CN106563804A - 激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺及设备，所述设备包括：成形腔室，腔室内为真空或惰性气体保护环境；熔融沉积装置，由储料装置、导料装置、加热装置、熔融金属沉积装置等组成；支撑装置，用于支撑熔融沉积装置；成形平台；三轴运动装置，用于支撑并实现成形平台的三轴运动；激光扫描装置，由激光器和聚焦扫描装置组成，用于对预成形轨迹轮廓进行扫描，并引导熔融金属的沉积成形。本发明的工艺及设备，将激光的预热/熔化引导与熔融沉积增材制造技术相结合，通过控制预沉积轨迹区域的预热温度和熔化深度，来实现沉积成形金属件层间的冶金结合。减少或消除沉积层中的孔隙和疏松，以提高金属熔融沉积成形金属件的性能。

Description

激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺及设备
技术领域
本发明属于增材制造领域，特别涉及一种激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺及设备。
背景技术
目前，增材制造（Additive Manufacturing，AM，俗称3D打印）技术成为国内外研究热点，该技术具有快速、高效、柔性等特点，不需要传统的模具、刀具、夹具，而是利用三维设计数据在增材制造设备上高效而精确地制造出任意复杂形状及结构的零部件。
增材制造技术可加工的原材料种类较为广泛。目前，非金属材料（主要是有机高分子材料）增材制造技术已有较成熟的应用。但在金属材料增材制造方面，由于材料熔点高，粘性和表面张力大，部分金属还具有较强的腐蚀性，因此在如何提高成形精度、成形件性能和效率等方面还有较多的技术难题需要解决。而金属材料零部件因其具有力学性能高、实用意义大等特点，在制造业中具有广泛应用。因此，金属材料零部件快速制造是增材制造技术要实现的重要目标，也是该技术发展的必然方向。
虽然国内外在金属材料增材制造技术研究及设备开发方面进行了广泛研究，并取得了较多成果。但是，由于这些技术及设备主要采用激光、电子束等高能束进行金属材料的烧结/熔化堆积成形，不但设备运行成本高，而且成形效率较低，使其仅限于航空航天、军工等高端领域中特定类型零部件的制造。国内外一些金属材料增材制造技术研究机构为了能够提高所开发设备的成形效率，不惜采用较大功率的激光器、双激光头、四激光头等，这虽然提高了成形效率，但也极大增加了设备开发及运行成本。因此，寻求新的金属材料高质、高效增材制造工艺、开发新的低成本增材制造设备成为该技术进一步发展的重要方向。
发明内容
本发明针对现有金属材料增材制造技术及设备存在效率低、成本高等不足，以及工业用复杂金属件/模具加工过程中存在的生产周期长、加工效率低等问题，提出一种全新的激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺，通过该工艺方法不仅可以实现具有材料梯度及复杂结构金属零部件的直接高效成形，同时将激光的预热/熔化引导与熔融沉积增材制造技术相结合，通过控制预沉积轨迹区域的预热温度和熔化深度，来实现沉积成形金属件层间的冶金结合。减少或消除沉积层中的孔隙和疏松，以提高金属熔融沉积成形金属件的性能。该工艺的具体实施步骤为：预制件模型数据处理：建立预成形金属件的CAD模型，并得到STL格式文件，然后采用分层软件对STL文件进行分层处理得到层片数据文件，层片数据文件被转换成能够被激光聚焦扫描装置及三轴运动装置所识别的扫描驱动信号文件；激光按路径扫描：激光扫描装置在驱动信号控制下按照预制件当前层成形路径进行扫描，并根据预沉积金属特性调整激光功率和频率等；选择性熔融金属同步沉积：三轴运动装置在驱动信号控制下带动成形平台移动，同时熔融沉积装置按照当前层预制件材料信息进行相应金属的熔化沉积，以实现对激光扫描完成路径的选择性金属材料按需同步沉积成形；激光引导金属件逐层沉积增材制造成形：经过逐层成形件的按路径激光扫描和选择性金属同步沉积，最终完成预成形金属件的激光引导熔融沉积增材制造。
进一步地，所述激光聚集扫描装置沿预制件当前层成形路径进行扫描，同时通过三轴运动装置带动成形平台移动，实现熔融金属跟随激光扫描路径的同步沉积。
