一种金属增材制造设备及其光学装置的制作方法

1.本实用新型属于增材制造技术领域，具体涉及一种金属增材制造设备及其光学装置。


背景技术：

2.增材制造技术是一项具有数字化制造、高度柔性和适应性、直接cad模型驱动、快速、材料类型丰富多样等鲜明特点的先进制造技术，由于其不受零件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，因此应用范围非常广。选区激光熔融技术(selectivelasermelting，简称slm)是近年来发展迅速的增材制造技术之一，其以粉末材料为原料，采用激光对三维实体的截面进行逐层扫描完成原型制造。其基本工作过程是：送粉装置将一定量粉末送至工作平台面，铺粉装置将一层粉末材料平铺在工作腔底板或已成型零件的上表面，激光振镜系统控制激光以一个近似不变的光斑大小和光束能量按照该层的截面轮廓对实心部分粉末层进行扫描，使粉末熔化并与下面已成型的部分实现粘接；当一层截面烧结完后，工作平台下降一个层的厚度，铺粉装置又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的扫描烧结，经若干层扫描叠加，直至完成整个原型制造。
3.在金属增材制造设备的成形过程中，为了保证吹风装置13把烧结过程形成的烟尘和飞溅吹向已烧结区域表面并被吸到吸风装置14中，以使待烧结区域表面保持干净的状态，目前的激光推进方向和吹风风向一般相反。然而，现有技术的金属选择性激光烧结设备，光学机构11(包括激光器和振镜系统)一般安装在工作区域12的正上方(参见图1)，这样当x扫描振镜和y扫描振镜的振镜偏转角都为0
°
时，入射的激光中心点位于工作区域12的正中心，在其烧结过程中至少会出现以下两种情况：一种情况是激光入射方向与吹风方向同向(简称顺风情况，参见图1的工作区域12右侧的空白区域)，另一种情况是激光入射方向与吹风方向反向(简称逆风情况，参见图1的工作区域12左侧的阴影区域)。如果是顺风情况，激光入射方向与吹风方向同向，烟尘和飞溅很容易被风吹走，往上方飘散的烟尘也少，对成型腔顶部的激光窗口镜污染小；如果是逆风情况，激光入射方向与吹风方向反向，同样的风速下，烟尘和飞溅不易被风吹走，往上飘散的烟尘也多，对成型腔顶部的激光窗口镜污染较大。因此，当光学机构11安装在工作区域12的正上方(见图1)，在激光烧结打印幅面上任意区域时，不能保证工作区域12所有区域都是顺风情况，使得烟尘和飞溅被风吹不彻底，往上方飘散的烟尘多，对成型腔顶部的窗口镜污染大，从而导致打印的产品的烧结质量得不到保证。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种金属增材制造设备的光学装置及增材制造设备，该金属增材制造设备的光学装置使得烧结打印幅面上任意区域时，激光入射方向与吹风方向都是同向(即顺风情况)，这样可以获得更干净的烧结环境，即使得打印的产品可以获得更好的烧结质量。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种金属增材制造设备的光学装置，所述增材制造设备包括分别设置于打印幅面两侧的吹风组件和吸风组件，其中，该光学装置包括激光器和振镜系统，所述激光器和振镜系统设置于打印幅面的斜上方并靠近吹风组件，且当振镜系统的x扫描振镜和y扫描振镜的振镜偏转角均为0
°
时，入射的激光中心点位于打印幅面的靠近吹风组件的边界线的中点位置，以使激光在烧结打印幅面上任意区域时，入射打印幅面的激光光束的中心线与吹风方向均同向。
6.作为本实用新型的进一步优选方案，所述入射打印幅面的激光光束的中心线与打印幅面的垂直线呈角度θ＇，该角度θ＇的范围为25
°
～65
°
。
7.作为本实用新型的进一步优选方案，所述光学装置的光源中心点距离打印幅面的垂直高度为h，所述光源中心点在打印幅面的投影点距离打印幅面的靠近吹风组件的边界线的水平距离为a，且h＞0，a＞0，tanθ＇＝a/h。
