CN109434107A - 一种多能束高效率增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多能束高效率增材制造方法，该方法是将同一幅面的能束数量控制为多个能束，每个能束均可辐照整个成形区域，利用这些多能束对待成形区域进行相互独立的扫描和/或相互配合的扫描，使原料粉末成形在所述待成形区域。本发明通过采用多能束同时扫描加工，而且可以实现更多种类的扫描策略，不仅可以提高装备的成形效率，而且可以调控构件显微组织、改善成形内应力，提高构件的成形质量。

Description

一种多能束高效率增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种多能束高效率增材制造方法。

背景技术

金属增材制造技术(Metal Additive Manufacturing，MAM)是增材制造技术最重要的一个分支。是以金属粉末/丝材为原料，以高能束(激光/电子束/电弧/等离子束等)作为刀具，以计算机三维CAD模型为基础，运用离散/堆积的原理，在软件与数控系统的控制下将材料熔化逐层堆积来制造高性能金属构件的新型技术。具有成形周期短、原料利用率高、能够成形任意复杂形状构件的优点。广泛的应用于航天航空、汽车、军事武器、生物医疗等领域。尽管如此，随着航天航空技术以及武器装备的快速发展，对金属增材制造技术的成形效率提出了更高的要求。

专利“一种激光选区熔化高效成型装备与方法”，申请号“201611199926.3”提出了基于两个成形缸，单束激光交替成形两个构件的方法，缩短铺粉的时间，从而达到提高装备成形效率的目的，但是旋转成形缸平台又降低了整体成形效率，另一方面，成形缸平台的转动可能会影响铺粉的质量。专利“多光束增材制造”，申请号“201680034015.7”提出多光束增材制造技术方法，通过增加激光束的数量来扩大整体成形幅面，从而提高装备的成形效率，然而对于单个幅面的成形效率仍然没有提高。专利“利用电子束-激光复合扫描的增材制造装置”，申请号“201510104702.9”提出采用多束电子束和激光束复合扫描的方法实现增材制造，提高了成形装备效率以及扩大了成形幅面，但是每个电子束以及激光束只能成形相应的区域，每个能束并不能辐照整个成形区域，并且不能实现所述的多种扫描策略；专利“基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备及加工方法”，申请号“201310670777.4”提出通过低功率扫描数层轮廓以及高功率成形实体单层实体相结合的方法来提高大尺寸构件的成形效率，由于此方法中高低功率采用的是分步扫描加工方式并不是同时对构件进行扫描加工，在某种程度上限制了成形效率的进一步提升。

因此，迫切需要一种高效率的金属增材制造方法来弥补现有技术方法的不足，从而更好地满足更高应用的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种多能束高效率增材制造方法，通过采用多能束同时扫描，每个能束均能辐照整个成形区域，在成形区域任意位置上的构件均可以实现多能束同时加工，大大地提高了单个幅面以及装备的成形效率，而且通过不同的扫描策略可以达到调控构件显微组织、减小内应力等目的。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种多能束高效率增材制造方法，其特征在于，该方法是将同一幅面的能束数量控制为多个能束，每个能束均能够辐照整个成形区域，利用这些多能束对待成形幅面中的任意区域进行相互独立的扫描和/或相互配合的扫描，使原料粉末成形在所述待成形区域；该方法不仅能够提高单个幅面的成形效率，而且能够通过实现更多种类的扫描策略改善成形内应力，提高构件的成形质量。

作为本发明的进一步优选，每个能束均能够辐照整个成形区域，对于成形区域中的任意位置的构件均能够实现多能束相互配合的同时加工。

作为本发明的进一步优选，多能束相互独立的扫描所基于的扫描策略包括分区式扫描、间隔式扫描、轮廓/实体并行式扫描、随机分区扫描以及对称式扫描中的任意一种。

作为本发明的进一步优选，多能束相互配合的扫描具体为多能束的跟随扫描；优选的，所述多个能束具体为两个能束，这两个能束采用一先一后跟随扫描式的相互配合扫描方式，在先扫描的能束用于预热，在后扫描的能束用于熔化成形。

