可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统

摘要

一种可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统，除水冷机、气源等必须与主机保持一定距离的辅助设备、部件外，其混合粉末同轴供送机构、控制子系统、激光器、光学子系统、工作箱、工作头、运动子系统、抽真空与保护气体循环子系统、监测子系统等所有机构和部件集成安装于机柜内，系统在工作过程中控制混合粉末同轴供送机构实时变比变速地向在其侧下方、抽真空后循环气体保护的工作箱中的工件不同部位准时供送多种异质粉末，并适当调节激光功率和运动子系统的各轴运动速度，以在工件各个部位沉积出所要求的材质。实施本发明的有益效果是整个设备占地小，防止氧化效果好，粉末调节滞后减小，能够实现产品内部材质的多样性。

说明书

技术领域

可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统属于制造领域，具体地说，涉及同轴供粉激光直接沉积制造的一种柜式装备系统。

背景技术

激光直接沉积也称激光熔覆。当前，激光直接沉积设备应用越来越广泛，特别是增材制造（3D打印）与再制造的兴起，激光直接沉积设备得到了快速发展。最早出现的是预置粉末激光熔覆设备（预置粉末与激光熔覆设备分离），当时用于表面改性，然后是侧向送粉、同轴送粉激光熔覆设备，逐渐用于修复再制造、增材制造。目前，同轴送粉激光熔覆设备应用越来越多。

过去激光沉积（熔覆）的大多是一种单一的金属或合金粉末。但是，随着科技的发展，产品出现了结构和内部材质的多样性。对于增材制造（3D打印）与再制造而言，需要沉积多种异质粉末才能成形内部材质多样性的产品。最早采用几种异质粉末事先机械混合均匀后倒入供粉筒中供送的方式，这种方式既不能保证粉末混合完全均匀，又不能在工件不同部位形成所需要的不同成分。后来出现了多个粉筒同时供送多种粉末进行激光熔覆的设备，但是，因为供粉机构不与主机在一起，不仅占用较大空间，而且距离粉末喷嘴较远，粉末流到达工件表面需要较长时间，造成比较大的控制滞后，还不能通过实时改变异质粉末的比例和相应的工艺参数以在产品的不同部位准确地获得不同的材质。

另外，为了防止金属被氧化，需要采取隔氧措施。目前的隔氧工作箱一般在原来数控机床的基础上改建，体积庞大，有效利用率小，而隔氧难度较大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统，该柜式激光直接沉积系统把几乎所有机构和部件集成在主机机柜中，整个系统结构紧凑，便于惰性气体保护、减小粉末调节滞后，并可通过实时改变异质粉末的比例和相应的工艺参数基本实现在工件的不同部位沉积不同的材质。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统，除水冷机、气源等必须与主机保持一定距离的辅助设备、部件外，其混合粉末同轴供送机构、控制子系统、激光器及其光束传输光路、工作箱、工作头、运动子系统、抽真空与保护气体循环子系统、监测子系统等所有机构和部件集成安装于机柜内，系统在工作过程中控制混合粉末同轴供送机构实时变比变速地向在其侧下方、抽真空后循环气体保护的工作箱中的工件不同部位准时供送多种异质粉末，并适当调节激光功率和运动子系统的各轴运动速度，以在工件各个部位沉积出所要求的材质。

上述的可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统，所述机柜容纳的机构和部件中，控制子系统、激光器同在机柜的一侧，激光束通过传输光路从激光器传输到置于机柜另一侧的工作头，工作头安装在工作箱顶中部并穿过工作箱顶面，混合粉末同轴供送机构位于工作箱顶面与光束传输光路不同侧的上方并与附近的工作头连通，运动子系统安装在工作箱中，与工作箱连通的抽真空与保护气体循环子系统安装在工作箱附近，监测子系统的信号采集装置紧贴工作箱窗口或者插入工作箱或者通过短管接通工作箱，控制子系统和监测子系统的操作、显示界面安装在机柜正面，在机柜正面正对着工作箱门的部位开设一个操作门。

上述的可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统，所述混合粉末同轴供送机构由两个以上供粉单元、一个粉末混合与分配装置以及若干粉末输送管道组成，各个供粉单元既可单独工作，又可同时工作，互不干扰，通过改变各个供粉单元的电机转速可实时改变多种异质粉末输送速度和相对比例，粉末混合与分配装置接收各个供粉单元输送来的粉末并进行自然混合后分配到与附近的工作头喷嘴相连的管道中。

