多激光同轴送丝增材制造设备及送丝方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910910125.0 (22)申请日 2019.09.24 (71)申请人 山东雷石智能制造股份有限公司 地址 250101 山东省济南市高新区飞跃大 道2016号创新工场F1-2 (72)发明人 侯帅王万穴洪涛 (74)专利代理机构 北京中恒高博知识产权代理 有限公司 11249 代理人 刘洪京 (51)Int.Cl. B23K 26/342(2014.01) B23K 26/70(2014.01) B33Y 30/00(2015.01) B23K 103/14(200。

2、6.01) (54)发明名称 一种多激光同轴送丝增材制造设备及送丝 方法 (57)摘要 本发明提供了一种多激光同轴送丝增材制 造设备及送丝方法， 包括： 气体密封箱和其内的 运动机构总成。 总成包括送丝装置、 激光装置、 旋 转装置以及三个模组。 三个模组分别为可沿着X 轴、 Y轴、 Z轴移动。 工作台设置在由第一模组和第 二模组成的平台上， 旋转装置设置在工作台上。 送丝装置包括送丝盘和垂直于工作台的送丝器， 送丝器固定于第三模组。 激光装置的多个激光头 沿着送丝器的周向排列， 由激光头的喷嘴射出的 激光与送丝器的中心轴有设定夹角， 设定夹角的 角度可调节， 多个激光头的喷嘴射出的多束激光 。

3、交汇于同一个光斑， 光斑位于送丝器的中心轴 上。 本发明的增材制造设备能够在惰性气体密封 的情况下， 进行钛金属3D打印。 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 CN 110773870 A 2020.02.11 CN 110773870 A 1.一种多激光同轴送丝增材制造设备， 其特征在于， 主要包括： 气体密封箱， 内部为充满惰性气体的密封环境； 运动机构总成， 位于所述气体密封箱内， 包括送丝装置、 激光装置、 旋转装置以及三个 模组； 所述三个模组分别为可沿着X轴方向移动的第一模组、 可沿着Y轴方向移动的第二模 组、 可沿着Z轴方向移动的第三模组， 工作台设置在由所述第一模组和所述第二。

4、模组成的平 台上， 所述旋转装置设置在所述工作台上； 所述送丝装置包括送丝盘和垂直于所述工作台 的送丝器， 所述送丝器固定于所述第三模组； 所述激光装置的多个激光头沿着所述送丝器 的周向排列， 由所述激光头的喷嘴射出的激光与所述送丝器的中心轴有设定夹角， 所述设 定夹角的角度可调节， 所述多个激光头的喷嘴射出的多束激光交汇于同一个光斑， 所述光 斑位于所述送丝器的中心轴上。 2.根据权利要求1所述的多激光同轴送丝增材制造设备， 其特征在于， 所述旋转装置可 沿着X轴和/或Y轴旋转。 3.根据权利要求2所述的多激光同轴送丝增材制造设备， 其特征在于， 所述激光头具有 光纤接口和冷却通道， 激光从。

5、所述光纤接口传输到所述喷嘴， 所述冷却通道的进水口和出 水口均与所述光纤接口位于同一端。 4.根据权利要求1至3中任一项所述的多激光同轴送丝增材制造设备， 其特征在于， 所 述激光头具有用于调整聚焦镜位置的光斑调节旋钮， 以调整光斑的大小。 5.根据权利要求4所述的多激光同轴送丝增材制造设备， 其特征在于， 所述送丝器和所 述激光头的内部为中空的保护腔体， 所述送丝器和所述激光头均分别设置有用于向所述保 护腔体通入惰性气体的进气装置。 6.根据权利要求1所述的多激光同轴送丝增材制造设备， 其特征在于， 所述送丝器内设 置有拉丝机构， 丝材从所述送丝盘经过导向轮到达所述拉丝机构， 所述拉丝机构包。

6、括驱动 装置、 从动压轮、 传感器、 进丝矫正管和出丝矫正管。 7.根据权利要求3所述的多激光同轴送丝增材制造设备， 其特征在于， 还包括： 过渡舱， 其为一个中空舱体， 工件放入中空舱体中， 通过真空泵抽真空， 并充入保护气， 打开内舱门， 实现上料过程； 辅助箱体， 其内具有气体循环再生系统和激光器， 所述气体循环再生系统通过管路与 所述气体密封箱连接， 所述激光器通过光纤与所述光纤接口连接。 8.根据权利要求1所述的多激光同轴送丝增材制造设备， 其特征在于， 所述激光头为小 功率激光设备， 所述激光头的数量至少为两个。 9.根据权利要求4所述的多激光同轴送丝增材制造设备， 其特征在于， 。

