專利名稱：一種基于激光掃描實現(xiàn)粉末熔化成型的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光熔化成型技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種基于激光掃描實現(xiàn)粉 末熔化成型的新方法，特別是采用兩種激光器進行分區(qū)域掃描成型的方法。
背景技術(shù)：
激光快速成型制造技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的一項激光成型 高新技術(shù)。其中選擇性激光成型技術(shù)選用固體粉末作為燒結(jié)成型材料，將
零件的CAD三維模型輸入計算機，再經(jīng)過切片處理生成截面信息文件，利 用計算機控制激光逐層成型，經(jīng)層層疊加后，最終形成了所需的原型或零 件。該技術(shù)具有成型材料廣，制造過程不受零件復(fù)雜程度的影響，制造效 率高，成本低的特點，特別適合用來制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件。
目前國際上選擇性激光熔化成型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括送粉系統(tǒng)、激光掃描 系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、成型腔以及控制整個設(shè)備運轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)與相應(yīng)程序。 其中激光掃描系統(tǒng)由激光器和振鏡構(gòu)成，是上述結(jié)構(gòu)組成中最重要的部分， 它主要決定零件成型制造的優(yōu)劣。目前國際上使用的選擇性激光成型系統(tǒng) 選用的激光掃描系統(tǒng)基本由一臺激光器和一個振鏡系統(tǒng)構(gòu)成，即零件制造 過程中只有一個激光器在工作，并且由同一激光束掃描零件的整個截面。 這種單束激光的工作方式需要激光逐點進行掃描，而且掃描線之間需要一 定的搭接，因此工作效率低。另外，由于激光光斑小，遍歷截面所造成的 溫度場變化劇烈，溫度場均勻性差，材料受熱后與環(huán)境顯著的溫差，造成
4難以控制的熱應(yīng)力，因此，零件制造過程中易發(fā)生翹曲變形和裂紋。由于 零件的復(fù)雜程度不同，針對比較復(fù)雜的零件，尤其是零件中易變形的邊緣 區(qū)域，如果激光功率控制不好，很有可能造成變形、裂紋、與電腦設(shè)計有 細微偏差的情況發(fā)生。針對此情況的發(fā)生，給予我們采用兩種或多種激光 器進行配合掃描成型的啟示。但是到目前，還一直沒有解決配合掃描的方 法和工作效率低的實質(zhì)性問題，給本領(lǐng)域帶來很大麻煩。
發(fā)明內(nèi)容
為解決國際上采用單束激光熔化成型效率低，成型后零件易變形、產(chǎn) 生裂紋，且熱應(yīng)力難于控制的技術(shù)問題，本發(fā)明設(shè)計了一種基于激光掃描 實現(xiàn)粉末熔化成型的新方法，采用兩種激光器與兩套振鏡系統(tǒng)進行復(fù)合掃 描熔化成型，激光掃描均勻，不容易出現(xiàn)變形的情況發(fā)生。
