消除激光熔化成形制品残余应力的激光冲击装置

摘要

本发明涉及一种消除激光熔化成形制品残余应力的激光冲击装置，属于3D打印增材制造技术领域，提供了一种能够发射短脉冲激光束对SLM成形过程中每个成形截面进行冲击强化，从而减小每个成形截面的残余应力，避免成形件曲翘变形的消除激光熔化成形制品残余应力的激光冲击装置，所采用的技术方案为成形腔内设置有成形缸、供粉缸和集料缸，成形缸位于供粉缸和集料缸之间，成形腔的顶部设置有激光烧结系统和短脉冲激光发射系统，成形缸内设置有液压缸，液压缸的活塞杆上设置有底板，底板上设置有用于检测冲击波的激光冲击波检测系统，激光烧结系统、短脉冲激光发射系统和激光冲击波检测系统均与主控系统相连接；本发明广泛用于选择性激光熔化成形。

权利要求

1.消除激光熔化成形制品残余应力的激光冲击装置，包括成形腔，所述成形腔内设置有成形缸、供粉缸和集料缸，所述成形缸位于供粉缸和集料缸之间，其特征在于：所述成形腔的顶部设置有激光烧结系统和短脉冲激光发射系统，所述成形缸内设置有液压缸，所述液压缸的活塞杆上设置有底板，所述底板上设置有用于检测冲击波的激光冲击波检测系统，所述激光烧结系统、短脉冲激光发射系统和激光冲击波检测系统均与主控系统相连接；

所述短脉冲激光发射系统主要由L型定向管、聚焦镜、扫描振镜、扩束镜、光纤连接器和短脉冲激光器构成，所述L型定向管安装在成型腔的顶部， L型定向管的一端设置有聚焦镜，另一端设置有扩束镜，所述聚焦镜的外部设置有保护镜，扩束镜的外部设置有光纤连接器，所述光纤连接器通过光纤与短脉冲激光器相连接，所述L型定向管内设置有扫描振镜，扫描振镜与设置在L型定向管上的三维调整机构相连接，所述短脉冲激光器和三维调整机构均与主控系统相连接；

所述L型定向管安装在横梁上，所述横梁安装在升降装置上，所述升降装置安装在成形腔的顶部，所述横梁上还设置有红外线测距装置，所述红外线测距装置的前端设置有耐高温透明玻璃，所述升降装置和红外线测距装置均与主控系统相连接。

2.根据权利要求1所述的消除激光熔化成形制品残余应力的激光冲击装置，其特征在于：所述激光冲击波检测系统主要由基板、压力传感器、阻抗和示波器构成，所述基板安装在底板上，所述基板和底板之间设置有压力传感器和阻抗，所述压力传感器与示波器相连接，所述示波器、阻抗均与主控系统相连接。

3.根据权利要求2所述的消除激光熔化成形制品残余应力的激光冲击装置，其特征在于：所述基板的厚度为5-10mm。

说明书

消除激光熔化成形制品残余应力的激光冲击装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种消除激光熔化成形制品残余应力的激光冲击装置，属于3D打印增材制造技术领域。

背景技术

[0002] 随着科学技术发展，增材制造（3D打印）技术逐渐成为制造业中不可缺少的一部分。3D 打印技术正在改变人们传统的生产、生活方式。相关研究表明，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D 打印制造技术将推动第三次工业革命。

[0003] “增材制造”是指区别于传统的“减材”制造，不需要开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等复杂的过程，它是将材料逐层沉积叠加构造成三维物体的技术，集CAD、机械自动化等技术于一体，简化了制造程序，缩短新品研制周期，降低开发成本和风险。金属制品3D 打印技术（SLM技术）作为整个3D 打印体系中最前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。

[0004] SLM 技术的基本原理是: 先在计算机上利用三维造型软件设计出制品的三维实体模型，通过专用软件对制品三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，随后将处理完的数据导入成形设备。激光熔化成形时，成形腔内刮刀首先把金属粉末均匀地铺在基板上，高能量激光束按照三维模型当前截面轮廓数据信息选择性地熔化基板上的粉末，成形出制品当前层的形状，然后刮刀在已加工好的层面上再铺一层金属粉末，高能束激光按照模型下一层截面信息进行选择性熔化，如此往复循环直至整个制品完成熔化成形。该技术可制造形状复杂的金属制品，成形件力学性能好、精度高，在医疗、航空航天、军事等领域有重要应用。

