[發明專利]一種可調節光斑能量分布的激光直接沉積成形系統及方法

有效

• 申請號: 201611006342.X
• 申請日: 2016-11-16
• 公開（公告）號: CN106541136B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 商碩;李進寶;劉忱;劉常升
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y30/00;B33Y10/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 梁焱

1.一種可調節光斑能量分布的激光直接沉積成形系統，其特征在于：包括光纖激光器、光斑整形機構、同軸送粉機構、加工送粉頭、工作臺及水冷機；所述光纖激光器的光纖激光頭接入光斑整形機構，所述同軸送粉機構安裝在光斑整形機構上部，所述加工送粉頭安裝在光斑整形機構下部，所述工作臺位于加工送粉頭下方，工作臺、加工送粉頭及光斑整形機構均通過水冷機提供循環冷卻水；所述光斑整形機構包括擴束鏡組、光束整形鏡組及光斑能量調節鏡組，所述擴束鏡組包括第一凹透鏡及第一凸透鏡，所述光束整形鏡組包括第一圓錐透鏡及第二圓錐透鏡，所述光斑能量調節鏡組包括第二凸透鏡及第三凸透鏡；所述第一凹透鏡、第一凸透鏡、第一圓錐透鏡、第二圓錐透鏡、第二凸透鏡及第三凸透鏡由上至下依次分布，光纖激光頭發射出的激光束由第一凹透鏡射入，由第三凸透鏡射出，并以光斑的形式作用在成形基體的表面；所述第一凹透鏡與第一凸透鏡同心設置，第一凹透鏡與第一凸透鏡的軸向間距可調；所述第一圓錐透鏡與第二圓錐透鏡的錐頂角相同，第一圓錐透鏡與第二圓錐透鏡的錐頂相對且同心設置，第一圓錐透鏡與第二圓錐透鏡的軸向間距可調；所述第二凸透鏡與第三凸透鏡結構相同，第二凸透鏡及第三凸透鏡的水平位置可調；所述光斑整形機構的外殼采用雙層結構，其雙層結構外殼通過水冷機提供循環冷卻水。

2.根據權利要求1所述的一種可調節光斑能量分布的激光直接沉積成形系統，其特征在于：所述同軸送粉機構包括儲粉罐、螺桿式送粉器、分粉器及送粉通道，所述儲粉罐的出料口與螺桿式送粉器的進料口相連通，螺桿式送粉器的出料口與分粉器的進料口相連通，分粉器的出料口與送粉通道一端相連通，送粉通道另一端與加工送粉頭相連；所述儲粉罐通過一路管道與惰性氣體源相接通，在儲粉罐與惰性氣體源之間連接有流量控制器，通過流量控制器對粉末原料的輸送量進行控制。

3.根據權利要求2所述的一種可調節光斑能量分布的激光直接沉積成形系統，其特征在于：所述加工送粉頭的頂部兩側設有噴粉口，噴粉口向內傾斜設置，兩側的噴粉口噴出的原料粉末匯聚于光斑中心；所述惰性氣體源通過另一路管道與加工送粉頭內部相接通，通過惰性氣體源向加工送粉頭內輸入惰性保護氣，惰性保護氣的輸入壓力通過流量控制器進行控制；所述加工送粉頭的外殼采用雙層結構，其雙層結構外殼通過水冷機提供循環冷卻水。

4.根據權利要求1所述的一種可調節光斑能量分布的激光直接沉積成形系統，其特征在于：所述工作臺采用五軸聯動驅動方式，在工作臺的基板面下表面設有冷卻管路，基板面的冷卻管路與水冷機相連通，并通過水冷機提供循環冷卻水。

5.一種激光直接沉積成形方法，采用了權利要求1所述的可調節光斑能量分布的激光直接沉積成形系統，其特征在于包括如下步驟：

步驟一：在計算機中繪制成形件的三維模型，將模型文件加載到切片軟件中，通過切片軟件對模型文件進行切片并完成離散分層，通過對填充率、單層厚度、單道寬度、填充方式、搭接率、送粉速度、預熱溫度參數進行調控，生成最佳的沉積路徑，再對加工路徑與快速進給路徑進行區分，同時對加工路徑及快速進給路徑的速度參數進行分別設置，對于小于成形設備精度的短路徑進行過濾；

步驟二：調整擴束鏡組中第一凹透鏡與第一凸透鏡的軸向間距，調整光束整形鏡組中第一圓錐透鏡與第二圓錐透鏡的軸向間距，調整光斑能量調節鏡組中第二凸透鏡及第三凸透鏡的水平同軸位置；

步驟三：接通光纖激光器和水冷機，將原料粉末裝入同軸送粉機構的儲粉罐中，將惰性氣體源輸出的惰性保護氣經減壓后通過流量控制器，確保惰性保護氣的流量，惰性保護氣一路進入儲粉罐中，另一路進入加工送粉頭內；選擇或編輯需要執行的路徑文件，輸入激光功率、光斑大小、離焦量、送粉率、送粉氣體流量和掃描速度；

步驟四：開始沉積成形工作，在沉積成形過程中，每完成一層沉積后，都需要判斷成形件是否成形完成；若為否，則重新對光斑整形機構進行調節，以改變原有的光斑能量密度分布狀態，并重復進行沉積過程；若為是，則關閉流量控制器并停止送粉，等待成形件冷卻，沉積成形工作結束。