一种可变光路的多成形缸不间断打印激光选区熔化设备

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，尤其涉及一种可变光路的多成形缸不间断打印激光选区熔化设备。

背景技术

增材制造技术(又称为“3D打印”)是融合了新材料、信息与制造等多学科技术，被誉为有望产生“第三次工业革命”的代表技术，其中金属增材制造已经成为先进制造领域发展最快、最具前景的技术之一。

激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)是一种典型的增材制造技术，通过将金属粉末颗粒逐层熔化实现三维复杂精密零部件的制造。由于SLM工艺基于逐层铺粉的静止态粉末，可以设计制造辅助支撑结构，从而实现几乎任意复杂形状的零部件制造。与传统加工方法相比，除了可以制造出具有复杂结构的部件，SLM工艺可以实现微米级别的精密制造，减少增材结构的后处理时间，尤其在小批量、高精度、高品质复杂金属构件的材料-结构-性能一体化成形制造具有显著的优势。基于以上特点，SLM技术在航空航天、生物医学、机械电子和汽车交通等领域得到了广泛的应用。

然而，现有的SLM设备虽然在金属制造领域具有很多优点，但仍存在一些不足之处：一是SLM技术需要使用昂贵的激光设备和高质量的金属粉末，设备与粉末的购置以及后续的维护会使得制造成本较为高昂；二是传统SLM设备在铺粉并完成该层粉末的打印工作后，刮刀需要从左极限位置复位至右极限再开始新一层的铺粉工作，延长了工作时间，降低了成形效率；三是传统SLM设备一次只能进行单个成形缸中的成形工作，工件成形后还需进行清粉以及基板的更换，制造速度相对较慢，制约了其在批量生产中的应用。因此，有必要进一步优化激光选区熔化设备，在提高成形效率的同时降低成本，提高经济效益。

现有技术公开了一种缸体旋转式多工位环形铺粉激光选区熔化成型设备，该设备的特点包括：1)为送粉式装置，刮刀中空并设有进料口和出料口，与粉仓相连固定在缸体上方，缸体固定在转台上随着转台一起转动，粉末通过刮刀进入粉缸，再由刮刀进行铺粉；2)缸体上共设有六个粉缸用于成形零件，按圆周阵列的方式均匀分布于缸体上；3)光路系统位于缸体上方，能随着缸体一起转动，光路系统共设有6个激光器，与六个粉缸一一对应，以满足多成型缸的成形工作。但该装置通过送粉的方式进行铺粉难免会导致铺粉不均，转动的缸体也会使粉缸中的粉末运动，从而影响成形质量，同时，光路系统中设置六个激光器虽然确保了每个缸体的光路需求，但是成本过高，不适合一般使用。

现有技术公开了一种可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备，该设备的特点包括：1)在成形腔中具有可更换的粉缸，可在成形过程中进行粉缸的更换，同时回粉缸成形缸等部件的位置排布便于各粉缸的更换，可减少更换粉缸对成形过程的影响，提高成形的效率；2)具有两个光路系统，光斑大小不同，可利用大光斑对金属粉末进行预热及缓冷，提高材料对激光的吸收率，再利用小光斑成形，聚焦性能好，能量稳定，可提高成形效率、精度和质量。但该方法仍是采用传统的铺粉装置，工作效率较低，粉缸的更换需要人为操作，在设备工作时工作人员的安全问题难以得到保障，两个光路系统也使得设备整体成本较高。

