一种用于陶瓷材料的选区激光熔融成形设备的制作方法[0002]随着经济全球化的发展，特别是航空宇航、生物医疗等领域快速发展给制造业带来极大挑战，各种大胆创新的设计以及越来越多的曲面、多孔、空心结构等复杂产品特征需要新型制造技术支持。SLM是采用激光有选择地分层融化固体粉末，并使熔融层固化叠制造复杂零件的一种增材制造技术。由于SLM成形过程中粉末经激光辐照快速融化、瞬时凝固的加工特点，SLM成形件力学性能优于铸件，同时，由于SLM支持从三维模型直接增材制造零件，生产成本和周期大大降低，使得其在复杂难加工件的成形显示出突出的优越性，在航空航天、汽车及生物医疗等领域显现了良好的应用前景。[0003]现有的工业激光熔融成形设备主要用于金属粉末成形，一般由送粉缸、成形缸、回收缸、刮刀、激光器以及支架组成。而对陶瓷材料而言，由于其熔点高，传热系数低、脆性较大、对应力和裂纹敏感等特点，在激光熔融成形过程中易于产生变形导致裂纹。与金属材料相比，陶瓷材料成形更加困难。目前在国内，陶瓷的SLM成形还处在理论研究阶段，未见陶瓷材料激光熔融成形设备专利报道。本发明 申请人:之前提交的专利申请“一种激光熔融成形设备的铺粉装置”，为适应陶瓷材料从控制温度梯度方面对常规铺粉设备进行了改进，但没有考虑高温预热给成形设备整体带来的影响，如高温对基板及周围部件可能带来的氧化失效等，从而无法直 接运用于一般成形设备上。国外仅PHENIX公司生产的设备能够成形金属陶瓷材料，而带有高温预热的陶瓷SLM成形设备还未见报道。[0004]
本发明的目的在于提供一种用于陶瓷材料选区激光熔融成形的设备，该装置能针对陶瓷材料进行激光熔融成形，其在待加工粉末区域底部设有感应加热装置，利用其加热及温控功能将粉末温度控制在适宜范围内，并利用配备的光纤激光发生器进行陶瓷材料的直接SLM成形。[0005]实现本发明目的的技术方案为:一种用于陶瓷材料选区激光熔融成形的设备，包括试验台架1、直线滚动导轨组合单元2、刮刀3、电动微调装置4、加料装置5、支架6、激光发生器7、动态聚焦系统8、振镜系统9、压力传感器10、成形加工舱11、抽气装置24、充气装置25、感应加热器17、工控机19和工作台面23 ;所述工作台面23设置在试验台架I上表面上，在工作台面23X向两边的外侧设置有2根平行对称分布的直线滚动导轨组合单元2，每个导轨组合单元上各有一个滑块，该滑块与直线滚动导轨组合单元2内部的滚珠丝杆固连，支架6两端底部分别与一个滑块相固连，且与滑块的移动方向相垂直；所述支架6的一侧固连有加料装置5，而在另一侧安装电动微调装置4，所述电动微调装置4的底端固定安装有刮刀3 ;所述成形加工舱11以试验台架I上表面为底面，四周及顶面以板材围成；在工作台面23中部的正下方安装感应加热器17，所述激光发生器7、动态聚焦系统8和振镜系统9固定安装在成形加工舱11顶面，振镜系统9输出端定位在工作台面23的正上方，其输入端通过光纤道路与动态聚焦系统8输出端相连，动态聚焦系统8的输入端则与激光发生器7连通；所述压力传感器10安装在成形加工舱11内表面；所述抽气装置24、充气装置25分别通过管道与成型加工舱11相通；工控机19分别与直线滚动导轨组合单元2、电动微调装置4、加料装置5、激光发生器7、动态聚焦系统8、振镜系统9、感应加热器17、抽气装置24和充气装置25相连。[0006]还包括隔热板20、压板21和过渡板22，所述隔热板20嵌在工作台面23的中部即成形工作区域且其上表面与工作台面23的上表面处于同一高度，压板21和过渡板22嵌在隔热板20的中部且其上表面均与隔热板20的上表面处于同一高度。[0007]所述试验台架I上表面开有漏孔，漏孔下对应安装粉料回收器16。
[0008]加料装置5包括导槽B-1、活动挡板B-2、牵引电磁铁B_3和两个弹簧B_4，所述导槽B-1为倒梯形槽，导槽B-1底板设有开孔，且在靠近底板处水平插有活动挡板B-2，该活动挡板B-2横穿导槽B-1，活动挡板B-2上亦开有通孔，牵引电磁铁B-3安装在导槽B-1 —侧的支架6上，其牵引端用钢丝绳通过导向轮与活动挡板B-2相连，可牵引活动挡板B-2做Y向运动从而控制粉末供给；每个弹簧B-4X向水平安装在活动单板B-2、支架6之间，弹簧两端分别与活动单板B-2、支架6固连。
