CN110000383B - 飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置及方法，其装置包括一增材制造装置本体、一飞秒激光输出机构、一微细送粉机构和一微细吸粉机构；增材制造装置本体包括一打印腔室、一工作台、一升降装置、一金属基板、一传统激光输出机构和一PLC控制器；工作台设置于打印腔室内，工作台形成一打印槽，金属基板通过升降装置可升降地固定于打印槽内；PLC控制器连接升降装置、传统激光输出机构、飞秒激光输出机构、微细送粉机构和微细吸粉机构。本发明的一种飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置及方法，可较快地实现多金属复杂零件的打印，并可实现应力较小的两种金属交界区的有效烧结，并避免交界处开裂。

Description

飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及新型金属零件制备技术领域，尤其涉及一种飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置及方法。

背景技术

选区激光熔化成型(Selective Laser Melting，SLM)技术是一种高精度的金属增材制造方法，该技术基于增材制造的基本思想，即分层制造、逐层叠加的制造方式，打印出的样品表面光滑、结构精细。

飞秒激光是指脉宽为1-1000fs(1fs＝10^-15s)的激光。与其他激光源相比，飞秒激光具有极短的脉冲持续时间和极高的峰值功率，作用时间极短，形成的热影响区很小。飞秒激光由于其能量输入高度聚焦、高分辨率、热影响区较小的特点，可以避免多金属连接界面的开裂。

然而，传统的SLM技术一次只能够成形一种材料，难以打印由多种材料组成的零件。现有的SLM技术普遍存在无法在某一截面上使用不同金属，且无法将将粉末精确地输送到另一种金属区域；同时两种金属连接处界面性能可能不佳，双金属复合界面结合效果差，易分层；并具有打印速度有限的问题。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置及方法，可较快地实现多金属复杂零件的打印，并可实现应力较小的两种金属交界区的有效烧结，并避免交界处开裂。

为了实现上述目的，本发明提供一种飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置，包括一增材制造装置本体，所述增材制造装置本体包括一打印腔室、一工作台、一升降装置、一金属基板、一传统激光输出机构和一PLC控制器；所述工作台设置于所述打印腔室内，所述工作台形成一打印槽，所述金属基板的形状与所述打印槽配合并通过所述升降装置可升降地固定于所述打印槽内；所述传统激光输出机构设置于或部分设置于所述金属基板上方；所述PLC控制器连接所述升降装置和所述传统激光输出机构；还包括一飞秒激光输出机构、一微细送粉机构和一微细吸粉机构；所述飞秒激光输出机构、所述微细送粉机构和所述微细吸粉机构设置于所述打印腔室内并连接所述PLC控制器。

优选地，所述传统激光输出机构包括依次连接的一传统激光源、一激光光路、一打印头和一打印头传动装置；所述打印头传动装置连接所述PLC控制器；所述飞秒激光输出机构包括一飞秒激光器，所述飞秒激光器连接所述PLC控制器并通过所述激光光路连接所述打印头；所述打印头通过所述打印头传动装置传动并设置于所述金属基板上方。

优选地，所述微细送粉机构包括一粉料存储容器、一第一输送管路、至少一微细送粉喷管和一喷管传动机构；所述微细送粉喷管通过所述第一输送管路连接所述粉料存储容器；所述喷管传动机构连接所述PLC控制器。

优选地，所述微细吸粉机构包括一微细吸粉器、一第二传输管路和一吸粉器传动机构；所述微细吸粉器连接所述第二传输管路；所述吸粉器传动机构连接所述PLC控制器。

优选地，所述第二传输管路的一端连接所述微细吸粉器，所述第二传输管路的另一端连接所述粉料存储容器。

优选地，还包括一刮板机构，所述刮板机构包括相连的至少一刮板和一刮板传动机构；所述刮板通过所述刮板传动机构可沿一预设路径往复移动；所述预设路径经过所述打印槽的上方，所述刮板的下表面的高度与所述工作台上表面的高度配合。

本发明的一种基于本发明所述的飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置的多金属零件增材制造方法，包括步骤：

