SLM激光快速成型设备的设计与开发

第８期　２０１０年８月　机械设计与制造　

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　１５　

文章编号：１００１—３９９７（２０１０）０８—００１５—０２　

ＳＬＭ激光快速成型设备的设计与开发术　

陈光霞　曾晓雁　（　江汉大学机电与建筑工程学院，武汉４３００５６）（　华中科技大学武汉国家光电实验室激光部，武汉４３００７４）　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｌａｓｅｒ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｒａｐｉｄ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　

ＣＨＥＮ　Ｇｕａｎｇ－ｘｉａ　，ＺＥＮＧ　Ｘｉａｏ－ｙａｎ　

（　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００５６，Ｃｈｉｎａ）　

（　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｌａｓｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｗｕｈａｎ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ—Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆　

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　●《＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●（）●０●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●０●＜＞●０●＜＞●＜＞●＜＞●０●０●＜＞●◇●◇●＜＞●＜＞●＜＞●０●◇●◇●◇●Ｃ＞．◇●◇●◇●＜＞●＜＞●＜＞●　【摘要】选择｝生激光熔化（ｓＬＭ）技术是目前较先进的激光快速成型技术，而高精度的ＳＬＭ设备是ａ　

６进行ＳＬＭ快速成型研究的基础。由于进口设备价格昂贵，所以自主开发了一套ＳＬＭ设备。论述了该设备２　

２的设计和制造要求、总体结构和工作原理及主要组成部分的性能特点和功能。给出了加工实例。该设备具　

ｉ有成本较低、运行平稳、加工精度高等特点，为同类设备的研发提供了借鉴。　５　

５　关键词：快速成型；激光加工；选择性激光熔化；设备　Ｑ　

？　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＳＬＭ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｌａｓｅｒ　ｍｅｌｔｉｎｇ）ｉｓ　ａｎ　ａｄｖａｎｃｅ　ｌａｓｅｒ　ｒａｐｉｄ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，　

ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＳＬＭ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｏｆ　ｒａｐｉｄ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，６　￡　ｅ　ｉｍｐｏｒｔｅｄ　ｅｑｕｉｐ－６　

◇ｍｅｎｔ　ｉｓ　ｔｏｏ　ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ　ｔｏ　ｂｕｙ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ￣Ａ　ＳＬＭ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂｙ　ｏｕｒｓｅｌｖｅｓ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｅ一２　

ｑｕｅｓｔｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｏｖｅｒａｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｃｏｍｐｏｓｅｓ　ｗｅｒｅ　

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｗｅｒｅ　ｂｕｉｌｔ　ｂｙ　ｔｈｉｓ　ＳＬＭ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．ｈ　ｈａｓ　ｓ０袱ｕｓｅ　ｆｏｒ　ｒｅｆｅｒ－６　Ｖ　●　ａ　ｅｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｓ７ｓｔｅｍ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．　◇　Ｖ　ｒ　●　！　＾　？　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｒａｐｉｄ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ；Ｌａｓｅｒ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ＳＬＭ；Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　●＜：＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●◇●－＜＞●－＜＞●－＜＞●－＜＞●◇●◇●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●－＜＞●＜＞●－—　＞●＜＞●＜＞●－＜＞●－＜＞●－　：：：＞●－＜＞●－—：：：＞●◇●◇●－ｔ：：＞●◇●－ｃ　：＞●◇●　中图分类号：ＴＨ１２文献标识码：Ａ　

￡＿‘——Ｌ一　１日ＩＪ舌　

目前，许多快速成型技术之所以难以得到广泛地应用与推　广，原因之一就是制造出来的金属零件难以满足使用要求，往往　需要进行二次加工。选择ｌ生激光熔化（ＳＬＭ）技术较好地克服了上　述不足，使激光快速成型技术的应用前景变得极为广阔。ＳＬＭ技　术是应用分层制造思想，用粉末将ＣＡＤ模型转换为零件。由于它　不仅采用中、小功率激光快速、完全地熔化选区金属粉末，而且采　用快速冷却凝固技术，所以可获得非平衡态过饱和固溶体及均匀　细小的金相组织，致密度近乎１００％，机械性能与锻造相当。　研究ＳＬＭ激光陕速成型技术的前提之一是：拥有高精度的ＳＬＭ　

加工设备。国外学者在这方面进行了较深入的研究，已经制造出　用于实际生产的成型设备，但价格昂贵，不适合在我国国内推广。　立足于国内的实际，利用现有的加工制造条件，设计制造出　

一套经济实用且精度高的ＳＬＭ加工设备，并且已经将它应用？于　复杂零件的加工和研究。　论述了ＳＬＭ快速成型设备的设计要求、总体结构、工作原理　及主要组成部分的性能特点和功能。最后给出了加工实例。　２　ＳＬＭ设备的设计和制造要求　’　

２．１运动精度要求　在ＳＬＭ成型设备机械设计中，运动需求主要包括成型缸、送　粉缸和回收缸的上下往复运动和刮板的左右往复运动这两个方　面。其中在三个缸的运动中，又以成型缸最为重要，所以对其上下　往复运动的直线运动精度及摆动精度应提出严格的要求，例如根　据设计要求，直线运动的重复定位精度为（１－３）Ｉｘｍ。　２＿２表面精度要求　

影响ＳＬＭ铺粉精度的因素主要有平面度与表面粗糙度。平　

面度的要求主要体现在基板的平面度和刮板所使用的导轨的平　面度这两个方面，两者的平面度要求均不高于２１，ｚｍ；表面粗糙度　

主要是针对基板而言，要求Ｒａ￣＜０．８ｐ．ｍ。　２．３振镜运动精度要求　当铺粉精度达到要求后，被加工零件的尺寸精度主要取决于　振镜的扫描精度，根据公式：　ｆ＝（、／　＋　＋ｅ）ｔａｎＯｘ　，，、　Ｉ　：ｄｔａｎ＠　…　

