本實用新型涉及一種多種金屬粉末材料選擇性激光熔化成形裝置，屬于3D打印增材制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

3D打印技術(shù)是一種與傳統(tǒng)材料加工方法相反，基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過材料逐層疊加構(gòu)造三維物體的技術(shù)。3D打印是根據(jù)三維模型，以高分子塑料、光敏樹脂、金屬粉末、覆膜粉體等材料為原料，通過逐層疊加材料的原理來實現(xiàn)三維模型的制造。3D打印技術(shù)集CAD、機械自動化等技術(shù)于一體，簡化了制造程序，縮短新品研制周期，降低開發(fā)成本和風(fēng)險，被認為是第三次工業(yè)革命。

選擇性激光熔化成形技術(shù)（SLM）是3D打印技術(shù)領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。該技術(shù)利用高能束激光直接熔化金屬粉末，可成形高性能金屬零件。SLM成形時先在計算機上設(shè)計出零件的三維模型，然后對該三維模型進行切片分層，得到各截面的二維輪廓數(shù)據(jù)，隨后將處理完的數(shù)據(jù)導(dǎo)入成形設(shè)備。工作時送粉缸先上升一定高度，由刮刀將粉末在成型缸上均勻鋪上一層，計算機根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地熔化凝固金屬粉末材料以形成零件的一個層面。當該層輪廓掃描完畢后，重復(fù)上述步驟進行下一層面的激光熔化成形，直到整個零件加工完畢成三維金屬零件。該技術(shù)可制造形狀復(fù)雜的金屬制品，成形件力學(xué)性能好、精度高，在醫(yī)療、航空航天、軍事等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

目前SLM成形過程中，仍存在以下問題需要解決：

①基板難以自動調(diào)平。為了減小零件翹曲變形，通常將制品燒結(jié)在基板上，使制品與基板成為一體。目前基板調(diào)平主要是人工采用塞尺進行調(diào)平，調(diào)整過程繁瑣，精度低，降低了成形效率。

②鋪粉及制品孔隙率難以監(jiān)測。成形過程中鋪粉及制品內(nèi)部孔隙率直接影響制品組織性能。目前SLM成形過程中無法檢測鋪粉及制品內(nèi)部的孔隙率，如果該制品內(nèi)部空隙較多不合格，將重新進行成形，不僅降低了成形效率，而且浪費了材料。

③成形過程中熔池難以監(jiān)測。成形過程中，熔池穩(wěn)定性直接影響到成形制品的尺寸精度與力學(xué)性能。SLM成形時熔池受激光功率、光束掃描速度、氣體成分、氣流量、材料性能和層厚等因素影響較大，因此需要監(jiān)測系統(tǒng)拍攝速度要快，數(shù)據(jù)量較大，而且信號處理必須實施進行，常規(guī)監(jiān)測設(shè)置無法實現(xiàn)實時監(jiān)測。

④成形件易曲翹變形。成形過程中，成形件薄壁部分冷卻快，內(nèi)部溫度分布不均，容易引起成形件翹曲變形，降低制品性能，甚至成為廢件，從而降低成品率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種操作簡單，基板自動調(diào)平，鋪粉和制品孔隙率及熔池自動監(jiān)測，能夠控制零件翹曲變形，適用范圍廣的多種金屬粉末材料選擇性激光熔化成形裝置。

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案為：一種多種金屬粉末材料選擇性激光熔化成形裝置，包括成型腔，所述成型腔下部設(shè)置有收料缸、成型缸和送粉缸，所述成型缸位于收料缸和送粉缸之間，所述收料缸、成型缸和送粉缸內(nèi)均設(shè)置有升降裝置，所述升降裝置上設(shè)置有推料底板，所述收料缸、成型缸和送粉缸外均設(shè)置有加熱裝置和保溫層，所述成型缸內(nèi)底板上設(shè)置有基板，所述底板和基板之間安裝有調(diào)平油缸；

所述成型腔中部設(shè)置有滑軌，所述滑軌上滑動安裝有刮刀支架，所述刮刀支架通過皮帶與電機連接，所述刮刀支架的下部固定有鋪粉刮刀，所述刮刀支架上鉸接有滾筒架，所述滾筒架上安裝有壓實滾筒，所述滾筒架兩側(cè)安裝有扭力彈簧，所述壓實滾筒下方安裝應(yīng)力傳感器；