S1：建立一目标零件的打印模型，所述打印模型包括多个金属打印区域，各所述金属打印区域对应不同种类的金属材料；每一所述金属打印区域包括至少一连续区域；

S2：将所述打印模型分割为多个打印层模型；

S3：选择面积最大的一所述金属打印区域所对应的金属材料作为基本金属粉末；

S4：选择位于最底部的一所述打印层模型作为一当前打印层；

S5：通过所述升降装置将所述金属基板下降一预设高度；

S6：将所述基本金属粉末填充至所述金属基板与所述打印槽配合形成的空间内，并使所述基本金属粉末的上表面与所述工作台上表面齐平；

S7：将所述当前打印层中所述基本金属粉末所对应的金属打印区域作为第一打印选区，启动所述传统激光输出机构对所述第一打印选区进行激光熔化打印；

S8：判断所述当前打印层中是否存在未打印的所述金属打印区域；如无，进行步骤S9；如有，跳至步骤S10；

S9：判断当前打印层是否还存在未打印的上层所述打印层模型；如有，将所述当前打印层的上一层所述打印层模型作为所述当前打印层并返回步骤S5，如无，获得所述目标零件并结束打印；

S10：选择当前打印层中未打印的一所述金属打印区域作为第二打印选区，并将该第二打印选区所对应的所述金属材料作为目标粉料，继续后续步骤；

S11：控制所述微细吸粉机构吸去所述第二打印选区内的所述基本金属粉末；

S12：控制所述微细送粉机构将所述目标粉料输送至所述第二打印选区；

S13：利用一刮板将所述第二打印选区的所述目标粉料刮平；

S14：启动所述飞秒激光输出机构对所述第二打印选区与所述第一打印选区的交界区域进行激光烧结；

S15：启动所述传统激光输出机构对所述第二打印选区进行激光熔化烧结，返回步骤S8。

优选地，所述交界区域的宽度范围为1～1000微米。

优选地，所述结束打印步骤后还包括步骤：

S16：将所述金属基板和所述目标零件进行应力热处理；

S17：将所述目标零件自所述金属基板上切割分离。

优选地，所述S16步骤中通过一热处理炉对所述金属基板和所述目标零件进行应力热处理；

所述S17步骤中，利用线切割工艺将所述目标零件自所述金属基板上切割分离。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

本发明的飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置中，飞秒激光输出机构与传统激光输出机构实用同样的光路系统，通过采用飞秒激光输出机构为实现应力较小的两种金属的交界区域的高精度有效烧结提供了硬件基础，可避免交界区域的开裂。飞秒激光输出机构与传统激光输出机构的配合，使得在保证交界区域的有效烧结的基础上，使得整个打印过程能够拥有较快的速度。微细吸粉机构的采用为实现精确吸取基本金属粉末形成第二打印选区提供了硬件基础。微细送粉机构用于输送目标粉料，为实现第二打印选区的粉料填充提供了硬件基础。通过微细吸粉机构、微细送粉机构、飞秒激光输出机构、传统激光输出机构和PLC控制器的配合，为实现速度较快地进行多金属复杂零件的打印，并可实现应力较小的两种金属交界区的有效烧结，并避免交界处开裂提供了硬件基础。

本发明的一种多金属零件增材制造方法，通过传统激光选区激光熔化成型方法打印多金属零件的基本金属的内部区域，同时通过飞秒激光选区激光熔化成型打印多金属零件多种金属结合的交界区域，其有益效果在于：

(1)具有可以打印多金属零件的能力；

(2)通过使用能量输入极低的飞秒激光可以实现应力较小的两种金属交界区的有效烧结，避免交界处开裂；

(3)在第2种以及其他更多种金属的内部区域，使用传统激光进行烧结，可以实现较快的打印速度。

附图说明

图1为本发明实施例的飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的目标零件的截面图；

图3为本发明实施例的多金属零件增材制造方法的流程图。

具体实施方式

下面根据附图1～图3，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1和图2，本发明实施例的一种飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置，包括一增材制造装置本体，增材制造装置本体包括一打印腔室1、一工作台2、一升降装置、一金属基板3、一传统激光输出机构4和一PLC控制器；工作台2设置于打印腔室1内，工作台2形成一打印槽21，金属基板3的形状与打印槽21配合并通过升降装置可升降地固定于打印槽21内；传统激光输出机构4设置于或部分设置于金属基板3上方；PLC控制器连接升降装置和传统激光输出机构4；还包括一飞秒激光输出机构5、一微细送粉机构6和一微细吸粉机构7；飞秒激光输出机构5、微细送粉机构6和微细吸粉机构7设置于打印腔室1内并连接PLC控制器。