进一步地，所述激光扫描和三轴运动速度可根据不同成形工艺要求（如成形效率、成形温度、成形精度、金属材料成形特性等）进行实时调节。
进一步地，在成形前对成形平台或已沉积层表面整体温度进行检测，并根据成形工艺要求确定其整体预热温度范围，调整扫描激光的功率、频率、扫描速度，并采用激光在成形平台或已沉积层表面进行快速、反复扫描，使其表面达到预热温度范围。
进一步地，在成形前对预成形路径表面温度进行检测，并根据预沉积金属材料特性及成形工艺要求确定成形路径表面预达到的温度范围及物理状态，通过实时调控扫描激光的功率和频率，使得激光扫描后的成形轨迹表面温度达到预定温度范围，并使成形路径表面达到所需的固态、半液态或半固态等物理状态。
进一步地，所述熔融沉积装置可按照当前层预制件材料信息进行相应单一或多种金属材料的单独或同时熔化沉积。
进一步地，所述熔融金属的熔化温度和沉积速度可根据材料特性、成形温度、成形效率等进行实时调节。
进一步地，所述激光引导多金属熔融沉积增材制造设备具体包括：成形腔室，所述成形腔室内即可以是真空环境，也可以是惰性气体保护环境；熔融沉积装置，所述熔融沉积装置设在所述成形腔室内，由储料装置、送料装置、加热装置、熔融金属沉积装置等组成；支撑装置，所述支撑装置设在所述成形腔室内，用于支撑所述熔融沉积装置；成形平台，所述成形平台设在所述成形腔室内，用于沉积熔融金属；三轴运动装置，所示三轴运动装置设在所述成形腔室内，用于支撑成形平台，以实现成形平台的三轴运动；激光扫描装置，所述激光扫描装置设在所述成形腔室外，并位于成形腔室上部，由激光器和聚焦扫描装置组成，用于对预成形轨迹轮廓进行扫描，并引导熔融金属的沉积成形。
进一步地，所述成形腔室外部下端分别安装有抽真空装置和惰性气体充入装置，两个装置均通过管道与成形腔室相连通，单独使用抽真空装置或同时使用两个装置，分别可以为成形腔室提供真空或惰性气体保护环境。
进一步地，所述成形腔室外部侧壁安装有观察窗和红外测温（或热成像）仪，分别用于观测成形腔室内的设备及成形状态，以及对实时检测成形平台、沉积层、成形件、熔融沉积装置的温度分布及变化情况。
进一步地，所述成形腔室外部上端安装有激光扫描装置，由激光器所产生的激光经聚焦扫描装置处理后，通过成形腔室上端的激光窗口射入成形腔室内，实现对成形平台及已沉积层表面的预热，以及对预成形轨迹轮廓进行扫描加热，引导熔融金属的沉积成形。
进一步地，所述储料装置为多个，储存有多种单一或混合金属丝材或粉材，并通过多个送料装置将金属料送入下端熔融金属沉积装置。
进一步地，所述加热装置为多个，并可根据被加热金属材料的特性选择熔炼炉、电炉、感应加热装置、等离子加热装置中的一种或多种。
进一步地，所述熔融金属沉积装置为结构相同或不同的多个，可根据预制件材料信息进行相应一种或多种金属液的单独或同时沉积成形，沉积速度均可以单独控制。同时，可以使金属液以液滴、液流、雾化微滴三种形式进行沉积成形，以满足预制件的不同尺寸、精度及性能等要求。
附图说明
图1为根据本发明实施例的激光引导多金属熔融沉积增材制造设备示意图。
图2为根据本发明实施例的激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图1、2对采用本发明一种激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺及设备进行具有材料梯度及复杂结构金属零部件的直接高效成形过程进行详细说明。
本发明具体实施步骤如下。
1、设备可工作性确认：确认设备各个运行及控制系统均可正常工作。
2、构建所需成形环境：根据成形工艺及成形材料选择合适的成形环境。通过与成形腔室(1)相连接的抽真空装置(2)可为成形腔室(1)创造真空环境；通过抽真空装置(2)抽真空，并辅助与成形腔室(1)相连接的惰性气体充入装置(3)可为成形腔室(1)创造惰性气体保护环境。
3、预制件模型数据处理：通过PC机建立预成形金属件的CAD模型，并将模型转换成STL格式文件，然后采用分层软件对STL文件进行分层处理得到层片数据文件，层片数据文件被转换成能够被激光聚焦扫描装置(11)及三轴运动装置(9)所识别的扫描驱动信号文件。
