用于激光增材制造的气氛保护系统及激光增材制造设备

摘要

本发明提供了一种用于激光增材制造的气氛保护系统，所述气氛保护系统包括密闭装置以及与所述密闭装置外壁固定连接的滑动构件，其中，所述密闭装置是用于进行激光增材制造的成形腔，并且所述密闭装置包括沿竖直方向限定所述成形腔的刚性构件和柔性构件，柔性构件在竖直方向上与所述刚性构件连接，所述滑动构件能够在外部导轨上沿竖直方向滑动，随着所述滑动构件在外部导轨上沿竖直方向滑动，密闭装置的刚性构件沿竖直方向被带动，柔性构件由此被刚性构件带动并因此被压缩或拉伸，使得所述成形腔的体积被减小或增大。本发明还提供了一种包括这种气氛保护系统的激光增材制造设备。

说明书

技术领域

本发明属于激光增材制造设备技术领域，具体而言，涉及用于激光增材制造的气氛保护系统及包括这种气氛保护系统的激光增材制造设备。

背景技术

金属构件激光增材制造技术，利用快速原型制造的基本原理，首先在计算机中形成零件的三维CAD模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，将零件的三维形状信息转换成二维轮廓信息，在计算机数控系统的控制下，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型完成金属零件的“近净成形”制造。激光增材制造技术克服了铸锭冶金+塑性成形等传统制造技术需要制备模具、材料利用率低、周期长、成本高等问题，有望为难加工金属构件的制造提供一条快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技术新途径，在航空航天、核电、石化、船舶等领域具有广阔的发展前景，受到国内外的高度关注。

在大气环境下进行激光增材制造过程，一些活泼金属(钛合金、铝合金等)表面会发生氧化现象，由于金属氧化物对激光能量的吸收率不同，以及氧化物造成的构件表面起伏不平，导致工作面不同部位对激光束的吸收率出现明显变化，使得移动熔池的尺寸在增材制造过程中无法保持稳定，从而显著影响成形件的表面质量和性能。所以激光增材制造装备系统除了必需的激光器、数控机床及送粉系统外，还需要建立一个惰性气氛保护成形腔，在金属构件激光成形的过程中保证腔体内氧的含量控制在一定范围之内，以防止活泼金属在成形过程中被氧化，影响成形材料的最终性能。

激光增材制造过程是金属材料熔化“逐层凝固堆积”的过程，成形的构件高度由低到高逐层增加，在现有技术中，为满足大型结构件的生产需求，通常采用刚性的长形腔，这种成形腔一般制造成比较大的体积，通常成形腔高度设计高度至少需要两倍以上所允许最大的零件成形高度，占用空间非常大。激光成形前需要通入惰性气体保护，由于大型刚性成形腔体积固定不变，所以保护气充排放时间较长，成形腔内保持均匀气氛的难度增加，严重影响了生产进程、导致生产效率低、成本提高，并且造成不必要资源浪费。这种问题在成形中小尺寸零件时尤为突出。此外，过大的成形腔占用空间较大，所需要的厂房、材料等附加成本大大提高。因此，传统的刚性成形腔增加了生产成本、降低了生产效率并且浪费资源，阻碍了增材制造技术的进一步发展。因此，急需一种刚柔结合变体积激光增材制造成形腔，其腔体高度可以随金属构件成形高度联动，始终保证成形腔的相对体积最小。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于激光增材制造的气氛保护系统，所述气氛保护系统包括密闭装置以及与所述密闭装置的外壁固定连接的滑动构件，其中，所述密闭装置内形成用于进行激光增材制造的成形腔，并且所述密闭装置包括沿竖直方向限定所述成形腔的刚性构件和柔性构件，柔性构件在竖直方向上与所述刚性构件连接，所述滑动构件能够在外部导轨上沿竖直方向滑动，随着所述滑动构件在外部导轨上沿竖直方向滑动，所述密闭装置的所述刚性构件沿竖直方向被带动，所述柔性构件由此被所述刚性构件带动并因此被压缩或拉伸，使得所述成形腔的体积被减小或增大。