[0005] SLM成形过程中，由于粉末在激光熔化后冷却速率较快，制品内部存在较大的残余应力，容易引起制品翘曲变形。残余应力是影响SLM成形制品质量的主要因素。目前消除残余应力的主要方法是成形后进行热处理，然而SLM成形过程是连续进行的，而且受成形空间限制，难以进行实时热处理，因此SLM成形过程中制品内部残余应力难以消除，从而引起成形件变形，影响制品质量，甚至成形失败。因此，开发一种在SLM成形过程中，及时消除制品内部残余应力的方法或者装置，对SLM成形技术的发展具有重要意义。

发明内容

[0006] 为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种能够发射短脉冲激光束对SLM成形过程中每个成形截面进行冲击强化，从而减小每个成形截面的残余应力，避免成形件曲翘变形的消除激光熔化成形制品残余应力的激光冲击装置。

[0007] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为消除激光熔化成形制品残余应力的激光冲击装置，包括成形腔，所述成形腔内设置有成形缸、供粉缸和集料缸，所述成形缸位于供粉缸和集料缸之间，所述成形腔的顶部设置有激光烧结系统和短脉冲激光发射系统，所述成形缸内设置有液压缸，所述液压缸的活塞杆上设置有底板，所述底板上设置有用于检测冲击波的激光冲击波检测系统，所述激光烧结系统、短脉冲激光发射系统和激光冲击波检测系统均与主控系统相连接。

[0008] 优选的，所述短脉冲激光发射系统主要由L型定向管、聚焦镜、扫描振镜、扩束镜、光纤连接器和短脉冲激光器构成，所述L型定向管安装在成型腔的顶部， L型定向管的一端设置有聚焦镜，另一端设置有扩束镜，所述聚焦镜的外部设置有保护镜，扩束镜的外部设置有光纤连接器，所述光纤连接器通过光纤与短脉冲激光器相连接，所述L型定向管内设置有扫描振镜，扫描振镜与设置在L型定向管上的三维调整机构相连接，所述短脉冲激光器和三维调整机构均与主控系统相连接。

[0009] 优选的，所述L型定向管安装在横梁上，所述横梁安装在升降装置上，所述升降装置安装在成形腔的顶部，所述横梁上还设置有红外线测距装置，所述红外线测距装置的前端设置有耐高温透明玻璃，所述升降装置和红外线测距装置均与主控系统相连接。

[0010] 优选的，所述激光冲击波检测系统主要由基板、压力传感器、阻抗和示波器构成，所述基板安装在底板上，所述基板和底板之间设置有压力传感器和阻抗，所述压力传感器与示波器相连接，所述示波器、阻抗均与主控系统相连接。

[0011] 优选的，所述基板的厚度为5-10mm。

[0012] 与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明能够发射短脉冲激光束对材料表面进行改性，对SLM成形过程中每个成形截面进行冲击强化，从而消除每个成形截面的残余应力，避免由于制品内部残余应力引起的成形件曲翘变形等难题，提高制品成品率及制品的组织性能。

附图说明

[0013] 图1为本发明的结构示意图。

[0014] 图2为本发明中短脉冲激光发射系统的结构示意图。

[0015] 图3为本发明中激光冲击波检测系统的结构示意图。

具体实施方式

[0016] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0017] 如图1所示，消除激光熔化成形制品残余应力的激光冲击装置，包括成形腔1，成形腔1内设置有成形缸10、供粉缸9和集料缸11，成形缸10位于供粉缸9和集料缸11之间，成形腔1的顶部设置有激光烧结系统2和短脉冲激光发射系统7，成形缸1内设置有液压缸26，液压缸26的活塞杆上设置有底板25，底板25上设置有用于检测冲击波的激光冲击波检测系统，激光烧结系统2、短脉冲激光发射系统7和激光冲击波检测系统均与主控系统8相连接。

[0018] 其中，如图2所示，短脉冲激光发射系统7主要由L型定向管14、聚焦镜20、扫描振镜13、扩束镜15、光纤连接器16和短脉冲激光器19构成，L型定向管14安装在成型腔1的顶部， L型定向管14的一端设置有聚焦镜20，另一端设置有扩束镜15，聚焦镜20的外部设置有保护镜21，扩束镜15的外部设置有光纤连接器16，光纤连接器16通过光纤18与短脉冲激光器19相连接，L型定向管14内设置有扫描振镜13，扫描振镜13与设置在L型定向管14上的三维调整机构12相连接，短脉冲激光器19和三维调整机构12均与主控系统8相连接。

