CN107243633A - 激光增减材复合制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光增减材复合制造装置及方法，通过激光刻蚀方法于基材表面形成若干离散化的凹槽结构，实现减材制造，向离散化的凹槽结构中填充粉末材料，利用激光熔化方法依次将若干凹槽结构中的粉末材料熔化使其与基材相结合，实现增材制造，离散化的激光加工过程，可避免大面积加工造成的热积累，从而避免加工过程中材料出现开裂情况，且激光加工对基材的性能影响非常小。由此，本发明能够制造出大面积、多种材料复合的镶嵌结构式高性能复合材料，提升材料表层的综合性能，且设计灵活，加工快速高效，精度高。

Description

激光增减材复合制造装置及方法
技术领域
本发明涉及一种激光增减材复合制造装置及方法，属于激光加工制造技术领域。
背景技术
近年来，将激光增材制造技术和数控机床的减材制造技术相结合，以实现增减材制造加工，是先进制造行业研究的热点，加工材料主要包括钛及其合金、铝合金、不锈钢、镍基高温合金等韧性良好的材料，经过激光增材结合数控机床的减材制造加工，能够提升材料的组织性能，制造出形状复杂多样的零件。
现有的激光增材制造技术，一般是于基材表面进行大面积、全面积的连续增材制造加工，在激光快速加热和凝固的条件下，加工材料非常容易开裂，开裂形式主要分为两种，一种是由于基材与增材的热物性参数不匹配而产生热应力，加工过程中，当热积累到一定程度时，基材与增材之间易出现开裂；另一种是由于增材材料自身的脆性，在激光快速加热凝固条件下，增材有可能开裂，且增材面积越大，越容易开裂。因此，利用现有的激光增材制造技术制造大尺寸的复合材料，效果并不理想。
另一方面，利用数控机床等机械加工设备实现减材制造加工，加工不同的材料需配置不同的辅助工具(如刀具、夹具、模具等)，加工过程繁琐，使用和设计方面非常不灵活。
发明内容
有鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种激光增减材复合制造装置及方法，通过激光刻蚀方法，利用高能量激光光束照射到基材表面，使材料融化、气化，于基材表面形成凹槽结构以实现减材制造，于凹槽结构中填充粉末材料，并通过激光熔化粉末材料实现粉末材料与基材的结合，以实现增材制造，复合材料综合性能良好，加工效率高，设计灵活，使用方便。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种激光增减材复合制造装置，包括激光刻蚀系统、粉末填充机构、激光熔化系统、计算机控制系统，
激光刻蚀系统，用于通过激光刻蚀于基材表面形成具有预定图案的若干凹槽结构；
粉末填充机构，用于向若干凹槽结构中填充粉末材料；
激光熔化系统，用于将若干凹槽结构中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料与基材相结合；
计算机控制系统，用于设置预定图案，设置激光刻蚀系统的激光刻蚀参数，控制激光刻蚀系统按照预定图案依据激光刻蚀参数于基材表面进行激光刻槽过程；用于控制粉末填充机构依次向若干凹槽结构中填充粉末材料；用于设置激光熔化系统的激光熔化参数，控制激光熔化系统依据激光熔化参数将若干凹槽结构中的粉末材料熔化。
进一步的
所述激光刻蚀系统与激光熔化系统是三维动态聚焦扫描系统。
所述粉末填充机构包括用于盛装粉末材料的容器，用于将容器内的粉末材料填充至预定位置的填粉执行机构。
一种激光增减材复合制造方法，包括：
S1：利用激光刻蚀系统于基材表面形成具有预定图案的若干凹槽结构；
S2：利用粉末填充机构向若干凹槽结构中填充粉末材料；
S3：利用激光熔化系统将若干凹槽结构中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料与基材相结合。
重复步骤S1-S3，形成由多种材料复合而成的镶嵌结构形式的复合材料。
所述预定图案由离散分布的若干封闭图形组成。
所述凹槽结构是直槽、斜槽、台阶槽，槽的深度为0.1～5mm。
所述基材包括铝、钛、镍、铜、铁等金属及其合金材料；粉末材料包括金属、陶瓷及金属基陶瓷复合材料。
本发明的优点是：
