CN104190931B - 一种高效高精度复合増材制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种高效高精度复合増材制造方法及装置

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，为一种高效高精度复合増材制造方法及装置。本发明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。本发明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。

背景技术

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±1mm，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1m/s，成形速度较低，对大型零件的成形时间较长。表1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。

发明内容

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，本发明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；本发明还提供了实现该方法的装置。

本发明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。

本发明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。

本发明将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，SLMSolutions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500^HL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A1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Q10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±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，本发明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。

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3为本发明成形金属零件模型示意图；

图4为激光束和电子束扫描区域示意图。

具体实施方式

本发明利用激光束和电子束复合对金属粉末进行扫描，以达到高效高精的目的。激光束主要对边界轮廓的金属粉末进行扫描熔化，保证零件表面具有较好的表面质量；电子束对内部粉末进行高速熔化，保证较高的成形效率。两者可以同时进行工作，也可以在同一加工过程中阶段性地分开工作。

本发明的扫描策略主要体现在扫描方式和铺粉策略上。SLM的扫描方式根据成形件的截面形状选择逐行扫描、分区扫描或螺旋扫描等合适的方式；EBM的扫描方式为Z字形扫描方式，由区域中心向区域边界(由内到外)扫描，这样一方面能避免内应力释放，因为外层粉体熔化会使内层热应力难于向外释放，容易造成零件翘曲甚至开裂；另一方面可以对SLM已经成形的表面轮廓边界进行重熔，使两部分结合成整体。铺粉策略上，EBM扫描单层粉末的厚度必须是SLM的整数倍，在达到设定EBM扫描单层粉末的厚度之前，只有激光束进行扫描；当铺完粉使粉层达到了EBM扫描单层粉末的厚度时，激光束和电子束同时进行扫描。

本发明的质量控制主要体现在预热粉末和结合界面的重熔上。铺粉后，利用电子束在较低的束流和较高的扫描速度下对粉末进行预热，这个过程同时对SLM非常有利，使粉末更易熔化，成形得到的组织更均匀。预热一方面使金属粉末轻微烧结固定位置，增强粉末之间的结合力，提高粉末抗溃散能力；另一方面有助于减少熔融层和其它部分的温度梯度，减小粉末的聚球趋势，降低成形件的残余应力。激光束熔化成形的晶粒细小，组织致密，而电子束熔化的组织相对粗大，成形件塑性变形能力强，韧性高。对两种组织的边界进行重熔，由于SLM成形表面轮廓的厚度小，所以用电子束进行重熔时，产生的温度相当于对SLM成形的部分进行了一次热处理，不仅能使结合界面组织均匀过渡，还能有效改善界面处的应力集中，使内部结构和表面轮廓的应力减小并趋向均匀分布。SLM与EBM复合成形既保证了成形件内部结构和表面轮廓的组织的性能，又将它们有机地结合在一起。

下面结合附图和实例对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明方法的具体实现过程为：

(1)对成形零件模型的表面轮廓和内部结构进行区域划分，控制电子束和激光束工作的范围；

(2)设定装置的铺粉层厚、SLM扫描单层粉末的厚度和EBM扫描单层粉末的厚度。装置的成形空间抽成真空，并通入保护性气体；

(3)由铺粉机构在金属基板上平铺一层粉末，利用电子束的小束流对设定区域内的薄层粉末进行高速扫描，预热粉末；

(4)控制激光束发生装置运动至扫描窗口，激光束扫描设定区域内的粉末，形成表面轮廓层，电子束发生装置保持初始位置不动。

(5)重复上述步骤(3)～(4)，直到铺粉机构铺完粉后，刚好使内部结构的粉层达到设定的EBM扫描单层粉末的厚度，电子束发生装置开始运动至扫描窗口，电子束扫描内部结构区域，同时激光束扫描表面轮廓区域。在激光束扫描完成后，电子束才对两区域的边界进行重熔，重熔区域宽度大约为0.1mm，使得两个区域结合成整体。

