CN110523977A - 液浮粉末床增材制造设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液浮粉末床增材制造设备和方法，液浮粉末床增材制造设备包括：成形室；工作台装置，工作台装置设于成形室且具有成形区域，工作台装置至少包括一个成形缸，成形缸被构造成适于盛装浮液；粉末供给装置，粉末供给装置被构造成适于将成形粉末铺展于浮液的表面，成形粉末在浮力的作用下浮于浮液表面以形成覆盖成形区域的粉末床；至少一个高能束发射聚焦扫描装置，高能束发射聚焦扫描装置被构造成发射高能束对粉末床进行成形处理，以使成形粉末逐层沉积而形成三维零件。根据本发明实施例的液浮粉末床增材制造设备能够减少成形粉末的用量、提高成形粉末的利用率、降低三维零件的热应力，且满足多种形式的复合加工制造和在线检验的需要。

Description

液浮粉末床增材制造设备和方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言，涉及一种液浮粉末床增材制造设备和一种液浮粉末床增材制造方法。

背景技术

基于高能束(如激光、电子束等)选区熔化的粉末床熔融(powder bed fusion，PBF)和激光/电子束的熔覆沉积制造(cladding deposition manufacturing，CDM)是两种典型的增材制造工艺，相对于将材料(粉末或丝材)直接送入熔池的CDM技术，PBF技术虽然成形效率较低、成形尺寸较小，但在复杂结构和特殊材料的三维成形方面具有很大的优势。

相关技术中的PBF成形工艺，其过程为用激光或电子束扫描预先铺设好的粉末床，逐层烧结或熔化粉末材料，使材料逐层堆积成形，而三维零件则逐层地被埋入粉末床。因此粉末床的深度，必须大于三维零件最终的高度尺寸，而粉末床的水平尺寸则与成形缸的平面尺寸相当。然而，随着粉末床熔融工艺的不断成熟和需求的增长，成形零件的尺寸越来越大，成形缸的尺寸也随之增大，粉末床的容积则随之成指数倍的增长。

对于一定规格或型号的粉末床熔融设备而言，其成形缸必须按其成形零件的极限尺寸设置，以便容纳其参数指标中所承诺的最大成形零件。而在设备的实际使用过程中，成形零件的尺寸或体积时大时小，但现有的工艺要求成形缸必须始终被填满粉末，才能保证粉末床熔融工艺的正常运行。

鉴于此，一方面造成PBF增材制造设备必要按成形缸的最大容量设计粉末供给系统，无形中增大了设备的体积和重量；另一方面也使设备用户必须采购远远超出所要制造零件的体积或重量的粉末材料，以填充成形缸。虽然成形后未烧结或未熔化的粉末可以被循环再使用，但研究和实践表明，超过一定次数(约10次)循环使用后，因氧化和流动性下降，粉末不能再使用，必须更换新粉末，因此造成极大的浪费，这使得增材制造技术所具有的近净成形及材料利用率高的优势受到严重的挑战和质疑。由于粉末价格较高(是同等重量块材价格的10-20倍)，对于致力于将增材制造技术规模化应用的企业，需要投入和消耗大量资金，购买填充粉末床的粉末，这将严重影响企业的经济效益和资金循环。

对于基于激光的粉末床熔融增材制造技术(SLM)，还存在粉末床温度较低(一般不高于200℃)、导致三维零件热应力大、易开裂、无法成形塑性较差的材料等不足。虽然可以通过底板加热，但只能对接近底板的低层粉末有加热作用，改善高度较低零件的热应力情况，而无法加热高层粉末。随着零件成形高度的增加，上层粉末的温度会越来越低，热应力改善的效果会越来越弱，因此无法彻底解决SLM工艺热应力大的问题。

此外，粉末床在受到扰动时无法保证平整性，因此三维零件在成形过程中进行升降或平移会破坏粉末床的完整性，这样导致在粉末床熔融工艺过程中三维零件无法脱离粉末床而进行其它形式的加工，不能满足多种形式的复合加工制造和在线检验的需要。

