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激光熔丝增材打印系统中的激光对准
材料来源: ACT激光世界           录入时间:2023/8/10 23:58:26

在激光熔丝沉积增材制造系统中,激光准直工具可以在减少操作失误、提高系统可靠性和一致性方面,发挥重要作用。

图1:Meltio的激光沉积头集成到机器人系统中,用于打印形状复杂的零件。

激光熔丝沉积增材制造系统的最新同轴结构,将丝状原料送入激光生成的熔池中,以此来打印3D零件,它为生成具有优异材料属性的大型复杂金属零件提供了一种成本更低、更清洁、更快速的方法。

激光熔丝沉积增材制造系统,通常包括一个中心送丝喷嘴,喷嘴垂直于工件放置,激光束以设定的距离汇聚到材料上。其中,激光束可以采用高功率激光器或单功率激光器分出来的光束,也可以采用独立激光源的独立光束。

在该类增材制造系统中,必须控制激光束和材料在焦点处的对准。如果材料和激光焦点没有精准定位,那么材料将得不到充分加热,进而也就无法与周围的材料完全融合,这很有可能在工件上形成缺陷。

这个对准过程通常是通过人眼完成的,需要操作者有丰富的经验和耐心。随着激光熔丝沉积增材制造技术的推广,用户正在从“以研究为导向的技术中心和大学”转移到“以生产为导向的制造车间和制造业的操作人员”。因此,该增材制造系统的易用性和设置时间也相应发生了变化,人工对准变得不再可行。

图2:Meltio的对准套件由一台相机、一个带有简单用户界面的平板电脑和手工工具组成。

之所以需要校准,是因为焊丝是储存在线轴上的;每种材料从包装中拆开时,都有不同的铸型/弧度。材料一般都不是完全平直的,虽然矫直机可以将这种弯曲降到最低,但仍然需要有经验的人去设置。每种材料由于其延展性的差异而有不同的铸型,因此如果打印系统期望打印更多种类的材料,则校准程序必不可少。

由于熔丝金属3D打印机与金属粉末打印相比优势明显,比如更换材料时间短、不需要清理,因此基于矫直机的系统已不能满用户要求。基于此,Meltio公司开发出了一种校准工具,能够精确地定位激光光斑和材料的位置,同时指导操作者将每个激光束调整到理想位置。这种独立校准工具的好处是:传统的Meltio系统可以通过简单的软件更新与其进行连接和运行。

系统架构 

Meltio系统的打印头由6个可调节的光学组件组成,激光从6个独立的激光源和一个固定的金属丝喷嘴耦合到沉积头中。打印头有一个双线材料进料系统,以精确控制分配到熔池的材料量。该沉积头配有一组传感器,可以根据材料受力情况和材料导电性,来测量和调节打印过程。

图3:机器人集成系统中激光对准过程中的沉积头;对准相机位于系统工作距离处。

激光器的调整是通过一个精密的螺钉系统进行的。这类似于光学支架的调整,每个光学组件可以精确地旋转,在达到最终对准后即可锁定位置。每台激光器都配备了一个可见光瞄准激光器,其功率只有几毫瓦,可用于引导激光对准。

对准系统需要采集各个激光光斑的位置,以及焊丝的位置。Meltio设计了一个基于相机以及光学和图像过滤器的解决方案。它配备了用于3D打印机或机器人集成的平板电脑和安装解决方案,因此用户可以通过显示器监控整个对准过程,并且可以控制打印机的相关功能,使得瞄准激光和材料进给器在该过程中尽可能不出故障。

对准过程首先要设置机器中的相机。之后,喷嘴自动推出线材,直到接触到相机的传感器表面。然后相机定位线材的位置。接下来,启动瞄准激光器,并在平板电脑屏幕上绘制网格,以此来标定每个激光束的理想位置。一旦调整完成,可以保存一张图片,记录正确的激光对准。

该系统可以让没有激光系统经验的用户在10分钟内精确调整,大大减少了对技术支持的需求。 

尽管激光对准工具只是整个激光熔丝沉积增材制造系统的一小部分,但它在减少操作失误、提高系统可靠性和一致性方面,却发挥着重要作用。

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