[发明专利]多激光直线束印刷式扫描快速成形制造零件的设备及方法

摘要

本发明提供一种多激光直线束印刷式扫描快速成形制造零件的设备及方法，设备包括在同一平面内并排平行布置的n个激光光纤直线线阵(1)、前铺粉刮刀(2)、后铺粉刮刀(3)、铺粉装置和总控制器；优点为本发明成形速度快，不需要点线扫描，直接通过线能量传递；本发明结构简单，无需振镜等激光扫描结构；本发明传热均匀，有效缓解了点线扫描能量输入的不均匀性；本发明更易于制造大尺寸成形装备，适合工业化制造应用。

主权项

一种基于多激光直线束印刷式扫描快速成形制造零件的设备的方法，其特征在于，多激光直线束印刷式扫描快速成形制造零件的设备包括在同一平面内并排平行布置的n个激光光纤直线线阵(1)、前铺粉刮刀(2)、后铺粉刮刀(3)、铺粉装置和总控制器；其中，每个所述激光光纤直线线阵(1)均包括直线框体(1.1)，所述直线框体(1.1)连接有x向驱动电机，通过所述x向驱动电机，驱动所述直线框体(1.1)在成形台上方的x向进行水平移动；所述直线框体(1.1)的纵向中心线位置等间距安装有若干个光纤固定套筒，每个所述光纤固定套筒的内部均固定有1个光纤头(1.2)，所述光纤头(1.2)的激光发射方向为垂直向下或倾斜向下；每个所述光纤头(1.2)均连接有1台激光发生器；通过对各个激光光纤直线线阵(1)的光纤头(1.2)的倾斜角度进行调节，使所有激光光纤直线线阵(1)的激光发生器通过光纤头(1.2)所发射的激光束在成形台表面形成的激光光斑(1.3)位于同一直线上；n个激光光纤直线线阵(1)的前后两侧分别固定安装所述前铺粉刮刀(2)和所述后铺粉刮刀(3)，当n个激光光纤直线线阵(1)进行x向同步运动时，带动所述前铺粉刮刀(2)和所述后铺粉刮刀(3)进行同步运动；所述总控制器分别与所述铺粉装置、每个所述激光光纤直线线阵(1)的x向驱动电机以及每个所述激光光纤直线线阵(1)的各个激光发生器连；其中，每个所述激光光纤直线线阵(1)还包括y向驱动电机，通过所述y向驱动电机，驱动所述直线框体(1.1)在成形台上方的y向进行水平移动,从而调整各个所述激光光纤直线线阵(1)的光纤头(1.2)在水平面的交错度，进而调整不同的光纤头所形成的激光光斑在同一直线上的重叠度，进而调节线性排列的激光光斑的能量分布；所述y向驱动电机也连接到所述总控制器；其中，每个所述光纤头(1.2)的出射光方向还安装有至少一个微透镜；通过所述微透镜，调节所述光纤头(1.2)形成的激光光斑的直径和能量分布；对于激光光纤直线线阵中的每个光纤头，由于光线传导的激光输出总会有一定的发散角，尚无法实现直接熔化成形，因此需要在输出后端架设微透镜调节光斑的大小与能量分布，微透镜需要将激光束准直并且重新分布能量，达到固定的光斑直径，这些统一直径的光斑线性排列，构成直线式光幕，根据实际调整情况，每根光纤对应的微透镜不止一个，形成微透镜组，透镜组的功能为准直和聚焦；所述基于多激光直线束印刷式扫描快速成形制造零件的设备的方法，包括以下步骤：步骤1，在计算机上生成待加工零件的三维CAD模型；步骤2，对所述三维CAD模型进行切片，得到按自下而上方向编号分别为截面1、截面2…截面n的n个截面的轮廓信息；步骤3，建立xyz坐标系，其中，x方向为成形运动方向，y方向与x方向位于同一成形水平面；z方向为垂直于成形水平面的方向；将n个激光光纤直线线阵(1)置于成形平台上方，各个激光光纤直线线阵(1)的光纤头在成形平面形成的激光光斑位于同一直线上，且使激光光斑阵列排列方向与y方向相同；在每个光纤头(1.2)的出射光方向安装至少一个微透镜；总控制器按成形精度要求驱动各个y向驱动电机动作，从而调整位于同一直线的激光光斑阵列中各激光光斑的直径以及能量分布；步骤4，n个激光光纤直线线阵(1)的前方安装前铺粉刮刀(2)，n个激光光纤直线线阵(1)的后方安装后铺粉刮刀(3)；当需要沿x正方向进行成形运动时，总控制器提升后铺粉刮刀(3)，下降前铺粉刮刀(2)；步骤5，首先成形截面1，包括：步骤5.1，总控制器根据控制精度需求控制n个激光光纤直线线阵(1)、前铺粉刮刀(2)和后铺粉刮刀(3)同步进行x正方向的移动速度，在移动过程中，前铺粉刮刀(2)首先将粉末铺设于成形平台表面；然后，当n个激光光纤直线线阵(1)移动到已铺粉的某一直线X1上方时，其中，直线X1为与y轴平行、与x轴垂直的某条直线，总控制器根据截面1在对应的X1位置的轮廓宽度以及轮廓两端点位置，控制对应的部分激光器打开，而剩余激光器关闭，进而使n个激光光纤直线线阵(1)形成与轮廓宽度和轮廓位置均一致的激光光斑线阵，从而将对应的粉末熔化成形；步骤6，当截面1成形结束后，总控制器下降后铺粉刮刀(3)，抬升前铺粉刮刀(2)，控制n个激光光纤直线线阵(1)、前铺粉刮刀(2)和后铺粉刮刀(3)同步进行x负方向的移动，并且，实时根据待成形截面在对应位置的轮廓宽度以及轮廓两端点位置，控制对应的部分激光器打开，而剩余激光器关闭，实现粉末熔化成形过程；如此不断循环，即可成形得到最终零件；具体的，零件的三维数模输入上位机软件后，由软件处理系统将零件数模进行切片处理，确定每一层切片的图形轮廓及切片的厚度；然后经过上位机与PLC或DSP的协议接口，通过PLC或DSP具体控制激光器的开闭，刮刀与激光线阵的移动速度，激光发射的功率以及每一层铺粉的厚度，每一切片层厚范围：0.01mm—3mm；铺粉刮刀负责铺设每一层的粉末材料，刮刀材料采用金属、陶瓷或橡胶高分子材料；激光线阵通过控制器的调节负责移动熔化焊合粉末在每一层的选择区域内，激光线阵与刮刀的移动速度范围：1mm/s—1000mm/s；其中，通过铺粉刮刀的运动将粉末铺设在准备打印的区域上，激光线束尾随铺粉刮刀同方向行进，在与其垂直的区域中发射激光，激光束光斑构成的线段长度等于区域边界轮廓的宽度；依据区域边界宽度的大小而选择光纤激光的开闭状态和开启功率值，而随着光纤激光线性点阵的运动，熔化区域边界宽度会实时发生变化，通过计算机图形程序处理后，及时得出边界宽度变化大小和位置，再经过总控制器发给激光器开关信号而控制发射与关闭激光。