中国专利CN20141001119.0、CN20172140150.2和CN201711025216.3公开了一种与成形零件同步地逐层制作随形成形缸的装置及工艺。这种工艺不需要设置固定尺寸的成形缸，而是在PBF增材制造过程中利用激光熔覆沉积或激光选区熔化等方法同步制作随形成形缸，并通过能够自动适应随形成形缸顶面形状的铺粉装置进行铺粉。中国专利CN201611194738.1公开了一种具有这种功能的铺粉装置。在成形完成后，要破坏随形成形缸，以取出成形的零件。

这种基于同步制作随形成形缸的技术，虽然取消了固定尺寸的成形缸，大幅减少了维持粉末床需要的粉末量，但制作随形成形缸需要消耗部分材料，而且随形成形缸只能使用一次就被破坏并抛弃，无法再使用。另外，这一技术方案对PBF工艺中的其它问题没有太大的改善。

中国专利CN20161021527.2公开了一种在液体和金属粉末组成的悬浮液中进行激光选择性熔化粉末的增材制造技术。具体是在接近悬浮液表面的悬浮液中逐层地熔化粉末，目的是隔绝空气、防止氧化，同时利用悬浮液进行快速粉末输送，提高成形速度。该技术消除了有形的粉末层(床)，但仍然需要大量的粉末与液体载体组成悬浮液填充成形(缸)容器，而且金属在悬浮液中熔化，激光需透过一定厚度的悬浮液，能量会损失，同时金属粉末还不可避免地会与液体发生作用和反应，因此难以控制成形零件的化学成分和粉末熔化时的熔池行为，难以保证成形质量。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种液浮粉末床增材制造设备，该液浮粉末床增材制造设备能够减少成形粉末的用量、提高成形粉末的利用率、降低三维零件的热应力，且满足多种形式的复合加工制造和在线检验的需要。

本发明还提出一种液浮粉末床增材制造方法。

根据本发明的第一方面的实施例提出一种液浮粉末床增材制造设备，所述液浮粉末床增材制造设备包括：成形室；工作台装置，所述工作台装置设于所述成形室且具有成形区域，所述工作台装置至少包括一个成形缸，所述成形缸被构造成适于盛装浮液；粉末供给装置，所述粉末供给装置被构造成适于将成形粉末铺展于所述浮液的表面，所述成形粉末在浮力的作用下浮于所述浮液表面以形成覆盖所述成形区域的粉末床；至少一个高能束发射聚焦扫描装置，所述高能束发射聚焦扫描装置被构造成发射高能束对所述粉末床进行成形处理，以使所述成形粉末逐层沉积而形成三维零件。

根据本发明实施例的液浮粉末床增材制造设备能够减少成形粉末的用量、提高成形粉末的利用率、降低三维零件的热应力，且满足多种形式的复合加工制造和在线检验的需要。

根据本发明的一些具体实施例，所述粉末床的厚度为0.01mm-100mm且包括湿层和干层，所述湿层浸入所述浮液，所述干层在所述浮液之上且不含有所述浮液；其中，所述成形区域由所述干层覆盖，所述高能束扫描所述干层以使所述干层的被扫描的部分升温、烧结或熔化，并逐层沉积于所述成型区域。

根据本发明的一些具体实施例，所述成形缸配置有加热/冷却装置，所述加热/冷却装置将浮液材料加热熔化成所述浮液且将所述浮液保持在50℃-2000℃的预定温度。

进一步地，所述浮液材料的密度大于所述成形粉末材料的密度。

进一步地，在但不限于所述三维零件制造完成后，所述成形缸加热/冷却装置控制所述浮液温度上升或下降到使所述浮液与所述三维零件表面润湿角最大的温度。

进一步地，在但不限于所述三维零件制造完成后，所述成形缸加热/冷却装置按照对所述三维零件进行热处理的要求，控制所述浮液的温度及其变化率上升或下降。

进一步地，所述成形缸设有进液口和排液口，所述进液口与加热釜相连，所述排液口设有排液阀且与下方的收集釜相连，所述收集釜内设有滤网。

根据本发明的一些具体实施例，所述成形缸配置有用于检测所述浮液液面高度的液面高度检测装置和用于调节所述浮液液面高度的液面高度调节装置。

进一步地，所述液面高度调节装置为可上下移动的等截面柱体；当所述等截面柱体向下移动而向所述浮液浸入时，所述浮液的液面高度上升；当所述等截面柱体向上移动而从所述浮液提起时，所述浮液的液面高度降低。

