脉冲激光选区熔化一体化成型系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及脉冲激光选区熔化一体化成型系统及方法，属于激光复合制造领域。系统包括：激光复合制造模块、在线监测和控制模块、成型腔。激光复合制造模块中的脉冲激光入射至成型腔内熔化粉末增材成型、并按监测结果和打印件精度需求对打印件进行原位冲击和/或原位减材；在线监测和控制模块用于实时监测熔池温度、成型过程和打印件形貌，并控制增材成型、原位冲击和原位减材的整个复合制造过程。脉冲激光选区熔化一体化成型方法包括利用脉冲激光进行增材成型，根据监测结果和打印件精度需求进行原位冲击和/或原位减材，获得高精度、高性能的打印件。利用该系统能进行结构性能一体化增材成型，利用该方法能高效率地获得高精度、高性能的打印件。高性能的打印件。高性能的打印件。

【技术实现步骤摘要】
脉冲激光选区熔化一体化成型系统及方法


[0001]本专利技术涉及激光复合制造领域，特别涉及脉冲激光选区熔化一体化成型系统及方法。

技术介绍

[0002]现有的激光选区熔化成型系统及方法主要利用了连续激光或者连续激光的脉冲模式熔化成型，少数设备及方法采用纳秒脉冲激光熔化成型，也有报道过飞秒激光选区熔化成型钨、铁等材料。目前激光选区熔化成型存在的问题是：快速熔凝过程中的温度梯度过大，导致了材料中存在较大的热应力及残余应力，进而引起材料的翘曲、变形及开裂，打印件中存在粗大的柱状晶组织以及力学各向异性性能。脉冲激光尤其是超快激光的热影响区较小，飞秒激光属于冷加工，有益于降低温度梯度、提高材料的性能。
[0003]目前激光选区熔化系统及方法(激光粉末床方法)比送粉/丝方法及电子束铺粉方法成型的打印件的表面粗糙度及尺寸精度都高，但还是达不到传统减材加工的精度。增减材复合制造分别利用了增材制造层层堆积和减材加工高精度的优点，尤其在复杂结构的高精度加工方面具有优势。与利用刀具的减材加工相比，激光增减材复合制造具有不接触材料、不受加工零件的尺寸限制、无切削残渣等优点；而飞秒激光可以使材料直接气化、无热影响区，在材料去除的减材加工方面具有优势。
[0004]增材制造打印件内部的热应力及残余应力超过材料的屈服强度时，会引起材料的变形开裂，对于高熔点、硬脆性材料尤其突出，已成为制约打印件应用亟需解决的问题。与增材制造复合的微铸锻能闭合打印件中的微裂纹，对于复杂结构，激光冲击强化更有优势。三维激光冲击强化可以对单层或者几层的打印件进行冲击，作用于整个打印件而不只是打印件的表面；能细化晶粒、闭合微裂纹、提高材料的抗疲劳、耐腐蚀及耐磨损性能。前期瑞士洛桑联邦理工学院及中国的江苏大学由于在不同的子系统中分别进行增材制造和激光冲击，降低了加工效率及精度，也增加了系统的复杂性。
[0005]因此，目前亟需一种能够将增材制造、激光冲击和原位减材一体化的系统，以解决打印件精度低、以及在不同的系统中分别进行增材制造和激光冲击，加工效率低的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供脉冲激光选区熔化一体化成型系统及方法，以解决目前增材制造打印件精度低，以及在不同的系统中分别进行增材制造和激光冲击，加工效率低的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种脉冲激光选区熔化一体化成型系统，包括：激光复合制造模块、在线监测和控制模块、成型腔；所述脉冲激光选区熔化一体化成型系统用于实现打印件的增材成型、原位冲击以及原位减材一体化成型；
[0009]所述激光复合制造模块中的脉冲激光入射至成型腔内，熔化粉末完成增材成型，
并根据监测结果和打印件精度需求对打印件进行原位冲击和/或原位减材；
[0010]所述在线监测和控制模块用于实时监测熔池温度、成型过程、打印件形貌及粉末摊铺情况，并根据打印件形貌判断打印件是否翘曲、裂纹或者凸起，根据监测结果和打印件精度要求调节所述脉冲激光的功率、频率及光斑直径，并控制增材成型、原位冲击和原位减材的整个复合制造过程。
[0011]可选地，所述激光系统包括依次设置的脉冲激光器、变倍扩束镜、第一半透半反镜、振镜和场镜。
[0012]可选地，所述脉冲激光的波长范围为193nm
‑
1100nm，脉宽范围为30fs
‑2×
108fs。
[0013]可选地，所述在线监测和控制模块包括在线监测单元和计算机；在线监测单元与计算机连接；在线监测单元包括CCD相机、红外热像仪和高速相机；红外热像仪用于监测熔池温度；高速相机用于监测打印过程；CCD相机用于监测粉末摊铺情况和打印件形貌。
