新型金属粉末熔化快速成型机.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103394694 A (43)申请公布日 2013.11.20 CN 103394694 A *CN103394694A* (21)申请号 201310356469.4 (22)申请日 2013.08.15 201310095290.8 2013.03.23 CN B22F 3/105(2006.01) (71)申请人 钱波 地址 100000 北京市石景山区北方工大集体 (72)发明人 钱波 刘锦辉 肖胜兵 郑雨婷 吴桐 (74)专利代理机构 北京市盛峰律师事务所 11337 代理人 赵建刚 (54) 发明名称 新型金属粉末熔化快速成型机 (57) 摘要 一种新型。

2、金属粉末熔化快速成型机， 包括机 架、 控制系统、 激光振镜扫描装置、 铺粉装置、 三缸 本体和激光器， 所述控制系统、 所述激光振镜扫描 装置、 所述铺粉装置、 所述三缸本体和所述激光器 均设置在所述机架上， 所述激光振镜扫描装置和 所述激光器之间光学连接， 所述激光振镜扫描装 置、 所述铺粉装置、 所述三缸本体和所述激光器均 连接到所述控制系统。本发明可以获得非平衡态 过饱和固溶体及均匀细小的金相组织， 其成型零 件致密度近乎 100%， 机械性能与锻造零件相当。 能显著降低加工时间和成本， 缩短新品的研发周 期， 十分适应现代制造业快速化、 个性化、 柔性化 发展的需求， 在航空、 航天。

3、、 医学、 模具、 武器装备 等制造领域将具有广阔的应用前景。 (66)本国优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103394694 A CN 103394694 A *CN103394694A* 1/1 页 2 1. 一种新型金属粉末熔化快速成型机， 其特征在于， 包括机架、 控制系统、 激光振镜扫 描装置、 铺粉装置、 三缸本体和激光器， 所述控制系统、 所述激光振镜扫描装置、 所述铺粉装 置、 所述三缸本体和所述激光器。

4、均设置在所述机架上， 所述激光振镜扫描装置和所述激光 器之间光学连接， 所述激光振镜扫描装置、 所述铺粉装置、 所述三缸本体和所述激光器均连 接到所述控制系统。 2. 根据权利要求 1 所述的新型金属粉末熔化快速成型机， 其特征在于， 所述激光振镜 扫描装置包括光路安装支架、 光路连接架、 滑台、 滑块、 光路移动板、 振镜、 激光数字水平尺 和驱动机构 ; 所述光路安装支架固定在所述机架上， 所述光路连接架与所述光路安装支架相连 ; 所 述滑台固定在所述光路连接架上， 所述滑块上安装所述光路移动板， 由所述滑块带动所述 光路移动板沿所述滑台上下移动， 所述光路移动板上安装所述振镜以及所述激光。

5、数字水平 尺 ; 所述驱动机构通过滚珠丝杠与所述光路移动板传动连接。 3. 根据权利要求 2 所述的新型金属粉末熔化快速成型机， 其特征在于， 所述驱动机构 包括伺服电机和涡轮蜗杆减速器。 4. 根据权利要求 1 所述的新型金属粉末熔化快速成型机， 其特征在于， 所示铺粉装置 包括滑台固定板、 刮板、 刮板安装座、 第二滑台、 第二滑块、 数显千分表、 涡流风扇和第二驱 动机构 ; 所述刮板上安装所述数显千分表和所述涡流风扇， 所述刮板通过所述刮板安装座固定 在所述第二滑块上， 所述第二滑块沿着所述第二滑台移动， 所述第二滑台固定在所述滑台 固定板上， 所述滑台固定板安装在所述机架上， 所述驱。

