一种激光增材制造装备及方法技术

本发明专利技术公开了一种激光增材制造装备及其方法，该装备包含成形舱体、工作平台、基板、扫描振镜组件、粉末预置组件、气氛调控组件、升降组件和中央控制系统。应用该装备成形金属构件时，扫描振镜组件不仅用于在位置固定的基板上方逐层选区熔化金属构件切片层，还用于在基板上方逐层选区熔化与金属构件切片轮廓相适应、可容纳金属粉末床的闭合薄壁。本发明专利技术具有成形空间灵活可调、粉末利用率高的优点，能够实现各种尺寸与形状金属构件的高质量、低成本增材制造。

A laser material making equipment and method

【技术实现步骤摘要】
一种激光增材制造装备及方法
本专利技术属于增材制造
，具体涉及一种可成形复杂金属构件，且成形空间灵活可调、成形质量优良的低成本激光增材制造装备及方法。
技术介绍
激光增材制造技术有望实现金属构件的结构功能一体化加工，是先进制造行业的研究热点。根据工艺特征的不同，目前常用的激光增材制造技术可分为激光熔覆沉积与激光选区熔化两种类型。激光熔覆沉积技术的工艺原理可概括为：1)激光头在数控机床控制下，按照预设轨迹输出激光束，对固定不动的基板进行扫描；2)扫描的同时，粉末喷嘴将金属粉末输送到激光束在基板表面形成的熔池中，使粉末快速熔化、凝固，并与基板形成一层冶金熔覆层，即沉积层；3)粉末喷嘴和激光头上升一定高度，并按照上述扫描方法继续沉积下一层，直至整个金属构件成形结束。激光熔覆沉积技术具有成形空间灵活的优势，但由于采用加速度相对较低的数控机床控制激光扫描轨迹，无法成形复杂形状构件。激光选区熔化技术的工艺原理可概括为：1)在尺寸固定的成形缸体内安装基板，并在基板表面预置一层金属粉末；2)扫描振镜根据预设轨迹输出激光束，选区熔化、沉积金属粉末层，获得金属构件的首层熔覆层；3)基板沿成形缸体轴线方向(即金属构件高度方向)下降一定距离后，在首层金属构件熔覆层上方预置新一层金属粉末；4)重复“激光选区熔化→基板下降→粉末预置”流程，直至完成所有金属构件熔覆层的沉积，获得金属构件。激光选区熔化技术采用加速度极高的扫描振镜控制激光扫描轨迹，故可成形复杂形状产品。但由于基板安装在尺寸固定的成形缸体内部，导致金属构件的成形空间受限于成型缸体尺寸，且成形过程需要大量冗余金属粉末填充成形缸体，粉末原料利用率低。近期，专利技术人所在团队结合激光熔覆沉积技术与激光选区熔化技术的优点，创造性地提出了混合送料式激光沉积技术(CN103726049A)。该技术的工艺原理可概括为：1)以“激光熔覆沉积”的方式在固定不动的基板表面沉积一层形状与金属构件切片层相适应、可将金属构件切片层包围的闭合薄壁；2)以闭合薄壁为铺粉基准，在其内部铺置粉末层，并利用扫描振镜输出激光束，选区熔化、沉积粉末层，获得金属构件切片层；3)扫描振镜与粉末喷嘴、激光头上升一定高度，并以“激光熔覆沉积”的方式在首层闭合薄壁上方沉积第二层闭合薄壁；4)重复“粉末预置→金属构件切片层激光选区熔化→扫描振镜与粉末喷嘴、激光头上升→闭合薄壁激光熔覆沉积”流程，直至完成所有金属构件切片层和闭合薄壁的沉积，获得金属构件和将金属构件包围的随形缸体。混合送料式激光沉积技术不但可成形复杂金属构件，还突破了常规激光选区熔化设备中尺寸固定成型缸对构件尺寸的限制，能够显著提升粉末原料利用率。但是，该技术需要将粉末喷嘴、数控机床、激光头与扫描振镜集成在一起，且闭合薄壁与金属构件切片层的沉积需要利用光学参数完全不同的激光束、并施加完全不同的扫描参数，导致装备的设计、装配及维护成本较高，工艺复杂性及操作难度较大。