[發明專利]一種金屬零件的激光增材制造裝備及方法

有效

• 申請號: 201610946834.0
• 申請日: 2016-10-26
• 公開（公告）號: CN106346006B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 曾曉雁;魏愷文;王澤敏;李祥友;朱海紅;熊偉;蔣明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y30/00;B33Y10/00;B33Y40/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

1.一種激光增材制造裝備，其特征在于，該裝備包括工作艙、預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件、移動機構和控制系統；

所述工作艙用于為金屬零件的增材制造提供惰性、無粉塵的工作環境；

所述預置鋪粉快速成形組件用于在所述工作艙內完成金屬粉末的預置和激光選區熔化；

所述隨形缸體設置與移除組件用于在所述工作艙內逐層設置形狀與金屬零件切片層相適應、可容納金屬粉末床的閉合隨形缸體；金屬零件成形后，隨形缸體設置與移除組件還用于將隨形缸體移除，以方便金屬零件的取出；

所述機械加工組件位于所述工作艙內，用于在金屬零件制造過程中對已形成的零件片層進行機械加工；

所述移動機構用于協助預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件按照各自的加工軌跡運行；

所述控制系統與所述預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件、移動機構信號連接，用于處理金屬零件CAD模型，生成所述預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件和機械加工組件的加工軌跡，并驅動裝備各部分協同運轉，

所述工作艙包含工作艙體(10)、保護氣源(9)與除塵系統(16)；工作艙體(10)底部設有水平基座(18)，側面設有艙門(15)和手套箱接頭(14)；保護氣源(9)與除塵系統(16)位于工作艙體(10)外部；其中，保護氣源(9)負責向工作艙體(10)內部提供保護氣體；除塵系統(16)內部安裝有多級濾芯及循環風機，用于凈化工作艙體(10)內部因高能束輻照和機械加工產生的粉塵；

所述機械加工組件包括機械加工夾具(31)與刀具(32)；其中，機械加工夾具(31)用于安裝刀具(32)；刀具(32)能夠在零件成形過程中快速更換，

所述預置鋪粉快速成形組件包括基板(20)、粉末存儲腔(21)、鋪粉器(22)、刮刀(23)、掃描振鏡(33)、防塵罩(34)和擴束鏡(35)；其中，基板(20)安裝在工作艙體(10)內；鋪粉器(22)位于基板(20)上方，用于接收位于工作艙體(10)上部的粉末存儲腔(21)所提供的金屬粉末，其下方安裝有刮刀(23)；擴束鏡(35)通過選區熔化用激光傳導光纖(2)與位于工作艙體(10)外預置鋪粉快速成形組件自帶或外配的激光源(1)相連，擴束鏡(35)負責對入射激光束進行準直，然后將其傳輸至安裝在防塵罩(34)內部的掃描振鏡(33)；掃描振鏡(33)能夠根據預設的掃描路徑輸出激光束，激光束經安裝在防塵罩(34)下部的動態聚焦鏡聚焦后，選擇性地熔化基板(20)上的金屬粉末床；

或者，

所述預置鋪粉快速成形組件包含基板(20)、鋪粉器(22)、刮刀(23)、兩個粉末存儲腔(21)、K個激光源(1)、K個掃描振鏡(33)、K個防塵罩(34)和K個擴束鏡(35)，K≥2；其中，所有激光源(1)均位于工作艙體(10)外部，基板(20)、鋪粉器(22)、刮刀(23)、所有粉末存儲腔(21)、所有掃描振鏡(33)、所有防塵罩(34)、所有擴束鏡(35)則位于工作艙體(10)內部；基板(20)安裝在水平基座(18)上表面；鋪粉器(22)位于基板(20)上方，其下方安裝有刮刀(23)；兩個粉末存儲腔(21)分居工作艙體(10) 上部兩側，用于向鋪粉器(22)提供金屬粉末；每個激光源(1)均能夠通過選區熔化用激光傳導光纖(2)將激光束傳輸至與其對應的擴束鏡(35)；擴束鏡(35)負責對入射激光束進行準直，然后將其傳輸至對應的防塵罩(34)內部的掃描振鏡(33)；掃描振鏡(33)能夠根據預設的掃描路徑輸出激光束，后者經安裝在防塵罩(34)下部的動態聚焦鏡聚焦后，選擇性地熔化金屬粉末床，