上述的可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统，所述工作箱为真空密封箱，与其底板及其下方的密封套和密封套底板以及保护气体循环管路组成一个密闭系统，其结构形状和尺寸须满足运动子系统的行程要求和工作头喷嘴装配要求以及工件摆放要求，其正面一般开设带手套的密封门，安装工作头、保护气体循环管路、监测子系统的信号采集装置、真空管路、电线等都必须在箱壁上采取密封措施，确保隔氧效果。

上述的可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统，所述工作头包括光束准直聚焦装置和同轴供粉喷嘴，并通过安装于工作箱顶中部的一个连接盘穿过工作箱顶面，光束准直聚焦装置由准直镜、聚焦镜和保护镜等组成，位于连接盘上方以便于检查、更换镜片，同轴供粉喷嘴位于连接盘下方且与其构成一体，进入连接盘上的接口的粉末、冷却水就直接进入了喷嘴，减小了管路长度、优化了管路对接，减小了控制滞后。

上述的可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统，所述运动子系统包括x-y轴平移台和z轴升降台，x-y轴平移台在工作箱底板上方，z轴升降台穿过工作箱底板，顶面与x-y轴平移台固定，底面固定在密封套底板上。

上述的可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统，所述控制子系统包括带显示屏的计算机、操作面板与按钮、产品数字模型处理模块、工艺路径规划与工艺参数设计模块和控制激光器、运动子系统、混合粉末同轴供送机构、监测子系统、抽真空与保护气体循环子系统及其他机构的模块等，根据内部材质多样性产品的数字模型生成的工艺程序可在激光沉积过程中根据工件各部位结构和材质的变化改变混合粉末同轴供送机构各个供粉单元的送粉指令、运动子系统各个轴的运动指令和激光指令的参数。

上述的控制子系统，所述工艺程序的混合粉末同轴供送机构各个供粉单元的送粉指令参数是各个供粉单元电机的启停与转速指令参数，可以根据工件各个部位要求的材料成分计算各种异质粉末的实时需求量，从而计算相应的各个供粉单元电机的实时启停与转速，设计混合粉末同轴供送机构各个供粉单元的送粉指令参数，并结合粉末输送路程在工艺程序中设置指令执行提前期，以实时变比变速地供送所需要的多种异质粉末。

上述的控制子系统，所述工艺程序的运动子系统各个轴的运动指令参数和激光指令参数决定于激光稳定沉积工件局部材料所需要的实时能量，工件局部材料熔点、热容及其对激光的吸收率等影响激光稳定沉积所需要的实时能量，根据实时能量与扫描速度和激光功率之间的关系，计算出实时的扫描速度和激光功率，设计运动机构各个轴的运动指令参数和激光指令参数。

实施本发明的有益效果是整个设备占地小，防止氧化效果好，粉末调节滞后减小，能够实现产品内部材质的多样性。

附图说明

图1是可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统结构图。

图2是可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统外观图。

图3是可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统控制子系统示意图。

图中1.机柜，2.激光器，3.控制子系统，4.操作面板，5.显示触摸屏，6.喷嘴冷却水管，7.镜片冷却水管，8.光纤，9.准直镜筒，10.工作头，11.保护气体流量计，12.送粉气体流量计，13.储粉筒，14. 送粉气体进气管，15.送粉盘，16.供粉单元出粉管，17.送粉电机驱动系统，18.粉末混合与分配装置，19.喷嘴进粉管，20.连接盘，21.工作箱，22.同轴供粉喷嘴，23.工件，24.x-y平移台，25.z轴升降台，26.工作箱大底板，27.保护气体循环管路，28.循环泵，29. z轴升降台密封套，30.密封套底板，31.抽真空管路及压力表，32.真空泵，33.激光器观察操作窗口，34.激光器电源通断与激光红光启停手动开关及报警灯，35.控制子系统电源及设备急停开关按钮，36.供粉机构外盖，37.外盖把手，38.操作门，39.门锁，40.运动子系统（含x-y平移台24和z轴升降台25），41.其他受控系统，42.状态信号源，3-1.计算机，3-2. 产品数字模型处理模块，3-3. 工艺路径规划与工艺参数设计模块，3-4. 控制模块；3-4-1激光器控制口，3-4-2.供粉电机控制口，3-4-3.运动子系统控制口，3-4-4.其他机构控制口。

