[发明专利]一种金属零件的激光增材制造装备及方法

权利要求书

1.一种激光增材制造装备，其特征在于，该装备包括工作舱、预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件、移动机构和控制系统；

所述工作舱用于为金属零件的增材制造提供惰性、无粉尘的工作环境；

所述预置铺粉快速成形组件用于在所述工作舱内完成金属粉末的预置和激光选区熔化；

所述随形缸体设置与移除组件用于在所述工作舱内逐层设置形状与金属零件切片层相适应、可容纳金属粉末床的闭合随形缸体；金属零件成形后，随形缸体设置与移除组件还用于将随形缸体移除，以方便金属零件的取出；

所述机械加工组件位于所述工作舱内，用于在金属零件制造过程中对已形成的零件片层进行机械加工；

所述移动机构用于协助预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件按照各自的加工轨迹运行；

所述控制系统与所述预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件、移动机构信号连接，用于处理金属零件CAD模型，生成所述预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件和机械加工组件的加工轨迹，并驱动装备各部分协同运转，

所述工作舱包含工作舱体(10)、保护气源(9)与除尘系统(16)；工作舱体(10)底部设有水平基座(18)，侧面设有舱门(15)和手套箱接头(14)；保护气源(9)与除尘系统(16)位于工作舱体(10)外部；其中，保护气源(9)负责向工作舱体(10)内部提供保护气体；除尘系统(16)内部安装有多级滤芯及循环风机，用于净化工作舱体(10)内部因高能束辐照和机械加工产生的粉尘；

所述机械加工组件包括机械加工夹具(31)与刀具(32)；其中，机械加工夹具(31)用于安装刀具(32)；刀具(32)能够在零件成形过程中快速更换，

所述预置铺粉快速成形组件包括基板(20)、粉末存储腔(21)、铺粉器(22)、刮刀(23)、扫描振镜(33)、防尘罩(34)和扩束镜(35)；其中，基板(20)安装在工作舱体(10)内；铺粉器(22)位于基板(20)上方，用于接收位于工作舱体(10)上部的粉末存储腔(21)所提供的金属粉末，其下方安装有刮刀(23)；扩束镜(35)通过选区熔化用激光传导光纤(2)与位于工作舱体(10)外预置铺粉快速成形组件自带或外配的激光源(1)相连，扩束镜(35)负责对入射激光束进行准直，然后将其传输至安装在防尘罩(34)内部的扫描振镜(33)；扫描振镜(33)能够根据预设的扫描路径输出激光束，激光束经安装在防尘罩(34)下部的动态聚焦镜聚焦后，选择性地熔化基板(20)上的金属粉末床；

或者，

所述预置铺粉快速成形组件包含基板(20)、铺粉器(22)、刮刀(23)、两个粉末存储腔(21)、K个激光源(1)、K个扫描振镜(33)、K个防尘罩(34)和K个扩束镜(35)，K≥2；其中，所有激光源(1)均位于工作舱体(10)外部，基板(20)、铺粉器(22)、刮刀(23)、所有粉末存储腔(21)、所有扫描振镜(33)、所有防尘罩(34)、所有扩束镜(35)则位于工作舱体(10)内部；基板(20)安装在水平基座(18)上表面；铺粉器(22)位于基板(20)上方，其下方安装有刮刀(23)；两个粉末存储腔(21)分居工作舱体(10) 上部两侧，用于向铺粉器(22)提供金属粉末；每个激光源(1)均能够通过选区熔化用激光传导光纤(2)将激光束传输至与其对应的扩束镜(35)；扩束镜(35)负责对入射激光束进行准直，然后将其传输至对应的防尘罩(34)内部的扫描振镜(33)；扫描振镜(33)能够根据预设的扫描路径输出激光束，后者经安装在防尘罩(34)下部的动态聚焦镜聚焦后，选择性地熔化金属粉末床，

所述随形缸体设置与移除组件包括激光沉积与切割主机(8)、激光切割头(28)和同轴送料喷嘴(30)；激光沉积与切割主机(8)位于工作舱体(10)之外；同轴送料喷嘴(30)与激光切割头(28)位于工作舱体(10)内部，同轴送料喷嘴(30)用于随形缸体的制造，激光切割头(28)用于随形缸体的切除；激光沉积与切割主机(8)通过沉积用激光束传导光纤6为同轴送料喷嘴(30)提供激光熔覆沉积或激光送丝沉积所需的激光束；激光沉积与切割主机(8)通过送料软管3为同轴送料喷嘴(30)提供激光熔覆沉积或激光送丝沉积所需的金属粉末或丝材，激光沉积与切割主机(8)通过切割用激光束传导光纤(4)为激光切割头(28)提供切割所需的激光束，激光沉积与切割主机(8)通过辅助气流传输软管5为激光切割头(28)提供切割所需的高压保护气流；