所述隨形缸體設置與移除組件包括激光沉積與切割主機(8)、激光切割頭(28)和同軸送料噴嘴(30)；激光沉積與切割主機(8)位于工作艙體(10)之外；同軸送料噴嘴(30)與激光切割頭(28)位于工作艙體(10)內部，同軸送料噴嘴(30)用于隨形缸體的制造，激光切割頭(28)用于隨形缸體的切除；激光沉積與切割主機(8)通過沉積用激光束傳導光纖6為同軸送料噴嘴(30)提供激光熔覆沉積或激光送絲沉積所需的激光束；激光沉積與切割主機(8)通過送料軟管3為同軸送料噴嘴(30)提供激光熔覆沉積或激光送絲沉積所需的金屬粉末或絲材，激光沉積與切割主機(8)通過切割用激光束傳導光纖(4)為激光切割頭(28)提供切割所需的激光束，激光沉積與切割主機(8)通過輔助氣流傳輸軟管5為激光切割頭(28)提供切割所需的高壓保護氣流；

或者，

所述隨形缸體設置與移除組件包含激光切割主機(39)、激光切割頭(28)和自動送料機構(41)；其中，激光切割主機(39)位于工作艙體(10)之外，其內部具有高功率激光源與輔助氣源；自動送料機構(41)與激光切割頭(28)位于工作艙體(10)內部，前者用于隨形缸體的制造，后者則用于隨形缸體的切除；自動送料機構(41)用于將閉合薄片材料(42)逐層放置于基板(20)表面合適位置以形成隨形缸體；激光切割主機(39)通過切割用激光束傳導光纖(4)、輔助氣流傳輸軟管5為激光切割頭(28)提供切割所需的激光束與高壓保護氣流；所述閉合薄片材料(42)的數量應與金屬零件切片層數相同；每個閉合薄片材料(42)用于將與之對應的金屬零件切片層包圍；

或者，

所述隨形缸體設置與移除組件包含工作臺(43)、隨形缸體(45)和定位圓柱47；其中，工作臺(43)通過定位圓柱47固定于水平基座(18)上方；基板(20)安裝在工作臺(43)上表面；鋪粉器(22)位于基板(20)上方，其下方安裝有刮刀(23)；粉末存儲腔(21)位于工作艙體(10)上部；工作臺(43)與基板(20)上開設有沿基板(20)上表面法向方向重疊的兩個豎直閉合通槽(44)；閉合通槽(44)用于將金屬零件最大切片輪廓包圍，隨形缸體(45)預置于工作臺(43)下方，其形狀與閉合通槽(44)相適應，

所述移動機構包含龍門式框架(17)、移動導軌(19)、吊臂(7)、第一伸縮式保護罩(11)、第二伸縮式保護罩(12)、每三伸縮式保護罩(13)、水平框架(24)、可伸縮立柱(25)、側向導軌(26)、懸臂(27)和旋轉基座(29)；其中，移動導軌(19)位于工作艙體(10)兩側；龍門式框架(17)橫跨工作艙體(10)，并可在移動導軌(19)帶動下沿工作艙體(10)長度方向往復移動；龍門式框架(17)的橫梁安裝有絲桿，可帶動吊臂(7)沿工作艙體(10)寬度方向往復移動；吊臂(7)上半部位于工作艙體(10)上方，下半部則位于工作艙體(10)內部；第一伸縮式保護罩(11)、第二伸縮式保護罩(12)、每三伸縮式保護罩(13)用于保證工作艙體(10)的氣密性和吊臂(7)的正常移動；其中，第二伸縮式保護罩(12)位于吊臂(7)與工作艙體(10)相連的位置及其四周，可沿工作艙體(10)寬度方向伸縮；第一、第三伸縮式保護罩(11、13)位于第二伸縮式保護罩(12)兩側，可沿工作艙體(10)長度方向伸縮；吊臂(7)位于工作艙體(10)之內的部分可伸縮，并帶動與其相連的懸臂(27)、機械加工組件沿工作艙體(10)高度方向往復移動；懸臂(27)上安裝有旋轉基座(29)、擴束鏡(35)、防塵罩(34)、同軸送料噴嘴(30)；激光切割頭(28)安裝在旋轉基座(29)下方，后者可帶動前者水平旋轉；可伸縮立柱(25)安裝在基板(20)四周，其上方與水平框架(24)相連，并帶動后者沿工作艙體(10)高度方向往復移動；側向導軌(26)位于水平框架(24)兩側，可帶動與之相連的鋪粉器(22)沿工作艙體(10)長度方向往復移動；