根据本发明的一些具体示例，所述成形室内设有收集罩，所述收集罩设于所述成形区域的上方且避让开所述高能束发射聚焦扫描装置发射的高能束，所述收集罩设有进气口和出气口，所述出气口连接有抽气装置和净化器。

根据本发明的一些具体实施例，所述工作台装置包括：工作平台，所述工作平台设于所述成形缸上端且围绕所述成形缸设置；升降台，所述升降台设于所述成形缸内，且带动所述三维零件升降。

进一步地，所述粉末供给装置包括：粉末供给器，所述粉末供给器被构造成将所述成形粉末储存并供给至所述工作平台；粉末铺设器，所述粉末铺设器设于所述工作平台，所述粉末铺设器被构造成将所述成形粉末推送至所述成形缸内浮液的表面并将所述浮液表面的所述粉末床铺平。

进一步地，所述成形室内设有熔覆装置、加工处理装置和检测装置中的至少一种，当所述升降台将其上的三维零件全部或部分提升出所述粉末床时，所述熔覆装置、所述加工处理装置和所述检测装置中的至少一种移动到工作位置，对所述三维零件进行熔覆沉积制造、切削加工、钻孔加工和/或质量检测。

进一步地，所述升降台连接有至少一个下驱动支撑杆和/或至少一个上驱动吊杆，其中，所述下驱动支撑杆向上穿过所述成形缸的底壁而与所述升降台相连；所述上驱动吊杆向下插入所述浮液而与所述升降台相连。

进一步地，所述工作平台构造有挡板，所述挡板位于所述上驱动吊杆的朝向所述粉末床的一侧且包括：水平部，所述水平部的表面与所述工作平台的表面平行且位于同一高度；外竖直部，所述外竖直部从所述水平部的朝向所述上驱动吊杆的一侧向上延伸；内竖直部，所述内竖直部从所述水平部的朝向所述粉末床的一侧向下延伸。

根据本发明的一些具体示例，所述升降台设有沿其厚度方向贯通的透液孔。

根据本发明的一些具体实施例，所述至少一个高能束发射聚焦扫描装置包括电子束发射聚集扫描装置和/或激光束发射聚集扫描装置；所述成形处理包括利用所述电子束发射聚集扫描装置发射的电子束和/或所述激光束发射聚集扫描装置发射的激光束对所述粉末床进行扫描、加热、烧结、熔化和切割加工中的一种或几种组合处理。

根据本发明的第二方面的实施例提出一种液浮粉末床增材制造方法，所述液浮粉末床增材制造方法包括：将浮液材料加热熔化为浮液并导入成形缸；将成形粉末铺展于所述浮液的表面，使所述成形粉末在浮力的作用下浮于所述浮液表面以形成粉末床，且至少有部分所述粉末床位于所述浮液的液面以上而不含有浮液，形成干层；利用高能束对所述粉末床中的干层进行成形处理，以使所述粉末床逐层沉积而形成三维零件。

根据本发明实施例的液浮粉末床增材制造方法能够减少成形粉末的用量、提高成形粉末的利用率、降低三维零件的热应力，且满足多种形式的复合加工制造和在线检验的需要。

根据本发明的一些具体实施例，所述成形处理包括利用电子束发射聚集扫描装置发射的电子束和/或激光束发射聚集扫描装置发射的激光束对所述粉末床进行扫描、加热、烧结、熔化和切割加工中的一种或几种组合处理。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的液浮粉末床增材制造设备的结构示意图。