[0009]在试验台架I的底部安装有4个滚轮地脚18。
[0010]抽气装置24由抽气阀门12和真空泵13通过管道连接而成，抽气阀门12开启后，控制真空泵13对舱体内进行抽真空以降低氧气含量；充气装置25由充气阀门14和氩气供应装置15通过管道连接而成，充气阀门14开启后，氩气供应装置15进行氩气过填充以保证内部气压。
[0011]电动微调装置4由Z向高度调节装置C-1和X向刮刀角度调整装置C-2组成；Z向高度调节装置C-1采用了西格玛光机精密微动平台，其粗调侧固连在支架6上，该安装面的上侧面与支架6上表面平齐；精调侧面安装有X向刮刀角度调整装置C-2 ； X向角度调整装置C-2下部连接刮刀3，X向刮刀角度调整装置C-2带动推动刮刀3转动以调整其角度，当调节到标准水平位置后，该X向角度调整装置C-2可自锁。
[0012]本发明与现有技术相比，其显著优点为:1)通过感应加热使成形基板具有较高的预热温度，降低激光辐照瞬间粉末熔融凝固形成的温度差，减少裂纹产生，提升成形件质量。2)成形加工舱通过抽气真空和充填氩气，使得成形工作空间具有气氛保护环境，能够防止基板及其它成形部件在长时间高温下氧化失效。3 )本发明通过控制刮刀的上下移动代替了常规成形设备加工区域的上下移动，使装置结构更加简单可行。



[0013]图1是本发明总体结构的主视图。
[0014]图2是本发明成形加工舱内的俯视图。
[0015]图3是本发明自动漏粉装置三维图。
[0016]图4是本发明刮刀调节装置三维图。
[0017]图5是本发明直线滚动导轨组合装置三维图。
图6是本发明直线滚动导轨组合单元装置三维图。
[0018]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0019]结合图1和图2，本发明用于陶瓷材料的选区激光熔融成形设备，包括试验台架1，直线滚动导轨组合单元2，刮刀3，电动微调装置4，加料装置5，支架6，激光发生器7，动态聚焦系统8，振镜系统9，压力传感器10，成形加工舱11，抽气阀门12，真空泵13，充气阀门14，氩气供应装置15，粉料回收器16，感应加热器17，地脚滚轮18，工控机19，隔热板20，压板21，过渡板22，工作台面23，抽气装置24，充气装置25。其中试验台架I通过底部地脚滚轮18架设在地面上，该试验台架I的顶面上设置有工作台面23和直线滚动导轨组合单元2，所述直线滚动导轨组合单元2有2组平行对称分布在工作台面23两侧的直线导轨，每根导轨上设置有相应的滑块，支架6的两端分别与一个滑块相固连且与导轨方向相垂直；所述支架6的靠近粉料回收器16 —侧安装有加料装置5，而在另一侧安装电动微调装置4，所述电动微调装置4的底端固定安装有刮刀3，刮刀3下沿与工作台面23上表面平行；所述成形加工舱11以试验台架I上表面为底面，四周及顶面以板材围成，X向单侧开有舱门，顶面对应工作台面23位置开有透镜，舱体Y向单侧通过管道连接抽气装置24和充气装置25，抽气装置24包括抽气阀门12和真空泵13，充气装置25包括充气阀门14和氩气供应装置15，且真空泵13和氩气供应装置15分别受抽气阀门12和充气阀门14控制；所述试验台架I上表面的漏孔下对应安装有粉料回收器16，该粉料回收器16为一瓶状容器，接收多余粉末并能方便地取出以重复利用；隔热板20嵌在工作台面23的中部且其上表面与工作台面23的上表面处于同一高度，压板21和过渡板22嵌在隔热板20的中部且其上表面均与隔热板20的上表面处于同一高度；所述感应加热器17设置在工作台面23中部的正下方，该感应加热器17固连在试验台架I上；所述激光发生器7、动态聚焦系统8和振镜系统9固定安装在成形加工舱11顶面，振镜系统9输出端定位在工作台面23的正上方，其输入端通过光纤道路与动态聚焦系统8输出端相连，而动态聚焦系统8的输入端则与激光发生器7连通。