(6)重复上述步骤(5)，直到在制造方向上内部结构区域内的粉末扫描完成。

(7)再铺一层粉并预热，激光束开始扫描零件顶端的表面轮廓，同时重熔上述两区域的边界，使它们结合在一起。重复铺粉扫描直到零件顶端的表面轮廓(如高度为0.5mm)加工完成。

上述技术方案中，激光光斑直径范围为0.05mm-0.1mm，电子束光斑的直径为0.1mm。由于零件尺寸和精度要求的不同，装置设定的铺粉层厚和零件表面轮廓的尺寸可以调整，表面轮廓的厚度应不小于0.5mm。

本发明的硬件实施方面，实现两者复合成形的硬件装置分为两部分。上部是一种整体式移动交替扫描装置，具体安放了两种高能束的发生装置、横梁和导轨等机械机构以及两台伺服电机，高能束发生装置分别安装在不同横梁上，伺服电机带动同步带轮使横梁沿两条导轨完成在平面内的精确移动。两个高能束发生装置以整体的形式交替移动，根据需要预热粉末、扫描成形件。成形时，在控制软件的控制下，电子束在偏转磁场的磁场控制下分别实现X向和Y向的偏转控制。激光束则在振镜的精确控制下，对表面轮廓进行扫描。下部则是成形台面和成形空间，具体安放了铺粉机构、工作缸和送粉缸。

下面结合图1、图2详细说明依据该发明的基本原理及工作情况。本发明装置是一种激光束和电子束复合成形装置，其下部主要包括铺粉辊1、工作台2、送粉缸3和工作缸4。铺粉辊1安放在工作台2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3和工作缸4通过控制系统能无阻碍地上下运动，两缸的上表面不能超过工作台2的上表面。

上部主要包括电子束发生装置7、激光束发生装置8、底板9、导轨10、横梁11、同步带轮12和伺服电机13等部分。底板9中部有矩形窗口，底板9上固定两导轨10，平行于窗口的一对对边，导轨10旁边分别固定一个同步带轮12和伺服电机13，同步带与导轨10平行，由同步带轮12和伺服电机13张紧。两横梁11垂直于导轨10，通过滑块与导轨10滑动配合，横梁11的一端固定在同步带上。激光发生装置8和电子束发生装置7分别固定在一横梁11上。

本发明装置工作时，高能束6通过电子束发生装置7产生，工作状态时移动到工作台2的中心区域上方。成形内部结构时，电子束发生装置7移动到成形区域进行扫描，激光束发生装置8保持原位；成形表面轮廓时，电子束发生装置7回到原位，激光束发生装置8移动到成形区域进行扫描。在金属粉末均匀地铺在工作缸4上的过程中，电子束发生装置7和激光束发生装置8均处于关闭状态。每铺一层粉末后，电子束发生装置7发射小束流6对金属粉末5进行预热，之后激光束发生装置8发射的高能激光束6照射到零件指定的表面轮廓的金属粉末5上进行熔化。当铺粉层厚达到设定的EBM扫描单层粉末的厚度时，由电子束发生装置7发射的电子束6开始工作，扫描指定的内部结构。

实例1

(1)将图3所示模型的表面轮廓和内部结构划分为S1、S2、S3三个区域(图4)，控制激光束和电子束工作的范围。所用材料为球形316L不锈钢粉末，粒径约为10～100μm。

(2)设定装置的铺粉层厚为0.02mm，SLM扫描单层粉末的厚度为0.02mm，EBM扫描单层粉末的厚度为0.08mm。装置的成形空间抽成真空，并通入保护性气体。

(3)由铺粉机构在金属基板上平铺一层粉末，利用电子束的小束流对S1区域的薄层粉末进行高速扫描，预热粉末。

(4)控制激光束发生装置运动至扫描窗口，激光束扫描S1区域内的粉末，形成表面轮廓层，电子束发生装置保持初始位置不动。

(5)重复上述步骤(3)～(4)，直到送粉机构平铺完第4层粉末，电子束发生装置开始运动至扫描窗口，电子束扫描S2区域，同时激光束扫描S1区域。在激光束扫描完成后，电子束才对S1和S2区域的轮廓边界进行重熔，重熔区域宽度大约为0.1mm，使得两个区域结合成整体。

