一种增材制造激光成型系统集成设备的制作方法

本实用新型属于增材制造技术领域，特别是涉及一种增材制造激光成型系统集成设备。

背景技术：

增材制造技术所用的原材料通常有粉料、丝料、化学液体等，而目前工业应用的主流技术都是利用激光或电子束为能量源将粉末熔化或粘结成型，例如SLM、SLS、EBM等技术。这些技术采用的原材料均为几十到几百微米的粉末，在成型过程中，通过供粉机构与铺粉机构将粉末均匀平摊在成型表面上，再利用激光等能量源将表面特定几何形状区域的粉末熔化，产生冶金结合，最终使零件立体成型。

由于成型结束后的零件埋没在成型轴的粉堆中，需要将多余的粉末清除掉才能取出，同时取出的成型件内腔中也存在大量粉末需要清除，目前常用的方式主要靠人工铲粉和敲打成型件，此过程不仅效率低下，还造成粉末与人体的过多接触，危害人体健康，同时也造成过多粉末浪费。另一方面，对于成型后的金属件，为了消除一定的应力集中问题，需要快速的将成型件送入退火炉中进行热处理，长时间的清粉过程会对成型件热处理性能造成影响。故激光成型过程、粉末后处理过程与成型件热处理过程需要一个统一的系统集成设备与相应的设备控制系统，来克服目前独立的操作流程下所造成的成型件性能影响、粉末浪费、人体危害等不利因素。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种增材制造激光成型系统集成设备，该系统集成设备集成了激光成型过程、粉末后处理过程与成型件热处理过程，解决了现有工艺流程中各环节独立操作而造成的不利影响，提高了增材制造工艺流程效率，减少了金属粉末浪费，改善了操作人员环境并降低了粉末对人体的危害。

本实用新型的目的在于提供一种增材制造激光成型系统集成设备，包括：激光成型模块、后处理模块与热处理模块；各个模块均设有各自对应的仓室与传动机构，三个传动机构的结构相同且均位于各自对应仓室的下方；每个所述传动机构均包括用于陈放成型件的成型缸，固定成型件的成型基板，控制成型基板上下移动的运动平台和传动轴；每个所述传动机构的成型缸均可与各自对应的仓室对接并密封，每个所述传动机构的传动轴均穿过固定平台与运动平台相连，并通过各自的电机控制传动轴升降。

激光成型模块的传动机构通过控制成型基板的逐层移动，实现成型件的逐层激光成型过程，并将多余的粉末储存在对应的成型缸中。

后处理模块的传动机构，通过控制对应的成型缸中的成型基板运动到顶部极限位置，将成型件完全推入后处理室中，进行粉末清除的后处理过程。

热处理模块的传动机构，通过控制对应的成型缸中的成型基板运动顶部极限位置，将成型件完全推入热处理室中，进行成型件的热处理工艺。

激光成型模块、后处理模块与热处理模块有着各自不同的工作仓室，但有着统一的传动机构。通过传动机构将成型缸与三个工作仓室对接，并通过运动平台的上下移动实现本实施例中激光成型过程、粉末后处理过程与热处理过程的集成。

在上述技术方案中，优选的，所述激光成型模块的仓室包括成型室和光学系统，所述光学系统位于成型室的上方。光学系统中通过可以偏转的光学镜来控制激光束的聚焦点，完成成型室中的激光成型过程。

在上述技术方案中，优选的，所述后处理模块的仓室包括后处理室和粉末清除装置，所述粉末清除装置位于后处理室内，所述粉末清除装置包括用于抽出后处理室内粉末的粉末抽出机构、以及通过旋转和震动去除成型件内外粉末的转动机构。成型件由转动机构带动经过多角度旋转与震动，从而将成型件中的粉末清除出来，并通过粉末抽出机构将脱离的粉末抽出。