1、本发明的装置及方法，是通过激光刻蚀方法于基材表面形成若干离散化的凹槽结构，再向离散化的凹槽结构中填充粉末材料，利用激光熔化方法依次将凹槽结构中的粉末材料熔化使其与基材相结合，上述离散化的激光加工过程，能够避免大面积的热积累，从而避免加工过程中材料出现开裂情况，在此基础上，本发明能够制造出大面积、多种材料复合的镶嵌结构式高性能复合材料，提升材料表层的综合性能；
2、本发明的装置及方法，通过激光刻蚀方法于基材表面形成若干离散化的凹槽结构，以实现减材制造加工，与机械式减材制造设备相比，加工图案可设计性强，加工快速高效，精度高；
3、本发明的装置及方法，可通过激光刻蚀方法实现减材制造，通过激光熔化方法实现增材制造，两种激光加工方法的有效结合实现了基材表层的性能结构的优化设计和快速制造加工，且激光加工速度快、过程热输入少，基材受激光的热作用小，组织性能不会发生改变，切热应力小、变形少，对基材的性能影响非常小；
4、本发明的装置及方法，能够制备出强度、耐磨损等综合性能较高的材料，且设计灵活多样，在刀具、模具、摩擦副、装饰、艺术设计等方面均具有非常广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的装置结构框图。
图2是本发明的加工流程图。
图3A、3B、3C是利用本发明的装置及方法加工出的复合材料零件的侧视图。
图4A、4B、4C是利用本发明的装置及方法加工出的复合材料零件的平面结构图。
图5是本发明的加工流程图，加工过程中于凹槽结构中填充两种材料。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明公开的激光增减材复合制造装置包括激光刻蚀系统、粉末填充机构、激光熔化系统、计算机控制系统，
激光刻蚀系统，用于通过激光刻蚀于基材表面形成具有预定图案的若干凹槽结构；
粉末填充机构，用于向基材表面形成的凹槽结构中填充粉末材料；
激光熔化系统，用于将凹槽结构中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料与基材相结合；
计算机控制系统，用于设置预定图案，设置激光刻蚀系统的激光刻蚀参数，控制激光刻蚀系统按照预定图案依据激光刻蚀参数于基材表面进行激光刻蚀加工过程；用于控制粉末填充机构依次向基材表面的凹槽结构中填充粉末材料；用于设置激光熔化系统的激光熔化参数，控制激光熔化系统依据激光熔化参数依次将凹槽结构中的粉末材料熔化，使得熔化的粉末材料与基材相结合。
上述的激光刻蚀系统与激光熔化系统均为三维动态聚焦扫描系统(包括图1所示激光器及激光聚焦扫描系统)，该三维动态聚焦扫描系统包括动态聚焦镜组、X轴振镜、Y轴振镜、振镜控制单元，动态聚焦镜组包括Z轴振镜、两片聚焦镜；Z轴振镜、两片聚焦镜、X轴振镜、Y轴振镜顺序设置于激光器发出的激光光路上；振镜控制单元分别与X轴振镜、Y轴振镜、Z轴振镜的伺服电机相连接，用于通过控制伺服电机动作而调整X轴振镜、Y轴振镜及Z轴振镜的镜片的位置，使得激光光束聚焦于物体表面的不同位置上。三维动态聚焦扫描系统的结构组成及工作原理均为现有技术，本发明不作详细的说明。
为提高加工效率，避免设备交叉使用，激光刻蚀系统与激光熔化系统可以是独立的两部三维动态聚焦扫描系统，激光刻蚀系统依据设定的激光刻蚀参数对基材表面进行刻槽加工过程，激光熔化系统依据设定的激光熔化参数对凹槽结构内的粉末材料进行熔化加工过程；激光刻蚀系统与激光熔化系统也可以是同一部三维动态聚焦扫描系统，加工过程中，分别按照激光刻蚀参数、激光熔化参数在基材表面进行刻槽、熔化粉末材料的加工过程。对于激光刻蚀系统，光源需采用脉冲激光，如纳秒、皮秒或者飞秒激光。激光刻蚀参数按照激光刻蚀工艺的原理及要求设置，激光熔化参数按照激光熔化工艺的原理及要求设置。
粉末填充机构包括用于盛装一种或多种粉末材料的容器，及用于将容器内的粉末材料填充至预定位置的填粉执行机构。填粉执行机构可以是辊筒、刮板、喷粉器、冷喷涂设备、喷枪等，利用辊筒或刮板带动粉末材料于基材表面作平铺运动，将粉末材料填充至凹槽结构中；或是利用喷粉器通过喷涂方式将粉末材料填充至凹槽结构中；或是利用冷喷涂设备，通过高压气流将粉末以比较致密的方式填充至凹槽结构中，也可以先用有机溶剂将粉末材料调配成浆状，利用喷枪喷入凹槽结构。粉末填充机构的结构已属现有技术，本发明中不作详细说明。
如图2所示，本发明公开的激光增减材复合制造方法，包括：
S1：利用激光刻蚀系统于基材表面形成具有预定图案的若干凹槽结构；