[0020]结合图1和图3，本发明用于陶瓷材料的选区激光熔融成形设备的加料装置，包括导槽B-1，活动挡板B-2，牵引电磁铁B-3，弹簧B-4。其中导槽B-1竖直侧面固定在支架6上，斜面侧与活动挡板B-2接触，使活动挡板B-2可以沿其X向两表面开的通槽做水平运动；牵引电磁铁B-3安装在支架6上，与导槽B-1相临近，其牵引端用钢丝绳通过导向轮与活动挡板B-2相连，在电磁力作用可以牵引活动挡板B-2做Y向运动；弹簧B-4有两个，在导槽下部两侧对称安装，两端分别与支架6、活动挡板B-2相连。
[0021]当牵引电磁铁通电时，会对活动挡板产生吸引力，活动挡板在磁力作用下向牵引电磁铁运动，同时将弹簧压紧，当挡板上开设的通孔与导槽下部开孔贯通后，粉末会通过两孔落到台面上；下落粉量达到所需量后，牵引电磁铁即断电，活动挡板在弹簧作用下回到初始位置，两孔脱离，粉末即不再下落。
[0022]结合图1和图 4，本发明一种激光熔融成形设备的刮刀电动微调装置，分为2个部分，分别是Z向高度调节装置C-1和X向刮刀角度调整装置c-2。Z向高度调节装置其一端固定在支架6上，一端固连X向角度调整装置C-2，且X向角度调整装置C-2下部连接刮刀
3。X向刮刀角度调整装置通过推动刮刀3绕装置中心固定螺栓旋转以调整其角度。[0023]结合图1和图5，本发明一种激光熔融成形设备的感应加热器包括钛基板D-1、刚玉层D-2、铜管线圈层D-3、云母板D-4、接线板D-5、变压器D-6。其中钛基板D-1即为成形加工基板，在成形区域中央且与工作台面23上表面平齐:刚玉层D-2紧贴在钛基板D-1下面，对刚玉层下的钢管线圈层D-3起隔热保护的作用；钢管线圈层D-3在刚玉层D-2下侧，与接线板D-5相连，利用线圈中通过的电流产生磁场从而对钛基板D-1进行加热；云母板D-4安装在铜管线圈层D-3正下方，其中部开有方孔以便接线板D-5贯穿；接线板D-5在云母板D-4下，与变压器D-6相连接，变压器D-6通过专用支架固定在试验台架I上。
[0024]结合图1和图6，本发明一种激光熔融成形设备的直线滚动导轨组合单元，包括直线滚动导轨E-1，联轴器E-2，步进电机E-3。其中直线滚动导轨在工作台面23 Y向两边外侧对称安装，每根导轨上带有相应的滑块，滑块上安装支架6，带动支架6及之上的设备实现Y向的运动；所述步进电机E-3安装在直线滚动导轨E-1末端，通过联轴器E-2与直线滚动导轨E-1相连。
[0025]本发明的激光熔融成形机工作过程如下:首先进行铺粉前对刀，运行工控机19，给电动微调装置4信号，驱使其将刮刀3降至最低处，与试验台架I上表面接触，然后控制X向刮刀角度微调装置C-2校正刮刀水平度，使其与工作台面23平行；而后使刮刀3精确定位到距离工作台面23为一个粉层高度的位置，对刀结束。在加料装置5中加入足够的陶瓷粉末，关闭密封舱门，运行工控机19控制抽气装置24，对成形加工舱11进行抽真空处理，待氧气含量降至成形要求后，关闭抽气阀门12和真空泵13，开启充气装置25对成形加工舱11进行氩气填充，并通过压力传感器10对舱内气压进行实时测定，保证舱内气压略高于大气压，达到微正压状态以提高密封效果；工控机19控制启动感应加热器17利用等电流加热将基板D-1温度快速提高，待温度接近要求的预热温度，开启感应加热器17的保温功能，使基板D-1温度保持稳定；运行工控机19，通过设定流程控制直线滚动导轨组合单元2运动，带动支架6、刮刀3及刮 刀调整装置4沿导轨朝工作平台20处运动，到达设定位置，工控机19会控制加料装置5供粉，而后刮刀3将粉末均匀铺到工作平台20表面，多余的粉末会进入粉末回收器14中；粉末铺好好，激光器7开始工作，振镜系统9在工控机19的控制下使激光光斑按设定的扫描路径运动，对有效区域的粉末进行烧结成形。单层成形加工完成后，控制电动微调装置4将刮刀3上升一个层厚，动态聚焦系统8对入射激光进行调整，使激光光斑始终保持在当前分层，铺粉装置运动到初始位置，开始第二层的成形加工，如此重复之前的步骤即可完成整个成形加工。