在上述技术方案中，优选的，所述热处理模块的仓室包括热处理室和加热装置，所述加热装置位于热处理室的四周和顶部，所述加热装置为热阻丝。

在上述技术方案中，优选的，所述成型缸的底部设有用于将成型缸顶起或落下的升降装置一，所述成型缸的外围设有成型缸固定装置，所述升降装置一安装在成型缸固定装置上。

在上述技术方案中，优选的，每个所述仓室的下方均设有限制成型缸位置的限位装置，所述限位装置的底部设有用于控制限位装置升降的升降装置二。

在上述技术方案中，更进一步优选的，所述固定平台上设有成型缸直线传输用导轨，所述成型缸固定装置可在导轨上滑动。将成型缸与成型缸固定装置在固定平台的导轨上直线传输，使成型缸运输到各个仓室的下方，并用限位装置固定其位置。并与三个工作仓室对接，最终通过运动平台的上下移动实现激光成型过程、粉末后处理过程与热处理过程的集成。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述固定平台可绕其中心轴旋转。将成型缸与成型缸固定装置随着固定平台的逆时针或顺时针旋转进行传输，使成型缸运输到各个仓室的下方，并用限位装置固定其位置，并与三个工作仓室对接，最终通过运动平台的上下移动实现激光成型过程、粉末后处理过程与热处理过程的集成。

该集成设备还包括用于激光成型模块粉末的输送以及后处理模块粉末的回收循环再利用的粉末循环系统，和用于实现激光成型模块的惰性气体保护、后处理模块的粉末循环、以及热处理模块的高真空环境的气体循环系统。

采用上述集成设备进行增材制造激光成型系统的一种集成方法，包括如下步骤：

1)设备初始状态下，选取一个空的成型缸，放入成型缸固定装置中，将对应限位装置顶起并用限位装置固定成型缸位置，再将成型缸顶起，使成型缸与激光成型模块的成型室对接并密封，进行激光成型过程；激光成型过程中，控制传动轴升降，实现成型基板的逐层移动，从而使成型粉末逐层被激光束烧结，完成成型件的激光成型过程；

2)待激光成型过程结束，将成型缸落下，同时控制传动轴下降，将成型件移动至成型缸最低位置，并使运动平台下降至成型缸外，将对应限位装置落下，再由成型缸固定装置带动成型缸沿导轨运动到后处理室下方，将对应限位装置顶起并用限位装置固定成型缸位置，再将成型缸顶起，使成型缸与后处理模块的后处理室对接并密封，进行粉末清理的后处理过程；粉末后处理过程中，控制传动轴上升，将成型基板运动到顶部极限位置，再将转动机构与成型基板连接，实现成型件的旋转与震动，完成成型件的粉末清理工作；

同时，可再选取一个空的成型缸，进行步骤1)的操作。

3)待粉末后处理过程结束，将转动机构与成型基板分离，将成型缸落下，同时控制传动轴下降，将成型件移动至成型缸最低位置，并使运动平台下降至成型缸外，将对应限位装置落下，再由成型缸固定装置带动成型缸沿导轨运动到热处理室下方，将对应限位装置顶起并用限位装置固定成型缸位置，再将成型缸顶起，使成型缸与热处理模块的热处理室对接并密封，进行成型件的热处理过程；成型件热处理过程中，控制传动轴上升，将成型基板运动到顶部极限位置，通过热阻丝加热，完成成型件的热处理工作；

同时，待激光成型模块的成型缸中成型件成型结束后，进行步骤2)的操作。

4)热处理过程结束后，由升降装置一将成型缸落下，同时控制传动轴下降，将成型件移动至成型缸最低位置，并使运动平台下降至成型缸外，将对应限位装置落下，取出成型件，整个激光成型、粉末后处理、热处理工作结束，将成型缸连同成型缸固定装置一同取出；取出后可在放入初始位置，进行连续工作。

同时，待后处理模块的成型缸中成型件粉末后处理过程结束后，进行步骤3)的操作。

采用上述集成设备进行增材制造激光成型系统的另一种集成方法，包括如下步骤：

1)设备初始状态下，选取三个成型缸，分别放入设备成型缸固定装置中，将对应限位装置顶起并用限位装置固定成型缸位置，将三个成型缸顶起，使三个成型缸分别与各自对应的仓室对接并密封，进行各自仓室内的成型件的激光成型、粉末后处理、热处理过程；

激光成型过程中，控制传动轴升降，实现成型基板的逐层移动，从而使成型粉末逐层被激光束烧结，完成成型件的激光成型过程；

粉末后处理过程中，控制传动轴上升，将成型基板运动到顶部极限位置，再将转动机构与成型基板连接，实现成型件的旋转与震动，完成成型件的粉末清理工作；

成型件热处理过程中，控制传动轴上升，将成型基板运动到顶部极限位置，通过热阻丝的加热，完成成型件的热处理工作；

2)当激光成型、粉末后处理与热处理过程都结束时，将三个成型缸落下，同时控制各自传动轴下降，将成型件移动至成型缸的最低位置，并使运动平台下降至成型缸外，将对应限位装置落下，取出热处理过程的成型件，固定平台进行旋转，带动成型缸固定装置与其上的三个成型缸旋转120度，到新的仓室下方，将对应限位装置顶起并用限位装置固定成型缸位置，再将三个成型缸顶起，使三个成型缸分别与各自对应的仓室对接并密封，继续进行各自仓室内的成型件的激光成型、粉末后处理、热处理过程。