或者，

所述移動機構包含水平框架(24)、可伸縮立柱(25)、側向導軌(26)、第一多關節智能機器臂36、第二多關節智能機器臂(37)和第三多關節智能機器臂(38)；其中，可伸縮立柱(25)安裝在基板(20)四周，其上方與水平框架(24)相連，并帶動后者沿工作艙體(10)高度方向往復移動；側向導軌(26)位于水平框架(24)兩側，可帶動與之相連的鋪粉器(22)沿工作艙體(10)長度方向往復移動；第一多關節智能機器臂36可帶動掃描振鏡(33)、防塵罩(34)與擴束鏡(35)在工作艙體(10)內部任意移動；第二多關節智能機器臂(37)可帶動機械加工組件在工作艙體(10)內部任意移動；第三多關節智能機器臂(38)可帶動同軸送料噴嘴(30)與激光切割頭(28)在工作艙體(10)內部任意移動；

或者，

所述移動機構包含龍門式框架(17)、移動導軌(19)、吊臂(7)、第一伸縮式保護罩(11)、第二伸縮式保護罩(12)、每三伸縮式保護罩(13)、水平框架(24)、可伸縮立柱(25)、側向導軌(26)、懸臂(27)、旋轉基座(29)和第四多關節智能機器臂(40)；其中，移動導軌(19)位于工作艙體(10)兩側；龍門式框架(17)橫跨工作艙體(10)，并可在移動導軌(19)帶動下沿工作艙體(10)長度方向往復移動；龍門式框架(17)的橫梁安裝有絲杯，可帶動吊臂(7)沿工作艙體(10)寬度方向往復移動；吊臂(7)上半部位于工作艙體(10)上方，下半部則位于工作艙體(10)內部；第一伸縮式保護罩(11)、第二伸縮式保護罩(12)、每三伸縮式保護罩(13)用于保證工作艙體(10)的氣密性和吊臂(7)的正常移動；其中，第二伸縮式保護罩(12)位于吊臂(7)與工作艙體(10)相連的位置及其四周，可沿工作艙體(10)寬度方向伸縮；第一、第三伸縮式保護罩(11、13)位于第二伸縮式保護罩(12)兩側，可沿工作艙體(10)長度方向伸縮；吊臂(7)位于工作艙體(10)之內的部分可伸縮，并帶動與其相連的懸臂(27)、機械加工組件沿工作艙體(10)高度方向往復移動；懸臂(27)上安裝有旋轉基座(29)；旋轉基座(29)下端用于安裝激光切割頭(28)，以帶動激光切割頭(28)水平旋轉；可伸縮立柱(25)安裝在基板(20)四周，其上方與水平框架(24)相連，并帶動后者沿工作艙體(10)高度方向往復移動；側向導軌(26)位于水平框架(24)兩側，用于帶動與之相連的鋪粉器(22)沿工作艙體(10)長度方向往復移動；第四多關節智能機器臂(40)用于帶動自動送料機構(41)在工作艙體(10)內部任意移動；

