CN104259461B - 基于同轴送丝的激光三维制造方法与同轴送丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同轴送丝的激光三维制造方法与同轴送丝装置，包括真空箱体、密封设置在真空箱体内的环形光束发生装置及丝材输送打印装置，所述环形光束发生装置包括圆锥镜、内圆锥镜及环形凹面镜，所述丝材输送打印装置包括送丝管、矫直机构、打印喷头及加热装置；所述送丝管与所述环锥形光束同轴；圆锥镜与内圆锥镜产生中空环形光束，通过环形凹面镜将环形光束转换成垂直的环锥形光束，再将送丝管与环锥形光束同轴设置，丝材垂直送入，经矫直机构矫直，解决了现有送丝工艺方法中因丝材弯曲产生的送丝精度差的问题，消除了加工过程中因光束离焦波动对加工质量造成的不利影响；装置结构简单，光丝耦合连续稳定，加工质量高，成本低廉，显著节约了成本投入。

Description

基于同轴送丝的激光三维制造方法与同轴送丝装置

技术领域

本发明属于三维成型制造领域，涉及一种基于同轴送丝的激光三维制造方法与同轴送丝装置。

背景技术

三维打印技术就是在计算机中将三维CAD模型分成若干层，通过打印设备在一个平面上按照CAD层图形，将塑料、金属甚至生物组织活性细胞等材料烧结或者黏合在一起，然后再一层一层的叠加起来。通过每一层不同的图形的累积，最后形成一个三维物体。

金属零件三维打印技术作为整个三维打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。随着科技发展及推广应用的需求，利用三维打印技术直接制造金属功能零件成为了三维打印主要的发展方向。目前可用于直接制造金属功能零件的三维打印成型工艺主要有：选区激光熔化(SLM)、电子束选区熔化(EBM)、激光近净成形(LENS)等。

但是，现有金属三维打印成型工艺材料均为金属粉末材料，三维打印金属粉末除需具备良好的可塑性外，还必须满足粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。金属粉末制备工艺的发展、制备粉末的性能及粉末制备的成本，严重影响了金属零件三维打印的发展。另外，由粉末性质决定的送粉量和均匀性控制困难、粉末利用率低、发散在光束外的处于半熔状态的粉末易粘附于成型零件表面，影响表面质量等不足，也制约着金属零件三维打印的发展。

相比之下，金属熔融挤压成型可避开送粉带来的一些问题，金属熔融挤压成型工艺容易实现精确控制，送料精度高；材料利用率高；能量利用率高；无散发性；对环境无污染；价格低廉等优点，具有极大的发展空间，是发展金属材料三维打印制造技术的重要方向之一，目前金属熔融挤压成型工艺尚存在许多问题未得到较好解决。如何将激光和被熔材料同步传输至加工成型位置，并使金属材料连续、准确、均匀地投入到加工面上按预定轨迹作扫描运动的聚焦光斑内，实现光料精确耦合，仍然是金属熔融挤压成型技术发展急需解决的一大关键问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可实现光、料精确耦合的同轴送丝的激光三维制造方法与同轴送丝装置。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种同轴送丝装置，包括真空箱体、密封设置在真空箱体内的环形光束发生装置及丝材输送打印装置，所述环形光束发生装置包括相互配合并产生中空环形光束的圆锥镜与内圆锥镜，以及倾斜设置并将中空环形光束转换成环锥形光束的环形凹面镜，所述圆锥镜与内圆锥镜同轴设置，所述环锥形光束轴线与环形光束轴线相垂直；所述丝材输送打印装置包括用于输送丝材的送丝管、设置在送丝管上的矫直机构、打印喷头及设置在打印喷头上方的加热装置；所述送丝管与所述环锥形光束同轴。

进一步，所述打印喷头与环锥形光束同轴。

本发明还提供了一种利用上述同轴送丝装置进行激光三维制造的方法，主要包含以下步骤：

(1)激光器发射出的激光束由圆锥镜、内圆锥镜依次切割变向，形成中空无光的环形光束；

(2)环形光束再经由倾斜设置的环形凹面镜换向，形成半径渐减的环锥形光束；

(3)丝材由置于环锥形光束中心处的送丝管输送至工作底板上，输送过程中，丝材依次经过矫直机构矫直与加热装置加热，最终由打印喷头挤出；

(4)挤出的丝材在环锥形光束的照射及加工表面的熔池热传导共同作用下被加热、熔化而进入熔池内，打印喷头按预先设定好的路径行走，分层喷出丝材并层层叠加，直至完成整个工件。