本实用新型具有的优点和积极效果是：

(1)将传统激光成型过程、粉末后处理过程与成型件热处理过程统一起来，将原有多设备多步骤才能完成的工艺过程，用一个集成设备代替，解决现有工艺流程中各环节独立操作而造成的不利影响。

(2)通过设计统一的传动机构，使成型件可以在激光成型模块、粉末后处理模块与成型件热处理模块中自由传递，各模块独立工作而互不影响，提高增材制造工艺流程效率，减少金属粉末浪费，改善操作人员环境并降低粉末危害。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的增材制造激光成型系统集成设备的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的传动机构部分的结构示意图；

图3是本实用新型实施例二提供的增材制造激光成型系统的一种集成方法的结构示意图；

图4是本实用新型实施例三提供的增材制造激光成型系统的另一种集成方法的结构示意图。

图中：1-成型室；2-第一成型缸；3-成型粉末；4-成型件A；5-成型基板；6-运动平台；7-传动轴；8-固定平台；9-后处理室；10-成型件B；11-脱离的粉末；12-第二成型缸；13-第三成型缸；14-热处理室；15-成型件C；16-循环泵；17-热阻丝；18-阀门；19-转动机构；20-过滤器；21-光学镜；22-激光束；23-导轨；24-成型缸固定装置；25-升降装置一；26-限位装置；27-升降装置二；28-导轨连接点。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，并配合附图对本实用新型进行进一步详细说明。本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本实用新型为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而这些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本实用新型中明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本实用新型的保护范围的理解。

实施例1

请参阅图1和2，本实施例提供一种增材制造激光成型系统集成设备，包括：激光成型模块、后处理模块与热处理模块；各个模块均设有各自对应的仓室与传动机构，三个传动机构的结构相同且均位于各自对应仓室的下方；每个所述传动机构均包括用于陈放成型件的成型缸，固定成型件的成型基板5，控制成型基板上下移动的运动平台6和传动轴7；每个所述传动机构的成型缸均可与各自对应的仓室对接并密封，每个所述传动机构的传动轴7均穿过固定平台8与运动平台6相连，并通过各自的电机控制传动轴7升降。

激光成型模块的传动机构通过控制成型基板5的逐层移动，实现成型件的逐层激光成型过程，并将多余的粉末储存在对应的成型缸中。

后处理模块的传动机构，通过控制对应的成型缸中的成型基板运动到顶部极限位置，将成型件完全推入后处理室中，进行粉末清除的后处理过程。

热处理模块的传动机构，通过控制对应的成型缸中的成型基板运动顶部极限位置，将成型件完全推入热处理室中，进行成型件的热处理工艺。

激光成型模块、后处理模块与热处理模块有着各自不同的工作仓室，但有着统一的传动机构。通过传动机构将成型缸与三个工作仓室对接，并通过运动平台的上下移动实现本实施例中激光成型过程、粉末后处理过程与热处理过程的集成。

作为优选的实施例，所述激光成型模块的仓室包括成型室1和光学系统，所述光学系统位于成型室的上方。光学系统中通过可以偏转的光学镜21来控制激光束22的聚焦点，完成成型室1中的激光成型过程。

作为优选的实施例，所述后处理模块的仓室包括后处理室9和粉末清除装置，所述粉末清除装置位于后处理室内，所述粉末清除装置包括用于抽出后处理室内粉末的粉末抽出机构、以及通过旋转和震动去除成型件内外粉末的转动机构。成型件由转动机构带动经过多角度旋转与震动，从而将成型件中的粉末清除出来，并通过粉末抽出机构将脱离的粉末11抽出。

作为优选的实施例，所述热处理模块的仓室包括热处理室14和加热装置，所述加热装置位于热处理室的四周和顶部，所述加热装置为热阻丝17。

作为优选的实施例，所述成型缸的底部设有用于将成型缸顶起或落下的升降装置一25，所述成型缸的外围设有成型缸固定装置24，所述升降装置一25安装在成型缸固定装置24上。