或者，

所述移動機構包含龍門式框架(17)、移動導軌(19)、吊臂(7)、第一伸縮式保護罩(11)、第二伸縮式保護罩(12)、每三伸縮式保護罩(13)、水平框架(24)、可伸縮立柱(25)、側向導軌(26)、懸臂(27)和絲桿46；其中，移動導軌(19)位于工作艙體(10)兩側；龍門式框架(17)橫跨工作艙體(10)，并可在移動導軌(19)帶動下沿工作艙體(10)長度方向往復移動；龍門式框架(17)的橫梁安裝有絲桿，可帶動吊臂(7)沿工作艙體(10)寬度方向往復移動；吊臂(7)上半部位于工作艙體(10)上方，下半部則位于工作艙體(10)內部；第一伸縮式保護罩(11)、第二伸縮式保護罩(12)、每三伸縮式保護罩(13)用于保證工作艙體(10)的氣密性和吊臂(7)的正常移動；其中，第二伸縮式保護罩(12)位于吊臂(7)與工作艙體(10)相連的位置及其四周，可沿工作艙體(10)寬度方向伸縮；第一、第三伸縮式保護罩(11、13)位于第二伸縮式保護罩(12)兩側，可沿工作艙體(10)長度方向伸縮；吊臂(7)位于工作艙體(10)之內的部分可伸縮，并帶動與其相連的懸臂(27)、機械加工組件沿工作艙體(10)高度方向往復移動；懸臂(27)上安裝有擴束鏡(35)、防塵罩(34)；可伸縮立柱(25)安裝在工作臺(43)上表面，其上方與水平框架(24)相連，并帶動后者沿工作艙體(10)高度方向往復移動；側向導軌(26)安裝于水平框架(24)兩側，可帶動與之相連的鋪粉器(22)沿工作艙體(10)長度方向往復移動；絲桿(46)安裝于水平基座(18)上表面，可帶動與之相連的隨形缸體(45)穿過工作臺(43)與基板(20)升降；

或者，

移動機構包含龍門式框架(17)、移動導軌(19)、吊臂(7)、第一伸縮式保護罩(11)、第二伸縮式保護罩(12)、每三伸縮式保護罩(13)、水平框架(24)、可伸縮立柱(25)、側向導軌(26)、懸臂(27)、旋轉基座(29)、絲桿48和掃描振鏡框架(49)；其中，移動導軌(19)位于工作艙體(10)兩側；龍門式框架(17)橫跨工作艙體(10)，并可在移動導軌(19)帶動下沿工作艙體(10)長度方向往復移動；龍門式框架(17)的橫梁安裝有絲桿，可帶動吊臂(7)沿工作艙體(10)寬度方向往復移動；吊臂(7)上半部位于工作艙體(10)上方，下半部則位于工作艙體(10)內部；第一伸縮式保護罩(11)、第二伸縮式保護罩(12)、每三伸縮式保護罩(13)用于保證工作艙體(10)的氣密性和吊臂(7)的正常移動；其中，第二伸縮式保護罩(12)位于吊臂(7)與工作艙體(10)相連的位置及其四周，可沿工作艙體(10)寬度方向伸縮；第一、第三伸縮式保護罩(11、13)位于第二伸縮式保護罩(12)兩側，可沿工作艙體(10)長度方向伸縮；吊臂(7)位于工作艙體(10)之內的部分可伸縮，并帶動與其相連的懸臂(27)、機械加工組件沿工作艙體(10)高度方向往復移動；懸臂(27)上安裝有同軸送料噴嘴(30)、旋轉基座(29)；旋轉基座(29)可帶動激光切割頭(28)水平旋轉；可伸縮立柱(25)安裝在水平基座(18)上表面，水平框架(24)與可伸縮立柱(25)相連，可沿工作艙體(10)高度方向往復移動；側向導軌(26)安裝于水平框架(24)兩側，可帶動與之相連的鋪粉器(22)沿工作艙體(10)長度方向往復移動；絲桿(48)分置于水平框架(24)上方兩側，其與掃描振鏡框架(49)相連，并帶動掃描振鏡框架(49)沿工作艙體(10)長度方向往復移動；所有掃描振鏡(33)、防塵罩(34)及擴束鏡(35)均安裝在掃描振鏡框架(49)上。