6、动机构通过滚珠丝杠与所述刮板传 动连接。 5. 根据权利要求 1 所述的新型金属粉末熔化快速成型机， 其特征在于， 所述三缸本体 包括缸底座平板、 成型缸、 左送粉缸和右送粉缸， 所述成型缸内设有沿成型缸缸壁上下滑动 的成型基板， 所述左送粉缸和所述右送粉缸内均设有沿送粉缸缸壁上下滑动的送粉缸底 板 ; 还包括有驱动所述成型基板以及左右两个所述送粉缸底板上下滑动的第三驱动装置， 以及与所述缸底座平板相连的缸连接圆筒， 与所述缸连接圆筒相连的电机密封罩， 所述缸 连接圆筒上设有限位开关。 6. 根据权利要求 1 所述的新型金属粉末熔化快速成型机， 其特征在于， 所述控制系统 包括工控机和显示器，。

7、 所述显示器与所述工控机之间电连接。 权 利 要 求 书 CN 103394694 A 2 1/4 页 3 新型金属粉末熔化快速成型机 技术领域 0001 本发明涉及快速成型设备技术领域， 尤其是涉及一种新型金属粉末熔化快速成型 机。 背景技术 0002 尽管选择性激光熔化 (SLM) 技术在过去十几年中飞速发展， 但仍存在一些缺点和 不足， 如可靠性、 稳定性还不能完全满足要求 ; 加工零件的球化效应、 翘曲变形及裂纹缺陷 严重， 需要寻找合适的解决方案 ; 设备成本比较高， 限制了 SLM 技术进一步的推广和应用 ; 可制备零件的尺寸有一定限制， 目前制备大尺寸零件的工艺还不成熟 ; 工艺。

8、参数较复杂， 现有的技术对 SLM 的作用机理研究不够深入， 需要较长时间摸索。 发明内容 0003 本发明的目的在于设计一种新型金属粉末熔化快速成型机， 解决上述问题。 0004 为了实现上述目的， 本发明采用的技术方案如下 : 0005 一种新型金属粉末熔化快速成型机， 包括机架、 控制系统、 激光振镜扫描装置、 铺 粉装置、 三缸本体和激光器， 所述控制系统、 所述激光振镜扫描装置、 所述铺粉装置、 所述三 缸本体和所述激光器均设置在所述机架上， 所述激光振镜扫描装置和所述激光器之间光学 连接， 所述激光振镜扫描装置、 所述铺粉装置、 所述三缸本体和所述激光器均连接到所述控 制系统。 0。

9、006 所述激光振镜扫描装置包括光路安装支架、 光路连接架、 滑台、 滑块、 光路移动板、 振镜、 激光数字水平尺和驱动机构 ; 0007 所述光路安装支架固定在所述机架上， 所述光路连接架与所述光路安装支架相 连 ; 所述滑台固定在所述光路连接架上， 所述滑块上安装所述光路移动板， 由所述滑块带 动所述光路移动板沿所述滑台上下移动， 所述光路移动板上安装所述振镜以及所述激光数 字水平尺 ; 0008 所述驱动机构通过滚珠丝杠与所述光路移动板传动连接。 0009 所述驱动机构包括伺服电机和涡轮蜗杆减速器。 0010 所示铺粉装置包括滑台固定板、 刮板、 刮板安装座、 第二滑台、 第二滑块、 数。

10、显千分 表、 涡流风扇和第二驱动机构 ; 0011 所述刮板上安装所述数显千分表和所述涡流风扇， 所述刮板通过所述刮板安装座 固定在所述第二滑块上， 所述第二滑块沿着所述第二滑台移动， 所述第二滑台固定在所述 滑台固定板上， 所述滑台固定板安装在所述机架上， 所述驱动机构通过滚珠丝杠与所述刮 板传动连接。 0012 所述三缸本体包括缸底座平板、 成型缸、 左送粉缸和右送粉缸， 所述成型缸内设有 沿成型缸缸壁上下滑动的成型基板， 所述左送粉缸和所述右送粉缸内均设有沿送粉缸缸壁 上下滑动的送粉缸底板 ; 说 明 书 CN 103394694 A 3 2/4 页 4 0013 还包括有驱动所述成型基。