本实施例中，金属基板3可采用不锈钢金属基板，具体材质不做限制。打印腔室1采用密封腔室。

利用本实施例装置打印获得的目标零件的一截面的结构可如图2所示。

飞秒激光输出机构5与传统激光输出机构4实用同样的光路系统，通过采用飞秒激光输出机构5为实现应力较小的两种金属的交界区域9的高精度有效烧结提供了硬件基础，可避免交界区域9的开裂。飞秒激光输出机构5与传统激光输出机构4的配合，使得在保证交界区域9的有效烧结的基础上，使得整个打印过程能够拥有较快的速度。微细吸粉机构7的采用为实现精确吸取基本金属粉末形成第二打印选区10提供了硬件基础。微细送粉机构6用于输送目标粉料，为实现第二打印选区10的粉料填充提供了硬件基础。通过微细吸粉机构7、微细送粉机构6、飞秒激光输出机构5、传统激光输出机构4和PLC控制器的配合，为实现速度较快地进行多金属复杂零件的打印，并可实现应力较小的两种金属交界区的有效烧结，并避免交界处开裂提供了硬件基础。

传统激光输出机构4包括依次连接的一传统激光源、一激光光路、一打印头和一打印头传动装置；打印头传动装置连接PLC控制器；飞秒激光输出机构5包括一飞秒激光器，飞秒激光器连接PLC控制器并通过激光光路连接打印头；打印头通过打印头传动装置传动并设置于金属基板3上方。

传统激光源包括200瓦～500瓦单模光纤激光器。

微细送粉机构6包括一粉料存储容器、一第一输送管路、至少一微细送粉喷管和一喷管传动机构；微细送粉喷管通过第一输送管路连接粉料存储容器；喷管传动机构连接PLC控制器。本实施例中微细送粉喷管的个数为三。

微细吸粉机构7包括一微细吸粉器、一第二传输管路和一吸粉器传动机构；微细吸粉器连接第二传输管路；吸粉器传动机构连接PLC控制器。

本实施例中，第二传输管路的一端连接微细吸粉器，第二传输管路的另一端连接粉料存储容器。

还包括一刮板机构，刮板机构包括相连的至少一刮板和一刮板传动机构；刮板通过刮板传动机构可沿一预设路径往复移动；预设路径经过打印槽21的上方，刮板的下表面的高度与工作台2上表面的高度配合。

刮板机构用于对第二打印选区10的目标粉料进行刮平。

本实施例中，打印头传动装置、喷管传动机构和刮板传动机构分别采用多轴传动装置，多轴传动装置可进行三个相互垂直方向的传动，当工作台2台面水平时，可进行竖直方向、以及水平面内的横向和纵向的传动。

请参阅图1和图3，本发明实施例的一种多金属零件增材制造方法，其采用本实施例的飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置，包括步骤：

S1：建立一目标零件的打印模型，打印模型包括多个金属打印区域，各金属打印区域对应不同种类的金属材料；每一金属打印区域包括至少一连续区域；

S2：将打印模型分割为多个打印层模型；

S3：选择面积最大的一金属打印区域所对应的金属材料作为基本金属粉末；

S4：选择位于最底部的一打印层模型作为一当前打印层；

S5：通过升降装置将金属基板3下降一预设高度；

S6：将基本金属粉末填充至金属基板3与打印槽21配合形成的空间内，并使基本金属粉末的上表面与工作台2上表面齐平；

S7：将当前打印层中基本金属粉末所对应的金属打印区域作为第一打印选区8，利用选区激光熔化成型工艺(Selective Laser Melting，SLM)，启动传统激光输出机构4对第一打印选区8进行激光熔化打印；在金属基板3上打印出当前打印层的目标零件中第一打印选区8部分的金属；