图2是根据本发明另一个实施例的液浮粉末床增材制造设备的结构示意图。

图3是根据本发明实施例的液浮粉末床增材制造设备的粉末床的结构示意图。

图4是根据本发明实施例的液浮粉末床增材制造设备的成形缸及其浮液导入与排出装置的结构示意图。

图5是根据本发明实施例的液浮粉末床增材制造设备进行复合加工制造时的工作示意图。

图6是根据本发明实施例的液浮粉末床增材制造设备的一种升降台局部结构示意图。

图7是根据本发明实施例的液浮粉末床增材制造设备的另一种升降台局部结构示意图。

附图标记：

液浮粉末增材制造设备1、激光束4、电子束2、三维零件21、

成形室9、

工作台装置5、工作平台8、升降台15、成形缸10、进液口30、排液口31、加热釜28、进液阀26、排液阀16、收集釜17、浮液材料27、滤网29、透液孔41、

粉末供给装置22、粉末供给器6、粉末铺设器7、

高能束发射聚焦扫描装置3、

浮液14、

成形粉末20、粉末床35、湿层11、干层12、

等截面柱体13、

收集罩18、进气口25、出气口36、抽气装置19、净化器23、

熔覆装置32、

上驱动吊杆33、

下驱动支撑杆39、

挡板40、水平部38、外竖直部34、内竖直部37。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

考虑相关技术中增材制造技术的现状，本发明提出一种液浮粉末增材制造设备1和一种液浮粉末增材制造方法，该设备和方法能够减少成形粉末的用量、提高成形粉末的利用率、降低三维零件的热应力，且满足多种形式的复合加工制造和在线检验的需要。

下面参考附图描述根据本发明实施例的液浮粉末增材制造设备1。

如图1-图7所述，根据本发明实施例的液浮粉末增材制造设备1包括成形室9、工作台装置5、粉末供给装置22和至少一个高能束发射聚焦扫描装置3。

工作台装置5设于成形室9，且工作台装置5具有成形区域，工作台装置5至少包括一个成形缸10，成形缸10被构造成适于盛装浮液14。粉末供给装置22被构造成适于将成形粉末20铺展于浮液14的表面，成形粉末20在浮力的作用下浮于浮液14表面以形成覆盖所述成形区域的粉末床35。至少一个高能束发射聚焦扫描装置3，高能束发射聚焦扫描装置3被构造成发射高能束对粉末床35进行成形处理，以使成形粉末20逐层沉积于所述成型区域而形成三维零件21。

下面描述根据本发明实施例的液浮粉末床增材制造方法，所述液浮粉末床增材制造方法包括：

将浮液材料加热熔化为浮液14并导入成形缸10；

将成形粉末20铺展于浮液14的表面，使成形粉末20在浮力的作用下浮于浮液14表面以形成粉末床35，且至少有部分粉末床35位于浮液14的液面以上而不含有浮液14，形成干层12；

利用高能束对粉末床35中的干层12进行成形处理，以使粉末床35逐层沉积而形成三维零件21。

根据本发明实施例的液浮粉末增材制造设备1及方法，利用液态金属或非金属(即浮液14)填充成形缸10，利用液体金属或非金属的浮力支撑表面的成形粉末20形成液浮式的粉末床35。不同于目前PBF技术中全部用粉末填充成形缸的全固态粉末床，液浮式的粉末床35只在液面上保持一定厚度，不但可以减少制造大型三维零件时需要的粉末量，而且无需复杂的自适应铺粉装置，同时通过控制液体金属或非金属(即浮液14)的温度，可以很好地提高和保持成形三维零件的温度，降低其热应力并控制其微观组织。

并且，液浮式的粉末床35有浮力支持，能够很好地保持一定的厚度，并在受到扰动时自动恢复表面的平整性。这将可以允许三维零件21在成形过程中进行升降或平移，而不破坏粉末床35的完整性。此特点使得在粉末床熔融工艺过程中三维零件21可以脱离粉末床35进行其它形式的加工(如另一种增材制造、切削加工、钻孔、辊压或表面喷涂等)和/或检测，以实现多种形式的复合加工制造和在线检验。

因此，根据本发明实施例的液浮粉末增材制造设备1及方法，能够减少成形粉末的用量、提高成形粉末的利用率、降低三维零件的热应力，且实施多种形式的复合加工制造和在线检验。

在本发明的一些具体实施例中，如图3所示，粉末床35包括湿层11和位于湿层11上方的干层12，湿层11浸入浮液14，干层12在浮液14之上且不含有浮液14。其中，所述成形区域由干层12覆盖，所述高能束扫描干层12以使干层12的被扫描的部分升温、烧结或熔化。并逐层沉积于所述成型区域。

由此，利用密度(比重)较大的液态金属或非金属(浮液14)，将密度较小的成形粉末20通过浮力在表面形成一定厚度的粉末层，激光或电子束等高能束在粉末层上表面进行选择性的烧结或熔化，虽然与目前的SLM工艺一样需要对成形室9内的气氛进行控制，限制氧含量，但避免了浮液14对熔池的干扰和不利影响。