4、三轴运动装置初始化：根据所建立的成形金属件CAD模型及扫描驱动信号，确定三轴运动装置(9)的初始成形位置，并通过控制系统对其进行调整。一边情况下，成形平台(8)要上升到所允许的最高端，并与熔融金属沉积装置(6)末端保持一定距离。初始成形位置调整过程中，可以通过成形腔室(1)外部侧壁所安装的观察窗(13)对三轴运动装置(9)位置进行实时观察。
5、成形平台激光预热：根据成形工艺要求及成形材料特性确定成形平台(8) 或已沉积层表面整体所需预热温度范围，通过红外测温（或热成像）仪(14) 检测成形平台(8)或已沉积层的表面温度，并反馈给激光器(10)，通过激光器(10)调整产生激光(19)的功率和频率，并通过聚焦扫描装置(11) 调整激光(19)的扫描速度。调整好的激光(19)经过成形腔室(1)上端的激光窗口(12)射入成形腔室(1)内，并在成形平台(8) 或已沉积层表面进行快速、反复扫描，直到成形平台(8) 或已沉积层表面达到预热温度范围。
6、激光按路径扫描：根据预沉积金属材料特性及成形工艺要求确定成形路径表面预达到的温度范围及物理状态，通过红外测温（或热成像）仪(14) 检测与成形路径的温度，并反馈给激光器(10)，通过激光器(10)调整产生激光(19)的功率和频率，聚焦扫描装置(11) 在驱动信号控制下按照预制件当前层成形路径调整激光(19)的扫描路径。调整好的激光(19)经过成形腔室(1)上端的激光窗口(12)射入成形腔室(1)内，并按照设定路径进行扫描。通过实时调控扫描激光(19)的功率和频率，使得扫描后的成形轨迹表面温度达到预定温度范围，并使成形路径表面达到所需的固态、半液态或半固态等物理状态。
7、熔融金属材料准备及沉积成形：储料装置(4)通过通过送料装置(5)将单一或混合金属丝材或粉材A、B、C送入下端熔融金属沉积装置(6) a、b、c 中。加热装置对相应成形材料A、B、C进行单独或同时加热熔化。为了满足预制金属件(15)的不同尺寸、精度及性能等要求，熔融金属沉积装置(6) a、b、c 控制溶化后金属液以液滴(16)、液流(17)、雾化微滴(18)三种形式进行单独或同时沉积成形，且沉积速度均可以单独控制。储料装置(4)、送料装置(5)和熔融金属沉积装置(6)均设在成形腔室(1)内，并由支撑装置(7)来支撑固定。
8、选择性熔融金属同步沉积：三轴运动装置(9)在驱动信号控制下带动成形平台(8)移动，同时熔融金属沉积装置(6) a、b、c 按照当前层预成形金属件(15)的材料、尺寸、精度等信息进行相应金属液的不同形式沉积，以实现对激光(19)扫描完成路径的选择性金属材料按需同步沉积成形。
9、激光引导金属件逐层沉积增材制造成形：重复步骤6~8，经过逐层成形件的按路径激光(19)扫描和选择性金属同步沉积，最终完成预成形金属件(15)的激光引导熔融沉积增材制造。
以上所述仅为本发明的基本步骤而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
预制件模型数据处理：建立预成形金属件的CAD模型，并得到STL格式文件，然后采用分层软件对STL文件进行分层处理得到层片数据文件，层片数据文件被转换成能够被激光聚焦扫描装置及三轴运动装置所识别的扫描驱动信号文件；
激光按路径扫描：激光扫描装置在驱动信号控制下按照预制件当前层成形路径进行扫描，并根据预沉积金属特性调整激光功率和频率等；
选择性熔融金属同步沉积：三轴运动装置在驱动信号控制下带动成形平台移动，同时熔融沉积装置按照当前层预制件材料信息进行相应金属的熔化沉积，以实现对激光扫描完成路径的选择性金属材料按需同步沉积成形；
激光引导金属件逐层沉积增材制造成形：经过逐层成形件的按路径激光扫描和选择性金属同步沉积，最终完成预成形金属件的激光引导熔融沉积增材制造。
2.如权利要求1所述的一种激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺，其特征在于，所述激光聚焦扫描装置沿预制件当前层成形路径进行扫描，同时通过三轴运动装置带动成形平台移动，实现熔融金属跟随激光扫描路径的同步沉积。
3.如权利要求1所述的一种激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺，其特征在于，所述激光扫描和三轴运动速度可根据不同成形工艺要求（如成形效率、成形温度、成形精度、金属材料成形特性等）进行实时调节。
