专利名称：一种基于激光扫描实现粉末熔化成型的新方法
技术领域：
本发明涉及激光熔化成型技术领域，涉及到一种基于激光扫描实现粉 末熔化成型的新方法，特别是采用两种激光器进行分区域扫描成型的方法。
背景技术：
激光快速成型制造技术是二十世纪八十年代发展起来的一项激光成型 高新技术。其中选择性激光成型技术选用固体粉末作为烧结成型材料，将
零件的CAD三维模型输入计算机，再经过切片处理生成截面信息文件，利 用计算机控制激光逐层成型，经层层叠加后，最终形成了所需的原型或零 件。该技术具有成型材料广，制造过程不受零件复杂程度的影响，制造效 率高，成本低的特点，特别适合用来制造复杂结构零部件。
目前国际上选择性激光熔化成型系统的结构包括送粉系统、激光扫描 系统、铺粉系统、成型腔以及控制整个设备运转的控制系统与相应程序。 其中激光扫描系统由激光器和振镜构成，是上述结构组成中最重要的部分， 它主要决定零件成型制造的优劣。目前国际上使用的选择性激光成型系统 选用的激光扫描系统基本由一台激光器和一个振镜系统构成，即零件制造 过程中只有一个激光器在工作，并且由同一激光束扫描零件的整个截面。 这种单束激光的工作方式需要激光逐点进行扫描，而且扫描线之间需要一 定的搭接，因此工作效率低。另外，由于激光光斑小，遍历截面所造成的 温度场变化剧烈，温度场均匀性差，材料受热后与环境显著的温差，造成
4难以控制的热应力，因此，零件制造过程中易发生翘曲变形和裂纹。由于 零件的复杂程度不同，针对比较复杂的零件，尤其是零件中易变形的边缘 区域，如果激光功率控制不好，很有可能造成变形、裂纹、与电脑设计有 细微偏差的情况发生。针对此情况的发生，给予我们采用两种或多种激光 器进行配合扫描成型的启示。但是到目前，还一直没有解决配合扫描的方 法和工作效率低的实质性问题，给本领域带来很大麻烦。
发明内容
为解决国际上采用单束激光熔化成型效率低，成型后零件易变形、产 生裂纹，且热应力难于控制的技术问题，本发明设计了一种基于激光扫描 实现粉末熔化成型的新方法，采用两种激光器与两套振镜系统进行复合扫 描熔化成型，激光扫描均匀，不容易出现变形的情况发生。
本发明实现发明目的采用的技术方案是， 一种基于激光扫描实现粉末 熔化成型的新方法，该方法借助激光器、振镜系统以及配套的计算机控制 软件程序对烧结材料扫描熔化成型，首先在成型腔内铺垫加工零件截面等 高层所需的固体粉末，通过软件提取加工零件的截面信息，借助计算机的 控制，激光器按照零件模型的截面信息逐层进行扫描，每层固体粉末在激 光扫描下熔化成型后，再铺垫下一层固体粉末为下次激光扫描做准备，逐 层扫描直至完成整个成型过程，以上方法采用两种类型激光器和配套的振 镜系统，按照切片截面的轮廓图形、同步对每层固体粉末进行区域扫描， 两种激光器在各自的区域中进行逐层扫描完成粉末熔化成型，上述的区域 划分方法是分别用毫米级和微米级单位的扫描线对截面图形进行平行扫 描、分割形成毫米级矩形快速扫描区域和微米级曲边精细扫描区域，使微米级曲边精细扫描区域扫描线的包络线图形无限逼近轮廓图形。
本方法的关键技术在于用计算机同时控制两种激光器进行分区扫描， 区域的划分是通过计算机控制软件以及配套程序处理完成，将两类激光器 的特点相结合，针对截面的特点，同时采用大尺寸光斑激光扫描简单区域， 而小尺寸光斑激光补充扫描零件边缘精细区域。此外，对于易变形的边缘 区域，可以调整激光功率参数，使大光斑为小光斑成型进行预热，从而完 成高质量、高效率的零件成型。
本发明的有益效果是用两种激光器复合扫描，节省了时间，提髙了零 件成型效率，零件制造过程中不易发生翘曲变形和裂纹情况。采用光纤激 光器进行精细边缘扫描，降低了加工零件的失真度。
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明的所加工零件截面区域划分方法的示意图。 图2中，1是微米级曲边精细扫描区域，2是毫米级矩形快速扫描区域。