其中，粉末床35的厚度为0.01mm-100mm，优选为1mm-50mm。

在本发明的一些具体实施例中，成形缸10配置有加热/冷却装置，所述加热/冷却装置将浮液材料加热熔化成浮液14且将浮液14保持在预定温度，例如，所述预定温度为50℃-2000℃。设置具有加热和保温功能的成形缸10，可以将密度较大的浮液材料加热至液态并在整个成形过程中保持温度处于预先设置的、高于熔点的预定温度。

本领域的技术人员需要理解地是，作为浮液14的金属或非金属材料的密度(比重)比成形粉末20的密度(比重)大，并且不会与成形粉末20和三维零件21发生任何化学反应，除非所发生的反应有利于改进所成形三维零件21的使用性能。

在本发明的一些具体实施例中，在但不限于三维零件21制造完成后，所述成形缸加热/冷却装置控制浮液14温度上升或下降到使浮液14与三维零件21表面润湿角最大的温度。

在本发明的一些具体实施例中，在但不限于三维零件21制造完成后，所述成形缸加热/冷却装置按照对三维零件21进行热处理的要求，控制浮液14的温度及其变化率上升或下降。

在本发明的一些具体实施例中，如图1、图2和图4所示，成形缸10配置有液面高度检测装置和液面高度调节装置。液面高度检测装置用于检测浮液14的液面高度，液面高度调节装置用于调节浮液14的液面高度，由此可以保持和调整成形缸10中浮液14的液面的高度。

可选地，所述液面高度调节装置为可上下移动的等截面柱体13，等截面柱体13可由耐高温材料制成。当等截面柱体13向下移动而向浮液14浸入时，浮液14的液面高度上升；当等截面柱体13向上移动而从浮液14提起时，浮液14的液面高度降低。

在本发明的一些具体实施例中，如图4所示，成形缸10设有进液口30和排液口31，进液口30可以设置在成形缸10的侧壁且邻近上沿，排液口31可以设置在成形缸10的底壁，所述进液口30相连加热釜28且进液口30设有进液阀26，排液口31设有排液阀16且排液口31下方设有收集釜17，收集釜17内设有滤网29。

具体地，成形开始前，可用加热釜28将密度较大的浮液材料27熔化并加热至预定温度，通过进液口30导入成形缸10。在成形过程中，随着三维零件21下沉体积的增大，当液面高度调节装置无法调整液面处于预设高度时，排液口31的排液阀16打开，排出一部分浮液14后排液阀16关闭，液面高度调节装置进行液面高度调整。当成形结束后，排液口31的排液阀16打开，排出全部浮液14到收集釜17中。收集釜17中设有滤网29，滤除排出浮液14中的成形粉末20，滤出的成形粉末20可回收再利用，而剩下的液体则可冷却等待下一次成形，或通过进液口30重新导入成形缸10进行新的成形。

在本发明的一些具体示例中，如图1所示，为更充分地收集成形缸10中高温浮液14的挥发物和成形粉末20在高能束扫描下产生的蒸发物或飞溅，成形室9内可以设有收集罩18，收集罩18设于成形区域的上方，且收集罩18避让开高能束发射聚焦扫描装置3发射的高能束，收集罩18设有进气口25和出气口36，出气口36连接有抽气装置19和净化器23，气体经净化器23处理去除其中的重金属和有害物质后，可以排向大气，或导入成形室9，或通过进气口25进入收集罩18。

在本发明的一些具体实施例中，如图1和图2所示，工作台装置5包括工作平台8和升降台15。

工作平台8设于成形缸10上端且围绕成形缸10设置。所述成形区域可形成于升降台15的上表面且可被高能束扫描范围覆盖，升降台15设于成形缸10内且带动三维零件21升降，升降台15随着粉末床35的逐层熔化或烧结而逐渐下沉并带动已成形的三维零件21逐渐浸入浮液14中。

