一种高效高精度复合増材制造方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高效高精度复合增材制造方法及装置，采用激光束与电子束复合实现。在高能束与金属粉末作用的过程中，激光束扫描熔化表面轮廓的金属粉末，保证零件表面具有较好的表面质量；电子束高速熔化内部粉末成形零件内腔，以达到最快的成形效率。装置包括下部包括铺粉辊、工作台、送粉缸和工作缸；上部包括电子束发生装置、激光束发生装置、底板、二根导轨、二根横梁、同步带轮和伺服电机。电子束发生装置、激光束发生装置分别作为一个整体，交替移动到成形区域内进行扫描。本发明专利技术可改善单一成形技术存在的缺点，通过工艺优化组合，达到合理控制成形显微组织，优化综合性能的目的。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种高效高精度复合增材制造方法及装置，采用激光束与电子束复合实现。在高能束与金属粉末作用的过程中，激光束扫描熔化表面轮廓的金属粉末，保证零件表面具有较好的表面质量；电子束高速熔化内部粉末成形零件内腔，以达到最快的成形效率。装置包括下部包括铺粉辊、工作台、送粉缸和工作缸；上部包括电子束发生装置、激光束发生装置、底板、二根导轨、二根横梁、同步带轮和伺服电机。电子束发生装置、激光束发生装置分别作为一个整体，交替移动到成形区域内进行扫描。本专利技术可改善单一成形技术存在的缺点，通过工艺优化组合，达到合理控制成形显微组织，优化综合性能的目的。【专利说明】一种高效高精度复合増材制造方法及装置
本专利技术属于先进制造
，为一种高效高精度复合増材制造方法及装置。本专利技术采用两种高能束进行复合增材制造，尤其是激光束与电子束复合的高效高精増材制造。本专利技术综合利用激光束成形精度高和电子束成形速度快的优点，将两者有机结合。
技术介绍
高能束主要包括激光束、电子束和离子束等。高能束熔化金属粉末制造技术是近年发展起来的一项能够实现近全致密金属零部件増材制造的先进技术。在计算机中将拟制造零部件的三维图形划分为一系列二维图形薄片，再通过计算机、运动控制卡等控制高能束的运动方式和轨迹，通过高能束加热产生相变、熔化等过程，逐层制造并叠加成为最终的三维零件。该技术克服了传统制造工艺的限制，整个加工过程无加工废料、无需工装夹具和模具，能直接制造产品或是模具，因此受到广泛的关注。 电子束熔化(Electron Beam Melting, EBM)可成形多种金属材料,有高真空保护，电子束能量利用率高，扫描速度快，可达8000m/s，成形效率高。但是目前国外设备成形零件的精度等级为±0.3mm,国内设备只有± Imm,成形零件精度低；其铺粉层厚不小于0.06mm,层厚较大也是零件成形精度低的原因。 与EBM相比,选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)成形过程中，激光束光斑直径小，能量密度高，成形零件的尺寸精度高，表面粗糙度低。目前国内设备成形零件精度等级为±0.1mm，成形精度高；铺粉层厚为0.02mm，只有EBM的三分之一，层厚小。但SLM成形设备的扫描速度较低，国外最大只能达到70m/s,而国内则为lm/s,成形速度较低，对大型零件的成形时间较长。表I为两种成形工艺的参数对比情况。 进一步提高高能束増材制造技术的应用范围，目前必须克服成形效率低，表面质量差的困难。在成形效率方面，对于SLM技术主要是提高振镜扫描速度，但是振镜是机械部件，受惯性、加速度极限的影响，要想大幅度提高其扫描速度十分困难；而EBM虽然成形效率高，但是表面质量及精度却很难达到近净成形的目的。
技术实现思路