8.作为本实用新型的进一步优选方案，所述激光器的数量为一个或一个以上。
9.作为本实用新型的进一步优选方案，所述振镜系统的数量为至少一个。
10.作为本实用新型的进一步优选方案，所述吹风组件包括至少一个吹风口，当吹风口的数量为两个或两个以上时，所有吹风口均匀设置于打印幅面的一侧。
11.作为本实用新型的进一步优选方案，所述吸风组件包括至少一个吸风口，当吸风口的数量为两个或两个以上时，所有吸风口均匀设置于打印幅面的另一侧。
12.本实用新型还提供了一种金属增材制造设备，包括吸风组件、吹风组件，以及上述任一项所述的金属增材制造设备的光学装置。
13.作为本实用新型的进一步优选方案，所述金属增材制造设备还包括扫描控制系统，以使激光扫描推进方向与吹风方向相反。
14.本实用新型的金属增材制造设备的光学装置及增材制造设备，所述的光学装置包括激光器和振镜系统，所述激光器和振镜系统设置于打印幅面的斜上方并靠近吹风组件，且当振镜系统的x扫描振镜和y扫描振镜的振镜偏转角均为0
°
时，入射的激光中心点位于打印幅面的靠近吹风组件的边界线的中点位置，以使激光在烧结打印幅面上任意区域时，入射打印幅面的激光光束的中心线与吹风方向均同向，使得金属增材制造设备在烧结打印幅面上任意区域时，激光入射方向与吹风方向都是同向(即顺风情况)，这样可以获得更干净的烧结环境，即使得打印的产品可以获得更好的烧结质量。
附图说明
15.图1为现有技术的金属增材制造设备提供的一实施例的结构示意图；
16.图2为激光烧结过程中残渣分布示意图一；
17.图3为激光烧结过程中残渣分布示意图二；
18.图4为激光烧结过程中残渣分布示意图三；
19.图5为本实用新型金属增材制造设备的光学装置提供的一实施例的结构示意图。
20.图中部件标记如下：
21.11、光学机构，12、工作区域，13、吹风装置，14、吸风装置，1、光学装置，2、打印幅面，3、吹风组件，4、吸风组件，5、金属蒸汽，6、粉末飞溅，7、粉末，8、已烧结区域，9、熔池，10、熔滴飞溅，11、烟尘，a、激光扫描推进方向。
具体实施方式
22.为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本实用新型的技术方案，以下将结合说明书附图和具体实施例做进一步详细说明。
23.为了保证烧结产品的质量，激光烧结时使得激光扫描推进方向a与吹风风向相反，如图2-图4所示，激光扫描推进方向a与吹风风向均相反，这样可以保证吹风组件3把烧结过程形成的烟尘11和飞溅吹向已烧结表面然后被吸到吸风组件4中，可以使得待烧结区域一直保持干净的状态。
24.然而，在金属增材制造设备的激光烧结过程中，激光与金属粉末7相互作用，会产生烟尘11和飞溅(见图2-图4)。金属粉末7吸收激光能量所产生的熔池9温度会超过粉末7材料的沸腾温度，会在熔池9表面形成强烈的对流和蒸汽反冲力，气化的金属会从熔池9中喷射而出，金属蒸汽5会逐渐冷凝形成黑色烟尘11，如果吸风组件4对烟尘11吸收不彻底，烟尘11颗粒甚至可能到达成型腔顶部的激光窗口镜，烟尘11与激光相互作用，烟尘11会引起激光束的折射且会吸收激光束的能量，这样导致到达粉床表面的激光功率降低以及光束形状失真；在马兰戈尼力的作用下液态金属从凹陷底部的高温区向侧壁的低温区流动(见图2-图4熔池9内箭头示意)，同时在金属蒸汽5反冲压力的作用下，低粘度的液态金属溅出形成金属射流，在表面张力的作用下金属射流分解为较小的液体从而形成熔滴飞溅10，熔滴飞溅10主要分布在熔池9后端上方位置，熔池9前端的金属粉末7在冲击波的作用下在已烧结区域8形成金属粉末飞溅6(熔池9前端是指：与激光扫描推进方向a一致的一端，熔池9后端是指：与激光扫描推进方向a相反的一端)。例如，当激光垂直于打印幅面2进行烧结(如图2所示)，熔池9前端出现一定量的与吹风风向相反的粉末飞溅6和烟尘11，熔池9后端会出现一定量的与吹风风向相同的熔滴飞溅10和烟尘11。