(6)重复上述步骤(5)，直到在制造方向上S2区域内的粉末扫描完成。

(7)在S3区域内铺一层粉并预热，激光束扫描熔化S3区域的粉末的同时重熔S1、S2区域的边界，使它们结合在一起。重复铺粉扫描直到零件顶端的表面轮廓(高度为0.5mm)加工完成。

实例2

(1)将图3所示模型的表面轮廓和内部结构划分为S1、S2、S3三个区域(图4)，控制激光束和电子束工作的范围。所用材料为球形Ti6Al4V粉末，粒径约为10～100μm。

(2)设定装置的铺粉层厚为0.02mm，SLM扫描单层粉末的厚度为0.02mm，EBM扫描单层粉末的厚度为0.5mm。装置的成形空间抽成真空，并通入保护性气体。

(3)由铺粉机构在金属基板上平铺一层粉末，利用电子束的小束流对S1区域的薄层粉末进行高速扫描，预热粉末。

(4)控制激光束发生装置运动至扫描窗口，激光束扫描S1区域内的粉末，形成表面轮廓层，电子束发生装置保持初始位置不动。

(5)重复上述步骤(3)～(4)，直到送粉机构平铺完第25层粉末，电子束发生装置开始运动至扫描窗口，电子束扫描S2区域，同时激光束扫描S1区域。在激光束扫描完成后，电子束才对S1和S2区域的轮廓边界进行重熔，重熔区域宽度大约为0.1mm，使得两个区域结合成整体。

(6)重复上述步骤(5)，直到在制造方向上S2区域内的粉末扫描完成。

(7)在S3区域内铺一层粉并预热，激光束扫描熔化S3区域的粉末的同时重熔S1、S2区域的边界，使它们结合在一起。重复铺粉扫描直到零件顶端的表面轮廓(高度为0.5mm)加工完成。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

表1 EBM和SLM的参数对比

Claims (2)

1.一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；

所述扫描所采用的扫描方式和铺粉策略如下：激光束进行选择性激光熔化采用的扫描方式根据成形件的截面形状选择逐行扫描、分区扫描或螺旋扫描的方式；EBM的扫描方式为Z字形扫描方式，由区域中心向区域边界扫描，具体包括下述过程：

(1)对成形零件模型的表面轮廓和内部结构进行区域划分，控制电子束和激光束工作的范围；

(2)设定装置的铺粉层厚、SLM扫描单层粉末的厚度和EBM扫描单层粉末的厚度，装置的成形空间抽成真空，并通入保护性气体；

(3)由铺粉机构在金属基板上平铺一层粉末，利用电子束的小束流对设定区域内的薄层粉末进行高速扫描，预热粉末；

(4)控制激光束发生装置运动至扫描窗口，激光束扫描设定区域内的粉末，形成表面轮廓层，电子束发生装置保持初始位置不动；

(5)重复上述步骤(3)～(4)，直到铺粉机构铺完粉后，刚好使内部结构的粉层达到设定的EBM扫描单层粉末的厚度，电子束发生装置开始运动至扫描窗口，电子束扫描内部结构区域，同时激光束扫描表面轮廓区域；在激光束扫描完成后，电子束才对两区域的边界进行重熔，使得两个区域结合成整体；

(6)重复上述步骤(5)，直到在制造方向上内部结构区域内的粉末扫描完成；

(7)再铺一层粉并预热，激光束开始扫描零件顶端的表面轮廓，同时重熔上述两区域的边界，使它们结合在一起；重复铺粉扫描直到零件顶端的表面轮廓加工完成。

2.一种实现权利要求1所述的复合増材制造方法的装置，其特征在于，该装置的下部包括铺粉辊、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；

该装置的上部是一种整体式移动交替扫描装置，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，伺服电机带动同步带轮使横梁沿两条导轨完成在平面内的精确移动，使电子束发生装置和激光束发生装置以整体的形式交替移动，根据需要预热粉末、扫描成形件，成形时，在控制软件的控制下，电子束在偏转磁场的磁场控制下分别实现X向和Y向的偏转控制，激光束则在振镜的精确控制下，对表面轮廓进行扫描。