所述成型腔上部一側(cè)設(shè)置有采集鋪粉及制品孔隙率的電子顯微鏡，另外一側(cè)設(shè)置有高精度熔池監(jiān)測CCD相機，在所述電子顯微鏡和CCD相機之間安裝LED照明燈；

所述成型腔的頂部設(shè)置有激光掃描系統(tǒng)、定向加熱激光器和報警裝置，所述成型腔后壁設(shè)置有進排氣裝置，所述成型腔側(cè)壁上設(shè)置有主控系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述收料缸、成型缸和送粉缸內(nèi)的升降裝置為液壓升降裝置，或為機械升降裝置，所述升降裝置與主控系統(tǒng)相連接。

優(yōu)選地，所述收料缸、成型缸和送粉缸外的加熱裝置均為加熱板，所述加熱板內(nèi)為U型結(jié)構(gòu)連續(xù)布置的加熱管，所述保溫層為耐高溫硅酸鋁氈，厚度為20-30mm，所述加熱管與主控系統(tǒng)相連接。

優(yōu)選地，所述基板上設(shè)置有多個加熱槽，所述加熱槽內(nèi)設(shè)置有加熱絲和第二測溫電偶，所述加熱絲和第二測溫電偶均與主控系統(tǒng)相連接。

優(yōu)選地，所述調(diào)平油缸安裝在基板的四角，所述調(diào)平油缸的缸體固定在底板上，活塞桿固定在基板的底部，所述調(diào)平油缸與主控系統(tǒng)相連接。

優(yōu)選地，所述壓實滾筒下方的應(yīng)力傳感器包括變形體、電阻應(yīng)變式傳感器、AD轉(zhuǎn)換電路，所述應(yīng)力傳感器與主控系統(tǒng)相連接。

優(yōu)選地，所述電子顯微鏡和CCD相機的外部罩有透明保護罩，所述透明保護罩為透明石英玻璃，所述電子顯微鏡、CCD相機與主控系統(tǒng)相連接。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是：本實用新型實現(xiàn)了基板自動調(diào)平，省去人工調(diào)節(jié)的復(fù)雜程序；能夠監(jiān)測鋪粉及制品孔隙率，并且能夠進行報警，對成形粉進行重鋪、壓實或者調(diào)整工藝參數(shù)，提高了產(chǎn)品致密度；能夠?qū)崟r監(jiān)測熔池溫度、形狀及面積，并對成形精度及激光功率進行在線評估，從而保證成形穩(wěn)定性；能夠?qū)Τ尚渭M行定向加熱，實現(xiàn)成形件內(nèi)溫度均勻分布，防止成形過程中由于溫度分布不均引起的成形件曲翹變形；提高了成形件質(zhì)量及生產(chǎn)效率，對SLM成形技術(shù)的發(fā)展具有重要意義；并且適用范圍廣，能夠進行不銹鋼、模具鋼、鈷鉻合金、鎳合金、鋁合金、鐵基合金等材料的激光熔化成形。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的說明。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖一。

圖2為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖二。

圖3為本實用新型中成形缸的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實用新型中缸外加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本實用新型中基板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本實用新型中鋪粉裝置的結(jié)構(gòu)示意圖一。

圖7為本實用新型中鋪粉裝置的結(jié)構(gòu)示意圖二。

圖8為本實用新型中壓實滾筒下應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本實用新型中定向加熱激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10為本實用新型中報警裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11為本實用新型中氣路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖一。