作为优选的实施例，每个所述仓室的下方均设有限制成型缸位置的限位装置26，所述限位装置26的底部设有用于控制限位装置升降的升降装置二27。本实施例中的升降装置一和升降装置二均可选用升降气缸。

作为进一步优选的实施例，所述固定平台8上设有成型缸直线传输用导轨23，所述成型缸固定装置可在导轨上滑动。将成型缸与成型缸固定装置在固定平台的导轨上直线传输，使成型缸运输到各个仓室的下方，并用限位装置固定其位置。并与三个工作仓室对接，最终通过运动平台的上下移动实现激光成型过程、粉末后处理过程与热处理过程的集成。

作为进一步优选的实施例，所述固定平台8可绕其中心轴旋转。将成型缸与成型缸固定装置随着固定平台的逆时针或顺时针旋转进行传输，使成型缸运输到各个仓室的下方，并用限位装置固定其位置，并与三个工作仓室对接，最终通过运动平台的上下移动实现激光成型过程、粉末后处理过程与热处理过程的集成。

本实施例中的成型缸结构尺寸相同，其形状既可以是圆的也可以是方的，可以根据需要选择，且可以独立拆装。

作为优选的实施例，本实用新型的集成设备还包括用于激光成型模块粉末的输送以及后处理模块粉末的回收循环再利用的粉末循环系统，和用于实现激光成型模块的惰性气体保护、后处理模块的粉末循环、以及热处理模块的高真空环境的气体循环系统。

粉末循环系统，是通过循环泵16、阀门18、过滤器20等集成装置，将后处理模块部分后处理室9中脱离的粉末11，经过收料、筛分、送料等过程运输到激光成型模块成型室1中，从而实现粉末的循环利用。气体循环系统，是通过循环泵16、阀门18、过滤器20等集成装置，实现激光成型模块的惰性气体保护，后处理模块的粉末循环与热处理模块的高真空环境。

实施例2

请参阅图1～3，本实施例提供一种增材制造激光成型系统集成方法，包括如下步骤：

1)设备初始状态下，选取空的第三成型缸13，放入设备成型缸固定装置24中，由相应升降装置二27将对应限位装置26顶起并用限位装置固定成型缸位置，由限位装置26固定其位置，由升降装置一25将第三成型缸13顶起，使第三成型缸13与激光成型模块的成型室1对接并密封，此时准备工作结束进行激光成型过程；激光成型过程中，先通过电机控制传动轴7上升，将成型基板5运动到顶部极限位置，再通过电机控制传动轴7下降，实现成型基板5的逐层向下移动，从而使成型粉末3逐层被激光束22烧结，完成成型件C15的激光成型过程；

2)待激光成型过程结束，由升降装置一25将第三成型缸13落下，同时由电机控制传动轴7带动运动平台6、成型基板5与成型件C15向下移动，将成型件C15移动至第三成型缸的最低位置，并使运动平台6下降至第三成型缸13外，由相应升降装置二27将对应限位装置26落下，再由成型缸固定装置24带动第三成型缸13沿导轨23运动到后处理室9下方，由相应升降装置二27将对应限位装置26顶起并用限位装置固定第三成型缸13位置，由升降装置一25将第三成型缸13顶起，使第三成型缸13与后处理模块的后处理室9对接并密封，此时准备工作结束进行粉末清理的后处理过程；粉末后处理过程中，通过电机控制传动轴7上升，将成型基板5运动到顶部极限位置，再将转动机构19与成型基板5连接，实现成型件C15的旋转与震动，完成成型件C15的粉末清理工作；

同时，选取空的第二成型缸12，进行与步骤1)中第三成型缸13相同的操作，使其与激光成型模块的成型室1对接并密封，继续进行激光成型过程，完成成型件B10的激光成型过程。

3)待粉末后处理过程结束，将转动机构19与成型基板5分离，由升降装置一25将第三成型缸13落下，同时由电机控制传动轴7带动运动平台6、成型基板5与成型件C15向下移动，将成型件C15移动至第三成型缸的最低位置，并使运动平台6下降至第三成型缸外，由相应升降装置二27将对应限位装置26落下，再由成型缸固定装置24带动第三成型缸13沿导轨23运动到热处理室14下方，由升降装置一25将第三成型缸13顶起，使第三成型缸13与热处理模块的热处理室14对接并密封，此时准备工作结束进行成型件C15的热处理过程；热处理过程中，通过电机控制传动轴7上升，将成型基板5运动到顶部极限位置，通过热阻丝17的加热，完成成型件C15的热处理工作；