作为本发明的进一步优选，所述能束选自激光束、电子束、电弧、以及等离子束中的至少一种。

作为本发明的进一步优选，所述原料粉末的供给方式为铺粉或送粉。

作为本发明的进一步优选，所述原料粉末为金属粉末、陶瓷粉末、高分子材料粉末。

作为本发明的进一步优选，多能束相互独立的扫描所基于的扫描策略中，分区式扫描能够减小成形过程中的温度梯度进而减小成形内应力，轮廓/实体并行扫描能够改善边缘烧高现象。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明通过采用多能束同时扫描加工，而且可以实现更多种类的扫描策略，不仅可以提高装备的成形效率，而且可以调控构件显微组织、改善成形内应力，提高构件的成形质量。本发明由于利用多个能束同时扫描加工，并且每个能束均可辐照整个成形区域；构件在成形过程中，所有能束不仅可以同时独立、稳定、协调的对同一构件进行加工成形，而且可以单独对不同构件进行扫描熔化加工，互不干扰。该方法不仅提高了单个幅面成形效率，而且可以实现更多种类的扫描策略(分区式扫描策略、间隔式扫描策略、轮廓/实体并行式扫描策略、对称式扫描策略等)，进一步地调控构件显微组织、改善成形内应力，提高构件的成形质量。本发明所能够采用的多能束相互独立扫描策略中，可优选采用分区式扫描、轮廓/实体并行扫描，其中，分区式扫描可以减小成形过程中的温度梯度，对于减小成形内应力具有显著地作用，轮廓/实体并行扫描可以明显的改善边缘烧高现象。

现有多能束增材制造中，只是通过增加能束数量方法，增加成形幅面的区域，对于单个幅面来说，仍然只是单个能束进行扫描加工，相应的能束只能对其相应的区域进行扫描加工，并不能对成形区域的其他位置进行扫描加工。基于此，本发明阐述了一种单幅面的多能束增材制造方法，能够实现每个能束均可以辐照整个成形区域，本发明以两束激光束为例，可以通过在成形区域上方放置相对较近的两组振镜，每个振镜下方再分别配套采用一面反射镜，通过振镜调节以及振镜下方反射镜的转动实现激光束对成形区域的全覆盖；另外也可以是在现有振镜系统的基础上进行改进，将振镜系统分为上下两部分，每部分采用两个反射镜片组成，激光束从振镜两端射入，通过两组反射镜片的转动实现激光束的全幅面覆盖。

总体而言，本发明中多能束高效率增材制造方法，不仅提高了装备单个幅面的成形效率，而且可以通过实现更多种类的扫描策略改善成形内应力，提高构件的成形质量；具体分析的话，能够取得下列有益效果：

(1)本发明所述的多能束高效率增材制造方法中，通过光路系统的设计实现每一高能束能够完全独立地覆盖需要加工的幅面(即，每个能束均可辐照整个成形区域)，克服现有多能束制造方法中单个能量束不能覆盖整个成形幅面的局限性。

(2)本发明所述的多能束高效率增材制造方法中，对加工幅面上任意同一区域均可实现多能束同时加工，互不干扰(即，对于成形区域中的任意位置的构件均能够实现多能束相互配合的同时加工)。相比以往的多能束熔化成形设备中单能束只能对其相应的区域进行独立加工的局限，显著地提高了成形效率。

(3)本发明在任意加工幅面上均可实现多能束并行独立加工，并且可以规划更多种扫描策略，分块扫描策略、间隔扫描策略等扫描方法改变了成形过程中温度场的分布以及结构的热积累效应，从而进一步的改变构件的显微组织，同时改变构件内应力的分布，从而影响整体构件的力学性能等。

(4)本发明所述的多能束高效率增材制造方法，可以实现多种能束的混合加工，激光束的成形精度和成形构件表面质量更高，电子束的成形速度更快而且独特的预热工艺使其残余应力更小，因此采用电子束预热-激光束成形方式可以有效的改善和提高整体构件成形质量。同时还有其他的结合方式，例如，电弧预热-激光束成形组合方式、电子束-激光同时成形方式等。

