[發(fā)明專利]基于同軸送絲的激光三維制造方法與同軸送絲裝置

有效

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• 申請日: 2014-07-31
• 公開（公告）號: CN104259461A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 段宣明;劉基權(quán);曹洪忠;范樹遷;曹良成;徐佼
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115
• 代理公司: 北京同恒源知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11275
• 代理人: 張琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于三維成型制造領(lǐng)域，涉及一種基于同軸送絲的激光三維制造方法與同軸送絲裝置。

背景技術(shù)

三維打印技術(shù)就是在計算機中將三維CAD模型分成若干層，通過打印設(shè)備在一個平面上按照CAD層圖形，將塑料、金屬甚至生物組織活性細胞等材料燒結(jié)或者黏合在一起，然后再一層一層的疊加起來。通過每一層不同的圖形的累積，最后形成一個三維物體。

金屬零件三維打印技術(shù)作為整個三維打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著科技發(fā)展及推廣應用的需求，利用三維打印技術(shù)直接制造金屬功能零件成為了三維打印主要的發(fā)展方向。目前可用于直接制造金屬功能零件的三維打印成型工藝主要有：選區(qū)激光熔化(SLM)、電子束選區(qū)熔化(EBM)、激光近凈成形(LENS)等。

但是，現(xiàn)有金屬三維打印成型工藝材料均為金屬粉末材料，三維打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。金屬粉末制備工藝的發(fā)展、制備粉末的性能及粉末制備的成本，嚴重影響了金屬零件三維打印的發(fā)展。另外，由粉末性質(zhì)決定的送粉量和均勻性控制困難、粉末利用率低、發(fā)散在光束外的處于半熔狀態(tài)的粉末易粘附于成型零件表面，影響表面質(zhì)量等不足，也制約著金屬零件三維打印的發(fā)展。

相比之下，金屬熔融擠壓成型可避開送粉帶來的一些問題，金屬熔融擠壓成型工藝容易實現(xiàn)精確控制，送料精度高；材料利用率高；能量利用率高；無散發(fā)性；對環(huán)境無污染；價格低廉等優(yōu)點，具有極大的發(fā)展空間，是發(fā)展金屬材料三維打印制造技術(shù)的重要方向之一，目前金屬熔融擠壓成型工藝尚存在許多問題未得到較好解決。如何將激光和被熔材料同步傳輸至加工成型位置，并使金屬材料連續(xù)、準確、均勻地投入到加工面上按預定軌跡作掃描運動的聚焦光斑內(nèi)，實現(xiàn)光料精確耦合，仍然是金屬熔融擠壓成型技術(shù)發(fā)展急需解決的一大關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種可實現(xiàn)光、料精確耦合的同軸送絲的激光三維制造方法與同軸送絲裝置。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種同軸送絲裝置，包括真空箱體、密封設(shè)置在真空箱體內(nèi)的環(huán)形光束發(fā)生裝置及絲材輸送打印裝置，所述環(huán)形光束發(fā)生裝置包括相互配合并產(chǎn)生中空環(huán)形光束的圓錐鏡與內(nèi)圓錐鏡，以及傾斜設(shè)置并將中空環(huán)形光束轉(zhuǎn)換成環(huán)錐形光束的環(huán)形凹面鏡，所述圓錐鏡與內(nèi)圓錐鏡同軸設(shè)置，所述環(huán)錐形光束軸線與環(huán)形光束軸線相垂直；所述絲材輸送打印裝置包括用于輸送絲材的送絲管、設(shè)置在送絲管上的矯直機構(gòu)、打印噴頭及設(shè)置在打印噴頭上方的加熱裝置；所述送絲管與所述環(huán)錐形光束同軸。

進一步，所述打印噴頭與環(huán)錐形光束同軸。

本發(fā)明還提供了一種利用上述同軸送絲裝置進行激光三維制造的方法，主要包含以下步驟：

(1)激光器發(fā)射出的激光束由圓錐鏡、內(nèi)圓錐鏡依次切割變向，形成中空無光的環(huán)形光束；

(2)環(huán)形光束再經(jīng)由傾斜設(shè)置的環(huán)形凹面鏡換向，形成半徑漸減的環(huán)錐形光束；

(3)絲材由置于環(huán)錐形光束中心處的送絲管輸送至工作底板上，輸送過程中，絲材依次經(jīng)過矯直機構(gòu)矯直與加熱裝置加熱，最終由打印噴頭擠出；

(4)擠出的絲材在環(huán)錐形光束的照射及加工表面的熔池熱傳導共同作用下被加熱、熔化而進入熔池內(nèi)，打印噴頭按預先設(shè)定好的路徑行走，分層噴出絲材并層層疊加，直至完成整個工件。

本發(fā)明的有益效果在于：解決了現(xiàn)有送絲工藝方法中因絲材彎曲產(chǎn)生的送絲精度差的問題，消除了加工過程中因光束離焦波動對加工質(zhì)量造成的不利影響；裝置結(jié)構(gòu)簡單，光絲耦合連續(xù)穩(wěn)定，加工質(zhì)量高；環(huán)形光束軸線發(fā)生垂直變化，真正實現(xiàn)了送絲管與所述環(huán)錐形光束的同軸設(shè)置；加熱裝置預熱金屬材料，激光功率要求不高，使用維護方便，成本低廉，顯著節(jié)約了成本投入。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明：

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。