其中，为了方便升降台15升降时浮液14的流动，升降台15设有贯通升降台15的透液孔41，例如，透液孔41沿上下方向贯通升降台15。

在本发明的一些具体示例中，如图1和图2所示，粉末供给装置22包括粉末供给器6和粉末铺设器7。

粉末供给器6被构造成将成形粉末20储存并供给至工作平台8。粉末铺设器7设于工作平台8，粉末铺设器7被构造成将成形粉末20推送至成形缸10内浮液14的表面并将浮液14表面的粉末床35铺平。

在本发明的一些具体实施例中，如图5所示，成形室9内设有熔覆装置32、加工处理装置和检测装置中的至少一种，当升降台15将其上的三维零件21全部或部分提升出粉末床35时，熔覆装置32、所述加工处理装置和所述检测装置中的至少一种移动到工作位置，对三维零件21进行熔覆沉积制造、切削加工、钻孔加工和/或质量检测。

在逐层制造三维零件21的过程中，可以提升升降台15，将三维零件21全部或部分提升出粉末床35，利用熔覆装置32(如激光熔覆头、电子束熔丝头)在已成形的三维零件21基础上熔覆相同或不同材料，进行熔覆沉积制造；也可以利用加工处理装置(如铣削头、钻头)对已成形的三维零件21进行切削或钻孔等加工；还可以利用检测装置(如激光扫描、触点探头、超声探头、X射线探头)对已成形的三维零件21进行检测。

上述熔覆沉积、切削加工或检测完成后，下降升降台15，将三维零件21重新浸入浮液14和粉末床35中，粉末铺设器7将粉末床35重新铺平后，继续进行高能束粉末床熔融成形制造。

在本发明的一些具体示例中，升降台15连接有至少一个下驱动支撑杆39和/或至少一个上驱动吊杆33。

具体而言，下驱动支撑杆39向上穿过成形缸10的底壁而与升降台15相连(如图1、图2和图4所示)；上驱动吊杆33向下插入浮液14而与升降台15相连(如图6和图7所示)，其中，图6示出了采用单侧上驱动吊杆33的示例，图7示出了采用双侧上驱动吊杆33的示例，适用于大型、较重零件的制造。

进一步地，如图6和图7所示，工作平台8构造有挡板40，挡板40位于上驱动吊杆33的朝向粉末床35的一侧，且挡板40包括水平部38、外竖直部34和内竖直部37。

水平部38的表面与工作平台8的表面平行且位于同一高度。外竖直部34从水平部38的朝向上驱动吊杆33的一侧向上延伸。内竖直部37从水平部38的朝向粉末床35的一侧向下延伸，内竖直部37的深度(上下方向上的尺寸)大于粉末床35的最大厚度。外竖直部34的作用是在粉末铺设器7铺粉时将成形粉末20限制在水平部38内；而内竖直部37的作用是约束粉末床35以形成稳定的湿层11和干层12。

在本发明的一些具体实施例中，所述至少一个高能束发射聚焦扫描装置3包括电子束发射聚集扫描装置和/或激光束发射聚集扫描装置。图1示出了单独采用激光束发射聚集扫描装置的示例，图2示出了单独采用电子束发射聚集扫描装置的示例。

当然，也可以同时结合激光束发射聚集扫描装置和电子束发射聚集扫描装置。将电子束-激光束结合起来进行复合扫描进行选区熔化，以将电子束选区熔化和激光选区熔化的优点结合。具体而言，所述电子束发射聚集扫描装置发射的扫描电子束2和所述激光束发射聚集扫描装置发射的扫描激光束4均可用于扫描成形区域，预热成形粉末床35和控制降温过程，使成形区域温度场处于适当范围，控制温度梯度，降低热应力；扫描三维零件21截面及其内外轮廓，使截面内材料逐步升温、烧结、熔化，形成清晰、连续、完整的截面及其轮廓，从而可以获得高性能和较高精度的三维零件21。

所述成形处理包括利用所述电子束发射聚集扫描装置发射的电子束2和/或所述激光束发射聚集扫描装置发射的激光束4对粉末床35进行扫描、加热、烧结、熔化和切割加工中的一种处理或几种组合，此外还可以控制三维零件21和粉末床35的降温过程。

