CN104668563A - 一种具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方法及设备。方法根据待成形金属构件切片轮廓形状确定成型缸的内部结构，使各铺粉层的金属粉末尽量只处于待成形金属构件切片轮廓形状对应的区域，以大幅度减少金属粉末的用量，并提高高能束增材制造的功效。设备包括一个或多个成型缸，该成型缸的内部结构与待成形金属构件切片轮廓形状相匹配。本发明通过使用镶块以及与金属构件切片轮廓形状相适应的异形基板，实现了针对不同金属构件结构特征的成型缸重构，进而成功避免了传统高能束增材制造当中经常出现的冗余粉末过多的缺陷。应用本发明，可在保证高粉末利用率的条件下，完成不同尺寸、各种复杂结构金属构件的高质、高效成形。

Description

一种具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方法与设备

技术领域

本发明属于高能束增材制造技术领域，具体涉及一种具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方法与设备。

背景技术

近年来，金属零部件的高能束增材制造技术(又称高能束3D打印技术)发展十分迅速。其中，基于粉末床铺设的激光选区熔化技术(Selective LaserMelting，简称SLM技术)和电子束选区熔化技术(Electron Beam SelectiveMelting，简称EBSM技术)的基本原理可概括如下：首先采用滚筒或刮板将合金粉末均匀地铺放在基板表面，然后根据所加工金属零部件的数字化结构和切片数据，采用激光或者电子束逐点、逐线地选区熔化金属粉末，熔化后的合金粉末冷却、凝固形成具有一定厚度的沉积层，并成为所成形金属零件的一部分；将基板下降一定高度，重新铺设粉末床并选区熔化，如此不断循环直至完成整个金属零部件的制造。

由于SLM技术与EBSM技术采用粉末床铺设的给料方式，粉末层厚度可在0.02～0.2mm范围内精确控制。此外，采用较小的光斑或束斑直径(0.1～0.2mm)即可以轻易“捕捉”到处于静止状态的合金粉末并形成熔池。因此，SLM与EBSM技术所成形金属构件具有精度高、致密度高、性能优良等特点，特别适合于包含复杂内腔、薄壁、悬臂等结构的金属异形构件的制造，在航空航天、电子等领域正得到越来越广泛的应用。

当前国际通用的SLM与EBSM工业级设备存在三大问题，一是使用过程需要大量冗余粉末，降低了粉末利用率，使得一次性所需储备的合金粉末数量大幅度增加，粉末材料购置成本极大提高；其次是基板垂直运动机构必须承受冗余粉末的重量，使得设备的机械结构复杂化，设备制造成本大幅度提高；另外，由于SLM与EBSM加工过程中产生的氧化物与熔池飞溅产物会污染粉末，加工完成后需对粉末进行回收处理，而大量的冗余粉末显然会增大回收清理工作的困难程度。

与此同时，尽管伴随着双向铺粉(CN 102266942A)、多工位扫描(CN103990799A)等思想的提出与实现，SLM与EBSM技术在大尺寸复杂零部件制造领域的潜力凸显，基于SLM与EBSM技术的工业级设备的成型缸尺寸也由早期的50～150mm×50～150mm提升至500mm×500mm乃至更大。然而，冗余粉末过多这一技术缺陷更是随着成形极限尺寸与成型缸空间的不断增大而趋于严重。

综上所述，冗余粉末过多、粉末利用率低这一问题已成为阻碍SLM技术与EBSM技术进一步发展的主要瓶颈之一。因此，发明一种具有高粉末利用率，且适用于不同尺寸、各种复杂结构金属零部件高效成形的高能束增材制造方法及装置具有重要意义。

发明内容

针对现有SLM与EBSM工艺存在冗余粉末过多、粉末利用率低这一技术难点，本发明提出了一种具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方法与设备，其目的在于以保证高粉末利用率为基础，实现不同尺寸、各种复杂结构金属构件的高质、高效成形。

本发明提供的一种具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方法，该方法根据待成形金属构件切片轮廓形状确定成型缸的内部结构，使各铺粉层的金属粉末尽量只处于待成形金属构件切片轮廓形状对应的区域，以大幅度减少金属粉末的用量，并提高高能束增材制造的功效。

本发明提供的一种具有高粉末原料利用率的高能束增材制造设备，包括一个或多个成型缸，其特征地于，该成型缸的内部结构与待成形金属构件切片轮廓形状相匹配，使各铺粉层的金属粉末尽量只处于待成形金属构件切片轮廓形状对应的区域，以大幅度减少金属粉末的用量，并提高高能束增材制造的功效。

作为上述技术方案的改进，本发明通过使用镶块以及与待成形金属构件切片轮廓形状相适应的异形基板实现成型缸适时重构，使镶块在高能束增材制造过程中尽可能多地占据成型缸中已成形零部件以外的位置。