(5)本发明包含多个能束，一部分能束可用于预热粉末，使得粉末受热均匀，剩余能束则用于加工成形，实现预热粉末和加工并行完成的增材制造方法。

附图说明

图1为构件多能束高效率增材制造方法图。

图2为一种能束全覆盖的多套振镜光路系统设计图。

图3为一种能束全覆盖的一套振镜系统光路设计图。

图4为一种铺粉式多激光束间隔扫描加工方法示意图。

图5为一种送粉式多激光束扫描加工方法示意图。

图6为一种铺粉式多电子束相邻分区扫描加工方法示意图。

图7为一种铺粉式多电子束随机分区扫描加工方法示意图。

图8为一种铺粉式两个激光束预热/加工并行的扫描策略加工方法图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

本发明的关键在于提供了一种多能束高效率增材制造方法，如图1所示，通过增加同一幅面的能束数量，能束可为激光束、等离子束、电弧和电子束等，能束数量可为2个及其以上，在成形区域的任意位置上，各个能束均可以独立、稳定、协调的工作，工作方式可为多能束单独加工、同时加工以及混合加工。不仅如此，通过多能束同时加工可以实现多种类型的扫描策略，包括分区式扫描、间隔式扫描、轮廓/实体并行式扫描、随机分区扫描以及对称式扫描等策略来成形构件，原材料供给方式可为铺粉或者送粉等；成形材料可为金属、陶瓷、高分子材料等，通过此方法大幅提高了整体设备的成形效率；不仅如此，通过不同的扫描策略可以达到调控构件显微组织、减小内应力等目的。

实例1：能束全覆盖多套振镜光路系统设计一

如图2所示，本实例采用2个激光束1和1'，2套振镜系统6和6'以及2个反射镜7和7'实现能束全幅面全覆盖的扫描方式。

光路系统工作原理为，两束光束1和1'分别从侧边进入各自的振镜系统6和6'，从振镜下方射出光束。

从振镜下方射出的光束再分别通过反射镜7和7'，最后直接辐照到整个成形区域上。

光束主要通过振镜和反射镜实现入射光束的方向转变，反射镜片的转动以及振镜的有机结合进一步扩大了光束覆盖的范围。

实例2：能束全覆盖一套振镜光路系统设计二

如图3所示，本实例设计新型的振镜光路系统，实现每个能束均能辐照整个成形区域。

该振镜系统包括一个振镜6,两组反射镜片组(7和7'，7”和7'")集成而成。

两组反射镜片分别位于振镜系统的上部和下部，两束激光束1和1'分别从两侧射入振镜系统中。

分别经过对应的反射镜片组，通过反射镜的转动和有机的相互配合，2束光束从振镜下方射出。

该设计方法在现有振镜系统的基础上，采用两套反射镜片组，通过反射镜片组的转动实现单束光束的全幅面覆盖。

实例3：铺粉式多激光束间隔式扫描

如图4所示，本实例采用2个激光束同时对构件进行快速加工，粉末供给方式采用铺粉方式。

在2个激光束加工之前，向成形腔5中通入保护气体，降低成形区域的氧含量，确保成形的质量和加工过程的安全性。

在工作平台4表面，激光束1和1'首先对当前层的相邻道进行扫描加工，扫描完相应的单道之后，相应的激光束1和1'再次同时对另两道进行同时扫描加工，直至当前层完全被能束扫描完成。

2个激光束单独工作，互不影响，直到当前层被完全熔化。

向下调节升降平台2，再在工作平台4预置相应的原材料，重复上述的扫描操作，直至完成多能束的加工作业。

实例4：送粉式多激光束扫描

如图5所示，本实例采用2个激光束同时对构件进行快速加工，粉末供给方式采用送粉方式。

在2个激光束加工之前，向成形腔5中通入保护气体，降低成形区域的氧含量，确保成形的质量和加工过程的安全性。

在氩气的作用下，粉末通过送粉喷嘴8和8'分别预置在工作平台4表面，然后通过激光束1和1'分别从构件两端进行扫描，采用边送粉边扫描的加工方法，扫描完相应的单道之后，整体加工头在数控装置的控制下左右运动，激光束1和1'再次同时对另两道进行扫描加工，直至当前层完全被激光束扫描完成。