其中，对于采用电子束2对粉末床35进行预热、烧结、熔化沉积和降温控制的成形室9(如图2所示)，配置有真空系统和惰性气体回填系统，为防止电子束2传输过程中功率过度衰减，并考虑高温浮液14和粉末床35熔化沉积时的蒸发，可回填惰性气体，真空度保持在10^-4Pa至10Pa之间；而对于采用激光束4对粉末床35进行预热、烧结、熔化沉积和降温控制的成形室9(如图1所示)，配置有抽气和充气装置。经过抽气-充气循环后，所述成形室9需充满惰性气体，气压等于或大于1个大气压(≥0.1013MPa)并将氧含量降低到0.1％以下。

根据本发明的实施例提出一种液浮粉末增材制造设备1，利用液体浮力支撑粉末床，即在密度(比重)较大的液体表面铺展粉末形成液浮粉末床，再利用激光或电子束等高能束对粉末进行逐层预热、烧结或熔化沉积，以制造三维零件。

下面举例描述根据本发明实施例的液浮粉末增材制造设备1的工作过程。

将密度较大的金属或非金属(浮液材料27)加热熔化作为浮液14，将浮液14导入成形室9内具有加热/冷却和保温功能的成形缸10，并使浮液14的温度保持在预定温度(50℃-2000℃)。成形室9内的粉末铺设器7将密度较小的成形粉末20铺展在浮液14上，形成一定厚度(0.01mm-100mm)的粉末床35。粉末床35漂浮在浮液14表面，包括浸入浮液14的湿层11和浮液14之上的干层12。高能束发射聚焦扫描装置3发射激光束4和/或电子束2，扫描粉末床35进行加热，以及扫描一定区域对粉末床35进行烧结或熔化沉积以形成所需的零件截面，并与下面已成形的三维零件21或升降台15连接。升降台15下降一层厚高度，与成形缸10连通的液面高度检测装置与液面高度控制装置测量并调整液面回复到预设的液面高度位置，粉末铺设器7推送成形粉末20至粉末床35上并推平，形成粉末床35平整的表面。高能束发射聚焦扫描装置3再次扫描粉末床35进行加热、烧结或熔化沉积新层，如此反复，直到完成整个三维零件21的增材制造。

当完成三维零件21的增材制造后，升降台15可下降，将三维零件21完全没入浮液14中，调整浮液14的温度和保温时间，对成形的三维零件21进行热处理。而在取出三维零件21之前，可将浮液14的温度调整到使其表面张力较大，或使浮液14与三维零件21表面的接触角(润湿角)较大的温度。以便更好地保证浮液14与三维零件21的分离。

取出三维零件21的方式可以通过升降台15上升将三维零件21提升出浮液14和粉末床35，也可以通过打开成形缸10底部的排液阀16，排出浮液14使三维零件21逐步露出浮液14和粉末床35，从而将三维零件21与浮液14和粉末床35分离。

根据本发明实施例的液浮粉末增材制造设备1的其它构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“具体实施例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (19)

1.一种液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，包括：

成形室；

工作台装置，所述工作台装置设于所述成形室且具有成形区域，所述工作台装置至少包括一个成形缸，所述成形缸被构造成适于盛装浮液；

粉末供给装置，所述粉末供给装置被构造成适于将成形粉末铺展于所述浮液的表面，所述成形粉末在浮力的作用下浮于所述浮液表面以形成覆盖所述成形区域的粉末床；

至少一个高能束发射聚焦扫描装置，所述高能束发射聚焦扫描装置被构造成发射高能束对所述粉末床进行成形处理，以使所述成形粉末逐层沉积而形成三维零件。

2.根据权利要求1所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述粉末床的厚度为0.01mm-100mm且包括湿层和干层，所述湿层浸入所述浮液，所述干层在所述浮液之上且不含有所述浮液；

其中，所述成形区域由所述干层覆盖，所述高能束扫描所述干层以使所述干层的被扫描的部分升温、烧结或熔化，并逐层沉积于所述成型区域。

3.根据权利要求1所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述成形缸配置有加热/冷却装置，所述加热/冷却装置将浮液材料加热熔化成所述浮液且将所述浮液保持在50℃-2000℃的预定温度。

4.根据权利要求3所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述浮液材料的密度大于所述成形粉末材料的密度。

5.根据权利要求3所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，在但不限于所述三维零件制造完成后，所述成形缸加热/冷却装置控制所述浮液温度上升或下降到使所述浮液与所述三维零件表面润湿角最大的温度。

