鋁材的送粉式激光增材制造系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋁材的送粉式激光增材制造系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]激光快速成形技術(shù)是基于上世界70年代末期的激光多層熔覆技術(shù)發(fā)展起來的一類技術(shù)。該技術(shù)通過采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)字化模型，并通過計(jì)算機(jī)智能控制，將材料逐層累加成型，最終實(shí)現(xiàn)具有三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)體零部件，是一項(xiàng)典型的數(shù)字化制造、綠色智能制造技術(shù)。目前的激光快速成形技術(shù)主要包括立體光刻技術(shù)、分層實(shí)體制造技術(shù)、激光近凈成形技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)成形技術(shù)、選擇性激光熔化成形技術(shù)等，其中金屬結(jié)構(gòu)的激光快速成形主要依賴于激光近凈成形技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)成形技術(shù)、選擇性激光熔化成形技術(shù)等實(shí)現(xiàn)。
[0003]鋁由于具有密度小，強(qiáng)度高，耐低溫，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，延展性好等優(yōu)點(diǎn)，使得鋁、鋁合金及鋁基復(fù)合材料在國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)的各個(gè)方面獲得廣泛應(yīng)用。目前發(fā)展的用于鋁、鋁合金及鋁基復(fù)合材料的激光快速成形技術(shù)主要依賴于選擇性激光燒結(jié)成形和選擇性激光熔化成形技術(shù)，其所采用的激光光源主要為光纖激光器和Nd: YAG激光器。由于鋁、鋁合金及鋁基復(fù)合材料在進(jìn)行激光成形過程中，存在較高的反射率，其在激光快速成形方面的研究落后于其它金屬材料，因此，迫切需要發(fā)展結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，成形快速的適合于鋁、鋁合金及鋁基復(fù)合材料的制造系統(tǒng)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種，利用波長為700nm-900nm的激光，整體結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成形快速高效的鋁、鋁合金及鋁基復(fù)合的粉末材料的送粉式激光增材制造系統(tǒng)，可減小激光反射，使其更加節(jié)能，同時(shí)成形速度更快，成形品質(zhì)更好，具體技術(shù)方案如下:
[0005]鋁材的送粉式激光增材制造制造系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)(I)、激光發(fā)射系統(tǒng)(2)和成形系統(tǒng)(3)，其特征在于:所述激光發(fā)射系統(tǒng)(2)設(shè)有光源機(jī)構(gòu)(4)，該光源機(jī)構(gòu)(4)發(fā)出的激光依次經(jīng)光閘(5)、擴(kuò)束鏡(6)、衰減器(7)和振鏡(8)進(jìn)入所述成形系統(tǒng)(3);所述成形系統(tǒng)
(3)設(shè)有密閉加工腔體(9)，在該密閉加工腔體(9)設(shè)有運(yùn)動機(jī)構(gòu)(10)，在該運(yùn)動機(jī)構(gòu)(10)的輸出端上設(shè)有材料沉積頭(11)，所述光源機(jī)構(gòu)(4)發(fā)出的激光對準(zhǔn)所述材料沉積頭(11)，所述密閉加工腔體(9)外部還設(shè)置有抽真空裝置(12)、保護(hù)氣體注入機(jī)構(gòu)(13)和送粉裝置
(14)，所述抽真空裝置(12)的抽真空口和所述保護(hù)氣體注入機(jī)構(gòu)(13)氣體輸出口均穿過所述密閉加工腔體(9)腔壁與該密閉加工腔體(9)相通，所述送粉裝置(14)出粉口均穿過所述密閉加工腔體(9)腔壁與所述材料沉積頭(11)相通；
[0006]所述光閘(5)、衰減器(7)、振鏡(8)、運(yùn)動機(jī)構(gòu)(10)、材料沉積頭(11)、抽真空裝置
(12)、保護(hù)氣體注入機(jī)構(gòu)(13)和送粉裝置(14)的控制端分別與所述控制系統(tǒng)(I)相連。
[0007]為更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，可進(jìn)一步為:
[0008]所述激光發(fā)射系統(tǒng)(2)中的激光光源為半導(dǎo)體激光器，或者為固體激光器，或者為光纖激光器，且該激光光源發(fā)出的激光波長為700nm-900nm。激光光源米用波長為700nm-900nm發(fā)射功率低，且針對鋁材粉末折射率較低，能耗損失小，融化效率也將大大提高。
[0009]所述材料沉積頭(11)由同軸送粉打印頭和側(cè)向送粉打印頭組合而成，從不同角度進(jìn)行送粉，滿足不通成形環(huán)境的需要，使其不實(shí)用新型打印范圍更加廣泛。
[0010]本實(shí)用新型的有益效果為:結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)和鋁材的特性，利用波長為700nm-900nm的激光溶解鋁材，如鋁粉、鋁合金粉和鋁基符合材料粉，吸收效率高，成形速度快;在保護(hù)氣體的環(huán)境下輸送粉末原材料以及打印成形，可保證粉末原材料在激光溶解過程中不與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其成形效果更好;整個(gè)鋁材的送粉式激光增材制造系統(tǒng)生產(chǎn)工藝簡單，實(shí)現(xiàn)容易，可最大限度的降低成形成本，且成形速度快，成形產(chǎn)品質(zhì)量好，有效解決了對粉末鋁材的激光增材制造問題；結(jié)構(gòu)簡單，整體布局合理，所有加工系統(tǒng)采用控制系統(tǒng)集中控制，操作方便，控制精準(zhǔn)，智能化程度高；其中密閉加工腔體及其與之配合的抽真空裝置和保護(hù)氣體注入機(jī)構(gòu)的設(shè)置，使其整個(gè)加工過程在保護(hù)氣體的環(huán)境下進(jìn)行加工，避免外界空氣影響產(chǎn)品成形，同時(shí)也可有效避免外界環(huán)境對其加工過程的干擾，整個(gè)制造過程更加安全;采用送粉方式進(jìn)行原材料供應(yīng)，成形質(zhì)量好，速度快，通過對激光和送粉的同時(shí)控制，更好的實(shí)現(xiàn)不同需求的增材制造需求。
【附圖說明】
[0011]圖1為本實(shí)用新型制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為鋁合金(AlSi1Mg)粉體的激光吸收圖譜；
[0013]圖3為加工產(chǎn)品的表面粗糙度測試圖。
[0014]圖4為AlSilOMg鋁合金成型件表面形貌圖；
[0015]圖5為AlSi1Mg鋁合金成型件表面粗糙度測試圖；
[0016]圖6為AlSilOMg鋁合金成型件微觀組織圖；
[0017]圖7為采用本發(fā)明所制備的AlSilOMg鋁合金成型件的硬度測試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本實(shí)用新型的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
[0019]如圖1所示:采用上述鋁材的送粉式激光增材制造方法的制造系統(tǒng)，設(shè)置有控制系統(tǒng)1、激光發(fā)射系統(tǒng)2和成形系統(tǒng)3，所述激光發(fā)射系統(tǒng)2設(shè)有光源機(jī)構(gòu)4，該光源機(jī)構(gòu)4中的激光器為半導(dǎo)體激光器，發(fā)出的808nm的連續(xù)激光依次經(jīng)光閘5、擴(kuò)束鏡6、衰減器7和振鏡8進(jìn)入所述成形系統(tǒng)3;
[0020]所述成形系統(tǒng)3設(shè)有密閉加工腔體9，在該密閉加工腔體9設(shè)有運(yùn)動機(jī)構(gòu)10，在該運(yùn)動機(jī)構(gòu)10的輸出端上設(shè)有材料沉積頭11，所述光源機(jī)構(gòu)4發(fā)出的激光對準(zhǔn)所述材料沉積頭11，材料沉積頭11由同軸送粉打印頭和側(cè)向送粉打印頭組合而成；
[0021]所述密閉加工腔體9外部設(shè)置有抽真空裝置12、保護(hù)氣體注入機(jī)構(gòu)13和送粉裝置14，所述抽真空裝置12的抽真空口和所述保護(hù)氣體注入機(jī)構(gòu)13氣體輸出口均穿過所述密閉加工腔體9腔壁與該密閉加工腔體9相通，所述送粉裝置14出粉口均穿過所述密閉加工腔體9腔壁與所述材料沉積頭11相通，在作業(yè)過程中，先對密閉加工腔體9進(jìn)行抽真空作業(yè)，在真空達(dá)到I X 10—5Pa時(shí)候停止抽真空，然后輸入氬氣；
[0022 ]所述光閘5、衰減器7、振鏡8、運(yùn)動機(jī)構(gòu)1、材料沉積頭11、抽真空裝置12、保護(hù)氣體注入機(jī)構(gòu)13和送粉裝置14的控制端分別與所述控制系統(tǒng)I相連。