本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是， 一種基于激光掃描實現(xiàn)粉末 熔化成型的新方法，該方法借助激光器、振鏡系統(tǒng)以及配套的計算機控制 軟件程序?qū)Y(jié)材料掃描熔化成型，首先在成型腔內(nèi)鋪墊加工零件截面等 高層所需的固體粉末，通過軟件提取加工零件的截面信息，借助計算機的 控制，激光器按照零件模型的截面信息逐層進行掃描，每層固體粉末在激 光掃描下熔化成型后，再鋪墊下一層固體粉末為下次激光掃描做準(zhǔn)備，逐 層掃描直至完成整個成型過程，以上方法采用兩種類型激光器和配套的振 鏡系統(tǒng)，按照切片截面的輪廓圖形、同步對每層固體粉末進行區(qū)域掃描， 兩種激光器在各自的區(qū)域中進行逐層掃描完成粉末熔化成型，上述的區(qū)域 劃分方法是分別用毫米級和微米級單位的掃描線對截面圖形進行平行掃 描、分割形成毫米級矩形快速掃描區(qū)域和微米級曲邊精細掃描區(qū)域，使微米級曲邊精細掃描區(qū)域掃描線的包絡(luò)線圖形無限逼近輪廓圖形。
本方法的關(guān)鍵技術(shù)在于用計算機同時控制兩種激光器進行分區(qū)掃描， 區(qū)域的劃分是通過計算機控制軟件以及配套程序處理完成，將兩類激光器 的特點相結(jié)合，針對截面的特點，同時采用大尺寸光斑激光掃描簡單區(qū)域， 而小尺寸光斑激光補充掃描零件邊緣精細區(qū)域。此外，對于易變形的邊緣 區(qū)域，可以調(diào)整激光功率參數(shù)，使大光斑為小光斑成型進行預(yù)熱，從而完 成高質(zhì)量、高效率的零件成型。
本發(fā)明的有益效果是用兩種激光器復(fù)合掃描，節(jié)省了時間，提髙了零 件成型效率，零件制造過程中不易發(fā)生翹曲變形和裂紋情況。采用光纖激 光器進行精細邊緣掃描，降低了加工零件的失真度。
圖1是本發(fā)明的方法流程圖。
圖2是本發(fā)明的所加工零件截面區(qū)域劃分方法的示意圖。 圖2中，1是微米級曲邊精細掃描區(qū)域，2是毫米級矩形快速掃描區(qū)域。
具體實施例方式
參看圖l, 一種基于激光掃描實現(xiàn)粉末熔化成型的新方法，該方法借助 激光器、振鏡系統(tǒng)以及配套的計算機控制軟件程序?qū)Y(jié)材料掃描熔化成 型，首先在成型腔內(nèi)鋪墊加工零件截面等高層所需的固體粉末，通過軟件 提取加工零件的截面信息，借助計算機的控制，激光器按照零件模型的截 面信息逐層進行掃描，每層固體粉末在激光掃描下熔化成型后，再鋪墊下 一層固體粉末為下次激光掃描做準(zhǔn)備，逐層掃描直至完成整個成型過程， 以上方法采用兩種類型激光器和配套的振鏡系統(tǒng)，按照切片截面的輪廓圖形、同步對每層固體粉末進行區(qū)域掃描，兩種激光器在各自的區(qū)域中進行 逐層掃描完成粉末熔化成型，上述的區(qū)域劃分方法是分別用毫米級和微 米級單位的掃描線對截面圖形進行平行掃描、分割形成亳米級矩形快速掃 描區(qū)域2和微米級曲邊精細掃描區(qū)域1，使微米級曲邊精細掃描區(qū)域1掃描 線的包絡(luò)線圖形無限逼近輪廓圖形。
所加工零件截面圖進行區(qū)域劃分的具體方法是由每個切片截面輪廓 包絡(luò)線圖形的最高處向最低處平行做毫米級的垂直掃描線，再由水平方向 做毫米級掃描線，以毫米為單位，毫米級掃描線圍成的矩形區(qū)域為毫米級 矩形快速掃描區(qū)域2，矩形邊的延長線與截面輪廓的邊緣線圍成的有效區(qū)域 為微米級曲邊精細掃描區(qū)域1。
上述的兩種類型激光器分別采用光纖激光器和半導(dǎo)體激光器。
上述的半導(dǎo)體激光器的激光投影區(qū)域為矩形，長度為30-50mm，寬度 為10-30mm,半導(dǎo)體激光器依據(jù)毫米級掃描線在毫米級矩形快速掃描區(qū)域2 進行快速大面積掃描。
上述的光纖激光器的激光投影區(qū)域為圓形，半徑為20-40nm，光纖激 光器依據(jù)微米級掃描線在微米級曲邊精細掃描區(qū)域1無限精細掃描、無限 逼近截面輪廓的包絡(luò)線。