7、所述激光头通过 螺杆可旋转连接于所述送丝器， 所述螺杆与所述送丝器的中心轴相对垂直， 以调整所述设 定夹角的角度大小。 10.一种控制权利要求1的设备的增材制造送丝方法， 其特征在于， 包括首次启动的初 始化定位步骤， 由打印状态切换至空移状态时的回退步骤， 由空移状态切换至进给状态时 的再定位步骤， 初始化定位步骤包括： S101： 执行快速送丝， 在检测到丝材接触到工作台后停止快速送丝； S102： 执行快速退丝， 以使得丝材脱离打印平台； 权利要求书 1/2 页 2 CN 110773870 A 2 S103： 执行慢速送丝， 在检测到丝材再次接触工作台后停止慢速送丝； 回退步骤包括： 。

8、S201： 设定回退时间和回退速度； S202： 在所述回退时间内， 以所述回退速度执行快速退丝； 再定位步骤包括： S301： 设定送丝时间和送丝速度； S302： 在所述送丝时间内， 以所述送丝速度执行慢速送丝。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110773870 A 3 一种多激光同轴送丝增材制造设备及送丝方法 技术领域 0001 本发明涉及增材制造技术领域， 特别是一种涉及多激光同轴送丝增材制造设备及 送丝方法。 背景技术 0002 在激光增材制造或激光金属3D打印中， 核心技术为激光能量光斑与材料输送的同 步控制， 通过材料输送装置将熔覆材料连续、 准确、 均匀的输送到加工位置的同。

9、时， 使激光 的能量光斑准确的作用与该位置， 瞬间将熔覆材料熔化形成熔池， 经由控制系统控制激光 打印头和熔覆材料的输送机构同步运动， 完成预定的打印工作。 0003 目前材料的输送方式主要分为送粉式、 铺粉式和送丝式。 惰性气体密封环境主要 应用在铺粉式设备上。 送粉式在送粉量和均匀性上难以实现精确控制， 而且加工过程中粉 末的利用率较低， 未完全熔化的粉末会粘附在工件表面， 造成表面质量缺陷等问题。 送丝式 则能实现均匀连续的精确输送， 有材料利用率高， 清洁高效等优点。 但是现有的控制方式无 法实现精确的位置控制， 会出现材料没有熔化或材料出现堆积问题， 不能连续运行。 发明内容 000。

10、4 本发明的一个目的是要提供多激光同轴送丝增材制造设备及送丝方法， 以解决在 惰性气体密封的情况下， 进行钛金属3D打印的问题。 0005 特别地， 本发明提供了一种多激光同轴送丝增材制造设备， 主要包括： 0006 气体密封箱， 内部为充满惰性气体的密封环境； 0007 运动机构总成， 位于所述气体密封箱内， 包括送丝装置、 激光装置、 旋转装置以及 三个模组； 所述三个模组分别为可沿着X轴方向移动的第一模组、 可沿着Y轴方向移动的第 二模组、 可沿着Z轴方向移动的第三模组， 工作台设置在由所述第一模组和所述第二模组成 的平台上， 所述旋转装置设置在所述工作台上； 所述送丝装置包括送丝盘和垂。

11、直于所述工 作台的送丝器， 所述送丝器固定于所述第三模组； 所述激光装置的多个激光头沿着所述送 丝器的周向排列， 由所述激光头的喷嘴射出的激光与所述送丝器的中心轴有设定夹角， 所 述设定夹角的角度可调节， 所述多个激光头的喷嘴射出的多束激光交汇于同一个光斑， 所 述光斑位于所述送丝器的中心轴上。 0008 优选的， 所述旋转装置可沿着X轴和/或Y轴旋转。 0009 优选的， 所述激光头具有光纤接口和冷却通道， 激光从所述光纤接口传输到所述 喷嘴， 所述冷却通道的进水口和出水口均与所述光纤接口位于同一端。 0010 优选的， 所述激光头具有用于调整聚焦镜位置的光斑调节旋钮， 以调整光斑的大 小。。