[0023]根據(jù)對鋁合金粉對激光吸收率的大量實(shí)驗(yàn)，如圖2，得出激光波長范圍為800nm?850nm時(shí)，鋁合金粉的吸收率有一個(gè)峰值，吸收率超過70 %，本實(shí)施例中采用波長為808nm的激光作為加工光源，充分利用鋁合金粉的吸收率峰值，可最大限度節(jié)省能源，提高成形效率，如圖3所示，采用上述增材制造系統(tǒng)和方法加工零件成形速度快，表面光澤好且更加平整，如圖4所示，激光波長范圍為800nm?850nm時(shí)，鋁合金成型件表面光滑、致密，具有較高的成型質(zhì)量，如圖5所示，激光波長范圍為800nm?850nm時(shí)，鋁合金成型件表面最高精度1^可達(dá)0.62μηι，具有較高的表面質(zhì)量；如圖6所示，加工件晶粒十分細(xì)小，組織致密，經(jīng)測量平均晶粒尺寸小于lMi?；疑陌麪罱Y(jié)構(gòu)為Al基體，白色的纖維狀的為Si相。根據(jù)測試結(jié)構(gòu)，可得出采用本發(fā)明的方法和系統(tǒng)所成形的產(chǎn)品，品質(zhì)高，外觀美觀，具有很高的應(yīng)用價(jià)值;如圖7所示，采用本發(fā)明的激光選區(qū)熔化成型方法及系統(tǒng)所制備的AlSilOMg鋁合金成型件在不同工藝條件下的硬度測試結(jié)果，可以看出，維氏硬度值基本穩(wěn)定在HVllO?HV130之間波動，均值為HV120 土 3，大于傳統(tǒng)AlSi 1Mg鑄材的HV95?HV105，說明成型件具有優(yōu)異的力學(xué)性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鋁材的送粉式激光增材制造系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)(I)、激光發(fā)射系統(tǒng)(2)和成形系統(tǒng)(3)，其特征在于:所述激光發(fā)射系統(tǒng)(2)設(shè)有光源機(jī)構(gòu)(4)，該光源機(jī)構(gòu)(4)發(fā)出的激光依次經(jīng)光閘(5)、擴(kuò)束鏡(6)、衰減器(7)和振鏡(8)進(jìn)入所述成形系統(tǒng)(3); 所述成形系統(tǒng)(3)設(shè)有密閉加工腔體(9)，在該密閉加工腔體(9)設(shè)有運(yùn)動機(jī)構(gòu)(10)，在該運(yùn)動機(jī)構(gòu)(10)的輸出端上設(shè)有材料沉積頭(11)，所述光源機(jī)構(gòu)(4)發(fā)出的激光對準(zhǔn)所述材料沉積頭(11)，所述密閉加工腔體(9)外部還設(shè)置有抽真空裝置(12)、保護(hù)氣體注入機(jī)構(gòu)(13)和送粉裝置(14)，所述抽真空裝置(12)的抽真空口和所述保護(hù)氣體注入機(jī)構(gòu)(13)氣體輸出口均穿過所述密閉加工腔體(9)腔壁與該密閉加工腔體(9)相通，所述送粉裝置(14)出粉口均穿過所述密閉加工腔體(9)腔壁與所述材料沉積頭(11)相通； 所述光閘(5)、衰減器(7)、振鏡(8)、運(yùn)動機(jī)構(gòu)(10)、材料沉積頭(11)、抽真空裝置(12)、保護(hù)氣體注入機(jī)構(gòu)(13)和送粉裝置(14)的控制端分別與所述控制系統(tǒng)(I)相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁材的送粉式激光增材制造系統(tǒng)，其特征在于:所述激光發(fā)射系統(tǒng)(2)中的激光光源為半導(dǎo)體激光器，或者為固體激光器，或者為光纖激光器，且該激光光源發(fā)出的激光波長為700nm-900nmo3.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋁材的送粉式激光增材制造系統(tǒng)，其特征在于:所述材料沉積頭(11)由同軸送粉打印頭和側(cè)向送粉打印頭組合而成。
【專利摘要】一種鋁材的送粉式激光增材制造系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、激光發(fā)射系統(tǒng)和成形系統(tǒng)，激光發(fā)射系統(tǒng)設(shè)有光源機(jī)構(gòu)，該光源機(jī)構(gòu)發(fā)出的激光依次經(jīng)光閘、擴(kuò)束鏡、衰減器和振鏡進(jìn)入所述成形系統(tǒng)；成形系統(tǒng)設(shè)有密閉加工腔體，在該密閉加工腔體設(shè)有運(yùn)動機(jī)構(gòu)，在該運(yùn)動機(jī)構(gòu)的輸出端上設(shè)有材料沉積頭，光源機(jī)構(gòu)發(fā)出的激光對準(zhǔn)所述材料沉積頭，密閉加工腔體外部還設(shè)置有抽真空裝置、保護(hù)氣體注入機(jī)構(gòu)和送粉裝置，抽真空裝置的抽真空口和保護(hù)氣體注入機(jī)構(gòu)氣體輸出口均穿過所述密閉加工腔體腔壁與該密閉加工腔體相通，送粉裝置出粉口均穿過所述密閉加工腔體腔壁與材料沉積頭相通，被系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，布局合理，非常適合鋁材粉末的激光增材制造。
【IPC分類】B22F3/115, C23C24/10, B22F3/105
【公開號】CN205110791
【申請?zhí)枴緾N201520748421
【發(fā)明人】段宣明, 陳勇, 曹洪忠, 王林志, 王國玉, 范樹遷
【申請人】重慶塞拉雷利科技有限公司
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年9月22日