待第二成型缸12中成型件B10激光成型过程结束后，进行与步骤2)中第三成型缸13相同的操作，使其与后处理室9对接并密封，进行成型件B10的粉末清理工作；

同时，选取空的第一成型缸2，进行与步骤1)中第三成型缸13相同的操作，使其与激光成型模块的成型室1对接并密封，继续进行激光成型过程，完成成型件A4的激光成型过程。

4)热处理过程结束后，由升降装置一25将第三成型缸13落下，同时由电机控制传动轴7带动运动平台6、成型基板5与成型件C15向下移动，将成型件C15移动至第三成型缸的最低位置，并使运动平台6下降至第三成型缸13外，由相应升降装置二27将对应限位装置26落下，取出成型件C15，整个激光成型、粉末后处理、热处理系统工作结束。同时，将第三成型缸13连同成型缸固定装置24一同取出，放入初始位置，继续进行其他成型件的连续工作；

此时，成型件B10、成型件A4继续按照上述步骤进行后续工作，直到整个工作结束。

本实施例中，固定平台8与固定在其上的导轨23，在导轨连接点28处均可独立拆分，使得设备的激光成型模块、后处理模块与热处理模块均可相互拼接或独立工作，实现设备功能模块化，方便操作者根据不同的使用环境进行组合装配。本实施例只是对其一种最合理的组合方式的描述。

实施例3

对于实现本实用新型的目的来说，所述增材制造激光成型系统集成设备的组成部件、结构设计并不唯一，只要能够实现激光成型、粉末后处理与热处理的过程统一集成即可。

请参阅图1、图2和图4，本实施例提供另一种增材制造激光成型系统集成方法，包括如下步骤：

1)设备初始状态下，选取空的第一成型缸2、第二成型缸12和第三成型缸13，分别放入三个成型缸固定装置24中，由相应升降装置二将对应限位装置顶起并用限位装置固定成型缸位置，(本实施例中未画出限位装置)由各自的升降装置一25分别将三个成型缸顶起，使第一成型缸2与激光成型模块的成型室1对接并密封，使第二成型缸12与后处理模块的后处理室9对接并密封，使第三成型缸13与热处理模块的热处理室14对接并密封，此时准备工作结束进行成型件A4的激光成型、成型件B10的粉末后处理、成型件C15的热处理过程；

激光成型过程中，先通过电机控制传动轴7上升，将成型基板5运动到顶部极限位置，再通过电机控制传动轴7下降，实现成型基板5的逐层向下移动，从而使成型粉末3逐层被激光束22烧结，完成成型件A4的激光烧结过程；粉末后处理过程中，通过电机控制传动轴7上升，将成型基板5运动到顶部极限位置，再将转动机构19与成型基板5连接，实现成型件B10的旋转与震动，完成成型件B10的粉末清理工作；粉末热处理过程中，通过电机控制传动轴7上升，将成型基板5运动到顶部极限位置，通过热阻丝17的加热，完成成型件C15的热处理工作；

2)当激光成型、粉末后处理与热处理过程都结束时，由各自的升降装置一25将三个成型缸落下，同时由电机控制各自传动轴7带动相应运动平台6、成型基板5与成型件向下移动，将三个成型件移动至对应成型缸的最低位置，并使运动平台6下降至成型缸外，由相应升降装置二将对应限位装置落下，取出成型件C15，固定平台8进行逆时针旋转，带动成型缸固定装置24与其上的三个成型缸旋转120度，到新的仓室下方，由相应升降装置二将对应限位装置顶起并用限位装置固定三个成型缸位置，再由升降装置一25将三个成型缸顶起，使第一成型缸2与后处理模块的后处理室9对接并密封，使第二成型缸12与热处理模块的热处理室14对接并密封，使第三成型缸13与激光成型模块的成型室1对接并密封，此时准备工作结束进行成型件A4的粉末后处理、成型件B10的热处理、下一个成型件的激光成型过程。

本实施例中，整个激光成型、粉末后处理、热处理系统工作统一进行，三个成型缸在固定平台8的带动下，连续间断性旋转，实现成型缸带动缸中成型件与各个工作仓室对接，从而完成成型件的激光成型、粉末后处理与热处理过程。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。