12、 0011 优选的， 所述送丝器和所述激光头的内部为中空的保护腔体， 所述送丝器和所述 激光头均分别设置有用于向所述保护腔体通入惰性气体的进气装置。 0012 优选的， 所述送丝器内设置有拉丝机构， 丝材从所述送丝盘经过导向轮到达所述 说明书 1/5 页 4 CN 110773870 A 4 拉丝机构， 所述拉丝机构包括驱动装置、 从动压轮、 传感器、 进丝矫正管和出丝矫正管。 0013 优选的， 还包括： 0014 过渡舱， 其为一个中空舱体， 工件放入中空舱体中， 通过真空泵抽真空， 并充入保 护气， 打开内舱门， 实现上料过程； 0015 辅助箱体， 其内具有气体循环再生系统和激光器， 。

13、所述气体循环再生系统通过管 路与所述气体密封箱连接， 所述激光器通过光纤与所述光纤接口连接。 0016 优选的， 所述激光头为小功率激光设备， 所述激光头的数量至少为两个。 0017 优选的， 所述激光头通过螺杆可旋转连接于所述送丝器， 所述螺杆与所述送丝器 的中心轴相对垂直， 以调整所述设定夹角的角度大小。 0018 根据本发明的另一个方面， 本发明还公开了一种控制设备的增材制造送丝方法， 包括首次启动的初始化定位步骤， 由打印状态切换至空移状态时的回退步骤， 由空移状态 切换至进给状态时的再定位步骤， 0019 初始化定位步骤包括： 0020 S101： 执行快速送丝， 在检测到丝材接触到。

14、工作台后停止快速送丝； 0021 S102： 执行快速退丝， 以使得丝材脱离打印平台； 0022 S103： 执行慢速送丝， 在检测到丝材再次接触工作台后停止慢速送丝； 0023 回退步骤包括： 0024 S201： 设定回退时间和回退速度； 0025 S202： 在所述回退时间内， 以所述回退速度执行快速退丝； 0026 再定位步骤包括： 0027 S301： 设定送丝时间和送丝速度； 0028 S302： 在所述送丝时间内， 以所述送丝速度执行慢速送丝。 0029 优选的， 在初始化定位步骤中， S101执行快速送丝的速度为10m/min， S102执行快 速退丝的速度为5m/min， S。

15、103执行慢速送丝的速度为1m/min。 0030 本发明多激光同轴送丝增材制造设备， 由于运动机构总成的布局结构， 特别是送 丝器和激光头的组合方式， 其对称式布局、 结构稳定、 占用空间小， 从而使得光纤活动范围 小、 可保证激光的稳定性、 保证高精度。 0031 进一步地， 本发明多激光同轴送丝增材制造设备， 采用多路光路集成， 通过光路角 度调节旋钮实现多路光路的同心， 每路激光头有按钮可调节光斑的大小， 可使光斑均衡， 质 量稳定； 间距均衡， 可解决大功率激光头散热高问题； 可调整打印前后位置， 调整温差， 解决 增材过程中， 由于温度温差过大引起的应力集中裂纹问题。 0032 根。

16、据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述， 本领域技术人员将会更加明 了本发明的上述以及其他目的、 优点和特征。 附图说明 0033 后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。 附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。 本领域技术人员应该理解， 这些 附图未必是按比例绘制的。 附图中： 0034 图1是本发明多激光同轴送丝增材制造设备的整体示意图； 说明书 2/5 页 5 CN 110773870 A 5 0035 图2是本发明多激光同轴送丝增材制造设备中运动机构总成的示意图； 0036 图3是图2所示的激光头和送丝器的示意图； 0037 图4是送丝盘、。

17、 送丝器、 拉丝机构的简易连接示意图； 0038 图5是增材制造送丝方法中丝材初始化定位流程图； 0039 图6是增材制造送丝方法中丝材回退流程图； 0040 图7是增材制造送丝方法中丝材再定位流程图； 0041 图中各标号所表示的含义如下： 0042 1-气体密封箱； 2-辅助箱体； 3-过渡舱； 4-电箱； 5-控制面板； 6-水冷机； 7-真空泵； 8-送丝盘； 9-送丝器； 10-激光头； 11-模组； 12-工作台； 13-支架； 14-旋转装置； 15-固定安装 位； 16-进丝口； 17-光纤接口， 18-进水口； 19-出水口； 20-光斑调节旋钮； 21-进气装置； 22- 。