现有技术公开了一种基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备，该设备的特点包括：1)具有两组光纤激光机，每一组光纤激光器都包括一个低功率和一个高功率光纤激光器；2)具有两个工位，通过多组扫描振镜单元和螺旋丝杆的协同工作，可以实现两个工作区域之间的交替成形；3)在成形零件时，先使用低功率光纤激光器对成形金属零件的边界描边4～10层，在使用高功率光纤激光器对轮廓内部进行填充，从而极大程度减少激光扫描时间，提高4～5倍成形效率。但众多的激光器以及不同功率的多个激光束使得光路系统复杂性大大提高，需要更多的光学元件和控制系统，成本增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变光路的多成形缸不间断打印激光选区熔化设备，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种可变光路的多成形缸不间断打印激光选区熔化设备，包括本体，所述本体内由上至下依次设有第一腔体、第二腔体和第三腔体，所述第一腔体内设有光路机构，所述光路机构包括激光器，所述激光器的一侧安装有反光部，所述反光部包括安装在所述第一腔体内的主反光镜和反光组，所述第一腔体和所述第二腔体之间安装有多个光学透镜，所述反光组和所述光学透镜对应设置，所述第二腔体内转动连接有转台，所述转台上安装有刮刀，所述第三腔体内等间隔安装有成形组，所述成形组与所述第二腔体内连通，所述本体外侧安装有控制机构，所述控制机构分别与所述光路机构、所述转台和所述成形组电性连接。

优选的，所述光路机构还包括固接在所述第一腔体内的屋脊反射器，所述屋脊反射器的上方固接有扩束镜，所述屋脊反射器和所述扩束镜位于所述激光器和多个所述反光组之间，所述屋脊反射器和所述扩束镜位于同一轴线上，所述第一腔体内还固接有收束镜，所述收束镜和所述主反光镜位于同一轴线上。

优选的，所述反光组包括第一副反光镜、第二副反光镜和第三副反光镜，所述第一副反光镜上安装有第一驱动电机，所述第二副反光镜上安装有第二驱动电机，所述第三副反光镜上安装有第三驱动电机，所述第一驱动电机、所述第二驱动电机和所述第三驱动电机分别与所述控制机构电动连接，所述第一副反光镜、所述第二副反光镜和所述第三副反光镜绕所述主反光镜等间隔设置，所述第一副反光镜、所述第二副反光镜和所述第三副反光镜的下方分别设有所述光学透镜。

优选的，所述成形组包括安装在所述第三腔体内的第一成型件、第二成形件和第三成形件，所述第一成形件、所述第二成形件和所述第三成形件分别以所述主反光镜为轴心等间隔设置。

优选的，所述第一成形件包括安装在所述第三腔体内的第一粉料缸和第一成形缸，所述第一粉料缸和第一成形缸上分别滑动连接有滑轨，所述滑轨固接在所述第三腔体支撑柱壁面上，所述第一成形缸远离所述第一粉料缸的一侧设有第一回收缸，所述第一成形缸、第一粉料缸和第一回收缸分别与所述第二腔体内连通。

优选的，所述第二成形件包括安装在所述第三腔体内的第二粉料缸和第二成形缸，所述第二粉料缸和第二成形缸上分别滑动连接有所述滑轨，所述第二成形缸远离所述第二粉料缸的一侧设有第二回收缸，所述第二成形缸、第二粉料缸和第二回收缸分别与所述第二腔体内连通。

优选的，所述第三成形件包括安装在所述第三腔体内的第三粉料缸和第三成形缸，所述第三粉料缸和第三成形缸上分别滑动连接有所述滑轨，所述第三成形缸远离所述第三粉料缸的一侧设有第三回收缸，所述第三成形缸、第三粉料缸和第三回收缸分别与所述第二腔体内连通。

优选的，所述主反光镜上安装有主电机，所述主电机与所述控制机构电动连接，所述主电机与所述第一腔体的底面固接，所述控制机构用于整个工作系统的自动化操作。

本发明公开了以下技术效果：在第二腔体内成形组完成铺粉工作后，可实时反馈给控制机构，并调节光路机构内的反光镜角度，以控制光路方向，实现光路的变换功能；通过可变光路和成形组的协同工作，控制机构上安装了专门的控制程序，可以接收和处理输入信号，然后通过输出信号来控制电机的运行，以此进行全局调控。本发明能够通过一个激光器实现成形组不间断打印的激光选区熔化成形功能，从而提高工作效率。本发明采用的铺粉方式缩短了铺粉行程，减少了铺粉时间，并提高了金属零件的成形效率。

