[發明專利]多激光直線束印刷式掃描快速成形制造零件的設備及方法

有效

• 申請號: 201610437223.3
• 申請日: 2016-06-17
• 公開（公告）號: CN105880593B
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 張愛平;劉錦輝;胡麗剛;肖勝兵;吳桐;張怡帆;林慧敏;柯作偉;張佳;劉邦濤
• 申請（專利權）人: 哈爾濱福沃德多維智能裝備有限公司
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y30/00;B33Y10/00
• 代理公司: 北京市盛峰律師事務所11337
• 代理人: 席小東

1.一種基于多激光直線束印刷式掃描快速成形制造零件的設備的方法，其特征在于，多激光直線束印刷式掃描快速成形制造零件的設備包括在同一平面內并排平行布置的n個激光光纖直線線陣(1)、前鋪粉刮刀(2)、后鋪粉刮刀(3)、鋪粉裝置和總控制器；

其中，每個所述激光光纖直線線陣(1)均包括直線框體(1.1)，所述直線框體(1.1)連接有x向驅動電機，通過所述x向驅動電機，驅動所述直線框體(1.1)在成形臺上方的x向進行水平移動；所述直線框體(1.1)的縱向中心線位置等間距安裝有若干個光纖固定套筒，每個所述光纖固定套筒的內部均固定有1個光纖頭(1.2)，所述光纖頭(1.2)的激光發射方向為垂直向下或傾斜向下；每個所述光纖頭(1.2)均連接有1臺激光發生器；通過對各個激光光纖直線線陣(1)的光纖頭(1.2)的傾斜角度進行調節，使所有激光光纖直線線陣(1)的激光發生器通過光纖頭(1.2)所發射的激光束在成形臺表面形成的激光光斑(1.3)位于同一直線上；

n個激光光纖直線線陣(1)的前后兩側分別固定安裝所述前鋪粉刮刀(2)和所述后鋪粉刮刀(3)，當n個激光光纖直線線陣(1)進行x向同步運動時，帶動所述前鋪粉刮刀(2)和所述后鋪粉刮刀(3)進行同步運動；

所述總控制器分別與所述鋪粉裝置、每個所述激光光纖直線線陣(1)的x向驅動電機以及每個所述激光光纖直線線陣(1)的各個激光發生器連；

其中，每個所述激光光纖直線線陣(1)還包括y向驅動電機，通過所述y向驅動電機，驅動所述直線框體(1.1)在成形臺上方的y向進行水平移動,從而調整各個所述激光光纖直線線陣(1)的光纖頭(1.2)在水平面的交錯度，進而調整不同的光纖頭所形成的激光光斑在同一直線上的重疊度，進而調節線性排列的激光光斑的能量分布；所述y向驅動電機也連接到所述總控制器；

其中，每個所述光纖頭(1.2)的出射光方向還安裝有至少一個微透鏡；通過所述微透鏡，調節所述光纖頭(1.2)形成的激光光斑的直徑和能量分布；

對于激光光纖直線線陣中的每個光纖頭，由于光線傳導的激光輸出總會有一定的發散角，尚無法實現直接熔化成形，因此需要在輸出后端架設微透鏡調節光斑的大小與能量分布，微透鏡需要將激光束準直并且重新分布能量，達到固定的光斑直徑，這些統一直徑的光斑線性排列，構成直線式光幕，根據實際調整情況，每根光纖對應的微透鏡不止一個，形成微透鏡組，透鏡組的功能為準直和聚焦；

所述基于多激光直線束印刷式掃描快速成形制造零件的設備的方法，包括以下步驟：

步驟1，在計算機上生成待加工零件的三維CAD模型；

步驟2，對所述三維CAD模型進行切片，得到按自下而上方向編號分別為截面1、截面2…截面n的n個截面的輪廓信息；

步驟3，建立xyz坐標系，其中，x方向為成形運動方向，y方向與x方向位于同一成形水平面；z方向為垂直于成形水平面的方向；

將n個激光光纖直線線陣(1)置于成形平臺上方，各個激光光纖直線線陣(1)的光纖頭在成形平面形成的激光光斑位于同一直線上，且使激光光斑陣列排列方向與y方向相同；

在每個光纖頭(1.2)的出射光方向安裝至少一個微透鏡；總控制器按成形精度要求驅動各個y向驅動電機動作，從而調整位于同一直線的激光光斑陣列中各激光光斑的直徑以及能量分布；

步驟4，n個激光光纖直線線陣(1)的前方安裝前鋪粉刮刀(2)，n個激光光纖直線線陣(1)的后方安裝后鋪粉刮刀(3)；

當需要沿x正方向進行成形運動時，總控制器提升后鋪粉刮刀(3)，下降前鋪粉刮刀(2)；

步驟5，首先成形截面1，包括：

步驟5.1，總控制器根據控制精度需求控制n個激光光纖直線線陣(1)、前鋪粉刮刀(2)和后鋪粉刮刀(3)同步進行x正方向的移動速度，在移動過程中，前鋪粉刮刀(2)首先將粉末鋪設于成形平臺表面；然后，當n個激光光纖直線線陣(1)移動到已鋪粉的某一直線X1上方時，其中，直線X1為與y軸平行、與x軸垂直的某條直線，總控制器根據截面1在對應的X1位置的輪廓寬度以及輪廓兩端點位置，控制對應的部分激光器打開，而剩余激光器關閉，進而使n個激光光纖直線線陣(1)形成與輪廓寬度和輪廓位置均一致的激光光斑線陣，從而將對應的粉末熔化成形；

步驟6，當截面1成形結束后，總控制器下降后鋪粉刮刀(3)，抬升前鋪粉刮刀(2)，控制n個激光光纖直線線陣(1)、前鋪粉刮刀(2)和后鋪粉刮刀(3)同步進行x負方向的移動，并且，實時根據待成形截面在對應位置的輪廓寬度以及輪廓兩端點位置，控制對應的部分激光器打開，而剩余激光器關閉，實現粉末熔化成形過程；

如此不斷循環，即可成形得到最終零件；

具體的，零件的三維數模輸入上位機軟件后，由軟件處理系統將零件數模進行切片處理，確定每一層切片的圖形輪廓及切片的厚度；然后經過上位機與PLC或DSP的協議接口，通過PLC或DSP具體控制激光器的開閉，刮刀與激光線陣的移動速度，激光發射的功率以及每一層鋪粉的厚度，每一切片層厚范圍：0.01mm—3mm；鋪粉刮刀負責鋪設每一層的粉末材料，刮刀材料采用金屬、陶瓷或橡膠高分子材料；激光線陣通過控制器的調節負責移動熔化焊合粉末在每一層的選擇區域內，激光線陣與刮刀的移動速度范圍：1mm/s—1000mm/s；

其中，通過鋪粉刮刀的運動將粉末鋪設在準備打印的區域上，激光線束尾隨鋪粉刮刀同方向行進，在與其垂直的區域中發射激光，激光束光斑構成的線段長度等于區域邊界輪廓的寬度；依據區域邊界寬度的大小而選擇光纖激光的開閉狀態和開啟功率值，而隨著光纖激光線性點陣的運動，熔化區域邊界寬度會實時發生變化，通過計算機圖形程序處理后，及時得出邊界寬度變化大小和位置，再經過總控制器發給激光器開關信號而控制發射與關閉激光。