18、光路角度调节旋钮； 23-喷嘴； 24-导向轮； 25-送丝管； 26-矫正管。 具体实施方式 0043 本发明主要是解决在惰性气体密封的情况下， 进行钛金属3D打印的问题。 具体结 构是采用送丝结构， 将材料引入由激光束产生的熔池中融化， 然后在运动机构的作用下， 形 成复杂形状的打印构件。 0044 如图1为增材制造设备的整体示意图。 气体密封箱1内部为惰性气体密闭环境。 气 体密封箱1内有运动机构总成， 可进行特殊合金的增材制造过程。 气体密封箱前上侧为可打 开的玻璃视窗结构， 方便观察和调整内部结构； 前下侧为两个手套口， 在气体密封过程中， 方便工作人员进行内部操作。 辅助箱体2位于。

19、气体密封箱1的下方。 辅助箱体2内部有气体循 环再生系统和激光器等。 气体循环再生系统通过管路与气体密封箱1连接， 用于除氧除水， 保证惰性气体的密闭环境。 激光器通过光纤与运动机构总成中的激光头10相连接。 过渡舱3 位于设备的右侧。 过渡舱3是一个中空舱体， 工件放入过渡舱， 然后通过真空泵7抽真空， 并 充入保护气， 然后打开内舱门， 实现上料过程。 电箱4位于设备的右下侧， 并且用钣金包围， 保证美观性。 控制面板5位于设备的右上侧， 方便操作与观察。 水冷机6， 用于双温控制， 保证 激光器和激光头10的冷却。 0045 图2为运动机构总成的示意图， 位于气体密封箱1内。 运动机构总。

20、成包括送丝装置、 激光装置、 旋转装置14以及三个模组11。 模组11设置在支架13上。 在本实施例中， 支架13的 形状为L型， 其横向架上连接有可沿着Y轴移动的第二模组， 其竖向架连接有可沿着Z轴移动 的第三模组， 所述第二模组上方连接有可X轴移动的第一模组。 工作台12设置在由所述第一 模组和所述第二模组成的平台上。 也就是说， 工作台12具有两个自由度， 在X轴方向和Y轴方 向上移动。 旋转装置14设置在所述工作台12上。 图2中所示的旋转装置14能够绕X轴转动。 在 其他实施例中， 旋转装置14也可以设置成绕Y轴转动； 或者旋转装置14设置成既可以绕X轴 转动又可以绕Y轴转动。 00。

21、46 图3为激光头10和送丝器9的示意图。 图4是送丝盘8、 送丝器9、 拉丝机构的简易连 接示意图。 结合图2、 图3和图4， 送丝装置包括送丝盘8和垂直于所述工作台12的送丝器9。 所 述送丝器9通过固定安装位固定于所述第三模组， 能够沿着Z轴做竖直上下的移动。 送丝器9 内设置有拉丝机构， 丝材从送丝盘8经过导向轮24到达所述拉丝机构。 为了引导丝材的路 线， 导向轮到送丝器9之间， 设置有送丝管25。 送丝器8的进丝口16和出丝口均设置有矫正管 说明书 3/5 页 6 CN 110773870 A 6 26。 送丝器9的内部为中空的保护腔体。 送丝器9设置有用于向所述保护腔体通入惰性气。

22、体 的进气装置21。 0047 拉丝机构包括驱动装置、 从动压轮、 传感器、 进丝矫正管和出丝矫正管。 驱动装置 由伺服电机或步进电机连接减速机作为动力输出， 带动主动轮转动。 丝材的半径范围为 0.6-1.05mm， 送丝速度0-10m/min。 此种配置由于拉丝机构离出丝嘴比较近， 送丝精度比较 高， 稳定性好， 但是要求输出扭力较大。 0048 激光装置的多个激光头10沿着所述送丝器9的周向排列。 由激光头10的喷嘴射出 的激光与送丝器9的中心轴有设定夹角。 激光头10通过螺杆可旋转连接于送丝器9。 螺杆与 送丝器9的中心轴相对垂直。 当调节螺杆旁边的光路角度调节旋钮22时， 激光头10。

23、能够绕着 螺杆旋转， 从而控制喷嘴23靠近或者远离送丝器9的中心轴， 以调整设定夹角的角度大小。 本发明具有多个激光头10， 所述多个激光头的喷嘴射出的多束激光交汇于同一个光斑， 光 斑位于所述送丝器的中心轴上， 从而形成熔池。 激光头10还具有用于调整内部聚焦镜位置 的光斑调节旋钮20， 以调整光斑的大小。 0049 在本实施例中， 激光头10的数量为三个， 以均匀的间距设置在送丝器9的周向。 每 个激光头10为小功率激光设备。 采用小功率激光设备能够解决大功率激光器的价格过高问 题。 采用多路光路集成， 通过光路角度调节旋钮实现多路光路的同心， 每路激光头有按钮可 调节光斑的大小。 三路激。