当激光入射方向与吹风方向反向也就是逆风情况(如图3所示)，熔池9前端会出现更多的与吹风风向相反的粉末飞溅6和烟尘11，熔池9后端出现较少的与吹风风向相同的熔滴飞溅10和烟尘11，更多的与吹风风向相反的粉末飞溅6和烟尘11不易彻底被风吹走。当激光入射方向与吹风方向同向也就是顺风情况(如图4所示)，熔池9前端出现较少的与吹风风向相反的粉末飞溅6和烟尘11，熔池9后端会出现较多的与吹风风向相同的熔滴飞溅10和烟尘11，较少的与吹风风向相反的粉末飞溅6和烟尘11较容易彻底被风吹走，虽然与吹风风向相同的熔滴飞溅10和烟尘11更多了，因为与吹风方向相同，更容易被风带走。综上所述，顺风情况可以产生更少的与吹风风向相反方向的粉末飞溅6和烟尘11，虽然与吹风风向相同的熔滴飞溅10和烟尘11会变多，熔滴飞溅10和烟尘11与吹风方向相同，更容易被风带走，顺风情况较其他情况，可以获得更干净的烧结环境，因此打印的产品可以获得更好的烧结质量。
25.目前的光学机构11一般安装在工作区域12的正上方(见图1)，激光在烧结打印幅面上任意区域时，不能保证工作区域12所有区域都是顺风情况。
26.为了解决这一技术问题，本实用新型提供了一种金属增材制造设备的光学装置1，所述增材制造设备包括分别设置于打印幅面2两侧的吹风组件3和吸风组件4，其中，该光学装置1包括激光器和振镜系统，所述激光器和振镜系统设置于打印幅面2的斜上方并靠近吹风组件3，且当振镜系统的x扫描振镜和y扫描振镜的振镜偏转角均为0
°
时，入射的激光中心点位于打印幅面2的靠近吹风组件3的边界线的中点位置，以使激光在烧结打印幅面上任意区域时，入射打印幅面2的激光光束的中心线与吹风方向均同向。优选地，所述入射打印幅
面2的激光光束的中心线与打印幅面2的垂直线呈角度θ＇，该角度θ＇的范围为25
°
～65
°
。
27.本技术的上述同向包括以下两种情况：
28.第一种情况：入射打印幅面2的激光光束的中心线与吹风方向平行且方向相同；
29.第二种情况：当入射打印幅面2的激光光束的中心线不与吹风方向平行但方向相同时，如果入射打印幅面2的激光光束的中心线在吹风方向的分解向量与吹风方向平行且方向相同，表明入射打印幅面2的激光光束的中心线与吹风方向同向。
30.进一步优选地，所述光学装置1的光源中心点距离打印幅面2的垂直高度为h，所述光源中心点在打印幅面2的投影点距离打印幅面2的靠近吹风组件3的边界线的水平距离为a，且h＞0，a＞0，tanθ＇＝a/h，这样可以使得通过光学装置1出射的激光更好地聚焦于打印幅面2上。
31.具体实施中，所述激光器的数量为一个或一个以上；所述振镜系统的数量为至少一个。例如根据打印幅面2的尺寸以及打印效率的要求，所述激光器和振镜系统分别可选择单个或多个。
32.在一具体实施例中，根据打印幅面2的尺寸大小以及风速大小的要求，所述吹风组件3包括至少一个吹风口(例如一个或多个)，当吹风口的数量为两个或两个以上时，所有吹风口均匀设置于打印幅面2的一侧；同理，所述吸风组件4包括至少一个吸风口(例如一个或多个)，当吸风口的数量为两个或两个以上时，所有吸风口均匀设置于打印幅面2的另一侧。
33.为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本实用新型的技术方案，下面以实施例的形式并结合附图对本实用新型的技术方案进行详细阐述。
34.实施例一
35.图5所示的金属增材制造设备的光学装置设置于打印幅面2的斜上方并靠近吹风组件3，即将现有技术的金属选择性激光烧结设备的光学装置，绕y轴逆时针旋转45
°
得到，当振镜系统的x扫描振镜和y扫描振镜的振镜偏转角均为0
°
时，入射的的激光光束的中心线与打印幅面2的垂直线呈角度θ＇，此时角度θ＇为45
°
，由于tan45
°
＝1＝a/h；当光学装置1的光源中心点距离打印幅面2的垂直高度h为500mm时，光源中心点在打印幅面2的投影点距离打印幅面2最左边的水平距离a为500mm。此时，x扫描振镜偏转角为0
°
～22
°