为解决上述单一高能束増材制造存在的成形效率低、表面质量差等问题，本专利技术提供了一种激光束与电子束复合的高效高精度増材制造方法，以期发挥各自成形技术的优点，改善单一成形技术存在的缺点，并且可以通过工艺优化组合，达到合理控制成形显微组织，优化综合性能的目的；本专利技术还提供了实现该方法的装置。 本专利技术提供的一种复合増材制造方法，该方法利用激光束和电子束对金属粉末进行扫描。激光束对切片边界的外轮廓进行扫描使其熔化，电子束对成形件内部粉末进行高速熔化，最后利用激光束或电子束对所述两部分成形结构的边界进行重新熔化，使它们结合成一个整体，从而得到完整的成形件。 本专利技术提供复合増材制造装置，其特征在于，该装置的下部主要包括铺粉辊、工作台、送粉缸和工作缸；铺粉辊安放在工作台的上表面，通过控制系统实现X-Y平面内的移动铺粉；送粉缸和工作缸通过控制系统能沿Z轴方向无阻碍地上下运动，两缸的上表面不超过工作台的上表面； 该装置的上部主要包括电子束发生装置、激光束发生装置、底板、二根导轨、二根横梁、同步带轮和伺服电机；底板中部有矩形窗口，底板上固定所述二根导轨，平行于窗口的一对对边，所述二根导轨旁边分别固定一个同步带轮和伺服电机，同步带与导轨平行，由同步带轮和伺服电机张紧；两横梁垂直于导轨，通过滑块与导轨滑动配合，两根横梁的一端固定在同步带上；激光发生装置和电子束发生装置分别固定在一根横梁上。 本专利技术将EBM和SLM两种成形工艺有机地结合，这种复合增材制造方法及装置主要具有如下优点: 1、缩短零件成形时间，提高成形效率 现有的市面上的SLM成形商品化的装备中，如德国的EOS, SLM Solut1ns等公司，为了提高大台面的金属成形效率，多采用两台激光器同时扫描，如SLM? 50(^采用两个光纤激光器(400W+1000W)通过一个3D扫描单元控制。两个光路可以同时工作，这样来提高成形速度。最大成形速度为30ccm/h,振镜的最大扫描速度为15m/s。这种方式提高了成形效率，但是需要购置两台激光器，成本大大增加，如果成形更大的零件，将会继续增加激光器的台数，没有从根本上解决成形效率的问题。而采用电子束和激光束复合成形时，电子束的偏转是依靠交变的磁场来完成，不涉及机械结构的运动，因此扫描速度可以非常高，可控的速度可达到900m/s，远远超过振镜的扫描速度。利用电子束对零件内部进行快速扫描熔化，扫描速度较慢的激光束只对切片边界的外轮廓进行扫描，可以大大提高成形的速度。 2、提高采用电子束单一成形的精度和表面质量 采用电子束单一成形的零件受相关设备及工艺参数等条件的影响，使得零件的表面精度低。目前国外制造EBM设备领先的企业,如瑞典的Arcam公司，开发商业化的Al和A2两个型号分别用于医疗以及航空航天领域，近期针对医疗批量生产的QlO也已投入市场，其精度等级为±0.3mm ;而国内如清华大学研制出了国内第一台EBSM-150装置，并与西北有色金属研究院联合开发研制了第二代EBSM-250成形系统，其精度等级只有土 1mm，所以制作出来的零件的表面质量不高。采用激光束和电子束复合成形时，电子束成形零件内部结构，激光束成形零件表面，从而解决电子束单一成形表面精度的问题，大大提高零件的精度。 3、改善零件的综合性能 由于激光束和电子束成形的组织并不一样，受成形精度和其他工艺参数的影响，SLM成形组织的晶粒非常细小，并且晶粒生长方向错综复杂。对致密金属零件而言，晶粒越细，对材料的力学性能就越有利，所以SLM成形组织的强度和硬度较大。而EBM成形时由于粉层较厚，电子束的能量难以充分穿透粉层，进而造成粉体的热量累积，使上部的粉层充分熔化，造成了熔体“过热”，促进晶粒的长大，使得组织比SLM制件粗大；而且EBM还能有效地除去成形零件里面对力学性能有很大破坏作用的氢、氮、氧，所以材料的塑性变形能力增强，因而韧性明显提高。因此采用激光束和电子束复合成形零件，可以得到内部韧性好、表面强度和硬度高的零件，使综合力学性能大大提高。 总之，本专利技术可以缩短零件成形时间，提高采用电子束单一成形的零件表面质量，改善零件的综合性能，可以推动金属零部件直接快速制造技术和装备的应用和推广。 【专利附图】【附图说明】 图1为激光束和电子束复合工作的装置示意图； 图2为上部整体式移动交替扫描装置俯视图； 图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合増材制造方法，该方法利用激光束和电子束对金属粉末进行扫描，激光束主要进行成形件表面轮廓的扫描熔化，电子束对成形件内部粉末进行高速熔化，最后利用激光束或电子束将两部分成形区域的边界进行重新熔化，使它们结合成整体，从而得到完整的成形件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏青松，史玉升，韩昌骏，李帅，唐萍，刘洁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42