特别是由于工艺原理的差异，采用“激光熔覆沉积”方式制造的闭合薄壁与采用“激光选区熔化”方式制造的金属构件切片层难以保持高度一致，导致金属粉末层的实际铺置厚度偏离预设值，严重时影响金属构件的成形精度与服役性能。综上，专利技术一种可成形复杂金属构件，且成形空间更加灵活可调、成形质量更加优良的低成本激光增材制造装备及方法具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术不足，本专利技术提出了一种激光增材制造装备及方法，旨在实现各种尺寸与形状金属构件的高质量、低成本增材制造。本专利技术提供的一种激光增材制造装备，包含成形舱体、工作平台、基板、扫描振镜组件、粉末预置组件、气氛调控组件、升降组件和中央控制系统；所述工作平台位于成形舱体下部，基板固定安装于工作平台表面；所述扫描振镜组件含有一台或数台扫描振镜，每台扫描振镜均通过连接光路与激光源连接；扫描振镜组件不仅用于逐层沉积金属构件，还用于逐层沉积形状与金属构件相适应、可容纳金属粉末床的随形缸体；所述粉末预置组件包含一个或两个储粉斗、一套铺粉器、一套水平移动机构；铺粉器用于接收储粉斗提供的金属粉末，并在水平移动机构带动下于基板和随形缸体所围区域上方预置金属粉末层；所述气氛调控组件用于在金属构件成形过程中向成形舱体提供保护气体，并清除激光辐照产生的金属烟尘；所述升降组件用于带动扫描振镜、铺粉器和储粉斗沿金属构件高度方向做同步或独立的往复运动；所述中央控制系统用于处理待成形金属构件CAD模型，生成金属构件和随形缸体的激光扫描轨迹，并驱动装备各部分的运行。本专利技术提供的激光增材制造方法，包括下述步骤：(1)中央控制系统处理金属构件CAD模型，生成各切片层的轮廓信息和激光扫描轨迹；中央控制系统根据金属构件的CAD模型，生成随形缸体的CAD模型、切片数据与激光扫描轨迹；所述随形缸体的CAD模型与切片数据须满足：1)随形缸体的切片层数与金属构件相同；2)随形缸体的每一个切片层均为闭合薄壁，闭合薄壁将金属构件相应的切片层包围，且尽量与后者贴合；3)前续闭合薄壁在基板表面的垂直投影可将后续闭合薄壁包围，或与后续闭合薄壁重合；(2)在成形舱体内部建立保护性、无粉尘或少粉尘气氛，并在基板表面预置金属粉末层；(3)扫描振镜组件选区熔化金属粉末层，获得闭合薄壁；(4)扫描振镜组件选区熔化闭合薄壁所包围的金属粉末层，获得金属构件熔覆层；(5)将扫描振镜组件、储粉斗和铺粉器沿金属构件高度方向上升预设的高度，并在闭合薄壁及其所包围区域上方重新预置金属粉末层；(6)重复第(3)步～第(5)步，直至完成所有闭合薄壁和金属构件切片层的激光选区熔化，实现随形缸体与金属构件的成形。本专利技术具有以下技术效果：(1)与现有激光选区熔化技术相比，本专利技术取消了尺寸固定的成形缸体，并利用扫描振镜组件在位置固定的基板上方逐层选区熔化/沉积与金属构件切片轮廓相适应、可容纳金属粉末床的闭合薄壁；因此，本专利技术在继承现有激光选区熔化技术可成形复杂结构金属构件的优势同时，突破了现有激光选区熔化装备对成形空间的限制，极大缩减了冗余粉末填充量，降低了粉末购置成本与清理回收难度；(2)尽管本专利技术与现有混合送料式激光沉积技术均在金属构件选区熔化成形的同时制造与金属构件形状相适应的随形缸体，但本专利技术系利用扫描振镜组件、以“激光选区熔化”的方式制造随形缸体，现有混合送料式激光沉积技术则系利用激光头与粉末喷嘴、以“激光熔覆沉积”的方式成形随形缸体；这导致本专利技术无需集成激光头、数控机床及粉末喷嘴，且闭合薄壁与金属构件切片层的沉积可采用相同的激光束与扫描参数进行，故工艺复杂性及操作难度显著降低；特别是由于闭合薄壁与金属构件切片层的沉积均利用扫描振镜组件完成，使得两者能够保持高度一致，保证了金属构件的成形精度与服役性能。