所述镶块包括边缘镶块或/和内部镶块，所述边缘镶块用于将基板包围在其中，其内侧面与基板的外侧面紧密贴合，以避免粉末泄漏，并保证成形期间的气氛稳定；所述内部镶块贯穿基板与支承板，其外侧面与基板的内侧面紧密贴合，以避免粉末泄漏，并保证成形期间的气氛稳定。

作为上述技术方案的改进，所述成型缸具体可由基板、镶块、支承板及丝杠构成，基板位于最上部，支承板位于基板下方并起固定作用；基板与支承板的上下端面彼此水平且均具有与所成形金属零部件切片轮廓相适应的形状；镶块位于基板的外围或贯穿其内部，用于在高能束增材制造过程中尽可能多地占据成型缸中已成形零部件以外的位置，以避免或减少冗余粉末的填充；丝杠位于基板下方，用于驱动基板沿所成形金属零部件的高度方向运动。

本发明具有以下技术效果：

(1)本发明通过使用镶块以及与金属构件切片轮廓形状相适应的异形基板，实现针对不同金属构件结构特征的成型缸(又称成形缸)重构，大幅度提高了粉末利用率与高能束增材制造的功效；

(2)本发明可大幅度减少金属粉末的实际用量，从而降低材料成本；

(3)由于“冗余“粉末大幅度减少，成型缸驱动机构的载荷大为减少，有利于简化设备机械结构，降低设备制造、维护成本，并可提高成型缸内部机构的运动精度，进而确保金属构件的成形精度；

(4)冗余粉末数量的减少导致回收、清理粉末的工作量减小，产生的粉尘污染也减少，增强了高能束增材制造的人性化与绿色环保特征；

(5)若所成形金属构件需启用成型缸加热功能，则可在金属镶块内部加装包含电阻丝等在内的加热模块，并与成型缸四壁或底部的加热模块相配合，进行合金粉末预热与构件缓冷，更好地控制成型缸的温度梯度，从而确保构件的组织结构性能及冶金质量；

(6)若所成形金属构件需架设辅助支撑结构，则可使用与构件具有较好冶金结合能力的金属作为镶块材料，并在镶块上表面直接沉积支撑结构，进而大幅度减小支撑体积，提高制造效率。

附图说明

图1(a)、1(b)为本发明所涉及的高能束增材制造装置的第一种实施方式，其中，1(a)为装置正面示意图，1(b)为1(a)中A-A截面剖视图；

图2(a)、2(b)为本发明所涉及的高能束增材制造装置的第二种实施方式，其中，2(a)为装置正面示意图，2(b)为2(a)中B-B截面局部剖视图；

图3(a)、3(b)、3(c)和图3(d)为本发明所涉及的高能束增材制造装置的第三种实施方式示意图；

图4(a)、4(b)、4(c)和图4(d)为本发明所涉及的高能束增材制造装置的第四种实施方式示意图。

具体实施方式

现有的SLM与EBSM工业级设备的基板一般为规则长方体或圆柱体金属，其侧壁与成型缸内壁保持平行且紧密贴合。一台SLM或EBSM设备的装配完成后，成型缸与基板的尺寸均固定不变。然而，由SLM与EBSM技术逐层制造的工艺特征所决定，当采用上述基板与成型缸的配置形式时，若所成形的金属构件在工作平面的垂直投影尺寸相对于成型缸幅面较小，或者其包含有空腔、薄壁等结构，则需使用体积远大于零件实际所占空间的大量冗余金属粉末将成型缸内部填满，才能完成构件的成形。这种情况在利用SLM与EBSM技术进行航空航天、电子领域产品研发与批量生产时经常出现。

为解决这一问题，本发明提供了一种高能束增材制造方法，该方法通过使用镶块以及与待成形金属构件切片轮廓形状相适应的异形基板，针对不同金属构件结构特征重构成型缸，以大幅度减少金属粉末的用量，并提高高能束增材制造的功效。对于仅用于制造特定形状待成形金属构件的，可以设计固定形状的成型缸，不需要通过使用镶块来实时重构成型缸的结构，可以进一步提高效率，简化设备，这种情形也可以通过固定的镶块来简化实现过程。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例及附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式及附图仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例和附图的限制。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。

本发明还提供了一种高能束增材制造装置，该装置包括可重构成型缸，该成型缸由基板、镶块、支承板及丝杠构成，基板位于成型缸最上部，支承板位于其下方并起固定作用；基板与支承板的上下端面彼此水平且均具有与所成形金属零部件切片轮廓相适应的形状；既可使基板水平端面外轮廓在支承板水平端面上的垂直投影能将支承板水平端面外轮廓包围，又可使两者水平端面外轮廓的形状、尺寸相同；丝杠为高精度丝杠，且分为基板驱动丝杠与镶块驱动丝杠；其中，基板驱动丝杠位于支承板下方，并带动基板与支承板一同沿所成形金属零部件的高度方向运动，其水平幅面小于支撑板的水平幅面，并不与成型缸内部其他部件相干涉。镶块位于基板的外围或贯穿其内部，用于在高能束增材制造过程中时刻占据成型缸中已成形零部件以外的大部分位置，以避免或减少冗余粉末的填充。