优选地，所述气氛保护系统包括两个滑动构件，所述两个滑动构件分别固定连接至所述密闭装置的两侧，并且，所述两个滑动构件能够分别在位于所述密闭装置两侧的两个相对应的外部导轨上滑动。

优选地，所述刚性构件由金属材料制成。

优选地，所述刚性构件具有预定的高度，使得在激光成形过程中激光发生的反射以及熔融粉末的溅射不会破坏所述柔性构件。

优选地，所述柔性构件由柔性材料制成。

优选地，在所述柔性构件内周侧设置有间隔构件，所述间隔构件用于将所述柔性构件与在激光成形过程中激光发生的反射以及熔融粉末的溅射隔开。

优选地，所述气氛保护系统还包括密封环，所述密封环用于对激光器系统与所述成形腔之间的间隙进行密封。

优选地，所述刚性构件与所述柔性构件是由胶黏剂结合在一起的。

优选地，所述气氛保护系统还包括连接密封环，所述连接密封环用于所述刚性构件与所述柔性构件之间的密封紧固连接。

优选地，所述激光增材制造设备包括前面描述的气氛保护系统，所述激光增材制造设备还包括激光器系统以及用于将金属粉末送入所述成形腔内部的送粉系统。

与现有增材制造所用刚性成形腔相比，本发明的具有如下有益技术效果：

1)大大缩短惰性保护气通入时间。刚性成形腔由于腔体体积不变，大体积腔体排气过程需要花费很长时间，降低生产效率。而采用刚柔结合的成形腔，在成形之前，将整个腔体的高度控制在允许的最低范围，然后通入惰性气体进行排气，这样大大缩短排气时间，提高生产效率。

2)可以大幅度节约保护气体的使用量。在激光增材制造过程开始之前，需要在成形腔内充惰性气体(如氩气或氦气)，使得腔体内的氧含量低于50ppm，以保证在成形过程中工件不会发生氧化。而现有的大体积刚性成形腔，大小无法改变，所以无论成形零件的大小，都需要进行长时间的抽排气过程，造成不必要的浪费。采用本发明的刚柔结合的成形腔，排气过程所用惰性气体的量会大大降低，降低生产成本。

3)节约空间利用率。成形零件尺寸高，则现有刚性腔体要求会提高，对应的厂房设计也会提高，这种方式会降低整体空间利用率，增加建造成本。采用刚柔结合的成形腔，所需成形腔高度尺寸会降低近50％，提高整体空间利用率。

综上所述，本发明通过制备刚柔结合的成形腔，改变了现有刚性成形腔体积不变带来的固有缺陷，大大提高了成形腔的有效利用率，提高了生产效率，降低了综合生产成本。

附图说明

图1是本发明实施方式的增材制造设备的结构示意图，其示出了用于激光增材制造的气氛保护系统的初始工作状态，其中，气氛保护系统的柔性构件处于初始收缩状态。

图2是本发明实施方式的增材制造设备的结构示意图，其示出了用于激光增材制造的气氛保护系统的中间工作状态，其中，气氛保护系统的柔性构件处于拉伸状态。

图中附图标记说明：

1-外部导轨；2-滑动构件；3-密封环；4-激光器系统；5-送粉系统；6-激光振镜；7-刚性构件；8-连接密封环；9-柔性构件；10-成形金属件；11-基板；12-工作台；13-支撑台；14-Y轴；15-X轴；16-底座。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

