激光熔覆炉系统，即金属零件送粉熔覆式激光快速成型及修复设备，这种类型的技术和装备在国内外激光3D打印领域是相对成熟的产品，如原材料制造工艺性好、3D打印工艺可操作性强、国内外工艺积累多，满足对中大型高强度金属零件成型的要求。

3D打印、激光熔覆、快速成型、修复设备

本设备为金属材料的激光熔覆成型及修复的成套系统，设备主体结构采用五轴数控系统，其中三坐标轴实现熔覆头的直线运动，双轴转台实现工件的旋转运动；配套光纤激光器作为光源，配套激光熔覆头进行激光整形和加工，自动送粉器进行金属粉末的供给，配套有惰性气体保护系统、激光成型软件控制系统及监控系统。

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该激光熔覆炉系统，即金属零件送粉熔覆式激光快速成型及修复设备具体功能、功能部件选型以及结构设计的关键点说明如下。

1）激光系统选用一分二光闸，可连接粗细两种光纤，可实现不同尺寸焦点光斑（0.4mm、2.0mm），适合不同精度和效率激光熔覆工艺的研究。

2）惰性气体保护采用机床整体密闭的方式，相比局部箱体保护水氧含量更容易控制，更加稳定和耐用；同时设计俩个真空过渡舱，上下小型零件时，主箱体不用暴露在空气中，避免每次拿取零件都需气体清洗。

2）控制软件采用业内有名的比利时Materialise公司金属3D打印支撑、分层、路径规划的软件，保证3D打印工艺设计的技术先进性；另外配套路径规划和数控系统的自动连接，实现工艺参数可视化设置，3D打印工艺编程便捷、操作方便。

3）监控系统可在激光熔覆成型过程中监控质量，利于工艺研发数据的快速获取和工艺优化；也利于批量制作过程中异常现象的监控。

4）系统核心标准部件均采用相关领域知名进口部件，包括激光器、冷水机、激光头、送粉器、送粉头、数控系统、气体净化柱、真空泵、监控传感器、PLC、导轨等；保证系统长时间工作的稳定运行。

第一步，激光熔覆成型（3D打印）或修复程序准备

将需要打印的零件模型输入3D打印软件，通过切片和路径规划，获得打印路径的坐标文件，然后通过机床连接软件将这些路径坐标变成机床识别的代码成型，根据事先工艺设计，代码程序编写对激光、粉末、扫描速度等控制代码，然后将代码传输给数控系统。

第二步，激光熔覆成型（3D打印）或修复气氛准备及基板安装

首先，手套箱的主箱体暴露大气时，启动大型手套箱的气体净化系统，启动气体清洗功能，通过大量纯氩气置换箱体内的空气，含氧量小于200ppm时，启动气体净化系统，通过循环过滤系统，吸收氧气和水分，当水氧行列小于20ppm时，气氛即准备妥当；这个过程大约需耗费10个小时。正常工作情况下，不需要大量气体置换。

工件或基板进出气氛舱时，本系统设置两种操作方式：大工件进出开舱门，小工件进出用过渡舱。当进行基础工艺试验或小件加工时，工件、材料或工具的进出通过人手工搬运和过渡舱的操作来实现；当进行大工件的加工时，通过开舱门，用叉车或其他起吊设备进行操作。

第三步，部件系统准备

系统全部功能部件上电，包括激光器、冷水机、送粉器、数控机床、监控系统、手套箱等。检查各部件都处于待命状态，例如冷水温度满足激光器的要求、送粉器粉盘槽充满粉末，手套箱内气体纯度波动值在要求范围之内等。

第四步，启动程序进行成型或修复

数控系统启动激光熔覆成型程序。程序执行过程中，自动开启和关闭激光、粉末，按程序要求自动进行激光熔覆成型监控，加工中出现异常，监控系统报警或自动停机，提供报警信息，然后人工干预回复；可在断点处继续加工。

第五步，取出熔覆后零件

激光熔覆成型零件完成后，打开舱门，松开基板，用叉车将工件取出，直接放入热处理炉中，进行热处理。

该系统配置悬臂式五轴四联动数控作为激光加工路径的执行机构，能够实现激光加工过程中复杂轨迹的往复扫描。机床系统具有良好的系统刚性及高精度、高寿命、高可靠性和低消耗性能，并且结构紧凑、合理，占地面积小。机床本体由NC系统、床身、移动横梁和纵梁、激光熔覆头旋转摆动装置、双轴转台等组成。其中X轴、Y轴及Z轴为三坐标直线运动轴，Z轴下端安装摆动装置及激光熔覆头，实现激光熔覆头的直线运动，并可手动调整激光熔覆头的角度；AC双轴转台安装于机床底板上方、三轴悬臂机构的正下方，用于驱动工件旋转。

参考文献：

1.黄卫东.材料3D打印技术的研究进展[J].新型工业化,2016,(3).53-70.

2.成大先.机械设计手册[M].北京.化学工业出版社.2008.

3.孟光源.现代机构手册[M].北京;机械工业出版社.1994.