下面結(jié)合本發(fā)明的實施方案，具體說明本發(fā)明的實現(xiàn)方式。本發(fā)明采 用的一類激光器為光纖激光器，激光波長為1.06pm，光斑直徑可精細到 30pni以下；另一類激光器為半導(dǎo)體激光器，激光波長為500 卯0nm，半 導(dǎo)體激光器為矩形光斑，矩形寬度可達幾十毫米。兩類激光器的激光波長 都易于為金屬粉末吸收，而下面結(jié)合實例對本發(fā)明作進一步詳細說明。上述兩類激光器分別對應(yīng)兩個振鏡對其光路進行控制，振鏡并排安裝 在成型系統(tǒng)的上方。切片的截面，可以采用如下的掃描方式，采用毫米級
激光器進行掃描毫米級矩形快速掃描區(qū)域2，而截面的輪廓邊緣區(qū)域則同時 采用微米級的光纖激光進行掃描成型。本發(fā)明的掃描方法中關(guān)鍵技術(shù)是對 兩種激光器的掃描區(qū)域的劃分過程。當(dāng)所加工零件的三維模型文件輸入計 算機后，計算機首先對切片的截面包絡(luò)線圖形進行區(qū)域劃分，由每個截面 輪廓包絡(luò)線圖形從高向低做毫米級掃描線，再做水平方向的毫米級掃描線， 以毫米為單位，將毫米級掃描線和截面輪廓邊緣圍成的最小有效區(qū)域劃分 為精細區(qū)域，精細區(qū)域以外的各個矩形區(qū)域為簡單區(qū)域。再用微米級掃描 線在精細區(qū)域內(nèi)做水平或垂直掃描線，使微米級掃描線的包絡(luò)線按照微分 算法無限逼近截面包絡(luò)線。上述過程為計算機自動識別和劃分激光掃描區(qū) 域過程，兩類截面的信息分別輸入到兩個振鏡中，并按照所分區(qū)域進行掃 描。逐層掃描最后使零件成型。由如此產(chǎn)生的效果是，簡單區(qū)域在毫米級 半導(dǎo)體激光器的掃描下能夠縮短成型時間，并且半導(dǎo)體激光器作用粉末區(qū) 域面積較大，光纖激光器進行零件截面邊緣區(qū)域的精細區(qū)域掃描加工，能 夠有效避免部分受熱區(qū)域與周圍環(huán)境強烈的換熱行為，從而減少了零件變 形的可能性。此外，對于易變形的邊緣區(qū)域，可以調(diào)整激光功率參數(shù)，使 大光斑為小光斑成型進行預(yù)熱，從而完成高質(zhì)量、高效率的零件成型。
為更好地說明本發(fā)明中區(qū)域劃分的方法，舉出具體實施例，如圖2所 示，所加工零件的截面圖的一部分，用毫米級平行和垂直的掃描線所圍成 的矩形區(qū)域為毫米級矩形快速掃描區(qū)域2，而矩形掃描線的延長線和截面輪 廓線圍成的區(qū)域為微米級曲邊精細掃描區(qū)域1,在毫米級矩形快速掃描區(qū)域2中，半導(dǎo)體激光器用毫米級掃描線對零件進行快速掃描熔化成型，而對于 微米級曲邊精細掃描區(qū)域l，很顯然用毫米級掃描線很難控制成型，有可能 會因為受熱不均造成裂縫、變形，因此在微米級曲邊精細掃描區(qū)域1改用 光纖激光器用微米級的掃描線進行熔化成型，微米級掃描線在微米級曲邊 精細掃描區(qū)域1內(nèi)做水平或豎直方向的平行掃描，雖然每一條掃描線與截 面輪廓線之間都有細微的誤差，但是由于是微米數(shù)量級，根據(jù)微分算法的 概念，整體放大后掃描線的包絡(luò)線圖形是無限逼近截面輪廓的邊緣。用此 方法，將亳米級掃描線無法精準(zhǔn)完成掃描成型的區(qū)域用微米級掃描線可以 輕松地解決。
權(quán)利要求
