激光熔覆爐系統(tǒng)，即金屬零件送粉熔覆式激光快速成型及修復(fù)設(shè)備，這種類型的技術(shù)和裝備在國內(nèi)外激光3D打印領(lǐng)域是相對成熟的產(chǎn)品，如原材料制造工藝性好、3D打印工藝可操作性強(qiáng)、國內(nèi)外工藝積累多，滿足對中大型高強(qiáng)度金屬零件成型的要求。

3D打印、激光熔覆、快速成型、修復(fù)設(shè)備

本設(shè)備為金屬材料的激光熔覆成型及修復(fù)的成套系統(tǒng)，設(shè)備主體結(jié)構(gòu)采用五軸數(shù)控系統(tǒng)，其中三坐標(biāo)軸實現(xiàn)熔覆頭的直線運動，雙軸轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)運動；配套光纖激光器作為光源，配套激光熔覆頭進(jìn)行激光整形和加工，自動送粉器進(jìn)行金屬粉末的供給，配套有惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)、激光成型軟件控制系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)。

1.

該激光熔覆爐系統(tǒng)，即金屬零件送粉熔覆式激光快速成型及修復(fù)設(shè)備具體功能、功能部件選型以及結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點說明如下。

1）激光系統(tǒng)選用一分二光閘，可連接粗細(xì)兩種光纖，可實現(xiàn)不同尺寸焦點光斑（0.4mm、2.0mm），適合不同精度和效率激光熔覆工藝的研究。

2）惰性氣體保護(hù)采用機(jī)床整體密閉的方式，相比局部箱體保護(hù)水氧含量更容易控制，更加穩(wěn)定和耐用；同時設(shè)計倆個真空過渡艙，上下小型零件時，主箱體不用暴露在空氣中，避免每次拿取零件都需氣體清洗。

2）控制軟件采用業(yè)內(nèi)有名的比利時Materialise公司金屬3D打印支撐、分層、路徑規(guī)劃的軟件，保證3D打印工藝設(shè)計的技術(shù)先進(jìn)性；另外配套路徑規(guī)劃和數(shù)控系統(tǒng)的自動連接，實現(xiàn)工藝參數(shù)可視化設(shè)置，3D打印工藝編程便捷、操作方便。

3）監(jiān)控系統(tǒng)可在激光熔覆成型過程中監(jiān)控質(zhì)量，利于工藝研發(fā)數(shù)據(jù)的快速獲取和工藝優(yōu)化；也利于批量制作過程中異常現(xiàn)象的監(jiān)控。

4）系統(tǒng)核心標(biāo)準(zhǔn)部件均采用相關(guān)領(lǐng)域知名進(jìn)口部件，包括激光器、冷水機(jī)、激光頭、送粉器、送粉頭、數(shù)控系統(tǒng)、氣體凈化柱、真空泵、監(jiān)控傳感器、PLC、導(dǎo)軌等；保證系統(tǒng)長時間工作的穩(wěn)定運行。

第一步，激光熔覆成型（3D打印）或修復(fù)程序準(zhǔn)備

將需要打印的零件模型輸入3D打印軟件，通過切片和路徑規(guī)劃，獲得打印路徑的坐標(biāo)文件，然后通過機(jī)床連接軟件將這些路徑坐標(biāo)變成機(jī)床識別的代碼成型，根據(jù)事先工藝設(shè)計，代碼程序編寫對激光、粉末、掃描速度等控制代碼，然后將代碼傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。

第二步，激光熔覆成型（3D打印）或修復(fù)氣氛準(zhǔn)備及基板安裝

首先，手套箱的主箱體暴露大氣時，啟動大型手套箱的氣體凈化系統(tǒng)，啟動氣體清洗功能，通過大量純氬氣置換箱體內(nèi)的空氣，含氧量小于200ppm時，啟動氣體凈化系統(tǒng)，通過循環(huán)過濾系統(tǒng)，吸收氧氣和水分，當(dāng)水氧行列小于20ppm時，氣氛即準(zhǔn)備妥當(dāng)；這個過程大約需耗費10個小時。正常工作情況下，不需要大量氣體置換。

工件或基板進(jìn)出氣氛艙時，本系統(tǒng)設(shè)置兩種操作方式：大工件進(jìn)出開艙門，小工件進(jìn)出用過渡艙。當(dāng)進(jìn)行基礎(chǔ)工藝試驗或小件加工時，工件、材料或工具的進(jìn)出通過人手工搬運和過渡艙的操作來實現(xiàn)；當(dāng)進(jìn)行大工件的加工時，通過開艙門，用叉車或其他起吊設(shè)備進(jìn)行操作。

第三步，部件系統(tǒng)準(zhǔn)備

系統(tǒng)全部功能部件上電，包括激光器、冷水機(jī)、送粉器、數(shù)控機(jī)床、監(jiān)控系統(tǒng)、手套箱等。檢查各部件都處于待命狀態(tài)，例如冷水溫度滿足激光器的要求、送粉器粉盤槽充滿粉末，手套箱內(nèi)氣體純度波動值在要求范圍之內(nèi)等。

第四步，啟動程序進(jìn)行成型或修復(fù)

數(shù)控系統(tǒng)啟動激光熔覆成型程序。程序執(zhí)行過程中，自動開啟和關(guān)閉激光、粉末，按程序要求自動進(jìn)行激光熔覆成型監(jiān)控，加工中出現(xiàn)異常，監(jiān)控系統(tǒng)報警或自動停機(jī)，提供報警信息，然后人工干預(yù)回復(fù)；可在斷點處繼續(xù)加工。

第五步，取出熔覆后零件

激光熔覆成型零件完成后，打開艙門，松開基板，用叉車將工件取出，直接放入熱處理爐中，進(jìn)行熱處理。

該系統(tǒng)配置懸臂式五軸四聯(lián)動數(shù)控作為激光加工路徑的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)激光加工過程中復(fù)雜軌跡的往復(fù)掃描。機(jī)床系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)剛性及高精度、高壽命、高可靠性和低消耗性能，并且結(jié)構(gòu)緊湊、合理，占地面積小。機(jī)床本體由NC系統(tǒng)、床身、移動橫梁和縱梁、激光熔覆頭旋轉(zhuǎn)擺動裝置、雙軸轉(zhuǎn)臺等組成。其中X軸、Y軸及Z軸為三坐標(biāo)直線運動軸，Z軸下端安裝擺動裝置及激光熔覆頭，實現(xiàn)激光熔覆頭的直線運動，并可手動調(diào)整激光熔覆頭的角度；AC雙軸轉(zhuǎn)臺安裝于機(jī)床底板上方、三軸懸臂機(jī)構(gòu)的正下方，用于驅(qū)動工件旋轉(zhuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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