具体实施例方式
参看图l, 一种基于激光扫描实现粉末熔化成型的新方法，该方法借助 激光器、振镜系统以及配套的计算机控制软件程序对烧结材料扫描熔化成 型，首先在成型腔内铺垫加工零件截面等高层所需的固体粉末，通过软件 提取加工零件的截面信息，借助计算机的控制，激光器按照零件模型的截 面信息逐层进行扫描，每层固体粉末在激光扫描下熔化成型后，再铺垫下 一层固体粉末为下次激光扫描做准备，逐层扫描直至完成整个成型过程， 以上方法采用两种类型激光器和配套的振镜系统，按照切片截面的轮廓图形、同步对每层固体粉末进行区域扫描，两种激光器在各自的区域中进行 逐层扫描完成粉末熔化成型，上述的区域划分方法是分别用毫米级和微 米级单位的扫描线对截面图形进行平行扫描、分割形成亳米级矩形快速扫 描区域2和微米级曲边精细扫描区域1，使微米级曲边精细扫描区域1扫描 线的包络线图形无限逼近轮廓图形。
所加工零件截面图进行区域划分的具体方法是由每个切片截面轮廓 包络线图形的最高处向最低处平行做毫米级的垂直扫描线，再由水平方向 做毫米级扫描线，以毫米为单位，毫米级扫描线围成的矩形区域为毫米级 矩形快速扫描区域2，矩形边的延长线与截面轮廓的边缘线围成的有效区域 为微米级曲边精细扫描区域1。
上述的两种类型激光器分别采用光纤激光器和半导体激光器。
上述的半导体激光器的激光投影区域为矩形，长度为30-50mm，宽度 为10-30mm,半导体激光器依据毫米级扫描线在毫米级矩形快速扫描区域2 进行快速大面积扫描。
上述的光纤激光器的激光投影区域为圆形，半径为20-40nm，光纤激 光器依据微米级扫描线在微米级曲边精细扫描区域1无限精细扫描、无限 逼近截面轮廓的包络线。
下面结合本发明的实施方案，具体说明本发明的实现方式。本发明采 用的一类激光器为光纤激光器，激光波长为1.06pm，光斑直径可精细到 30pni以下；另一类激光器为半导体激光器，激光波长为500 卯0nm，半 导体激光器为矩形光斑，矩形宽度可达几十毫米。两类激光器的激光波长 都易于为金属粉末吸收，而下面结合实例对本发明作进一步详细说明。上述两类激光器分别对应两个振镜对其光路进行控制，振镜并排安装 在成型系统的上方。切片的截面，可以采用如下的扫描方式，采用毫米级
激光器进行扫描毫米级矩形快速扫描区域2，而截面的轮廓边缘区域则同时 采用微米级的光纤激光进行扫描成型。本发明的扫描方法中关键技术是对 两种激光器的扫描区域的划分过程。当所加工零件的三维模型文件输入计 算机后，计算机首先对切片的截面包络线图形进行区域划分，由每个截面 轮廓包络线图形从高向低做毫米级扫描线，再做水平方向的毫米级扫描线， 以毫米为单位，将毫米级扫描线和截面轮廓边缘围成的最小有效区域划分 为精细区域，精细区域以外的各个矩形区域为简单区域。再用微米级扫描 线在精细区域内做水平或垂直扫描线，使微米级扫描线的包络线按照微分 算法无限逼近截面包络线。上述过程为计算机自动识别和划分激光扫描区 域过程，两类截面的信息分别输入到两个振镜中，并按照所分区域进行扫 描。逐层扫描最后使零件成型。由如此产生的效果是，简单区域在毫米级 半导体激光器的扫描下能够缩短成型时间，并且半导体激光器作用粉末区 域面积较大，光纤激光器进行零件截面边缘区域的精细区域扫描加工，能 够有效避免部分受热区域与周围环境强烈的换热行为，从而减少了零件变 形的可能性。此外，对于易变形的边缘区域，可以调整激光功率参数，使 大光斑为小光斑成型进行预热，从而完成高质量、高效率的零件成型。