本发明装置具体包括高能束扫描模块、粉末存储腔、铺粉器、工作平面、粉末回收缸、成型缸、控制系统及气体净化系统，其特征在于，该装置的成型缸由基板、镶块、支承板及丝杠构成；

高能束扫描模块与粉末存储腔分别位于工作平面正上方与侧上方；铺粉器位于粉末存储腔下方，并可在工作平面上方水平往复运动；粉末回收缸、成型缸上表面均与工作平面共面，其中，成型缸位于工作平面中心，而粉末存储腔在工作平面的垂直投影与粉末回收缸则分别位于成型缸两侧；当然，亦可采用本申请人另一发明创造(参见CN 102266942A)所涉及的思想，即同时设置两个粉末存储腔及两个粉末回收缸，并对称分布于成型缸两侧；

基板水平端面的尺寸可小于成型缸水平幅面尺寸，且其端面不必为规则长方形或圆形，而是呈现出与所成形金属零部件切片轮廓相适应的形状，只要能保证基板水平端面的外轮廓恰可将所成形金属零部件在其上的垂直投影包围即可。若待成形金属零部件包含有直通孔(各分层截面中心的垂直投影相重合的通孔)、空腔、悬臂等结构，则这些结构在基板与支承板水平端面上的垂直投影位置则预设有与这些结构投影形状相同、中心重合而尺寸略小的等截面直通孔；支承板直通孔在基板水平端面的垂直投影需可将基板上相对应的直通孔包围或与其重合；

镶块包括边缘镶块与内部镶块，其中，边缘镶块固定安装在成型缸四侧内壁，其上表面与工作平面重合；边缘镶块的内侧面与基板相应的外侧面紧密贴合，进而将基板、支承板包围在其中；

内部镶块的数量等于所成形金属零部件所具有的直通孔、空腔、及悬臂结构的总量；每个内部镶块均贯穿基板、支承板上所对应的内孔，其外侧面与基板上所对应直通孔的内侧面紧密贴合；根据实际需要，内部镶块既可以固定安装于成型缸底座，也可在其下方安装相应的镶块驱动丝杠，进而实现沿所成形金属零部件高度方向的往复运动。镶块驱动丝杠不可与成型缸内部其他部件相干涉；

根据实际需求，边缘镶块与每一个内部镶块既可分别由若干子镶块拼合或嵌套组成，又可分别仅包含一个整体镶块。

利用上述高能束增材制造装置进行高能束增材制造的具体方法为：

(1)控制系统生成所成形金属构件的切片数据及高能束扫描路径，并调节加工坐标系与基板坐标系相对位置，以保证高能束扫描轨迹始终位于基板水平幅面内部；

(2)气体净化系统完成工作气氛环境的建立；

(3)调整基板、边缘镶块的上表面与工作平面重合，若包含有内部镶块，则亦调整内部镶块的上表面与工作平面重合；

(4)根据单层粉末厚度，调节粉末存储腔的流量，并为铺粉器提供满足单层铺粉所需的金属粉末；

(5)铺粉器平行于工作平面运动，并在基板表面铺设一层具有一定厚度的金属粉末，多余的粉末则被送入粉末回收缸；

(6)高能束扫描模块根据当前扫描轨迹选区熔化金属粉末，形成沉积层；

(7)基板驱动丝杠带动基板与支承板一同沿零部件高度方向下降一定距离，而边缘镶块的位置固定不变；若包含有内部镶块，则亦保持内部镶块的位置固定不变；

(8)若所成形金属构件为实心结构或仅包含等截面直通孔，则重复步骤(4)～(7)，直至完成金属零部件的最终成形；

(9)若所成形金属构件包含截面积沿其高度方向减小的直通孔，则重复步骤(4)～(7)，直至不等截面直通孔的截面积减小至高能束扫描路径将与该不等截面直通孔对应的内部镶块出现干涉，此时，控制上述不等截面直通孔所对应的内部镶块的最外层下降一定距离，以避免内部镶块与高能束扫描路径出现干涉；在保证边缘镶块、上述不等截面直通孔所对应的内部镶块内层的上表面仍与工作平面重合的条件下，继续进行逐层增材制造，直至不等截面直通孔的截面积减小至高能束扫描路径将再次与该不等截面直通孔对应的内部镶块出现干涉，此时，控制上述不等截面直通孔所对应的内部镶块的次外层下降一定距离，以避免内部镶块与高能束扫描路径出现干涉，并再次在保证边缘镶块、上述不等截面直通孔所对应的内部镶块内层的上表面仍与工作平面重合的条件下，继续进行逐层增材制造；以此类推，直至完成金属零部件的最终成形；