式中：ｅ一两振镜镜片中心点的距离；ｄ—ｙ轴镜片中心到扫描平　面的距离；　和　轴和Ｙ轴的光学偏转角；（　，Ｙ）一视　场平面上相应光点坐标，且当ｘ＝ｙ＝Ｏ时，Ｏｘ＝Ｏｙ＝Ｏ。根据实际　的结构尺寸（ｄ＝３６０ｍｍ，ｅ＝１５ｍｍ）及尺寸误差不高于１０　ｍ　的设计要求，由公式（１）计算得到振镜的偏转角度误差不超　过２００￣Ｒａｄ。　２．４气体保护要求　如果在大气环境下进行快速成型加工，由于氧化作用的存　在，成型件的表面质量、成型精度与内部性能都会受到极大的影　

★来稿日期：２００９—１０—１０＂－ｈ－基金项目：国家８６３高科技项目（２００６ＡＡ０３Ｚ０４４６）

　１６　陈光霞等：ＳＬＭ激光快速成型设备的设计与开发　第８期　

响：表面氧化使成型件的表面粗糙度增加；内部氧化物夹渣的增　加将影响成型件的机械与物理性能。因此，为提高表面质量、避免　加工缺陷，也为了能进行钛金属零件的加工，要求加工过程需在　气体保护下进行，如在手套箱中进行。　３　ＳＬＭ激光快速成型设备的总体结构　

３．１总体结构　设备总体结构，如图１所示。它主要由激光器及辅助设备、气　体净化系统、铺粉系统、控制系统四大部分组成。　（１）激光器及辅助设备由一台ＩＰＧ２００Ｗ光纤激光器以及水　冷机、聚集光路、振镜系统、冷却水路等部分组成。　（２）气体净化系统采用米开罗那公司生产的ＭＫ１００气体净　化系统及真空箱体组成。　（３）铺粉系统由送粉缸、成型缸、粉末回收缸、刮粉装置组成。　（４）控制系统由一套ＣＮＣ控制单元和一台ＰＣ机组成。ＰＣ机　可以运行ＳＬＭ工艺控制软件并生成相应的控制指令，再通过运　动控制卡等接口将指令输送到ｃＮｃ控制单元执行。　Ｉ　２　３　４　５　６　７　Ｒ　９　

图１　ＳＬＭ系统设备总体结构图　１．气体净化装置２．循环管路３．ＣＮＣ装置４．真空腔体５．粉末铺设装置　６．激光振镜７．Ｆ～０组合透镜８．光纤９．Ｙｂ光纤激光器　ＳＬＭ激光快速成型系统的设备实物，如图２所示。　

图２　ＳＬＭ快速成型设备实物图　３．２工作原理　整个系统为开环控制，由激光器、气体净化系统、控制系统、　铺粉系统四个部分协调工作。首先成型缸下降一个层厚，送粉缸　上升一定高度，上升的高度由成型一层所需粉末决定；刮粉装置　将粉末刮至成型缸，多余粉末刮至回收缸中；由控制系统将控制　指令传输至成型系统，控制振镜进行扫描加工。当一层加工完成　

后，重复上述过程，直至整个零件加工完成。　４　ＳＬＭ成型设备主要组成部分的性能　

４．１激光器　

（１）光束质量优良、工作方式灵活、功率输出稳定。　（２）提供了丰富的控制接口，可以外接ＣＮＣ信号对其进行全　方位控制。　

（３）该激光器采用光纤传输，增加了设备使用的灵活性。　（４）提供了电子开关方式来控制激光输出，使ＣＮＣ数控单元　可以几乎无延迟地控制激光束的输出和关闭，消除了一般激光器　单纯通过机械光闸进行输出控制所产生的明显滞后。　４．２气体净化系统　设备采用米开罗那公司生产的气体净化系统ＭＫ１００来实现　气体净化，如图３所示。该净化系统能实现水、氧含量在１ＰＰＭ以　下的气体环境的工作需求。其胜能指标，如表１所示。　

表１　ＭＫ１Ｏ０性能指标　

４．３控制系统　控制系统，如图４所示。分为两部分：一部分用来控制铺粉系　统中的成型缸、送粉缸、回收缸及刮粉装置的协调运动；另一部分　

用来控制振镜运动及激光开关，以便对粉末进行熔化加工。ＳＬＭ　设备的运动控制结构图，如图５所示。　

图３气体净化系统　图４控制系统　

图５　ＳＬＭ设备的运动控制结构图　４．４铺粉系统　该系统主要由送粉缸、成型缸、回收缸及一个刮粉装置组成，　完成金属粉末的送粉、铺粉与粉末回收工作，为了增加加工幅面，　也为了使缸的加工制造更方便，本装置采用方形缸体结构。为了　达到比较小的铺粉层厚，没有采用辊筒方式进行铺粉，而是采用　刮板刮粉的方式来完成。刮板要求不具有磁ｌ生，还要有一定的硬　度和耐磨性，因此，陶瓷材料是最好选择。　５小结　

自主开发了一套ＳＬＭ快速成型设备。实践证明，该设备不仅　成本较低，而且能制造形状复杂，精度较高的金属零件，因此，具　有较高的使用、推广价值。　参考文献　１付立定，史玉升，章文献等．３１６Ｌ不锈钢粉末选择胜激光熔化快速成型的　工艺研究［Ｊｌ＿应用激光，２００８，４（２）：１０８～１１１　２李宁，王高潮．ＳＬＳ烧结参数对快速成型制件精度与强度的影响［Ｊ］．模具　制造技术，２００４（１０）：５１－５３