，y扫描振镜偏转角为
±
22
°
，这样在烧结打印幅面2上任意区域时，激光入射方向与吹风方向均为同向也就是顺风情况，如前文所述，熔池9前端出现较少的与吹风风向相反的粉末飞溅6和烟尘11，熔池9后端会出现较多的与吹风风向相同的熔滴飞溅10和烟尘11，较少的与吹风风向相反的粉末飞溅6和烟尘11较容易彻底被风吹走，虽然与吹风风向相同的熔滴飞溅10和烟尘11更多了，因为与吹风方向相同，更容易被风带走。这样在烧结过程中可以获得更干净的烧结环境，打印的产品可以获得更好的烧结质量。
36.本实用新型还提供了一种金属增材制造设备，包括吸风组件4、吹风组件3，以及上述任一实施例所述的金属增材制造设备的光学装置。在此需说明的是，本实用新型对于金属增材制造设备包含的其它部件没有进行全部阐述。
37.优选地，所述金属增材制造设备还包括扫描控制系统，以使激光扫描推进方向a与吹风方向相反。这样可以进一步保证吹风组件3将烧结过程形成的烟尘11和飞溅吹向已烧结表面然后被吸到吸风组件4中，从而可以进一步使得待烧结区域一直保持干净的状态。
38.以上实施例仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限
于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均应属于本实用新型的保护范围。应当指出，在不脱离本实用新型原理前提下的若干修改和修饰，应视为本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种金属增材制造设备的光学装置，所述增材制造设备包括分别设置于打印幅面两侧的吹风组件和吸风组件，其特征在于，该光学装置包括激光器和振镜系统，所述激光器和振镜系统设置于打印幅面的斜上方并靠近吹风组件，且当振镜系统的x扫描振镜和y扫描振镜的振镜偏转角均为0
°
时，入射的激光中心点位于打印幅面的靠近吹风组件的边界线的中点位置，以使激光在烧结打印幅面上任意区域时，入射打印幅面的激光光束的中心线与吹风方向均同向。2.根据权利要求1所述的金属增材制造设备的光学装置，其特征在于，所述入射打印幅面的激光光束的中心线与打印幅面的垂直线呈角度θ＇，该角度θ＇的范围为25
°
～65
°
。3.根据权利要求2所述的金属增材制造设备的光学装置，其特征在于，所述光学装置的光源中心点距离打印幅面的垂直高度为h，所述光源中心点在打印幅面的投影点距离打印幅面的靠近吹风组件的边界线的水平距离为a，且h＞0，a＞0，tanθ＇＝a/h。4.根据权利要求1所述的金属增材制造设备的光学装置，其特征在于，所述激光器的数量为一个或一个以上。5.根据权利要求1所述的金属增材制造设备的光学装置，其特征在于，所述振镜系统的数量为至少一个。6.根据权利要求1所述的金属增材制造设备的光学装置，其特征在于，所述吹风组件包括至少一个吹风口，当吹风口的数量为两个或两个以上时，所有吹风口均匀设置于打印幅面的一侧。7.根据权利要求1所述的金属增材制造设备的光学装置，其特征在于，所述吸风组件包括至少一个吸风口，当吸风口的数量为两个或两个以上时，所有吸风口均匀设置于打印幅面的另一侧。8.一种金属增材制造设备，其特征在于，包括吸风组件、吹风组件，以及权利要求1至7任一项所述的金属增材制造设备的光学装置。9.根据权利要求8所述的金属增材制造设备，其特征在于，所述金属增材制造设备还包括扫描控制系统，以使激光扫描推进方向与吹风方向相反。

技术总结
一种金属增材制造设备及其光学装置，其中增材制造设备包括分别设置于打印幅面两侧的吹风组件和吸风组件，该光学装置包括激光器和振镜系统，所述激光器和振镜系统设置于打印幅面的斜上方并靠近吹风组件，且当振镜系统的X扫描振镜和Y扫描振镜的振镜偏转角均为0


技术研发人员：赵伟 刘加发 郭文郁 鲍光 陈虎清 李乐 宋敏 任鹏程
受保护的技术使用者：湖南华曙高科技股份有限公司
技术研发日：2023.02.14
技术公布日：2023/8/5