S8：判断当前打印层中是否存在未打印的金属打印区域；如无，进行步骤S9；如有，跳至步骤S10；

S9：判断当前打印层是否还存在未打印的上层打印层模型；如有，将当前打印层的上一层打印层模型作为当前打印层并返回步骤S5，如无，获得目标零件并结束打印；

S10：选择当前打印层中未打印的一金属打印区域作为第二打印选区10，并将该第二打印选区10所对应的金属材料作为目标粉料，继续后续步骤；

S11：控制微细吸粉机构7吸去第二打印选区10内的基本金属粉末；

S12：控制微细送粉机构6将目标粉料输送至第二打印选区10，实现目标粉料的精确铺放；

S13：利用一刮板将第二打印选区10的目标粉料刮平；

S14：启动飞秒激光输出机构5对第二打印选区10与第一打印选区8的交界区域9进行激光烧结；交界区域9的宽度范围为1～1000微米；

S15：启动传统激光输出机构4对第二打印选区10进行激光熔化烧结，返回步骤S8。

其中，结束打印步骤后还包括步骤：

S16：将金属基板3和目标零件通过一热处理炉进行应力热处理；

S17：利用线切割工艺将目标零件自金属基板3上切割分离。

例如，需要打印一目标零件，目标零件包括316L不锈钢和TC4钛合金两种金属材料；利用本实施例的步骤进行打印，获得目标零件，目标零件的一截面结构如图2所示。

其具体步骤可如下：

S1：建立一目标零件的打印模型，打印模型包括两个金属打印区域，分别对应316L不锈钢和TC4钛合金；

S2：将打印模型分割为多个打印层模型；

S3：选择面积较大的一金属打印区域所对应的316L不锈钢作为基本金属粉末；

S4：选择位于最底部的一打印层模型作为一当前打印层；

S5：通过升降装置将金属基板3下降一预设高度；

S6：将基本金属粉末填充至金属基板3与打印槽21配合形成的空间内，并使基本金属粉末的上表面与工作台2上表面齐平；

S7：将当前打印层中316L不锈钢粉末所对应的金属打印区域作为第一打印选区8，启动传统激光输出机构4对第一打印选区8进行激光熔化打印；在金属基板3上打印出当前打印层的目标零件中第一打印选区8部分的金属；可设置传统激光输出机构4的激光功率为200W，扫描速度500mm/s，层厚30μm，扫描间距40μm；

S8：判断当前打印层中是否存在TC4钛合金的金属打印区域；如无，进行步骤S9；如有，跳至步骤S10；

S9：判断当前打印层是否还存在未打印的上层打印层模型；如有，将当前打印层的上一层打印层模型作为当前打印层并返回步骤S5，如无，获得目标零件并结束打印；

S10：选择当前打印层中TC4钛合金的金属打印区域作为第二打印选区10，并将TC4钛合金作为目标粉料，继续后续步骤；

S11：控制微细吸粉机构7吸去第二打印选区10内的316L不锈钢粉末；

S12：控制微细送粉机构6将TC4钛合金粉末输送至第二打印选区10，填充厚度为50微米；

S13：利用一刮板将第二打印选区10的TC4钛合金粉末刮平；

S14：启动飞秒激光输出机构5对第二打印选区10与第一打印选区8的交界区域9进行激光烧结；交界区域9的宽度范围为1～1000微米；可设置飞秒激光输出机构5的脉冲宽度为400fs，飞秒激光功率为50W，扫描速度50mm/s，扫描间距40μm；

S15：启动传统激光输出机构4对第二打印选区10进行激光熔化烧结，可设置传统激光输出机构4的激光功率为300W，扫描速度800mm/s，扫描间距40μm；返回步骤S8。

其中，结束打印步骤后还包括步骤：

S16：将金属基板3和目标零件通过一热处理炉进行应力热处理；

S17：利用线切割工艺将目标零件自金属基板3上切割分离。

本发明实施例的一种多金属零件增材制造方法，通过传统激光选区激光熔化成型方法打印多金属零件的基本金属的内部区域，同时通过飞秒激光选区激光熔化成型打印多金属零件多种金属结合的交界区域，具有较快速打印多金属复杂零件的能力，同时具有实现应力较小的两种金属交界区的有效烧结，避免交界处开裂的能力。其有益效果在于：

(1)具有可以打印多金属零件的能力；

(2)通过使用能量输入极低的飞秒激光可以实现应力较小的两种金属交界区的有效烧结，避免交界处开裂；

(3)在第2种以及其他更多种金属的内部区域，使用传统激光进行烧结，可以实现较快的打印速度。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多金属零件增材制造方法，基于一飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置，所述飞秒与传统激光结合的多金属零件增材制造装置包括一增材制造装置本体，所述增材制造装置本体包括一打印腔室、一工作台、一升降装置、一金属基板、一传统激光输出机构和一PLC控制器；所述工作台设置于所述打印腔室内，所述工作台形成一打印槽，所述金属基板的形状与所述打印槽配合并通过所述升降装置可升降地固定于所述打印槽内；所述传统激光输出机构设置于或部分设置于所述金属基板上方；所述PLC控制器连接所述升降装置和所述传统激光输出机构；其特征在于，还包括一飞秒激光输出机构、一微细送粉机构和一微细吸粉机构；所述飞秒激光输出机构、所述微细送粉机构和所述微细吸粉机构设置于所述打印腔室内并连接所述PLC控制器；

