[发明专利]一种可分离的选区快速成形设备

说明书

技术领域

本发明属于快速成形领域，具体涉及到一种分离式的选区熔化、烧结快速成形设备，成形的零部件可以为金属、非金属或金属与非金属的复合材料。

背景技术

增材制造技术(Additive Manufacturing)，又称3D打印技术，是一种基于离散材料逐层堆积成形原理，依据产品三维CAD模型，通过材料逐层堆积出产品原型或零部件的新型制造技术。

基于铺粉的选区熔化、烧结快速成形技术由于可利用辅助结构和松散粉末作为支撑，因此可以制造几乎任意形状的零件，在众多增材制造技术中最受关注。它的基本工作原理是在工作缸内平铺一定厚度的粉末，依照计算机的控制，高能束(激光或电子束等)通过扫描的方式按照三维零部件图形的切片处理结果选择性地熔化、烧结预置粉末层。随后工作缸下降一个切片厚度并再次铺粉，高能束在扫描系统的带动下再次按照三维图形数据完成零部件下一层的制造。如此重复铺粉、高能束扫描和工作缸下降等工序，从而实现三维零部件的整体制造。

选区熔化、烧结快速成形设备的研制是该技术应用的重要途径，它主要包括高能束发生器、扫描系统、保护腔体、成形机床、气氛保护系统和控制系统等部分，其中扫描系统、保护腔体和成形机床决定了设备所能成形零件的最大尺寸。以高能束为激光束为例，世界上第一台商用激光选区熔化快速成形设备于2003年由英国MCP集团MCP-HEK分公司推出。近年来，德国、英国和中国等的一些研究单位和高技术公司也纷纷研制出不同规格的激光选区熔化快速成形设备，如德国EOS公司研制的M270和M280、英国RENISHAW公司的MTT250、Concept Laser公司的M1和M2、华中科技大学武汉光电国家实验室研制的NRD-I和NRD-II等型号。受f-θ组合透镜的扫场限制，国内外商用的激光选区熔化快速成形设备的成形幅面一般为250mm×250mm。以高能束为电子束为例，瑞典Acram公司先后推出了A1和A2型电子束选区熔化快速成形设备，成形幅面一般为250mm×250mm。目前，上述设备均采用在保护腔体侧壁开设操作门的设计，成形前的准备工作和成形后取出零件都是通过操作门完成。对于选区熔化、烧结快速成形设备而言，扫描系统的工作焦距决定了保护腔体的高度，因而也限制了操作门的最大尺寸。目前，受高能束扫描系统的扫描幅面和工作焦距限制，选区熔化、烧结所能成形零件的最大高度仅为400mm，以保证成形零件能从保护腔体侧壁工作门顺利取出。

由于选区熔化、烧结技术能够获得高表面质量、高精度的复杂精密构件，在航空航天等领域有广泛的应用空间，对大型零件的需求也越来越多。因此，为满足不同应用需求，选区熔化、烧结快速成形设备的研制也逐渐向成形大型零件的方向发展。主要有两种途径：一是扩大成形幅面，如中国专利文献“直接制造大型零部件的选区激光熔化快速成型设备”(公开号为CN102266942A)描述了通过多个扫描振镜拼接或扫描振镜移动制造大型金属零件。二是在扩大幅面的基础上增加成形零件的高度。但是，在保证粉末充分熔化或烧结的工艺要求下，高能束扫描系统的工作焦距可变范围很小，保护腔体的高度增加有限，无法再通过侧壁开门的方式取出大型零件，成为了大型选区熔化、烧结快速成形设备开发亟需解决的难题。

发明内容

为解决上述难题，本发明提出了一种可分离的选区熔化、烧结快速成形设备，该设备不受成形零件的尺寸和形状限制，可以从设备成形腔体内方便地取出任意尺寸的成形零件。

本发明提供的一种选区快速成形设备，其特征在于，它包括扫描系统、保护腔体、腔体支撑、成形机床和控制系统；

扫描系统位于保护腔体的上方，用于实现高能束聚焦和扫描，保护腔体通过管道与气氛保护系统相连；

保护腔体安装有腔体支撑，使其位于成形机床上方，成形机床或保护腔体设置有升降机构和运动机构，成形机床与保护腔体之间通过升降机构实现上下脱开；成形机床或保护腔体通过运动机构实现移动或转动，使二者能够相互分离；

成形机床的工作台面安装有密封结构，使保护腔体下表面与成形机床上表面贴紧时起密封作用；

控制系统分别与高能束发生器组、扫描系统、升降机构和运动机构电信号连接，以控制高能束发生器组的开启、高能束扫描、升降机构和运动机构的运动；

由高能束发生器组出射的高能束经扫描系统聚焦后射入至保护腔体内部，聚焦后的高能束的焦点位于成形机床的工作台面，聚焦后的高能束对工作台面上铺设的粉末进行扫描，实现粉末的熔化或烧结成形。

具体而言，本发明具有以下技术效果：