或者，

所述随形缸体设置与移除组件包含激光切割主机(39)、激光切割头(28)和自动送料机构(41)；其中，激光切割主机(39)位于工作舱体(10)之外，其内部具有高功率激光源与辅助气源；自动送料机构(41)与激光切割头(28)位于工作舱体(10)内部，前者用于随形缸体的制造，后者则用于随形缸体的切除；自动送料机构(41)用于将闭合薄片材料(42)逐层放置于基板(20)表面合适位置以形成随形缸体；激光切割主机(39)通过切割用激光束传导光纤(4)、辅助气流传输软管5为激光切割头(28)提供切割所需的激光束与高压保护气流；所述闭合薄片材料(42)的数量应与金属零件切片层数相同；每个闭合薄片材料(42)用于将与之对应的金属零件切片层包围；

或者，

所述随形缸体设置与移除组件包含工作台(43)、随形缸体(45)和定位圆柱47；其中，工作台(43)通过定位圆柱47固定于水平基座(18)上方；基板(20)安装在工作台(43)上表面；铺粉器(22)位于基板(20)上方，其下方安装有刮刀(23)；粉末存储腔(21)位于工作舱体(10)上部；工作台(43)与基板(20)上开设有沿基板(20)上表面法向方向重叠的两个竖直闭合通槽(44)；闭合通槽(44)用于将金属零件最大切片轮廓包围，随形缸体(45)预置于工作台(43)下方，其形状与闭合通槽(44)相适应，

所述移动机构包含龙门式框架(17)、移动导轨(19)、吊臂(7)、第一伸缩式保护罩(11)、第二伸缩式保护罩(12)、每三伸缩式保护罩(13)、水平框架(24)、可伸缩立柱(25)、侧向导轨(26)、悬臂(27)和旋转基座(29)；其中，移动导轨(19)位于工作舱体(10)两侧；龙门式框架(17)横跨工作舱体(10)，并可在移动导轨(19)带动下沿工作舱体(10)长度方向往复移动；龙门式框架(17)的横梁安装有丝杆，可带动吊臂(7)沿工作舱体(10)宽度方向往复移动；吊臂(7)上半部位于工作舱体(10)上方，下半部则位于工作舱体(10)内部；第一伸缩式保护罩(11)、第二伸缩式保护罩(12)、每三伸缩式保护罩(13)用于保证工作舱体(10)的气密性和吊臂(7)的正常移动；其中，第二伸缩式保护罩(12)位于吊臂(7)与工作舱体(10)相连的位置及其四周，可沿工作舱体(10)宽度方向伸缩；第一、第三伸缩式保护罩(11、13)位于第二伸缩式保护罩(12)两侧，可沿工作舱体(10)长度方向伸缩；吊臂(7)位于工作舱体(10)之内的部分可伸缩，并带动与其相连的悬臂(27)、机械加工组件沿工作舱体(10)高度方向往复移动；悬臂(27)上安装有旋转基座(29)、扩束镜(35)、防尘罩(34)、同轴送料喷嘴(30)；激光切割头(28)安装在旋转基座(29)下方，后者可带动前者水平旋转；可伸缩立柱(25)安装在基板(20)四周，其上方与水平框架(24)相连，并带动后者沿工作舱体(10)高度方向往复移动；侧向导轨(26)位于水平框架(24)两侧，可带动与之相连的铺粉器(22)沿工作舱体(10)长度方向往复移动；

或者，

所述移动机构包含水平框架(24)、可伸缩立柱(25)、侧向导轨(26)、第一多关节智能机器臂36、第二多关节智能机器臂(37)和第三多关节智能机器臂(38)；其中，可伸缩立柱(25)安装在基板(20)四周，其上方与水平框架(24)相连，并带动后者沿工作舱体(10)高度方向往复移动；侧向导轨(26)位于水平框架(24)两侧，可带动与之相连的铺粉器(22)沿工作舱体(10)长度方向往复移动；第一多关节智能机器臂36可带动扫描振镜(33)、防尘罩(34)与扩束镜(35)在工作舱体(10)内部任意移动；第二多关节智能机器臂(37)可带动机械加工组件在工作舱体(10)内部任意移动；第三多关节智能机器臂(38)可带动同轴送料喷嘴(30)与激光切割头(28)在工作舱体(10)内部任意移动；

或者，

所述移动机构包含龙门式框架(17)、移动导轨(19)、吊臂(7)、第一伸缩式保护罩(11)、第二伸缩式保护罩(12)、每三伸缩式保护罩(13)、水平框架(24)、可伸缩立柱(25)、侧向导轨(26)、悬臂(27)、旋转基座(29)和第四多关节智能机器臂(40)；其中，移动导轨(19)位于工作舱体(10)两侧；龙门式框架(17)横跨工作舱体(10)，并可在移动导轨(19)带动下沿工作舱体(10)长度方向往复移动；龙门式框架(17)的横梁安装有丝杯，可带动吊臂(7)沿工作舱体(10)宽度方向往复移动；吊臂(7)上半部位于工作舱体(10)上方，下半部则位于工作舱体(10)内部；第一伸缩式保护罩(11)、第二伸缩式保护罩(12)、每三伸缩式保护罩(13)用于保证工作舱体(10)的气密性和吊臂(7)的正常移动；其中，第二伸缩式保护罩(12)位于吊臂(7)与工作舱体(10)相连的位置及其四周，可沿工作舱体(10)宽度方向伸缩；第一、第三伸缩式保护罩(11、13)位于第二伸缩式保护罩(12)两侧，可沿工作舱体(10)长度方向伸缩；吊臂(7)位于工作舱体(10)之内的部分可伸缩，并带动与其相连的悬臂(27)、机械加工组件沿工作舱体(10)高度方向往复移动；悬臂(27)上安装有旋转基座(29)；旋转基座(29)下端用于安装激光切割头(28)，以带动激光切割头(28)水平旋转；可伸缩立柱(25)安装在基板(20)四周，其上方与水平框架(24)相连，并带动后者沿工作舱体(10)高度方向往复移动；侧向导轨(26)位于水平框架(24)两侧，用于带动与之相连的铺粉器(22)沿工作舱体(10)长度方向往复移动；第四多关节智能机器臂(40)用于带动自动送料机构(41)在工作舱体(10)内部任意移动；