包括步骤：

S1：建立一目标零件的打印模型，所述打印模型包括多个金属打印区域，各所述金属打印区域对应不同种类的金属材料；每一所述金属打印区域包括至少一连续区域；

S2：将所述打印模型分割为多个打印层模型；

S3：选择面积最大的一所述金属打印区域所对应的金属材料作为基本金属粉末；

S4：选择位于最底部的一所述打印层模型作为一当前打印层；

S5：通过所述升降装置将所述金属基板下降一预设高度；

S6：将所述基本金属粉末填充至所述金属基板与所述打印槽配合形成的空间内，并使所述基本金属粉末的上表面与所述工作台上表面齐平；

S7：将所述当前打印层中所述基本金属粉末所对应的金属打印区域作为第一打印选区，启动所述传统激光输出机构对所述第一打印选区进行激光熔化打印；

S8：判断所述当前打印层中是否存在未打印的所述金属打印区域；如无，进行步骤S9；如有，跳至步骤S10；

S9：判断当前打印层是否还存在未打印的上层所述打印层模型；如有，将所述当前打印层的上一层所述打印层模型作为所述当前打印层并返回步骤S5，如无，获得所述目标零件并结束打印；

S10：选择当前打印层中未打印的一所述金属打印区域作为第二打印选区，并将该第二打印选区所对应的所述金属材料作为目标粉料，继续后续步骤；

S11：控制所述微细吸粉机构吸去所述第二打印选区内的所述基本金属粉末；

S12：控制所述微细送粉机构将所述目标粉料输送至所述第二打印选区；

S13：利用一刮板将所述第二打印选区的所述目标粉料刮平；

S14：启动所述飞秒激光输出机构对所述第二打印选区与所述第一打印选区的交界区域进行激光烧结；

S15：启动所述传统激光输出机构对所述第二打印选区进行激光熔化烧结，返回步骤S8。

2.根据权利要求1所述的多金属零件增材制造方法，其特征在于，所述传统激光输出机构包括依次连接的一传统激光源、一激光光路、一打印头和一打印头传动装置；所述打印头传动装置连接所述PLC控制器；所述飞秒激光输出机构包括一飞秒激光器，所述飞秒激光器连接所述PLC控制器并通过所述激光光路连接所述打印头；所述打印头通过所述打印头传动装置传动并设置于所述金属基板上方。

3.根据权利要求2所述的多金属零件增材制造方法，其特征在于，所述微细送粉机构包括一粉料存储容器、一第一输送管路、至少一微细送粉喷管和一喷管传动机构；所述微细送粉喷管通过所述第一输送管路连接所述粉料存储容器；所述喷管传动机构连接所述PLC控制器。

4.根据权利要求3所述的多金属零件增材制造方法，其特征在于，所述微细吸粉机构包括一微细吸粉器、一第二传输管路和一吸粉器传动机构；所述微细吸粉器连接所述第二传输管路；所述吸粉器传动机构连接所述PLC控制器。

5.根据权利要求4所述的多金属零件增材制造方法，其特征在于，所述第二传输管路的一端连接所述微细吸粉器，所述第二传输管路的另一端连接所述粉料存储容器。

6.根据权利要求1~5任一项所述的多金属零件增材制造方法，其特征在于，还包括一刮板机构，所述刮板机构包括相连的至少一刮板和一刮板传动机构；所述刮板通过所述刮板传动机构可沿一预设路径往复移动；所述预设路径经过所述打印槽的上方，所述刮板的下表面的高度与所述工作台上表面的高度配合。

7.根据权利要求1所述的多金属零件增材制造方法，其特征在于，所述交界区域的宽度范围为1~1000微米。

8.根据权利要求7所述的多金属零件增材制造方法，其特征在于，所述结束打印步骤后还包括步骤：

S16：将所述金属基板和所述目标零件进行应力热处理；

S17：将所述目标零件自所述金属基板上切割分离。

9.根据权利要求8所述的多金属零件增材制造方法，其特征在于，所述S16步骤中通过一热处理炉对所述金属基板和所述目标零件进行应力热处理；

所述S17步骤中，利用线切割工艺将所述目标零件自所述金属基板上切割分离。

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