4.如权利要求1所述的一种激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺，其特征在于，在成形前对成形平台或已沉积层表面整体温度进行检测，并根据成形工艺要求确定其整体预热温度范围，调整扫描激光的功率、频率、扫描速度，并采用激光在成形平台或已沉积层表面进行快速、反复扫描，使其表面达到预热温度范围。
5.如权利要求1所述的一种激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺，其特征在于，在成形前对预成形路径表面温度进行检测，并根据预沉积金属材料特性及成形工艺要求确定成形路径表面预达到的温度范围及物理状态，通过实时调控扫描激光的功率和频率，使得激光扫描后的成形轨迹表面温度达到预定温度范围，并使成形路径表面达到所需的固态、半液态或半固态等物理状态。
6.如权利要求1所述的一种激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺，其特征在于，所述熔融沉积装置可按照当前层预制件材料信息进行相应单一或多种金属材料的单独或同时熔化沉积。
7.如权利要求1所述的一种激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺，其特征在于，所述熔融金属的熔化温度和沉积速度可根据材料特性、成形温度、成形效率等进行实时调节。
8.一种激光引导多金属熔融沉积增材制造设备，其特征在于，包括：
成形腔室，所述成形腔室内即可以是真空环境，也可以是惰性气体保护环境；
熔融沉积装置，所述熔融沉积装置设在所述成形腔室内，由储料装置、送料装置、加热装置、熔融金属沉积装置等组成；
支撑装置，所述支撑装置设在所述成形腔室内，用于支撑所述熔融沉积装置；
成形平台，所述成形平台设在所述成形腔室内，用于沉积熔融金属；
三轴运动装置，所示三轴运动装置设在所述成形腔室内，用于支撑成形平台，以实现成形平台的三轴运动；
激光扫描装置，所述激光扫描装置设在所述成形腔室外，并位于成形腔室上部，由激光器和聚焦扫描装置组成，用于对预成形轨迹轮廓进行扫描，并引导熔融金属的沉积成形。
9.如权利要求8所述的一种激光引导多金属熔融沉积增材制造设备，其特征在于，所述成形腔室外部下端分别安装有抽真空装置和惰性气体充入装置，两个装置均通过管道与成形腔室相连通，单独使用抽真空装置或同时使用两个装置，分别可以为成形腔室提供真空或惰性气体保护环境。
10.如权利要求8所述的一种激光引导多金属熔融沉积增材制造设备，其特征在于，所述成形腔室外部侧壁安装有观察窗和红外测温（或热成像）仪，分别用于观测成形腔室内的设备及成形状态，以及对实时检测成形平台、沉积层、成形件、熔融沉积装置的温度分布及变化情况。
11.如权利要求8所述的一种激光引导多金属熔融沉积增材制造设备，其特征在于，所述成形腔室外部上端安装有激光扫描装置，由激光器所产生的激光经聚焦扫描装置处理后，通过成形腔室上端的激光窗口射入成形腔室内，实现对成形平台及已沉积层表面的预热，以及对预成形轨迹轮廓进行扫描加热，引导熔融金属的沉积成形。
12.如权利要求8所述的一种激光引导多金属熔融沉积增材制造设备，其特征在于，所述储料装置为多个，储存有多种单一或混合金属丝材或粉材，并通过多个送料装置将金属料送入下端熔融金属沉积装置。
13.如权利要求8所述的一种激光引导多金属熔融沉积增材制造设备，其特征在于，所述加热装置为多个，并可根据被加热金属材料的特性选择熔炼炉、电炉、感应加热装置、等离子加热装置中的一种或多种。
14.如权利要求8所述的一种激光引导多金属熔融沉积增材制造设备，其特征在于，所述熔融金属沉积装置为结构相同或不同的多个，可根据预制件材料信息进行相应一种或多种金属液的单独或同时沉积成形，沉积速度均可以单独控制；同时，可以使金属液以液滴、液流、雾化微滴三种形式进行沉积成形，以满足预制件的不同尺寸、精度及性能等要求。
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