6.根据权利要求3所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，在但不限于所述三维零件制造完成后，所述成形缸加热/冷却装置按照对所述三维零件进行热处理的要求，控制所述浮液的温度及其变化率上升或下降。

7.根据权利要求3所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述成形缸设有进液口和排液口，所述进液口与加热釜相连，所述排液口设有排液阀且与下方的收集釜相连，所述收集釜内设有滤网。

8.根据权利要求1所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述成形缸配置有用于检测所述浮液液面高度的液面高度检测装置和用于调节所述浮液液面高度的液面高度调节装置。

9.根据权利要求8所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述液面高度调节装置为可上下移动的等截面柱体；

当所述等截面柱体向下移动而向所述浮液浸入时，所述浮液的液面高度上升；

当所述等截面柱体向上移动而从所述浮液提起时，所述浮液的液面高度降低。

10.根据权利要求1所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述成形室内设有收集罩，所述收集罩设于所述成形区域的上方且避让开所述高能束发射聚焦扫描装置发射的高能束，所述收集罩设有进气口和出气口，所述出气口连接有抽气装置和净化器。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述工作台装置包括：

工作平台，所述工作平台设于所述成形缸上端且围绕所述成形缸设置；

升降台，所述升降台设于所述成形缸内，且带动所述三维零件升降。

12.根据权利要求11所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述粉末供给装置包括：

粉末供给器，所述粉末供给器被构造成将所述成形粉末储存并供给至所述工作平台；

粉末铺设器，所述粉末铺设器设于所述工作平台，所述粉末铺设器被构造成将所述成形粉末推送至所述成形缸内浮液的表面并将所述浮液表面的所述粉末床铺平。

13.根据权利要求11所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述成形室内设有熔覆装置、加工处理装置和检测装置中的至少一种，当所述升降台将其上的三维零件全部或部分提升出所述粉末床时，所述熔覆装置、所述加工处理装置和所述检测装置中的至少一种移动到工作位置，对所述三维零件进行熔覆沉积制造、切削加工、钻孔加工和/或质量检测。

14.根据权利要求11所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述升降台连接有至少一个下驱动支撑杆和/或至少一个上驱动吊杆，其中，

所述下驱动支撑杆向上穿过所述成形缸的底壁而与所述升降台相连；

所述上驱动吊杆向下插入所述浮液而与所述升降台相连。

15.根据权利要求14所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述工作平台构造有挡板，所述挡板位于所述上驱动吊杆的朝向所述粉末床的一侧且包括：

水平部，所述水平部的表面与所述工作平台的表面平行且位于同一高度；

外竖直部，所述外竖直部从所述水平部的朝向所述上驱动吊杆的一侧向上延伸；

内竖直部，所述内竖直部从所述水平部的朝向所述粉末床的一侧向下延伸。

16.根据权利要求11所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述升降台设有沿其厚度方向贯通的透液孔。

17.根据权利要求1-10中任一项所述的液浮粉末床增材制造设备，其特征在于，所述至少一个高能束发射聚焦扫描装置包括电子束发射聚集扫描装置和/或激光束发射聚集扫描装置；

所述成形处理包括利用所述电子束发射聚集扫描装置发射的电子束和/或所述激光束发射聚集扫描装置发射的激光束对所述粉末床进行扫描、加热、烧结、熔化和切割加工中的一种或几种组合处理。

18.一种液浮粉末床增材制造方法，其特征在于，包括：

将浮液材料加热熔化为浮液并导入成形缸；

将成形粉末铺展于所述浮液的表面，使所述成形粉末在浮力的作用下浮于所述浮液表面以形成粉末床，且至少有部分所述粉末床位于所述浮液的液面以上而不含有浮液，形成干层；

利用高能束对所述粉末床中的干层进行成形处理，以使所述粉末床逐层沉积而形成三维零件。

19.根据权利要求18所述的液浮粉末床增材制造方法，其特征在于，所述成形处理包括利用电子束发射聚集扫描装置发射的电子束和/或激光束发射聚集扫描装置发射的激光束对所述粉末床进行扫描、加热、烧结、熔化和切割加工中的一种或几种组合处理。