工件定位裝置包括用于定位盤類零件的定位盤(15)以及用于定位桿軸件的卡盤(16)、床頭箱(17)、支撐棍和尾座，所述卡盤(16)能夠轉(zhuǎn)動定位于床頭箱(17) —側(cè)，尾座與卡盤(16)同軸對應設置，至少一對用于支撐工件的支撐棍能夠同向轉(zhuǎn)動定位于卡盤(16)和尾座之間，還設有一機床子控制系統(tǒng)(12)，該機床子控制系統(tǒng)(12)控制床頭箱帶動卡盤旋轉(zhuǎn)，總控制系統(tǒng)(1)控制機床子控制系統(tǒng)啟停，激光熔覆沉積成形熔覆噴頭(20)固定于噴頭定位裝置上，噴頭定位裝置能夠分別與定位盤(15)和卡盤(16)發(fā)生相對運動并將熔滴噴射于定位盤(15)和卡盤(16)上的工件設定位置表面。
6.如權利要求5所述的激光成形制造集成平臺設備，其特征是:噴頭定位裝置包括一工業(yè)機器人(19)，所述激光熔覆沉積成形熔覆噴頭(20)固定于工業(yè)機器人手臂端部，還設有一工業(yè)機器人子控制系統(tǒng)(13)，工業(yè)機器人子控制系統(tǒng)(13)控制工業(yè)機器人(19)運動，總控制系統(tǒng)(1)控制工業(yè)機器人子控制系統(tǒng)(13)啟停。
7.如權利要求1所述的激光成形制造集成平臺設備，其特征是:所述激光熔覆沉積成形熔覆噴頭(20)為同軸送粉熔覆噴頭和偏軸送粉熔覆噴頭中的一種。
8.如權利要求1所述的激光成形制造集成平臺設備，其特征是:激光熔覆沉積成形設備為具有加速金屬粉流動功能和無加速金屬粉流動功能的一種。
9.如權利要求1所述的激光成形制造集成平臺設備，其特征是:激光熔覆沉積成形設備為具有聚焦集束磁透鏡和無聚焦集束磁透鏡中的一種。
10.如權利要求5所述的激光成形制造集成平臺設備，其特征是:所述總控制系統(tǒng)(1)通過激光控制系統(tǒng)控制激光器(5)產(chǎn)生波長為1060nm激光束，光纖上采用1分4光閘(4)使激光束通過4路光纖，分時進入或分功率同時進入選擇性激光熔化成形設備(7)、選擇性激光燒結設備(8)和激光熔覆沉積成形設備，所述激光器(5)為15um-500nm的C02激光器、半導體激光器、光纖激光器、YAG激光器、碟式激光器中的一種，激光器(5)功率為500W?.1.6 萬 W。
【文檔編號】C23C24/10GK104439240SQ201310428590
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權日:2013年9月18日
【發(fā)明者】顏永年, 陳振東, 張定軍, 荊紅, 黃曉峰 申請人:江蘇永年激光成形技術有限公司