1、一種基于激光掃描實現(xiàn)粉末熔化成型的新方法，該方法借助激光器、振鏡系統(tǒng)以及配套的計算機控制軟件程序?qū)Y(jié)材料掃描熔化成型，首先在成型腔內(nèi)鋪墊加工零件截面等高層所需的固體粉末，通過軟件提取加工零件的截面信息，借助計算機的控制，激光器按照零件模型的截面信息逐層進行掃描，每層固體粉末在激光掃描下熔化成型后，再鋪墊下一層固體粉末為下次激光掃描做準(zhǔn)備，逐層掃描直至完成整個成型過程，其特征在于以上方法采用兩種類型激光器和配套的振鏡系統(tǒng)，按照切片截面的輪廓圖形、同步對每層固體粉末進行區(qū)域掃描，兩種激光器在各自的區(qū)域中進行逐層掃描完成粉末熔化成型，上述的區(qū)域劃分方法是分別用毫米級和微米級單位的掃描線對截面圖形進行平行掃描、分割形成毫米級矩形快速掃描區(qū)域(2)和微米級曲邊精細掃描區(qū)域(1)，使微米級曲邊精細掃描區(qū)域(1)掃描線的包絡(luò)線圖形無限逼近輪廓圖形。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光掃描實現(xiàn)粉末熔化成型的新方 法，其特征在于所加工零件截面圖進行區(qū)域劃分的具體方法是由每個 切片截面輪廓包絡(luò)線圖形的最高處向最低處平行做毫米級的垂直掃描線， 再由水平方向做毫米級掃描線，以毫米為單位，毫米級掃描線圍成的矩形 區(qū)域為毫米級矩形快速掃描區(qū)域(2)，矩形邊的延長線與截面輪廓的邊緣 線圍成的有效區(qū)域為微米級曲邊精細掃描區(qū)域(1)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光掃描實現(xiàn)粉末熔化成型的新方 法，其特征在于所述的兩種類型激光器分別采用光纖激光器和半導(dǎo)體激光器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于激光掃描實現(xiàn)粉末熔化成型的新方 法，其特征在于所述的半導(dǎo)體激光器的激光投影區(qū)域為矩形，長度為 30-50mm,寬度為10-30mm，半導(dǎo)體激光器依據(jù)毫米級掃描線在毫米級矩 形快速掃描區(qū)域(2)進行快速大面積掃描。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于激光掃描實現(xiàn)粉末熔化成型的新方 法，其特征在于所述的光纖激光器的激光投影區(qū)域為圓形，半徑為 20>4(^m，光纖激光器依據(jù)微米級掃描線在微米級曲邊精細掃描區(qū)域(1) 無限精細掃描、無限逼近截面輪廓的包絡(luò)線。
全文摘要
一種基于激光掃描實現(xiàn)粉末熔化成型的新方法，解決采用單束激光熔化成型效率低，成型后零件易變形、出現(xiàn)裂紋，且熱應(yīng)力難于控制的技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，本方法采用兩種類型激光器和配套的振鏡系統(tǒng)，按照切片截面的輪廓圖形、同步對每層固體粉末進行區(qū)域掃描，兩種激光器在各自的區(qū)域中進行逐層掃描完成粉末熔化成型，上述的區(qū)域劃分方法是分別用毫米級和微米級單位的掃描線對截面圖形進行平行掃描、分割形成毫米級矩形快速掃描區(qū)域和微米級曲邊精細掃描區(qū)域，使微米級曲邊精細掃描區(qū)域掃描線的包絡(luò)線圖形無限逼近輪廓圖形。本發(fā)明的優(yōu)點是用兩種激光器復(fù)合掃描，節(jié)省時間，提高零件成型效率，零件不易發(fā)生翹曲變形和裂紋情況。
文檔編號B22F3/105GK101670432SQ20091010868
公開日2010年3月17日 申請日期2009年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月14日
發(fā)明者劉錦輝, 李瑞迪, 燦 趙, 陳繼兵 申請人:黑龍江科技學(xué)院