或者，

所述移动机构包含龙门式框架(17)、移动导轨(19)、吊臂(7)、第一伸缩式保护罩(11)、第二伸缩式保护罩(12)、每三伸缩式保护罩(13)、水平框架(24)、可伸缩立柱(25)、侧向导轨(26)、悬臂(27)和丝杆46；其中，移动导轨(19)位于工作舱体(10)两侧；龙门式框架(17)横跨工作舱体(10)，并可在移动导轨(19)带动下沿工作舱体(10)长度方向往复移动；龙门式框架(17)的横梁安装有丝杆，可带动吊臂(7)沿工作舱体(10)宽度方向往复移动；吊臂(7)上半部位于工作舱体(10)上方，下半部则位于工作舱体(10)内部；第一伸缩式保护罩(11)、第二伸缩式保护罩(12)、每三伸缩式保护罩(13)用于保证工作舱体(10)的气密性和吊臂(7)的正常移动；其中，第二伸缩式保护罩(12)位于吊臂(7)与工作舱体(10)相连的位置及其四周，可沿工作舱体(10)宽度方向伸缩；第一、第三伸缩式保护罩(11、13)位于第二伸缩式保护罩(12)两侧，可沿工作舱体(10)长度方向伸缩；吊臂(7)位于工作舱体(10)之内的部分可伸缩，并带动与其相连的悬臂(27)、机械加工组件沿工作舱体(10)高度方向往复移动；悬臂(27)上安装有扩束镜(35)、防尘罩(34)；可伸缩立柱(25)安装在工作台(43)上表面，其上方与水平框架(24)相连，并带动后者沿工作舱体(10)高度方向往复移动；侧向导轨(26)安装于水平框架(24)两侧，可带动与之相连的铺粉器(22)沿工作舱体(10)长度方向往复移动；丝杆(46)安装于水平基座(18)上表面，可带动与之相连的随形缸体(45)穿过工作台(43)与基板(20)升降；

或者，

移动机构包含龙门式框架(17)、移动导轨(19)、吊臂(7)、第一伸缩式保护罩(11)、第二伸缩式保护罩(12)、每三伸缩式保护罩(13)、水平框架(24)、可伸缩立柱(25)、侧向导轨(26)、悬臂(27)、旋转基座(29)、丝杆48和扫描振镜框架(49)；其中，移动导轨(19)位于工作舱体(10)两侧；龙门式框架(17)横跨工作舱体(10)，并可在移动导轨(19)带动下沿工作舱体(10)长度方向往复移动；龙门式框架(17)的横梁安装有丝杆，可带动吊臂(7)沿工作舱体(10)宽度方向往复移动；吊臂(7)上半部位于工作舱体(10)上方，下半部则位于工作舱体(10)内部；第一伸缩式保护罩(11)、第二伸缩式保护罩(12)、每三伸缩式保护罩(13)用于保证工作舱体(10)的气密性和吊臂(7)的正常移动；其中，第二伸缩式保护罩(12)位于吊臂(7)与工作舱体(10)相连的位置及其四周，可沿工作舱体(10)宽度方向伸缩；第一、第三伸缩式保护罩(11、13)位于第二伸缩式保护罩(12)两侧，可沿工作舱体(10)长度方向伸缩；吊臂(7)位于工作舱体(10)之内的部分可伸缩，并带动与其相连的悬臂(27)、机械加工组件沿工作舱体(10)高度方向往复移动；悬臂(27)上安装有同轴送料喷嘴(30)、旋转基座(29)；旋转基座(29)可带动激光切割头(28)水平旋转；可伸缩立柱(25)安装在水平基座(18)上表面，水平框架(24)与可伸缩立柱(25)相连，可沿工作舱体(10)高度方向往复移动；侧向导轨(26)安装于水平框架(24)两侧，可带动与之相连的铺粉器(22)沿工作舱体(10)长度方向往复移动；丝杆(48)分置于水平框架(24)上方两侧，其与扫描振镜框架(49)相连，并带动扫描振镜框架(49)沿工作舱体(10)长度方向往复移动；所有扫描振镜(33)、防尘罩(34)及扩束镜(35)均安装在扫描振镜框架(49)上。