圖12為本實用新型中氣路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖二。

圖中：1為成型腔、2為氧氣傳感器、3為透明保護罩、4為電子顯微鏡、5為LED照明燈、6為激光掃描系統(tǒng)、7為定向加熱激光器、8為報警裝置、9為CCD相機、12為進氣罩、13為主控系統(tǒng)、14為電機、15為皮帶、16為收料缸、17為成型缸、18為排氣罩、19為送粉缸、20為鋪粉刮刀、21為刮刀支架、22為扭力彈簧、23為應(yīng)力傳感器、24為滾筒架、25為轉(zhuǎn)輪、26為壓實滾筒、27為氣體循環(huán)裝置、28為排氣管道、29為進氣管道、30為密封罩、31為滑軌、32為刮刀固定螺栓、33為皮帶固定螺栓、35為加熱裝置、36為保溫層、37為保溫層固定螺栓、38為橫梁、39為基板、40為調(diào)平油缸、41為推料底板、42為活塞桿、43為液壓油缸、44為加熱管、45為第一測溫?zé)犭娕肌?6為加熱槽、47為第二測溫電偶、48為加熱絲、49為AD轉(zhuǎn)換電路、50為電阻應(yīng)變式傳感器、51為變形體、52為激光器、53為光纖、54為擴束鏡、55為掃描振鏡、56為L型定向管、57為聚焦鏡、58為上報警燈、59為中報警燈、60為下報警燈、61為蜂鳴器、62為支架。

具體實施方式

如圖1至圖5所示，一種多種金屬粉末材料選擇性激光熔化成形裝置，包括成型腔1，成型腔1下部設(shè)置有收料缸16、成型缸17和送粉缸19，成型缸17位于收料缸16和送粉缸19之間。收料缸16、成型缸17和送粉缸19內(nèi)均設(shè)置有液壓油缸43，液壓油缸43的活塞桿42上設(shè)置有推料底板。缸外設(shè)置有加熱裝置35和保溫層36，加熱裝置35為加熱板，加熱板內(nèi)為U型結(jié)構(gòu)連續(xù)布置的加熱管44和第一測溫?zé)犭娕?5，保溫層36為耐高溫硅酸鋁氈，厚度為20-30mm，加熱裝置35和保溫層36通過保溫層固定螺栓37和橫梁38將其固定在缸體上。所述成型缸17內(nèi)底板上設(shè)置有基板39，基板39上設(shè)置有多個加熱槽46，加熱槽46內(nèi)設(shè)置有加熱絲48和第二測溫電偶47。底板和基板39之間安裝有基板39調(diào)平油缸40，四個調(diào)平油缸40分別安裝在底板的四個角，調(diào)平油缸40的缸體固定在底板41上，活塞桿固定在基板39的底部。

如圖1、圖6至圖8所示，成型腔中部設(shè)置有滑軌31，刮刀支架21滑動安裝在滑軌31上，刮刀支架21通過皮帶15與電機14連接，皮帶固定螺栓33將皮帶15固定在刮刀支架21上，皮帶15另外一端與轉(zhuǎn)輪25連接，電機14和轉(zhuǎn)輪25分別安裝在成型腔1內(nèi)兩側(cè)。刮刀支架21的下部通過刮刀固定螺栓32固定有鋪粉刮刀20，滾筒架24的一端鉸接在刮刀支架21上，滾筒架24上安裝有壓實滾筒26，滾筒架24兩側(cè)安裝有扭力彈簧22，壓實滾筒26下方安裝應(yīng)力傳感器23。應(yīng)力傳感器23主要由變形體51、電阻應(yīng)變式傳感器50、AD轉(zhuǎn)換電路49構(gòu)成。在進行調(diào)平工作時，1）將壓實滾筒26調(diào)整到基板39最左側(cè)。此時壓實滾筒26下方安裝的應(yīng)力傳感器23將壓力數(shù)值傳到主控系統(tǒng)13，主控系統(tǒng)13將會根據(jù)應(yīng)力傳感器23反饋的數(shù)據(jù)調(diào)整基板39左側(cè)下面兩個調(diào)平油缸40的高度，使壓實滾筒26兩側(cè)安裝的應(yīng)力傳感器23數(shù)值一致。2）將壓實滾筒26調(diào)整到基板39最右側(cè)，主控系統(tǒng)13根據(jù)最左側(cè)應(yīng)力傳感器23的數(shù)值，調(diào)整基板39最右側(cè)下面兩個調(diào)平油缸40的高度，使最右側(cè)與最左側(cè)應(yīng)力傳感器23的數(shù)值一致。此時，整個基板39處于調(diào)平狀態(tài)。