(10)若所成形金属构件包含具有封顶的空腔或悬臂，则重复步骤(4)～(7)，直至已成形高度与空腔封顶处或悬臂下表面所对应的高度之差小于某一预设阈值；此时，控制上述带封顶空腔或悬臂所对应的内部镶块下降一定距离；在保证边缘镶块仍与工作平面重合的条件下，继续进行逐层增材制造，并控制基板与上述带封顶空腔或悬臂所对应的内部镶块逐层下降同样距离，直至完成金属零部件的最终成形。

(11)若所成形金属构件同时包含有上述等截面直通孔、截面积沿其高度方向减小的直通孔、具有封顶的空腔及悬臂中的某几种甚至全部结构，则在后续逐层制造中，一方面保证边缘镶块的上表面与工作平面重合，另一方面参照步骤(8)～(10)分别控制等截面直通孔、截面积沿其高度方向减小的直通孔、具有封顶的空腔及悬臂结构所对应的内部镶块进行相应的运动，直至完成金属零部件的最终成形。

实例：

实施例1

在利用高能束增材制造技术进行新产品研发时，常会出现所成形的金属构件在工作平面的垂直投影尺寸相对于成型缸幅面较小的情况，此时使用本发明所涉及的第一种成型缸可重构的高能束增材制造装置能够在保证构件精度及性能的前提下显著提高粉末利用率。

如图1所示，本发明所涉及的第一种高能束增材制造装置包括高能束扫描模块1、粉末存储腔2、铺粉器3、工作平面4、粉末回收缸5、成型缸11、控制系统9及气体净化系统12。

控制系统9用于调控高能束扫描模块1、粉末存储腔2、铺粉器3、粉末回收缸5、成型缸11及气体净化系统12的协同工作。

高能束扫描模块1位于工作平面4正上方，根据对加工效率的具体要求，高能束扫描模块1可同时包含一部至多部激光器或电子束发生器，每部激光器(电子束发生器)与一部至多部激光扫描振镜(电子束磁偏转器)相连，并作为能量源对金属粉末进行选区熔化。当采用激光束作为能量源时，气体净化系统12为成形过程提供保护气氛；当采用电子束作为能量源时，气体净化系统12为成形过程提供真空环境。

粉末存储腔2位于工作平面4侧上方，铺粉器3则位于前者下方并接受前者提供的金属粉末，铺粉器3的下端应与工作平面4平行并保留一个工作间隙以便于粉末铺展。粉末回收缸5用于接收铺粉器3所带来的多余粉末，其上端与工作平面4重合。值得注意的是，尽管图1所示的高能束增材制造装置仅包含一个粉末存储腔与一个粉末回收缸，在实际应用时却可采用本申请人另一发明创造(CN 102266942A)所涉及的思想，即同时设置两个粉末存储腔及两个粉末回收缸，并对称分布于工作平面4两侧，以实现双向铺粉。

成型缸11位于工作平面4中心，包含有基板6、边缘镶块10、支承板7与基板驱动丝杠8。其中，基板6的上表面与工作平面4重合，支承板7位于其下方并起固定作用。基板6与支承板7的上下端面彼此水平，既可使前者水平端面外轮廓在后者水平端面的垂直投影能将后者水平端面外轮廓包围，又可使两者水平端面尺寸相同。在基板驱动丝杠8的带动下，基板6可与支承板7一同沿所加工零部件高度方向运动。尽可能缩小基板6的尺寸，并使基板6的水平幅面能够包围金属构件在其水平幅面的垂直投影轮廓13。

边缘镶块10根据基板、支承板形状及大小设计，应满足下列基本要求：

(1)边缘镶块10固定安装在成型缸四侧内壁，其上表面与工作平面4重合；

(2)边缘镶块10将基板6包围在其中，其内侧面与基板6的外侧面紧密贴合，以避免粉末泄漏，并保证成形期间的气氛稳定；

(3)边缘镶块10可仅包含一个块体，亦可由若干子镶块拼合成；

(4)若所成形金属构件需启用成型缸11的加热功能，则应选用金属镶块，并在其内部加装包含电阻丝等在内的加热模块，以进行合金粉末预热与成形后构件缓冷；若所成形金属构件无需启用成型缸11的加热功能，则可使用诸如耐高温塑料在内的非金属镶块，或使用内部中空的金属、非金属镶块，进一步减轻设备重量，降低设备制造、维护成本。

上述第一种成型缸可重构的高能束增材制造装置，特别适用于成形水平尺寸远小于成型缸11水平幅面的零件，在产品研发阶段可以节省大量的粉末材料，具有重要的意义与价值。基于图1所示装置，本发明所涉及的成型缸可重构的高能束增材制造的第一种方法如下：