具体实施方式

可实时变比变速同轴供粉的柜式激光直接沉积系统包括机柜1、混合粉末同轴供送机构、控制子系统3、激光器2与光学子系统、工作箱21、工作头10、运动子系统40、抽真空与保护气体循环子系统、监测子系统以及水冷机、气源等，水冷机、气源不在机柜中。

机柜1容纳的机构和部件中，控制子系统3、激光器2在机柜1的同一侧，工作头10、工作箱21、运动子系统、混合粉末同轴供送机构、检测系统、真空泵32、气体循环泵28、保护气体循环管路27、抽真空管路及压力表31在机柜1的另外一侧，激光束通过光纤8、准直镜筒9从激光器2传输到工作头10，工作头10穿过工作箱21顶面并与之装配在一起，运动子系统40包括x-y轴平移台24和z轴升降台25，安装在工作箱21中，真空泵32、气体循环泵28安装在工作箱21附近的机柜1的底板上，在机柜1的正面开设了激光器观察操作窗口33，在正对着工作箱21的机柜1的正面开设带门锁39的操作门38用于工件的进出和摆放、清理工作箱21，带把手37的供粉机构外盖36在送粉盘15上方用于保护供粉机构。混合粉末同轴供送机构由4个供粉单元、1个粉末混合与分配装置18以及若干粉末输送管道16组成，每个供粉单元由储粉筒13、送粉气体进气管14、送粉气体流量计12、送粉盘15和送粉电机驱动系统17组成，通过改变各个供粉单元的电机17转速可实时改变多种异质粉末输送速度和相对比例，粉末混合与分配装置18接收各个供粉单元输送来的粉末并进行自然混合后分配到同轴供粉喷嘴22的进粉管19中。工作箱21为真空密封箱，与大底板26、密封套29和密封套底板30以及保护气体循环管路27组成一个密闭系统，其结构形状和尺寸须满足x-y平移台24和z轴升降台25的行程要求、工作10的喷嘴22装配要求以及工件23摆放要求，其正面一般开设带手套的密封门，安装工作头10、保护气体循环管路27、抽真空管路31、检测仪器探头、电线等都必须在箱壁上开孔并采取密封措施。工作头包括光学子系统和同轴供粉喷嘴22，光学子系统在工作箱21顶面上方，与之装配在一起的同轴供粉喷嘴22通过连接盘20穿入工作箱21，进粉管19、冷却水管6连通到连接盘20上，粉末、冷却水直接由连接盘20进入工作箱内的喷嘴22。运动子系统包括x-y轴平移台24和z轴升降台25，x-y轴平移台24在工作箱21内的大底板26上方，z轴升降台25穿过工作箱21内的大底板26，顶面与x-y轴平移台24固定，底面固定在密封套底板30上。控制子系统3包括带显示触摸屏5的计算机3-1、操作面板4与按钮35、产品数字模型处理模块3-2、工艺路径规划与工艺参数设计模块3-3和控制激光器2、运动子系统40、混合粉末同轴供送机构及其他机构的模块3-4等，控制系统完成内部材质多样性产品的激光直接沉积。

工艺路径规划与工艺参数设计模块3-3根据工件23具体部位的材料成分来设计在激光扫描沉积相应部位时供粉机构各个供粉单元的送粉指令参数，在程序中考虑粉末输送路程设置一个提前期，由控制子系统3的控制模块3-4通过供粉电机控制口3-4-2控制送粉电机驱动系统17，控制送粉电机的启停和转速，以实时变比变速供送在该部位沉积所需要的多种异质粉末；根据工件局部材料熔点、热容及其对激光的吸收率等性质以及工件整体及局部结构和热交换条件等，设计运动子系统40各个轴的运动指令参数和激光指令参数，由控制子系统3的控制模块3-4通过运动子系统40的控制口3-4-3控制运动子系统40各个轴的运动，并通过激光器控制口3-4-1控制激光器2输出的激光功率。