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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、國內(nèi)外工藝積累多，滿足對中大型高強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，配套激光熔覆頭進行激光整形和加工，自動送粉器進行金屬粉末的供給，配套有惰性氣體保護系統(tǒng)、激光成型軟件控制系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)。

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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）惰性氣體保護采用機床整體密閉的方式，相比局部箱體保護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?，F(xiàn)象的監(jiān)控。

4）系統(tǒng)核心標準部件均采用相關(guān)領(lǐng)域知名進口部件，包括激光器、冷水機、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文件，然后通過機床連接軟件將這些路徑坐標變成機床識別的代碼成型，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?。┗蛐迯?fù)氣氛準備及基板安裝

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，當水氧行列小于20ppm時，氣氛即準備妥當；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。

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

第三步，部件系統(tǒng)準備

系統(tǒng)全部功能部件上電，包括激光器、冷水機、送粉器、數(shù)控機床、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，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)臺安裝于機床底板上方、三軸懸臂機構(gòu)的正下方，用于驅(qū)動工件旋轉(zhuǎn)。

參考文獻：

1.黃衛(wèi)東.材料3D打印技術(shù)的研究進展[J].新型工業(yè)化,2016,(3).53-70.

2.成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京.化學工業(yè)出版社.2008.

3.孟光源.現(xiàn)代機構(gòu)手冊[M].北京;機械工業(yè)出版社.1994.