如圖1所示，所述成型腔1上部一側(cè)設(shè)置有采集鋪粉及制品孔隙率的電子顯微鏡4，另外一側(cè)設(shè)置有高精度熔池監(jiān)測CCD相機9，CCD相機拍攝采樣速度大于2mm/s，形成的數(shù)據(jù)流大于520Mb/s。在電子顯微鏡4和CCD相機9之間安裝LED照明燈5。電子顯微鏡4和CCD相機9的外部罩有透明保護罩3，所述透明保護罩3為透明石英玻璃。檢測鋪粉及制品孔隙率時，1）電子顯微鏡4對鋪粉表面進行拍照，并將圖片信息反饋到主控系統(tǒng)13；2）主控系統(tǒng)13接收到圖片信息后，對鋪粉的孔隙進行自動識別、統(tǒng)計、分析；如果鋪粉的孔隙率滿足設(shè)定要求，則進行激光熔化成形；如果孔隙率超過設(shè)定要求，則啟動報警器8，提醒操作人員進行重新鋪粉，并對粉末進行壓實；3）熔化成形后，電子顯微鏡4對制品截面進行拍照，并將圖片信息反饋到主控系統(tǒng)13；4）主控系統(tǒng)13對制品截面的孔隙進行自動識別、統(tǒng)計、分析；如果制品截面的孔隙率滿足設(shè)定要求，則進行下一次的鋪粉及激光熔化成形；如果孔隙率超過設(shè)定要求，則啟動報警系統(tǒng)，提醒操作人員調(diào)整工藝參數(shù)。熔池實時監(jiān)測時，1）高精度熔池監(jiān)測CCD相機9對熔池進行拍照，并且將熔池圖片反饋到主控系統(tǒng)13，主控系統(tǒng)13對熔池溫度、形狀及面積進行分析，計算成形激光實際工作功率，并且與設(shè)定值進行對比；2）主控系統(tǒng)13根據(jù)上述信息，調(diào)整激光掃描系統(tǒng)6的功率，實現(xiàn)對金屬熔池的控制，從而實現(xiàn)對成形制品精度及力學(xué)性能的控制。

如圖1、圖9和圖10所示，所述成型腔的頂部設(shè)置有激光掃描系統(tǒng)6、定向加熱激光器7和報警裝置8。定向加熱激光器7包括L型定向管56、激光器52，L型定向管56的一端設(shè)置有聚焦鏡57，另一端設(shè)置有擴束鏡54和激光器52，L型定向管56內(nèi)還設(shè)置有掃描振鏡55。激光器52主要采用長脈沖激光器，長脈沖激光器52與擴束鏡54之間通過光纖53連接，定向加熱激光器52主要是對成形件截面進行加熱處理，無法使成形粉末或成形件進行熔化。所述報警裝置8主要由上報警器58、中報警器59、下報警器60和蜂鳴器61組成，報警裝置8工作電壓為24V，所述報警裝置8安裝在支架62上。

如圖1、圖2、圖11和圖12所示，所述成型腔1后壁設(shè)置有進排氣裝置。進排氣裝置主要由設(shè)置在成型腔內(nèi)的進氣罩12和排氣罩18，進氣罩12、排氣罩18均通過密封罩30、進氣管道29、排氣管道28與氣體循環(huán)裝置27相連接，氧氣傳感器2安裝在成型腔1的內(nèi)壁上。氧氣傳感器2用于測量成型腔內(nèi)氧氣含量，并將氧氣含量信息反饋給主控系統(tǒng)13，從而通過進氣循環(huán)裝置27調(diào)整惰性氣體進氣量。排氣罩18安裝在成型腔1前端，排氣罩18通過排氣管道28與進氣循環(huán)裝置27連接，實現(xiàn)保護氣體的供應(yīng)及循環(huán)。

所述成型腔1側(cè)壁上設(shè)置有主控系統(tǒng)13，上述所有裝置均與主控系統(tǒng)13相連。上面結(jié)合附圖對本實用新型的實施例作了詳細說明，但是本實用新型并不限于上述實施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本實用新型宗旨的前提下作出各種變化。