11、板以及左右两个所述送粉缸底板上下滑动的第三驱动 装置， 以及与所述缸底座平板相连的缸连接圆筒， 与所述缸连接圆筒相连的电机密封 9， 所 述缸连接圆筒上设有限位开关。 0014 所述控制系统包括工控机和显示器， 所述显示器与所述工控机之间电连接。 0015 本发明属于快速成型设备领域， 是一种成型工艺简单、 材料利用率高、 适用性广以 及成型效率高的快速成型设备 0016 本发明的有益效果可以总结如下 : 0017 1， 本发明主要应用选择性激光熔化 (SLM) 技术， 它结合了 CAD/CAM、 数控、 光学及 材料科学等技术， 以各种纯金属或合金粉末材料作为加工原料， 采用中小功率激光器快。

12、速、 完全熔化选择性金属粉末后， 结合快速冷却凝固技术， 可以获得非平衡态过饱和固溶体及 均匀细小的金相组织， 其成型零件致密度近乎100%， 机械性能与锻造零件相当。 选择性激光 熔化(SLM)技术可以根据3D模型直接制造出各种复杂的金属零件， 能显著降低加工时间和 成本， 缩短新品的研发周期， 十分适应现代制造业快速化、 个性化、 柔性化发展的需求， 在航 空、 航天、 医学、 模具、 武器装备等制造领域将具有广阔的应用前景。 0018 2， 本发明中成型缸、 送粉缸、 铺粉系统三大运动部件， 全部采用大功率伺服电机 + 减速器控制， 相对于同类产品采用步进电机 + 伺服电机结构具有更高的。

13、运动精度， 误差低 于 0.01mm; 此外， 设备启动扭矩更高， 运动过程更平稳， 有力避免振动误差 ; 设备所有运动 维度中， 除依靠伺服电机的自身编码器反馈外， 加入其他传感器精确测量成形缸、 送粉缸、 铺粉系统的运动量， 实时且更精确控制运动 ; 实时测量光学畸变和零点漂移， 保证零件扫 描图形精度和扫描原点精度 ; 成形基板自动弹性避震功能， 避免零件加工过程中与铺粉装 置刚性碰撞 ; 双成形基板保证移动直线度， 提高防侧撞能力。 附图说明 0019 图 1 是本新型金属粉末熔化快速成型机的外形示意乱 0020 图 2 是本新型金属粉末熔化快速成型机去掉机柜后的结构示意图 ； 002。

14、1 图 3 是本新型金属粉末熔化快速成型机激光振镜扫描装置示意图 ； 0022 图 4 是本新型金属粉末熔化快速成型机铺粉装置示意图 ； 0023 图 5 是本新型金属粉末熔化快速成型机三缸本体示意图。 0024 图中 1. 操作柜 ;2. 成型柜 ;3. 机架 ;4. 激光器 ;5. 工控机 ;6. 安装基板 ;7. 显 示屏 ;8. 激光振镜扫描装置 ;9. 铺粉装置 ;10. 三缸本体 ;11. 缸底座平板 ;12. 限位开 关 ;13. 缸连接圆筒 ;14. 电机密封罩 ;15. 光路安装支架 ;16. 光路连接架 ;17. 滑块 ;18. 滑色 19. 伺服电机 ;20. 蜗轮蜗杆减。

15、速器 ;21. 光路移动板 ;22. 振镜 ;23. 激光数字水平 尺;24.第二伺服电机;25.滑台固定板;26.第二滑台 ； 27.第二滑块;28.刮板安装座;29. 刮板 ;30. 涡流风扇 ;31. 数显千分表 ;32. 第三伺服电机 ;33. 减速器 34. 联轴器 ;35. 滚 珠丝杠 ;36 丝杠螺母 ;37. 送粉缸活塞底板座 ;38 送粉缸底板 ;39 右送粉缸 ;40 成型缸 ;41 左送粉缸 ;42 成型基板 ;43 成型缸活塞底板座。 具体实施方式 0025 为了使本发明所解决的技术问题、 技术方案及有益效果更加清楚明白， 以下结合 说 明 书 CN 103394694。