(1)控制系统9生成所成形构件的切片数据及高能束扫描路径，并调节加工坐标系与基板坐标系相对位置，以保证高能束扫描轨迹始终位于基板6水平幅面内部；

(2)气体净化系统12完成工作气氛环境的建立；

(3)根据单层粉末厚度，调节粉末存储腔2的流量，并为铺粉器3提供满足单层铺粉所需的金属粉末；

(4)铺粉器3平行于工作平面4运动，并在基板6表面铺设一层具有一定厚度的金属粉末，多余的粉末则被送入粉末回收缸5；

(5)高能束扫描模块1根据当前扫描轨迹选区熔化金属粉末，形成沉积层；

(6)基板驱动丝杠8带动基板6与支承板7一同沿所加工零部件高度方向下降一定距离，而边缘镶块10的位置固定不变；

(7)重复步骤(3)～(6)，直至完成金属零部件的最终成形。

实施例2

若金属零部件为尺寸较大的等截面空心框架结构(即高度方向包含截面积恒定的圆形直通孔、方形直通孔或者其它任意形状直通孔的大尺寸零部件)，如果采用传统的SLM或者EBSM成形，则直通孔内部也需使用大量合金粉末填充，极大地降低了粉末利用率。此时采用本发明所涉及的第二种成型缸可重构的高能束增材制造方法与装置能够较好地解决上述问题。

在不失一般性的条件下，假设待成形金属零部件为属于上述等截面空心框架结构之一的大尺寸圆柱环，则本发明所涉及的高能束增材制造装置的第二种具体实施方式如图2所示。该装置仍包括高能束扫描模块1、粉末存储腔2、铺粉器3、工作平面4、粉末回收缸5、成型缸11、控制系统9及气体净化系统12。其中，高能束扫描模块1、粉末存储腔2、铺粉器3、工作平面4、粉末回收缸5、控制系统9及气体净化系统12的内部结构、相对位置与本发明所涉及的第一种高能束增材制造装置相同，而成型缸11的内部结构则予以较大改进。

成型缸11位于工作平面4中心，包含有基板6、边缘镶块10、内部镶块14、支承板7与基板驱动丝杠8。其中，基板6的上表面与工作平面4重合，支承板7位于其下方并起固定作用。基板6与支承板7为上下端面彼此水平的同心圆柱环。在基板驱动丝杠8的带动下，基板6可与支承板7可沿所加工零部件高度方向运动。基板6、支承板7的具体尺寸根据如下原则设计：

(1)在基板6外径不小于支承板7外径的条件下，尽可能缩小基板6外径至稍大于待成形金属圆柱环外径；

(2)在支撑板7的内径不小于基板6内径的条件下，尽量放大基板6内径至稍小于待成形金属圆柱环内径。

边缘镶块10与内部镶块14根据基板6、支承板7形状大小及设计，应满足下列基本要求：

(1)边缘镶块10固定安装在成型缸四侧内壁，其中心包含一个空心圆环并将基板6与支承板7包围在其中；

(2)内部镶块14固定安装在成型缸底座，呈圆柱形并贯穿基板6与支承板7的内环；

(3)边缘镶块10内侧面与基板6、支承板7的外侧面紧密贴合，内部镶块14外侧面则与基板6的内侧面紧密贴合，以避免粉末16泄漏，并保证成形期间的气氛稳定；

(4)边缘镶块10、内部镶块14的上表面与工作平面4重合；

(5)若所成形金属构件需启用成型缸11的加热功能，则选用金属作为边缘镶块10与内部镶块14材料，并在其内部加装包含电阻丝等在内的加热模块，以进行合金粉末预热与成形后构件缓冷；若所成形金属构件无需启用成型缸11的加热功能，则可使用诸如耐高温塑料在内的非金属作为边缘镶块10与内部镶块14材料，或使用内部中空的边缘镶块10与内部镶块14，进一步减轻设备重量，降低设备制造、维护成本。

基于图2所示装置，本发明所涉及成型缸可重构的高能束增材制造的第二种方法如下：

(1)控制系统9生成所成形构件的切片数据及高能束扫描路径，并调节加工坐标系与基板坐标系相对位置，以保证高能束扫描区域15始终位于基板6水平幅面内部；

(2)气体净化系统12完成工作气氛环境的建立；

(3)根据单层粉末厚度，调节粉末存储腔2的流量，并为铺粉器3提供满足单层铺粉所需的金属粉末；

(4)铺粉器3平行于工作平面4运动，并在基板6表面铺设一层具有一定厚度的金属粉末，多余的粉末则被送入粉末回收缸5；

(5)高能束扫描模块1根据当前扫描轨迹选区熔化金属粉末，形成沉积层；

(6)基板驱动丝杠8带动基板6与支承板7一同沿所加工零部件高度方向下降一定距离，而边缘镶块10与内部镶块14的位置固定不变；

(7)重复步骤(3)～(6)，直至完成金属零部件的最终成形。

实施例3

若空心框架构件所包含直通孔的水平截面积随加工层数增大而逐渐减小，则当采用实施例2所涉及的装置进行增材制造时，内部镶块14的水平截面积必须小于所对应构件直通孔的最小截面积才能够避免内部镶块14与激光扫描路径的干涉，进而保证加工的平稳进行。在这种情况下，内部镶块14仅能占据构件直通孔内部的一小部分空间，剩余空间仍需要冗余粉末填充。为在保证高粉末利用率的条件下实现这类构件的成形，可改进实施例2所涉及的内部镶块14结构及其安装方式，进而形成本发明所涉及的第三种高能束增材制造装置。