本发明的有益效果在于：解决了现有送丝工艺方法中因丝材弯曲产生的送丝精度差的问题，消除了加工过程中因光束离焦波动对加工质量造成的不利影响；装置结构简单，光丝耦合连续稳定，加工质量高；环形光束轴线发生垂直变化，真正实现了送丝管与所述环锥形光束的同轴设置；加热装置预热金属材料，激光功率要求不高，使用维护方便，成本低廉，显著节约了成本投入。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图所示，本发明所述的同轴送丝装置，包括真空箱体、密封设置在真空箱体内的环形光束发生装置及丝材输送打印装置，所述环形光束发生装置包括相互配合并产生中空环形光束的圆锥镜1与内圆锥镜2，以及倾斜设置并将中空环形光束转换成环锥形光束的环形凹面镜3，所述圆锥镜1与内圆锥镜2同轴设置，所述环锥形光束轴线a与环形光束轴线b相垂直；所述丝材输送打印装置包括用于输送丝材的送丝管5、设置在送丝管5上的矫直机构6、打印喷头7及设置在打印喷头7上方的加热装置8；所述送丝管5、打印喷头7与所述环锥形光束同轴。

在本实施例中，环形光束发生装置与丝材输送打印装置垂直布置，圆锥镜1轴线与送丝管5轴线互相垂直，圆锥镜1不会再对送丝管5上端产生干涉作用，消除了因圆锥镜1设置而引发的金属丝材弯曲问题，同时矫直机构6再辅助作用，显著提高了送丝精度，真正实现了同轴送丝；打印喷头7上方的加热装置8可预热金属材料，降低了激光功率节约了成本，光丝耦合连续稳定，加工质量高。

利用上述同轴送丝装置进行激光三维制造的方法，主要包含以下步骤：

(1)激光器发射出的激光束由圆锥镜1、内圆锥镜2依次切割变向，形成中空无光的环形光束；

(2)环形光束再经由倾斜设置的环形凹面镜3换向，形成半径渐减的环锥形光束；

(3)丝材由置于环锥形光束中心处的送丝管5输送至工作底板9上，输送过程中，丝材依次经过矫直机构6矫直与加热装置8加热，最终由打印喷头7挤出；

(4)挤出的丝材在环锥形光束的照射及加工表面的熔池热传导共同作用下被加热、熔化而进入熔池内，打印喷头7按预先设定好的路径行走，分层喷出丝材并层层叠加，直至完成整个工件。

本发明所述的送丝、熔融、挤出、加工成型全过程均在惰性气氛保护环境下进行；具体涉及的金属材料包含纯金属与合金，纯金属材料可为铁、铜、铝、锡、镍、金、银、铅或锌等，合金材料可为不锈钢、钛合金、铝合金、镁合金、镁铝合金、镍基合金、钴铬合金及钨合金等。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种同轴送丝装置，包括真空箱体、密封设置在真空箱体内的环形光束发生装置及丝材输送打印装置，其特征在于：所述环形光束发生装置包括相互配合并产生中空环形光束的圆锥镜与内圆锥镜，以及倾斜设置并将中空环形光束转换成环锥形光束的环形凹面镜，所述圆锥镜与内圆锥镜同轴设置，所述环锥形光束轴线与环形光束轴线相垂直；所述丝材输送打印装置包括用于输送丝材的送丝管、设置在送丝管上的矫直机构、打印喷头及设置在打印喷头上方的加热装置；所述送丝管与所述环锥形光束同轴。

2.根据权利要求1所述的同轴送丝装置，其特征在于：所述打印喷头与环锥形光束同轴。

3.一种基于权利要求1-2任一项所述的同轴送丝装置的激光三维制造方法，其特征在于主要包含以下步骤：

(1)激光器发射出的激光束由圆锥镜、内圆锥镜依次切割变向，形成中空无光的环形光束；

(2)环形光束再经由倾斜设置的环形凹面镜换向，形成半径渐减的环锥形光束；

(3)丝材由置于环锥形光束中心处的送丝管输送至工作底板上，输送过程中，丝材依次经过矫直机构矫直与加热装置加热，最终由打印喷头挤出；

(4)挤出的丝材在环锥形光束的照射及加工表面的熔池热传导共同作用下被加热、熔化而进入熔池内，打印喷头按预先设定好的路径行走，分层喷出丝材并层层叠加，直至完成整个工件。