[0014]可选地，所述成型腔的上方开设有照明窗口、激光入射窗口和高速相机观察窗口，所述成型腔的前方设有成型腔室门；所述成型腔的侧面设置有保护气体入口、反应气体入口和真空泵；所述成型腔的内部依次放置顶粉仓、打印仓和收粉仓，并分别与仓体升降单元连接；所述顶粉仓的顶板上方设置有刮刀；所述打印仓的顶板上方设置有打印底板。
[0015]一种脉冲激光选区熔化一体化成型方法，所述方法应用于上述的脉冲激光选区熔化一体化成型系统，所述方法包括：
[0016]1)构建打印件的几何模型，对几何模型进行切片并规划切片模型的扫描路径；
[0017]2)将成型腔抽真空，充入保护气体或者反应气体，摊铺粉末并根据所述扫描路径利用脉冲激光熔化所述粉末；
[0018]3)根据监测的打印件形貌判断打印件是否翘曲、裂纹或者凸起，得到监测结果；
[0019]4)根据所述监测结果及打印件精度要求，调节所述脉冲激光的功率、频率及光斑直径对所述打印件进行原位冲击和/或原位减材；
[0020]5)将打印底板下降所述切片模型的厚度，重复步骤2)中的“摊铺粉末并根据所述扫描路径利用脉冲激光熔化所述粉末”至步骤4)，直至完成打印件成型。
[0021]可选地，脉冲激光选区熔化一体化成型方法，其特征在于，所述反应气体为氮气、氧气、碳源或者含氢气的混合气体。
[0022]可选地，脉冲激光选区熔化一体化成型方法，其特征在于，所述粉末包括金属粉末、陶瓷粉末、聚合物粉末、塑料粉末、覆膜砂粉末、生物材料粉末以及它们的浆料、凝胶和复合材料；所述粉末的粒度为5nm～2
×
105nm。
[0023]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0024]采用本专利技术的脉冲激光选区熔化一体化成型系统及方法，能够通过在线监测系统实时监测打印件成型过程，根据打印件形貌调节脉冲激光的功率、频率及光斑直径对所述打印件进行原位冲击和/或原位减材，直至完成打印件成型。本专利技术将激光增材制造、激光减材加工及激光冲击强化集合在一个系统中进行加工，利用可变脉宽、可变光斑直径的脉冲激光源完成增材、减材以及冲击加工，提高了加工效率、精度以及打印件的性能，并降低了系统的复杂性。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为本专利技术提供的脉冲激光选区熔化一体化成型系统的结构图；
[0027]图2为本专利技术提供的脉冲激光选区熔化一体化成型方法的流程图；
[0028]图3为本专利技术在一个具体实施方式中的方法流程图。
[0029]符号说明：1、激光复合制造模块；2、在线监测和控制模块；3、成型腔；4、计算机；11、脉冲激光器；12、变倍扩束镜；13、第一半透半反镜；14、振镜；15、场镜；16、脉冲激光；21、高速相机；22、红外热像仪；23、透镜；24、滤光片；25、第二半透半反镜；26、CCD相机；27、照明光源；31、顶粉仓；32、打印仓；33、收粉仓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉冲激光选区熔化一体化成型系统，其特征在于，包括激光复合制造模块、在线监测和控制模块、成型腔；所述脉冲激光选区熔化一体化成型系统用于实现打印件的增材成型、原位冲击以及原位减材一体化成型；所述激光复合制造模块中的脉冲激光入射至成型腔内，熔化粉末完成增材成型，并根据监测结果和打印件精度需求对打印件进行原位冲击和/或原位减材；所述在线监测和控制模块用于实时监测熔池温度、成型过程、打印件形貌及粉末摊铺情况，并根据打印件形貌判断打印件是否翘曲、裂纹或者凸起，得到监测结果，根据监测结果和打印件精度需求调节所述脉冲激光的功率、频率及光斑直径，控制增材成型、原位冲击和原位减材的整个复合制造过程。2.根据权利要求1所述的脉冲激光选区熔化一体化成型系统，其特征在于，所述激光复合制造模块包括依次设置的脉冲激光器、变倍扩束镜、第一半透半反镜、振镜和场镜。3.根据权利要求1所述的脉冲激光选区熔化一体化成型系统，其特征在于，所述脉冲激光的波长范围为193nm
‑
1100nm，脉宽范围为30fs
‑2×
108fs。4.根据权利要求1所述的脉冲激光选区熔化一体化成型系统，其特征在于，所述在线监测和控制模块包括在线监测单元和计算机；在线监测单元与计算机连接；在线监测单元包括CCD相机、红外热像仪和高速相机；红外热像仪用于监测熔池温度；高速相机用于监测打印过程；CCD相机用于监测粉末摊铺情况和打印件形貌。5.根据权利要求1所述的脉冲激光选区熔化一体化成型系统，其特征在于，所述成型腔的上方开设有照明窗口、激光入射窗口和高速相机观察窗口，所述成型...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪丽娜，曹洪忠，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：