24、光混合使用， 可使光斑均衡， 质量稳定； 间距均衡， 可解决大功率激 光头散热高问题； 激光光斑位置可调， 可调整打印前后位置， 调整温差， 解决增材过程中， 由 于温度温差过大引起的应力集中裂纹问题。 0050 激光头10还具有光纤接口17和冷却通道。 激光从所述光纤接口17传输到喷嘴23。 其中， 冷却通道的进水口18和出水口19均与光纤接口17位于同一端。 每个激光头10的内部 均为中空的保护腔体。 激光头10设置有用于向所述保护腔体通入惰性气体的进气装置21， 从而保护内部环境的稳定性。 0051 上述运动机构总成的布局结构， 特别是送丝器8和激光头10的组合方式， 其对称式 布局、 。

25、结构稳定、 占用空间小， 从而使得光纤活动范围小、 可保证激光的稳定性、 保证高精 度。 0052 如图5、 6、 7的流程图所示， 根据本发明的另一个方面， 本发明还公开了一种控制设 备的增材制造送丝方法， 包括首次启动的初始化定位步骤， 由打印状态切换至空移状态时 的回退步骤， 由空移状态切换至进给状态时的再定位步骤。 0053 图5是增材制造送丝方法中丝材初始化定位流程图。 初始化定位步骤包括： 0054 S101： 执行快速送丝， 在检测到丝材接触到工作台后停止快速送丝； 0055 S102： 执行快速退丝， 以使得丝材脱离打印平台； 0056 S103： 执行慢速送丝， 在检测到丝材。

26、再次接触工作台后停止慢速送丝。 0057 首先启动丝材定位初始化， 执行快速送丝， 直至传感器检测到丝材接触到打印平 台。 然后快速退丝， 使丝材脱离打印平台。 最后执行慢速送丝直到丝材再次接触打印平台， 完成定位初始化。 初始化定位步骤具有时间超时报警的功能， 防止运行超时。 在本实施例的 初始化定位步骤中， S101执行快速送丝的速度为10m/min， S102执行快速退丝的速度为5m/ min， S103执行慢速送丝的速度为1m/min。 以150mm的输送距离为例， 定位时间为1.2s， 重复 定位精度0.2mm。 说明书 4/5 页 7 CN 110773870 A 7 0058 图。

27、6是增材制造送丝方法中丝材回退流程图。 回退步骤包括： 0059 S201： 设定回退时间和回退速度； 0060 S202： 在所述回退时间内， 以所述回退速度执行快速退丝。 0061 打印机每次由打印状态切换到空移状态时， 都需要执行一次丝材回退动作和停止 激光器运行。 具体回退距离和速度可根据实际需要进行设定。 在本实施例的回退步骤中， 快 速退丝速度设定为5m/min。 本设备设定回退时间为0.2s， 回退速度为5m/min， 回退距离约为 10mm。 0062 图7是增材制造送丝方法中丝材再定位流程图。 再定位步骤包括： 0063 S301： 设定送丝时间和送丝速度； 0064 S30。

28、2： 在所述送丝时间内， 以所述送丝速度执行慢速送丝。 0065 当由空移状态切换到进给状态时， 需要再次定位丝材。 在本实施例的再定位步骤 中， 送丝距离10mm， 送丝速度2m/min， 用时约0.3s。 0066 综上， 本发明提供了一种多激光同轴送丝增材制造设备和送丝方法， 在惰性气体 密封的情况下， 进行钛金属3D打印， 确保金属丝材能精确输送到加工位置， 确保高效率、 高 精度和高稳定性的完成激光增材制造工作。 0067 至此， 本领域技术人员应认识到， 虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示 例性实施例， 但是， 在不脱离本发明精神和范围的情况下， 仍可根据本发明公开的内容直接 确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。 因此， 本发明的范围应被理解和认 定为覆盖了所有这些其他变型或修改。 说明书 5/5 页 8 CN 110773870 A 8 图1 说明书附图 1/5 页 9 CN 110773870 A 9 图2 说明书附图 2/5 页 10 CN 110773870 A 10 图3 说明书附图 3/5 页 11 CN 110773870 A 11 图4 图5 说明书附图 4/5 页 12 CN 110773870 A 12 图6 图7 说明书附图 5/5 页 13 CN 110773870 A 13 。