如图3A、3B、3C、4A、4B、4C所示，预定图案是由离散分布的若干圆形、多边形等多种封闭图形组成，凹槽结构2可以是直槽、斜槽也可以是台阶槽等多种槽形式，凹槽的深度在0.1～5mm。
S2：利用粉末填充机构向基材表面形成的凹槽结构中填充粉末材料；
基材1一般为韧性良好的材料，例如铝、钛、镍、铜、铁等金属及其合金材料。粉末材料3一般为硬度高、强度大、脆性大的材料，包括金属、陶瓷及金属基陶瓷复合材料，金属基陶瓷复合材料例如为铁、镍、钴等金属粉末，碳化物、硅化物、硼化物等陶瓷粉末，以及铁包碳化物、镍包碳化物等复合材料粉末。粉末材料的粒径通常在100μm以下。
S3：利用激光熔化系统将凹槽结构中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料与基材相结合。
粉末材料熔化烧结后组织致密，熔化后的粉末材料4与基材形成冶金结合。
通过上述步骤可于基材表面形成具有预定图案的镶嵌结构的复合材料。
如图5所示，根据设计及使用需要，可按照上述步骤S1-S3，在基材11表面按照预定图案进行刻槽加工，在加工出第一凹槽结构12，在第一凹槽结构12中填充第一种粉末材料13，将第一种粉末材料13熔化、凝固；然后，重复步骤S1-S3，在基材11表面加工出第二凹槽结构14，在第二凹槽结构14中填充第二种粉末材料15，将第二种粉末材料15熔化、凝固使之与基材相结合形成具有镶嵌结构的复合材料。如此反复刻槽-填粉-熔化的加工过程，可形成由多种材料复合而成的镶嵌结构形式的复合材料。
本发明的激光增减材复合制造装置及方法，通过激光刻蚀方法于基材表面形成若干离散化的凹槽结构，实现减材制造，向离散化的凹槽结构中填充粉末材料，利用激光熔化方法依次将若干凹槽结构中的粉末材料熔化使其与基材相结合，实现增材制造，离散化的激光加工过程，可避免大面积加工造成的热积累，从而避免加工过程中材料出现开裂情况，且激光加工对基材的性能影响非常小。由此，本发明能够制造出大面积、多种材料复合的镶嵌结构式高性能复合材料，提升材料表层的综合性能，且设计灵活，加工快速高效，精度高。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.激光增减材复合制造装置，其特征在于，包括激光刻蚀系统、粉末填充机构、激光熔化系统、计算机控制系统，
激光刻蚀系统，用于通过激光刻蚀于基材表面形成具有预定图案的若干凹槽结构；
粉末填充机构，用于向若干凹槽结构中填充粉末材料；
激光熔化系统，用于将若干凹槽结构中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料与基材相结合；
计算机控制系统，用于设置预定图案，设置激光刻蚀系统的激光刻蚀参数，控制激光刻蚀系统按照预定图案依据激光刻蚀参数于基材表面进行激光刻槽过程；用于控制粉末填充机构依次向若干凹槽结构中填充粉末材料；用于设置激光熔化系统的激光熔化参数，控制激光熔化系统依据激光熔化参数将若干凹槽结构中的粉末材料熔化。
2.根据权利要求1所述的激光增减材复合制造装置，其特征在于，所述激光刻蚀系统与激光熔化系统是三维动态聚焦扫描系统。
3.根据权利要求1所述的激光增减材复合制造装置，其特征在于，所述粉末填充机构包括用于盛装粉末材料的容器，用于将容器内的粉末材料填充至预定位置的填粉执行机构。
4.激光增减材复合制造方法，其特征在于，包括：
S1：利用激光刻蚀系统于基材表面形成具有预定图案的若干凹槽结构；
S2：利用粉末填充机构向若干凹槽结构中填充粉末材料；
S3：利用激光熔化系统将若干凹槽结构中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料与基材相结合。
5.根据权利要求4所述的激光增减材复合制造方法，其特征在于，重复步骤S1-S3，形成由多种材料复合而成的镶嵌结构形式的复合材料。
6.根据权利要求4所述的激光增减材复合制造方法，其特征在于，所述预定图案由离散分布的若干封闭图形组成。
7.根据权利要求4所述的激光增减材复合制造方法，其特征在于，所述凹槽结构是直槽、斜槽、台阶槽，槽的深度为0.1～5mm。
8.根据权利要求4所述的激光增减材复合制造方法，其特征在于，所述基材包括铝、钛、镍、铜、铁等金属及其合金材料；粉末材料包括金属、陶瓷及金属基陶瓷复合材料。
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