本发明由控制机构自动化控制，实现了可变光路与多成形缸的协同工作。同时，全自动化操作的整体流程减少了人力浪费，保障了使用者的自身安全，提高了工作效率。综合来看，本发明的设计具有较高的整体经济性、安全性、准确性、工作效率以及实用性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明可变光路的多成形缸不间断打印激光选区熔化设备的主视图；

图2为本发明的后视图；

图3为本发明的轴测图；

图4为光路机构的主视图；

图5为光路机构的俯视图；

图6为第二腔体的俯视图。

图中：1、本体；2、第一副反光镜；3、第三副反光镜；4、收束镜；5、主反光镜；6、主电机；7、第二副反光镜；8、扩束镜；9、屋脊反射器；10、激光器；11、刮刀；12、控制机构；13、第二成形缸；14、第二粉料缸；15、第二回收缸；16、滑轨；17、第一回收缸；18、第一成形缸；19、第一粉料缸；20、转台；21、第二腔体；22、光学透镜；23、第三回收缸；24、第三成形缸；25、第三粉料缸。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-6所示，本发明提供一种可变光路的多成形缸不间断打印激光选区熔化设备，包括本体1，本体1内由上至下依次设有第一腔体、第二腔体21和第三腔体，第一腔体内设有光路机构，光路机构包括激光器10，激光器10的一侧安装有反光部，反光部包括安装在第一腔体内的主反光镜5和反光组，第一腔体和第二腔体21之间安装有多个光学透镜22，反光组和光学透镜22对应设置，第二腔体21内转动连接有转台20，转台20上安装有刮刀11，第三腔体内等间隔安装有成形组，成形组与第二腔体21内连通，本体1外侧安装有控制机构12，控制机构12分别与光路机构、转台20和成形组电性连接。

在第二腔体内成形组完成铺粉工作后，可实时反馈给控制机构12，并调节光路机构内的反光镜角度，以控制光路方向，实现光路的变换功能；通过可变光路和成形组的协同工作，控制机构12上安装了专门的控制程序，可以接收和处理输入信号，然后通过输出信号来控制电机的运行，以此进行全局调控。本发明能够通过一个激光器10实现成形组不间断打印的激光选区熔化成形功能，从而提高工作效率。

进一步优化方案，光路机构还包括固接在第一腔体内的屋脊反射器9，屋脊反射器9的上方固接有扩束镜8，屋脊反射器9和扩束镜8位于激光器10和多个反光组之间，屋脊反射器9和扩束镜8位于同一轴线上，第一腔体内还固接有收束镜4，收束镜4和主反光镜5位于同一轴线上。

进一步优化方案，反光组包括第一副反光镜2、第二副反光镜7和第三副反光镜3，第一副反光镜2上安装有第一驱动电机，第二副反光镜7上安装有第二驱动电机，第三副反光镜3上安装有第三驱动电机，第一驱动电机、第二驱动电机和第三驱动电机分别与控制机构12电动连接，第一副反光镜2、第二副反光镜7和第三副反光镜3以主反光镜5为轴心等间隔设置，第一副反光镜2、第二副反光镜7和第三副反光镜3的下方分别设有光学透镜22。

第一副反光镜2、第二副反光镜7和第三副反光镜3位于以主反光镜5为圆心的圆周上，任意两个相邻副反光镜间隔120°；屋脊反射器9与扩束镜8位于同一轴线上，收束镜4与主反光镜5位于同一轴线上，两条轴线平行，便于激光的传导。

光路机构由控制机构12控制激光器10发射激光，通过光纤传导至屋脊反射器9，再通过扩束镜8和收束镜4控制激光束大小后传导至主反光镜5，最后反射给对应副反光镜形成所需要的光束，通过光学透镜22聚焦激光烧结对应成形缸表面的金属粉末。