16、 A 4 3/4 页 5 附图及实施例， 对本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明， 并不用于限定本发明。 0026 如图1至图5所示的一种新型金属粉末熔化快速成型机， 包括机架3、 控制系统、 激 光振镜扫描装置 8、 铺粉装置 9、 三缸本体 10 和激光器 4， 所述控制系统、 所述激光振镜扫描 装置 8、 所述铺粉装置 9、 所述三缸本体 10 和所述激光器 4 均设置在所述机架 3 上， 所述激 光振镜扫描装置 8 和所述激光器 4 之间光学连接， 所述激光振镜扫描装置 8、 所述铺粉装置 9、 所述三缸本体 10 和所述激光器 4 均连接。

17、到所述控制系统。 0027 在更加优选的实施例中， 所述激光振镜扫描装置包括光路安装支架 15、 光路连接 架 16、 滑台 18、 滑块 17、 光路移动板 21、 振镜 22、 激光数字水平尺 23 和驱动机构 ; 所述光 路安装支架 15 固定在所述机架 3 上， 所述光路连接架 16 与所述光路安装支架 15 相连 ; 所 述滑台 18 固定在所述光路连接架 16 上， 所述滑块 17 上安装所述光路移动板 21， 由所述滑 块 17 带动所述光路移动板 21 沿所述滑台 18 上下移动， 所述光路移动板 21 上安装所述振 镜 22 以及所述激光数字水平尺 23 ； 所述驱动机构通过。

18、滚珠丝杠与所述光路移动板 21 传动 连接。所述驱动机构包括伺服电机 19 和涡轮蜗杆减速器 20。 0028 在更加优选的实施例中， 所示铺粉装置包括滑台固定板 25、 刮板 29、 刮板安装座 28、 第二滑台 26、 第二滑块 27、 数显千分表 31、 涡流风扇 30 和第二驱动机构 ; 所述刮板 29 上安装所述数显千分表31和所述涡流风扇30， 所述刮板29通过所述刮板安装座28固定在 所述第二滑块 27 上， 所述第二滑块 27 沿着所述第二滑台 26 移动， 所述第二滑台 26 固定在 所述滑台固定板 25 上， 所述滑台固定板 25 安装在所述机架 3 上， 所述驱动机构通过。

19、滚珠丝 杠与所述刮板 29 传动连接。 0029 在更加优选的实施例中， 所述三缸本体 10 包括缸底座平板 11、 成型缸 40、 左送粉 缸 41 和右送粉缸 39， 所述成型缸 40 内设有沿成型缸缸壁上下滑动的成型基板 42， 所述左 送粉缸 41 和所述右送粉缸 39 内均设有沿送粉缸缸壁上下滑动的送粉缸底板 38; 所述三缸 本体 10 还包括有驱动所述成型基板 42 以及左右两个所述送粉缸底板 38 上下滑动的第三 驱动装置， 以及与所述缸底座平板11相连的缸连接圆筒13， 与所述缸连接圆筒13相连的电 机密封罩 14， 所述缸连接圆筒 13 上设有限位开关 12。 0030 在。

20、更加优选的实施例中， 所述控制系统包括工控机和显示器， 所述显示器与所述 工控机之间电连接。 0031 在某个具体的实施例中 ： 0032 如图 2 和 5 所示新型金属粉末熔化快速成型机包括有机架 3、 激光器 4、 工控机 5、 显示屏 7; 在机架 3 上设有安装基板 6， 安装基板上 6 设有激光振镜扫描装置 8、 铺粉装置 9 以及三缸本体 10， 所述三缸本体 10 包括缸底座平板 11， 成型缸 40、 左送粉缸 41， 右送粉缸 39， 成型缸 40 内设有沿成型缸缸壁上下滑动的成型基板 42， 左右两个送粉缸内均设有沿送 粉缸缸壁上下滑动的送粉缸底板 38 ； 还包括有可驱动。