在本实施例中，内部镶块14由相互嵌套的多层子镶块共同构成；内部镶块14的数量仍等于待成形构件直通孔总量；每个内部镶块14均贯穿基板6、支承板7上对应的内孔，且内部镶块14最外层子镶块的外侧面分别与基板6上对应的内侧面紧密贴合；成形过程开始前，所有子镶块的上表面与工作平面4重合，使得内部镶块14呈现出多层环形柱状结构；伴随成形过程的进行，每一个子镶块均可在位于其下方的镶块驱动丝杠17的带动下沿构件高度方向向下运动；当内部镶块14的所有子镶块在镶块驱动丝杠17的带动下向下运动至各自的极限位置后，内部镶块14呈现出阶梯式环状结构；内部镶块14当中每一个子镶块的具体尺寸及其在成形过程中的移动距离与该内部镶块14所对应构件的不等截面直通孔的形状及尺寸有关；具体地说，当内部镶块14在镶块驱动丝杠17的带动下完全展开后，应尽可能更多的填充与其所对应的不等截面直通孔的空间，同时保证内部镶块14不与高能束扫描路径出现干涉。

为了更好地说明实施例3，选用图3(a)所示零件作为成形对象，详细说明本发明所涉及的第三种高能束增材制造装置。该零件为包含有一个水平截面积随高度增大而减小的直通孔的长方体。直通孔下端是直径为R1、高度为H1的圆柱体，上端则是最小直径为R2、高度为H2的圆台。

此时如图3(b)所示，成型缸11位于工作平面4中心，包含有基板6、边缘镶块10、内部镶块14、支承板7、基板驱动丝杠8与镶块驱动丝杠17。

基板6的上表面与工作平面4重合，支承板7位于其下方并起固定作用。基板6与支承板7为上下端面彼此水平的长方体。在基板驱动丝杠8的带动下，基板6可与支承板7可沿所加工零部件高度方向运动。基板6、支承板7的具体尺寸根据如下原则设计：

(1)基板6水平端面在支承板7水平端面的垂直投影轮廓可将支承板7水平端面包围，或基板6、支承板7水平端面尺寸相同；

(2)尽可能缩小基板6水平端面的尺寸至恰可将待成形金属零部件在其表面的垂直投影所包围；

(3)零件直通孔在基板6、支承板7水平端面的垂直投影位置分别预设有与其同心的直通孔，其中，支撑板7所预设直通孔的内径不小于基板6所预设直通孔的内径，而基板6所预设直通孔的内径稍小于R1；

边缘镶块10与内部镶块14应满足下列基本要求：

(1)边缘镶块10固定安装在成型缸四侧内壁，其上表面与工作平面4重合；边缘镶块10中心包含一个长方形直通孔，该直通孔侧面与基板6的外侧面紧密贴合，进而将基板6与支承板7包围在其中；

(2)内部镶块14由两层子镶块构成，内层子镶块14’为直径略小于R2的圆柱体，外层子镶块14”为外径略小于R1而内侧面与14’表面紧密贴合的圆环体。内部镶块14贯穿基板6、支承板7的内孔，且外层子镶块14”的外表面与基板6内孔侧面紧密贴合；内层子镶块14’与外层子镶块14”可分别在镶块驱动丝杠17’与17”的带动下沿构件高度方向运动；

(3)若所成形金属构件需启用成型缸11的加热功能，则选用金属作为边缘镶块10与内部镶块14材料，并在其内部加装包含电阻丝等在内的加热模块，以进行合金粉末预热与成形后构件缓冷；若所成形金属构件无需启用成型缸11的加热功能，则可使用诸如耐高温塑料在内的非金属作为边缘镶块10与内部镶块14材料，或使用内部中空的边缘镶块10与内部镶块14，进一步减轻设备重量，降低设备制造、维护成本。