[0019] 短脉冲激光器19为调Q大功率激光器，在100ns的时间内可产生能量为1-100J的脉冲，脉宽小于80ns，频率为5-15Hz，光斑直径为1-5 mm。短脉冲激光器19安装在成形腔1右侧的腔壁上。光纤18一端与短脉冲激光器19相连，另外一端与靠近扩束镜15的光纤连接器16相连。光纤18外侧套有弹簧套17，用于保护光纤18。扩束镜15、扫描振镜13、聚焦镜20安装在成形腔1顶部。扩束镜15主要用于扩大光束直径，减小光束发散角，减小能量损耗，扩束镜15扩束倍数最大可达20倍，最大入射光直径10mm，最大输出光直径70mm。扫描振镜13孔径在10-30mm范围内，扫描振镜13安装在三维调整机构12上，该机构受主控系统8控制，从而能够控制扫描振镜13向不同方向转动，能够将脉冲激光光斑精确定位在加工面的任一位置。三维调整机构采用现有的电动机械结构。扫描振镜13下方安装聚焦镜20，聚焦镜20最大入射光直径30mm，该聚焦镜20能够避免出现扫描振镜13单元的畸变，达到聚焦光斑在扫描范围内得到一致的聚焦特性。聚焦镜20下面安装保护镜21，保护镜21安装在成形腔1顶部，与成形腔1紧密结合，用于保护聚焦镜20等光路系统。短脉冲激光发射系统7末端侧壁14的横梁5上安装升降装置6，用于调整短脉冲激光发射系统7内部装置距离制品的距离，从而调整短脉冲激光束焦点距离制品的距离，使短脉冲激光束焦点正好作用在制品上。该升降装置6可以是液压升降，也可以是机械升降。成形激光器烧结系统2成形制品一个截面后，主控系统8根据成形制品截面轮廓信息调整扫描振镜13上三维调整机构12的转动方向，从而使扫描振镜13进行转动，使经过扫描振镜13的短脉冲激光运动轨迹沿制品截面轮廓运动，对制品进行冲击强化。

[0020] L型定向管14安装在横梁5上，横梁6安装在升降装置6上，升降装置6安装在成形腔1的顶部，横梁6上还设置有红外线测距装置3，红外线测距装置3的前端设置有耐高温透明玻璃4，升降装置6和红外线测距装置3均与主控系统8相连接。红外线测距装置3安装在横梁
5上，位于成形腔1顶部。红外线测距装置3与成形腔1顶部之间设置有耐高温透明玻璃4，用于保护红外线测距装置3镜头，同时对成形腔1进行密封。红外线测距装置3与主控系统8相连，红外线测距装置3主要用于测量成形制品截面与短脉冲激光发射系统7末端的距离，并将该信息反馈给主控系统8，主控系统8根据反馈的距离信息，调整短脉冲激光发射系统7的升降装置6，使短脉冲激光发射系统7发出的激光束的聚焦焦点正好作用在制品上，从而达到最佳的激光冲击强化效果。

[0021] 如图3所示，激光冲击波检测系统主要由基板22、压力传感器23、阻抗24和示波器27构成，基板22安装在底板25上，基板22和底板25之间设置有压力传感器23和阻抗24，压力传感器23与示波器27相连接，示波器27、阻抗24均与主控系统8相连接。

[0022] 压力传感器采用PVDF压力传感器，压力传感器23紧贴在基板22背面，为了防止反射波对测量精度的影响，在压力传感器23后面安装阻抗24。当基板22较厚时，将会影响激光冲击波的穿透性，为了减小基板22对测量精度的影响，基板22厚度在5-10mm之间，基板22材质为铝合金。基板22、压力传感器23、阻抗24安装在底板25上，底板25下方安装液压缸26，用于调整基板22的升降。压力传感器23、阻抗24、示波器27均与主控系统8相连。传感器23接收激光冲击波信号经示波器27传输到主控系统8，主控系统8根据反馈的冲击波信号与设定值进行对比，从而调整短脉冲激光发射系统7激光参数，使其发射的激光强度达到最优值，达到最佳的激光冲击强化效果。

[0023] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。