现在将参照图1和图2来描述根据本发明的实施方式的增材制造设备以及用于增材制造设备的气氛保护系统。

如图1和图2所示，其示出了一种增材制造设备，该增材制造设备包括用于激光增材制造的气氛保护系统，所述气氛保护系统包括密闭装置以及与所述密闭装置的外壁固定连接的滑动构件、比如滑块2，其中，所述密闭装置内形成用于进行激光增材制造的成形腔，并且所述密闭装置包括沿竖直方向限定所述成形腔的刚性构件7和柔性构件9，柔性构件9在竖直方向上与刚性构件7连接，例如，刚性构件7与柔性构件9是由胶黏剂结合在一起的，替代性地，可以利用气氛保护系统的连接密封环8来实现刚性构件7和柔性构件9之间的密封紧固连接。滑动构件2能够在外部导轨1上沿竖直方向滑动，外部导轨1例如为沿竖直方向延伸的导轨，其例如固定至地面或基座。随着滑动构件2在外部导轨1上沿竖直方向滑动，密闭装置的刚性构件7沿竖直方向被带动，柔性构件9由此被刚性构件7带动并因此被压缩或拉伸(如图2所示)，使得成形腔的体积被减小或增大(如图2所示)。具体地，通过滑块2相对于外部导轨的运动实现刚性构件7的升降，进而改变柔性构件9的高度，从而改变成形腔的体积。

此外，该气氛保护系统还包括用于排出空气的出气口、用于惰性气体进入的进气口以及用于检测成形腔内氧含量的O₂检测装置。

特别地，气氛保护系统包括两个滑动构件2，两个滑动构件2分别固定连接至所述密闭装置的两侧，并且，两个滑动构件2能够分别在位于所述密闭装置两侧的两个相对应的外部导轨1上滑动，如图1和图2所示。

此外，刚性构件7例如由金属材料制成，柔性构件9例如由柔性材料制成。刚性构件7具有预定的高度，使得在激光成形过程中激光发生的反射以及熔融粉末的溅射不会破坏柔性构件9。替代性地，可以在柔性构件9内周侧设置有间隔构件(未示出)，间隔构件用于将柔性构件9与在激光成形过程中激光发生的反射以及熔融粉末的溅射隔开。

该增材制造设备还包括激光器系统4、输送粉末的送粉系统5及激光振镜6(激光束经其发生偏转)，所述气氛保护系统还包括密封环3，密封环3用于对激光器系统4与成形腔之间的间隙进行密封。

此外，该增材制造设备还可以包括底座16、X轴15、Y轴14、支撑台13工作台12及基板11。气氛保护系统可以设置在支撑台13上，从而能够沿X轴方向和Y轴方向移动。激光熔化沉积合金将沉积在基板11上，产生成形金属件10。

现在讲参照图1和图2来描述包括气氛保护系统的激光增材制造设备的工作过程：

步骤1：在进行激光增材制造之前，先将柔性构件9高度下降到允许最低值，如图1中所示。

步骤2：在进行激光增材制造过程时，工作台12的初始高度必须始终保持在刚性构件7以上，防止激光反射以及熔融粉末粒子溅射。

步骤3：进行抽排气工作，向成形腔内充入惰性保护气体，在最短的时间内使惰性保护气氛充满成形腔，达到成形所要求的惰性气氛。

步骤4：在激光增材制造过程中，始终保持向成形腔内充入惰性保护气体，将成形腔内部的氧含量控制在要求值。

步骤5：在激光增材制造过程中，随着成形零件高度的增加，根据需要，刚性构件7在滑块2的带动下沿竖直方向运动，在一定范围内与激光束保持相对运动；柔性构件9会随着刚性构件7的上升被拉伸，成形腔体积增大，整个成形腔在成形过程中做到柔性动态密封，直至完成零件整个成形过程，如图2所示。

在成形的过程中，随着成形零件的高度增加，刚性构件7会在滑块2的作用下沿竖直方向提高，并带动柔性构件9沿竖直方向拉伸，从而改变整个成形腔的大小，充分发挥刚柔密封成形腔的优势。在保证最大成形高度(Z轴)的同时，实现腔体相对高度在激光成型过程中随成形高度变化，在满足构件成形高度前提下，保持腔体的相对体积最小，从而提高腔体的有效利用率，降低生产成本。在制造金属零件之前，将柔性部分降低到允许最低值，通入惰性气体排出腔体内空气时，大大缩短排气时间，降低生产成本，提高生产效率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。