21、成型基板 42 以及左右两个送粉缸底 板 38 上下滑动的驱动装置， 以及与缸底座平板 11 相连的缸连接圆筒 13， 与缸连接圆筒 13 相连的电机密封罩 14， 所述缸连接圆筒 13 上设有限位开关 12。 0033 如图 3 所示激光振镜扫描装置， 包括光路安装支架 15 和光路连接架 16， 所述光路 安装支架 15 固定在安装基板 6 上， 所述光路连接架 16 与光路安装支架 15 相连 ; 还包括滑 台 18 与滑块 17， 所述滑台 18 固定在光路连接架 16 上， 所述滑块 17 上安装光路移动板 21， 说 明 书 CN 103394694 A 5 4/4 页 6 由滑块。

22、 17 带动光路移动板 21 沿滑台 18 上下移动， 所述光路移动板 21 上安装振镜 22 以及 激光数字水平尺23， 所述激光数字水平尺23用来测量振镜安装基面是否在水平面;驱动机 构采用伺服电机 19+ 涡轮蜗杆减速器 20 驱动滚珠丝杠进行旋转， 从而实现光路移动板 21 的上下移动。 0034 如图 4 所示铺粉装置包括滑台固定板 25、 刮板 29、 刮板安装座 28、 第二滑台 26 和 第二滑块 27， 所述刮板 29 上安装数显千分表 31 和涡流风扇 30， 所述数显千分表 31 用于检 测刮板的振动， 所述涡流风扇 30 用于辅助抽气， 所述刮板 29 通过刮板安装座 。

23、28 固定在第 二滑块 27 上， 所述第二滑块 27 沿着第二滑台 26 移动， 所述第二滑台 26 固定在滑台固定板 25上， 所述滑台固定板25安装在安装基板6上， 驱动机构采用第二伺服电机24驱动滚珠丝 杠进行旋转， 从而实现刮板 29 的移动。 0035 如图5所示三缸本体示意图， 所述可驱动成型基板42上下滑动的驱动装置包括有 第三伺服电机32以及减速器33， 通过联轴器34带动滚珠丝杠35转动， 丝杠螺母36与成型 缸活塞底板座 43 连接， 成型缸活塞底板座 43 与成型基板 42 相连， 随着丝杠螺母 36 的上下 移动实现成型基板 42 沿成型缸缸壁的上下滑动 ; 所述可驱。

24、动左右两个送粉缸底板 38 上下 滑动的驱动装置包括有第三伺服电机以及减速器， 通过联轴器带动滚珠丝杠转动， 丝杠螺 母与送粉缸活塞底板座 37 连接， 送粉缸底板 38 与送粉缸底板座 37 相连， 随着丝杠螺母的 上下移动实现送饭缸底板 38 沿送粉缸缸壁的上下滑动。 0036 参考图 5， 本金属粉末熔化快速成型机的成型工艺过程如下 : 成型开始， 根据要加 工零件的尺寸大小在成型基板42上手动安装并手动调平， 成型基板42上升到指定高度， 向 左右两个送粉缸39、 41手动添加金属粉末， 送粉完毕后， 将送粉缸底板38上升到指定高度， 铺粉装置 9 开始工作， 左右两个送粉缸 39、 。

25、41 交替送粉， 将金属粉末均匀铺到成型基板 42 上， 当铺粉装置9在成型基板42上铺好所需厚度的金属粉末后， 在控制系统的控制下， 控制 激光振镜扫描装置8对成型基板42上的金属粉末进行扫描， 被扫描区域的金属粉末烧结固 化， 形成零件的一个薄层， 扫描完第一层后， 第三伺服电机通过减速器带动滚珠丝杠转动， 与滚珠丝杠相配合的丝杠螺母向下移动， 成型基板 42 也随着下降一个层厚的距离， 再在固 化好的薄层表面铺上一层新的金属粉末， 进行下一次的扫描加工， 如此反复加工， 直到整个 零件制造完毕。当成型基板 42 位于成型缸 40 底部时， 第三伺服电机反向转动， 即可将成型 基板 42 。

26、上升到成型缸 40 上端， 取出已加工零件。 0037 以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明， 但本领域技术人员应该明 自， 本发明并不局限于以上所述实施例， 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103394694 A 6 1/4 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103394694 A 7 2/4 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 103394694 A 8 3/4 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103394694 A 9 4/4 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 103394694 A 10 。