2个激光束单独工作，激光束和送粉器协调工作，互不影响，直到当前层被完全熔化。

调节整体加工头的运动，重复上述的扫描操作，直至完成多光束的加工作业。

实例5：铺粉式多电子束分区式扫描

如图6和7所示，本实例采用三个电子束同时对构件进行快速加工，粉末供给方式采用铺粉方式。

在多电子束加工之前，向成形腔5中通入保护气体，降低成形区域的氧含量，确保成形的质量和加工过程的安全性。

在工作平台4表面预置相应的金属粉末。由于本实例需要对构件的轮廓进行扫描，首先，电子束1、1'、1”同时对构件的轮廓进行扫描；待轮廓扫描结束之后，电子束1、1'、1”并行地对构件的相邻分区进行扫描(图4)，或采用随机分区的扫描方法(图5)。

3个电子束单独工作，互不影响，直到当前层被完全熔化。

向下调节升降平台2，再在工作平台4预置相应的原材料，重复上述的扫描操作，直至完成多电子束的加工作业。

实例6：铺粉式多激光束预热/加工并行扫描

如图8所示，本实例采用两个激光束同时对实体进行加工，粉末供给方式采用铺粉方式。

在多激光束加工之前，向成形腔5中通入保护气体，降低成形区域的氧含量，确保成形的质量和加工过程的安全性。

在工作平台4表面，预先铺置相应的原材料，采用两个激光束对构件3进行加工，激光束1首先进行原材料的预热过程，激光束1'紧跟其后熔化刚刚预热的原材料，为避免已经预热的原材料缓冷，两个激光束间隔时间较短，各自分别完成整个幅面的预热和熔化成形。

2个激光束单独协调工作，互不影响，直到当前层被完全熔化。

向下调节升降平台2，再在工作平台4预置相应的原材料，重复上述的扫描操作，直至完成多激光束的加工作业。

本发明中通过多能束同时加工的方法与以往的方式相比，大大的提高了成形构件的成形效率；还可以实现更多种方式的扫描策略，可以达到调控构件显微组织、改善内应力等目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多能束高效率增材制造方法，其特征在于，该方法是将同一幅面的能束数量控制为多个能束，每个能束均能够辐照整个成形区域，利用这些多能束对待成形幅面中的任意区域进行相互独立的扫描和/或相互配合的扫描，使原料粉末成形在所述待成形区域；该方法不仅能够提高单个幅面的成形效率，而且能够通过实现更多种类的扫描策略改善成形内应力，提高构件的成形质量。

2.如权利要求1所述多能束高效率增材制造方法，其特征在于，每个能束均能够辐照整个成形区域，对于成形区域中的任意位置的构件均能够实现多能束相互配合的同时加工。

3.如权利要求1所述多能束高效率增材制造方法，其特征在于，多能束相互独立的扫描所基于的扫描策略包括分区式扫描、间隔式扫描、轮廓/实体并行式扫描、随机分区扫描以及对称式扫描中的任意一种。

4.如权利要求1所述多能束高效率增材制造方法，其特征在于，多能束相互配合的扫描具体为多能束的跟随扫描；优选的，所述多个能束具体为两个能束，这两个能束采用一先一后跟随扫描式的相互配合扫描方式，在先扫描的能束用于预热，在后扫描的能束用于熔化成形。

5.如权利要求1所述多能束高效率增材制造方法，其特征在于，所述能束选自激光束、电子束、电弧、以及等离子束中的至少一种。

6.如权利要求1所述多能束高效率增材制造方法，其特征在于，所述原料粉末的供给方式为铺粉或送粉。

7.如权利要求1所述多能束高效率增材制造方法，其特征在于，所述原料粉末为金属粉末、陶瓷粉末、高分子材料粉末。

8.如权利要求1所述多能束高效率增材制造方法，其特征在于，多能束相互独立的扫描所基于的扫描策略中，分区式扫描能够减小成形过程中的温度梯度进而减小成形内应力，轮廓/实体并行扫描能够改善边缘烧高现象。