基于该装置对图3(a)所示零件进行成形的方法如下：

(1)控制系统9生成所成形构件的切片数据及高能束扫描路径，并调节加工坐标系与基板坐标系相对位置，以保证高能束扫描区域15始终位于基板6幅面内部；

(2)气体净化系统12完成工作气氛环境的建立；

(3)调整基板6、内层子镶块14’、外层子镶块14”与边缘镶块10的上表面与工作平面4重合；

(4)根据单层粉末厚度，调节粉末存储腔2的流量，并为铺粉器3提供满足单层铺粉所需的金属粉末；

(5)铺粉器3平行于工作平面4运动，并在基板6表面铺设一层具有一定厚度的金属粉末，多余的粉末则被送入粉末回收缸5；

(6)高能束扫描模块1根据当前扫描轨迹选区熔化金属粉末，形成沉积层；

(7)基板驱动丝杠8带动基板6与支承板7一同沿所加工零部件高度方向下降一定距离，而边缘镶块10与内层子镶块14’、外层子镶块14”的位置固定不变；

(8)如图3(c)所示：重复步骤(4)～(7)，对金属零件进行逐层沉积，直至零件已沉积部分高度与H1之差小于某一预设值；

(9)此时如图3(d)所示：利用镶块驱动丝杠17”带动外层子镶块14”沿构件高度方向下降H2的距离；

(10)调节粉末存储腔2的流量，为铺粉器3提供足够粉末；

(11)利用铺粉器3在基板6上表面铺设下一层粉末的同时将因为外层子镶块14”下降导致的粉末塌陷坑填平；

(12)继续保持内层子镶块14’、边缘镶块10的上表面与工作平面4重合，对金属零件剩余部分进行逐层沉积直至完成金属零部件的最终成形。实施例4

众所周知，当所成形金属构件包含悬臂或顶部封闭内腔结构时，需要在悬臂或封闭内腔顶部设计复杂的支撑结构，并在高能束增材制造过程中与零部件一同自底向上逐层成形。然而，零部件的制造效率随支撑结构体积的增大而显著降低。幸运的是，通过在与构件顶部封闭内腔或悬臂所对应的内部镶块14下方加装镶块驱动丝杠17，并在零件已沉积部分的上表面与内腔封顶处或悬臂下表面的距离小于设定阈值后，控制该内部镶块14与基板6一同逐层下降，即可在保证高粉末利用率与高制造效率的基础上，实现这类零件的成形。

在不失一般性的条件下，选用图4(a)所示零件作为成形对象，详细说明本发明所涉及的第四种高能束增材制造装置。该构件呈“L”型，包含一宽为W，长为L的悬臂，悬臂下表面与构件底部的高度差为H。

此时如图4(b)所示，成型缸11位于工作平面4中心，包含有基板6、边缘镶块10、内部镶块14、支承板7、基板驱动丝杠8与镶块驱动丝杠17。

基板6的上表面与工作平面4重合，支承板7位于其下方并起固定作用。基板6与支承板7的上下端面彼此水平。在基板驱动丝杠8的带动下，基板6可与支承板7可沿所加工零部件高度方向运动。基板6、支承板7的具体尺寸根据如下原则设计：

(1)基板6水平端面在支承板7水平端面的垂直投影轮廓可将支承板7水平端面包围，或基板6、支承板7水平端面尺寸相同；

(2)尽可能缩小基板6水平端面的尺寸至恰可将待成形金属零部件在其表面的垂直投影所包围；

(3)零件悬臂在基板6、支承板7水平端面的垂直投影位置分别预设有与该悬臂中心重合的方形直通孔；其中，支撑板7所预设方形直通孔在基板6水平端面的垂直投影可与基板6所预设直通孔重合或将后者包围；而基板6所预设方形直通孔的长与宽分别稍小于L与W；

边缘镶块10与内部镶块14应满足下列基本要求：

(1)边缘镶块10固定安装在成型缸四侧内壁，其上表面与工作平面4重合；边缘镶块10中心包含一个直通孔，该直通孔侧面与基板6的外侧面紧密贴合，进而将基板6与支承板7包围在其中；

(2)内部镶块14由一个长方体镶块构成，其长与宽分别稍小于L与W；内部镶块14贯穿基板6、支承板7的内孔，且其外表面与基板6方形直通孔侧面紧密贴合；内部镶块14可在镶块驱动丝杠17的带动下沿构件高度方向运动；

(3)内部镶块14应选用与所成形构件具有较好冶金结合效果的金属材料。若待成形金属构件需启用成型缸11加热功能，则可在内部镶块14内部加装包含电阻丝等在内的加热模块。