进一步优化方案，成形组包括安装在第三腔体内的第一成型件、第二成形件和第三成形件，第一成形件、第二成形件和第三成形件分别以主反光镜5为轴心等间隔设置。

进一步优化方案，第一成形件包括安装在第三腔体内的第一粉料缸19和第一成形缸18，第一粉料缸19和第一成形缸18上分别滑动连接有滑轨16，滑轨16固接在第三腔体支撑柱壁面上，第一成形缸18远离第一粉料缸19的一侧设有第一回收缸17，第一成形缸18、第一粉料缸19和第一回收缸17分别与第二腔体21内连通。

进一步优化方案，第二成形件包括安装在第三腔体内的第二粉料缸14和第二成形缸13，第二粉料缸14和第二成形缸13上分别滑动连接有滑轨16，滑轨16与第三腔体的底面固接，第二成形缸13远离第二粉料缸14的一侧设有第二回收缸15，第二成形缸13、第二粉料缸14和第二回收缸15分别与第二腔体21内连通。

进一步优化方案，第三成形件包括安装在第三腔体内的第三粉料缸25和第三成形缸24，第三粉料缸25和第三成形缸24上分别滑动连接有滑轨16，滑轨16与第三腔体的底面固接，第三成形缸24远离第三粉料缸25的一侧设有第三回收缸23，第三成形缸24、第三粉料缸25和第三回收缸23分别与第二腔体21内连通。

进一步优化方案，主反光镜5上安装有主电机6，主电机6与控制机构12电动连接，主电机6与第一腔体的底面固接。

粉料缸、成形缸和废料通道在俯视图下以逆时针方向排列在第二腔体21底部，任意同类型的相邻构件间隔120°呈圆周阵列。

控制机构12通过数条设备内置电缆与每个电机物理连接，这些电缆用于传输控制信号和电源信号；控制机构12通过电缆输出控制信号来控制电机的转速、方向和其他相关参数，从而控制转台20的旋转速度以及主反光镜5与副反光镜角度的变化，转台20旋转带动刮刀11做圆周铺粉运动；粉料缸、成形缸分别与滑轨16连接，由控制机构12控制电机，实现粉料缸与成形缸沿滑轨16的上下运动。

控制机构12每控制转台20旋转120°完成某一成形系统的铺粉工作，转台20处的电机都会通过电缆向控制机构12输入信号，控制程序会对这些信号进行解析和处理，根据控制机构12上预先设定的算法和逻辑，控制程序会生成相应的输出信号，信号通过电缆传输到与主反光镜5相连的主电机6，带动控制主反光镜5旋转120°至对应副反光镜方向，以此实现可变光路与成形系统的协同工作；刮刀11铺粉工作的速度由控制机构12进行调整，主反光镜5接收信号旋转方向后，与转台20相连的电机也会收到控制机构12输出的信号，根据激光成形速度改变旋转速度，使铺粉时间与激光选区熔化成形工作所需时间相等，以此实现不间断打印功能。

刮刀11长度与废料通道长度相等，粉料缸与成形缸尺寸相同，刮刀11略长于粉料缸与成型缸直径；三个光学透镜22分别位于第一成形缸18、第二成型缸、第三成型缸正上方。

控制机构12位于设备主体外侧，可控制激光器10发射及关停激光、转台20的转动、主反光镜5的角度变化、副反光镜的角度微调、成形缸粉料缸沿滑轨16的上下升降，用于整个工作系统的自动化操作。

本发明通过在第二腔体21中心转台20上设置的单向旋转刮刀11对三个成形缸进行不间断铺粉，从而有效解决了传统激光选区熔化设备加工效率低等问题。与传统的铺粉方法相比，本发明采用的铺粉方式缩短了铺粉行程，减少了铺粉时间，并提高了金属零件的成形效率。

光路机构中设置了可变光路，仅安装一个激光器10就能满足三个成形缸零件成形的需求，控制机构12通过电缆实现控制信号的传递也保证设备能够对操作进行及时反应，保证了加工的精度。大大降低了设备的成本，并提高了整体经济效益；多粉缸多成形缸的设计使设备在进行成形工作时也可以完成铺粉工作，从而有效提高工作效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。