为更好地说明本发明中区域划分的方法，举出具体实施例，如图2所 示，所加工零件的截面图的一部分，用毫米级平行和垂直的扫描线所围成 的矩形区域为毫米级矩形快速扫描区域2，而矩形扫描线的延长线和截面轮 廓线围成的区域为微米级曲边精细扫描区域1,在毫米级矩形快速扫描区域2中，半导体激光器用毫米级扫描线对零件进行快速扫描熔化成型，而对于 微米级曲边精细扫描区域l，很显然用毫米级扫描线很难控制成型，有可能 会因为受热不均造成裂缝、变形，因此在微米级曲边精细扫描区域1改用 光纤激光器用微米级的扫描线进行熔化成型，微米级扫描线在微米级曲边 精细扫描区域1内做水平或竖直方向的平行扫描，虽然每一条扫描线与截 面轮廓线之间都有细微的误差，但是由于是微米数量级，根据微分算法的 概念，整体放大后扫描线的包络线图形是无限逼近截面轮廓的边缘。用此 方法，将亳米级扫描线无法精准完成扫描成型的区域用微米级扫描线可以 轻松地解决。
权利要求
1、一种基于激光扫描实现粉末熔化成型的新方法，该方法借助激光器、振镜系统以及配套的计算机控制软件程序对烧结材料扫描熔化成型，首先在成型腔内铺垫加工零件截面等高层所需的固体粉末，通过软件提取加工零件的截面信息，借助计算机的控制，激光器按照零件模型的截面信息逐层进行扫描，每层固体粉末在激光扫描下熔化成型后，再铺垫下一层固体粉末为下次激光扫描做准备，逐层扫描直至完成整个成型过程，其特征在于以上方法采用两种类型激光器和配套的振镜系统，按照切片截面的轮廓图形、同步对每层固体粉末进行区域扫描，两种激光器在各自的区域中进行逐层扫描完成粉末熔化成型，上述的区域划分方法是分别用毫米级和微米级单位的扫描线对截面图形进行平行扫描、分割形成毫米级矩形快速扫描区域(2)和微米级曲边精细扫描区域(1)，使微米级曲边精细扫描区域(1)扫描线的包络线图形无限逼近轮廓图形。
2、 根据权利要求1所述的一种基于激光扫描实现粉末熔化成型的新方 法，其特征在于所加工零件截面图进行区域划分的具体方法是由每个 切片截面轮廓包络线图形的最高处向最低处平行做毫米级的垂直扫描线， 再由水平方向做毫米级扫描线，以毫米为单位，毫米级扫描线围成的矩形 区域为毫米级矩形快速扫描区域(2)，矩形边的延长线与截面轮廓的边缘 线围成的有效区域为微米级曲边精细扫描区域(1)。
3、 根据权利要求1所述的一种基于激光扫描实现粉末熔化成型的新方 法，其特征在于所述的两种类型激光器分别采用光纤激光器和半导体激光器。
4、 根据权利要求3所述的一种基于激光扫描实现粉末熔化成型的新方 法，其特征在于所述的半导体激光器的激光投影区域为矩形，长度为 30-50mm,宽度为10-30mm，半导体激光器依据毫米级扫描线在毫米级矩 形快速扫描区域(2)进行快速大面积扫描。
5、 根据权利要求3所述的一种基于激光扫描实现粉末熔化成型的新方 法，其特征在于所述的光纤激光器的激光投影区域为圆形，半径为 20>4(^m，光纤激光器依据微米级扫描线在微米级曲边精细扫描区域(1) 无限精细扫描、无限逼近截面轮廓的包络线。
全文摘要
一种基于激光扫描实现粉末熔化成型的新方法，解决采用单束激光熔化成型效率低，成型后零件易变形、出现裂纹，且热应力难于控制的技术问题，采用的技术方案是，本方法采用两种类型激光器和配套的振镜系统，按照切片截面的轮廓图形、同步对每层固体粉末进行区域扫描，两种激光器在各自的区域中进行逐层扫描完成粉末熔化成型，上述的区域划分方法是分别用毫米级和微米级单位的扫描线对截面图形进行平行扫描、分割形成毫米级矩形快速扫描区域和微米级曲边精细扫描区域，使微米级曲边精细扫描区域扫描线的包络线图形无限逼近轮廓图形。本发明的优点是用两种激光器复合扫描，节省时间，提高零件成型效率，零件不易发生翘曲变形和裂纹情况。
文档编号B22F3/105GK101670432SQ20091010868
公开日2010年3月17日 申请日期2009年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者刘锦辉, 李瑞迪, 灿 赵, 陈继兵 申请人:黑龙江科技学院