基于上述装置成形图4(a)所示零件的方法如下：

(1)控制系统9生成所成形构件的切片数据及高能束扫描路径，并调节加工坐标系与基板坐标系相对位置，以保证高能束扫描区域15始终位于基板6幅面内部；

(2)气体净化系统12完成工作气氛环境的建立；

(3)调整基板6、内部镶块14与边缘镶块10的上表面与工作平面4重合；

(4)根据单层粉末厚度，调节粉末存储腔2的流量，并为铺粉器3提供满足单层铺粉所需的金属粉末；

(5)铺粉器3平行于工作平面4运动，并在基板6表面铺设一层具有一定厚度的金属粉末，多余的粉末则被送入粉末回收缸5；

(6)高能束扫描模块1根据当前扫描轨迹选区熔化金属粉末，形成沉积层；

(7)基板驱动丝杠8带动基板6与支承板7一同沿所加工零部件高度方向下降一定距离，而边缘镶块10与内部镶块14的位置固定不变；

(8)如图4(c)所示：重复步骤(4)～(7)，对金属零件进行逐层沉积，直至零件已沉积部分的高度与H之差小于某一预设值；

(9)此时如图3(d)所示：在镶块驱动丝杠17带动下，内部镶块14与基板6同时下降相同距离；

(10)调节粉末存储腔2的流量，并利用铺粉器3在基板6与内部镶块14上表面铺设一层金属粉末；

(11)高能束扫描模块1根据当前扫描轨迹分别在沉积层与内部镶块14上方的粉末层进行选区熔化并形成零部件与支撑机构18的沉积层；

(12)之后，每当零件与支撑结构18完成一层选区熔化后，内部镶块14与基板6均下降相同距离，并进行下一层粉末的铺设与选区熔化，直至完成金属零部件与支撑结构18的最终成形。

以上所述仅为本发明的较佳实例，但本发明不应该局限于上述实例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，仍应视为本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方法，该方法根据待成形金属构件切片轮廓形状确定成型缸的内部结构，使各铺粉层的金属粉末尽量只处于待成形金属构件切片轮廓形状对应的区域，以大幅度减少金属粉末的用量，并提高高能束增材制造的功效。

2.根据权利要求1所述的高能束增材制造方法，其特征在于，该方法通过使用镶块以及与待成形金属构件切片轮廓形状相适应的异形基板实现成型缸适时重构，使镶块在高能束增材制造过程中尽可能多地占据成型缸中已成形零部件以外的位置。

3.根据权利要求2所述的高能束增材制造方法，其特征在于，所述镶块包括边缘镶块或/和内部镶块，所述边缘镶块用于将基板包围在其中，其内侧面与基板的外侧面紧密贴合，以避免粉末泄漏，并保证成形期间的气氛稳定；所述内部镶块贯穿基板与支承板，其外侧面与基板的内侧面紧密贴合，以避免粉末泄漏，并保证成形期间的气氛稳定。

4.一种具有高粉末原料利用率的高能束增材制造设备，包括一个或多个成型缸，其特征地于，该成型缸的内部结构与待成形金属构件切片轮廓形状相匹配，使各铺粉层的金属粉末尽量只处于待成形金属构件切片轮廓形状对应的区域，以大幅度减少金属粉末的用量，并提高高能束增材制造的功效。

5.一种权利要求4所述的高能束增材制造设备，其特征地于，所述成型缸由基板、镶块、支承板及丝杠构成，基板位于最上部，支承板位于基板下方并起固定作用；基板与支承板的上下端面彼此水平且均具有与所成形金属零部件切片轮廓相适应的形状；镶块位于基板的外围或贯穿其内部，用于在高能束增材制造过程中尽可能多地占据成型缸中已成形零部件以外的位置，以避免或减少冗余粉末的填充；丝杠位于基板下方，用于驱动基板沿所成形金属零部件的高度方向运动。

6.根据权利要求5所述的高能束增材制造设备，其特征在于，所述镶块包括边缘镶块或/和内部镶块，

其中，边缘镶块固定安装在成型缸四侧内壁，其上表面与工作平面重合；边缘镶块的内侧面与基板相应的外侧面紧密贴合，进而将基板、支承板包围在其中；

所述内部镶块贯穿基板和支承板，内部镶块外侧面与基板的内侧面紧密贴合。

7.根据权利要求6所述的高能束增材制造设备，其特征在于，所述内部镶块的数量等于所成形金属零部件所具有的直通孔、空腔及悬臂结构的总量。

8.根据权利要求6所述的高能束增材制造设备，其特征在于，所述内部镶块固定安装于成型缸底座，或者在所述内部镶块下方安装相应的镶块驱动丝杠，进而实现沿所成形金属零部件高度方向的往复运动。

9.根据权利要求6所述的高能束增材制造设备，其特征在于，所述边缘镶块为一个整体镶块，或者由若干子镶块拼合或嵌套组成；所述内部镶块为一个整体镶块，或者由若干子镶块拼合或嵌套组成。

10.根据权利要求4至9中任一所述的高能束增材制造设备，其特征在于，当待成形金属零部件包含有直通孔、空腔、悬臂结构，则这些结构在基板与支承板水平端面上的垂直投影位置则预设有与这些结构投影形状相同、中心重合而尺寸略小的等截面直通孔；支承板上的直通孔在基板水平端面的垂直投影将基板上相对应的直通孔包围或与其重合。