(3)本专利技术所提供装备与现有激光选区熔化装备的实质性差别在于取消了尺寸固定的成形缸体和基板升降机构，且为扫描振镜、铺粉器和储粉斗加装了升降组件；因此，本专利技术可通过对现有激光选区熔化装备予以改造而实现，设计、装配及维护成本低；此外，本专利技术可与现有激光选区熔化技术中“双向铺粉(CN104001915A)”、“阵列式组合振镜扫描(CN103990799A)”、“移动式振镜扫描(CN104001915A)”、“选区铺粉(CN106735213A)”本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光增材制造装备，其特征在于，该装备包含成形舱体、工作平台、基板、扫描振镜组件、粉末预置组件、气氛调控组件、升降组件和中央控制系统；所述工作平台位于成形舱体下部，基板固定安装于工作平台表面；所述扫描振镜组件含有一台或数台扫描振镜，每台扫描振镜均通过连接光路与激光源连接；扫描振镜组件不仅用于逐层沉积金属构件，还用于逐层沉积形状与金属构件相适应、可容纳金属粉末床的随形缸体；所述粉末预置组件包含一个或两个储粉斗、一套铺粉器、一套水平移动机构；铺粉器用于接收储粉斗提供的金属粉末，并在水平移动机构带动下于基板和随形缸体所围区域上方预置金属粉末层；所述气氛调控组件用于在金属构件成形过程中向成形舱体提供保护气体，并清除激光辐照产生的金属烟尘；所述升降组件用于带动扫描振镜、铺粉器和储粉斗沿金属构件高度方向做同步或独立的往复运动；所述中央控制系统用于处理金属构件CAD模型，生成各切片层的轮廓信息和激光扫描轨迹；根据金属构件的CAD模型，生成随形缸体的CAD模型、切片数据与激光扫描轨迹，并驱动装备各部分的运行。

【技术特征摘要】
1.一种激光增材制造装备，其特征在于，该装备包含成形舱体、工作平台、基板、扫描振镜组件、粉末预置组件、气氛调控组件、升降组件和中央控制系统；所述工作平台位于成形舱体下部，基板固定安装于工作平台表面；所述扫描振镜组件含有一台或数台扫描振镜，每台扫描振镜均通过连接光路与激光源连接；扫描振镜组件不仅用于逐层沉积金属构件，还用于逐层沉积形状与金属构件相适应、可容纳金属粉末床的随形缸体；所述粉末预置组件包含一个或两个储粉斗、一套铺粉器、一套水平移动机构；铺粉器用于接收储粉斗提供的金属粉末，并在水平移动机构带动下于基板和随形缸体所围区域上方预置金属粉末层；所述气氛调控组件用于在金属构件成形过程中向成形舱体提供保护气体，并清除激光辐照产生的金属烟尘；所述升降组件用于带动扫描振镜、铺粉器和储粉斗沿金属构件高度方向做同步或独立的往复运动；所述中央控制系统用于处理金属构件CAD模型，生成各切片层的轮廓信息和激光扫描轨迹；根据金属构件的CAD模型，生成随形缸体的CAD模型、切片数据与激光扫描轨迹，并驱动装备各部分的运行。2.根据权利要求1所述的激光增材制造装备，其特征在于，所述升降组件包括至少三个移动机构，所述移动机构由丝杆、滑轨或机器人手臂构成。3.根据权利要求1或2所述的激光增材制造装备，其特征在于，所述随形缸体的CAD模型与切片数...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾晓雁，魏恺文，李祥友，朱海红，王泽敏，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42