CN111151744A - 一种基于ebm与飞秒激光的打切一体增材设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备，包括中央控制系统、密封成型室、用于产生及控制电子束的电子枪、实时监测系统、实时跟踪反馈系统、飞秒激光切割装置；飞秒激光切割装置置于密封成型室外部，用于切割零件分层轮廓及内部复杂结构，并切去成型面的凸起部分；中央控制系统分别与实时监测系统、实时跟踪反馈系统连接。本发明实施例还公开了一种使用上述基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备进行增材制造方法。采用本发明，在扫描若干层金属粉末后，转为飞秒激光切割，精密切割零件分层轮廓及内部复杂结构，并切去成型面的凸起部分，保证了尺寸精度和表面质量，实现高刚度、高精度和高效率的增材制造。

Description

一种基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备及方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种基于EBM与飞秒激光打切一体增材设备及方法。
背景技术
增材制造(3D打印)是一种通过材料逐层累积的方法，根据产品三维模型直接造成实体产品的技术。相对于传统的减材技术(材料去除加工)，增材制造无需模具，可直接数字化制造，具有原材料浪费少、制造流程短、工艺简单、可成形复杂形状和梯度结构等特点，是一种具有革新意义的制造方法，被誉为21世纪的制造科学。
目前可用于直接制造金属零件的增材制造技术主要有：选区激光熔化(SelectiveLaser M elting，SLM)、激光近净成型(Laser Engineered Net Shaping，LENS)、电子束实体自由成形(E lectron Beam Solid Freeform Fabrication，EBSFF)及电子束熔化(Electron Beam M elting，EBM)技术等。其中，EBM技术通过电子束扫描、熔化粉末材料，逐层沉积制造三维金属零件。由于电子束功率大、材料对电子束能量吸收率高，EBM技术具有效率高、热应力小等特点，适用于钛合金、钛铝基合金等难熔、高性能金属材料的成形制造。
EBM工艺过程中，多个物理场相互叠加影响，包括：电子动能被材料吸收、反射，电荷在材料中的积累与传导，粉末材料的烧结、熔化甚至汽化蒸发，粉末颗粒与熔池的润湿，热传导、热辐射及熔池热对流，毛细效应，M arangoni效应，重力、热应力及相变应力等复杂的物理现象。由于各个因素的综合作用，EBM成型零件中常有内部孔隙、翘曲变形、表面变形等缺陷，必须开发能够实时监测零件成型性能、打切一体的增材设备。
现有的增材制造复合加工设备基本上采用铣削等传统机加工来精密切削零件的分层轮廓和内部孔洞，并切去成型面凸起部分，提高下一次的铺粉质量。但其很难消除熔覆层内部的空洞、缩松、微裂纹等内部缺陷，以及很难解决小尺寸高精度零件的精密加工。
因此，现有技术需要进一步改进和完善。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备及方法。可有效地消除熔覆层内部的空洞、缩松、微裂纹等内部缺陷，实现小尺寸高精度零件的精密加工。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备，包括中央控制系统(1)、电源系统(2)、密封成型室(3)、电子枪(5)、实时监测系统、成型缸(16)、粉缸(10)、粉末输送系统、实时跟踪反馈系统(4)、飞秒激光切割装置；
所述实时监测系统设置于所述密封成型室(3)内，用于检测零件内部结构成型情况、表面成型情况和形状尺寸；
所述中央控制系统(1)分别与电源系统(2)、实时监测系统、实时跟踪反馈系统(4)、粉末输送系统连接；
所述实时跟踪反馈系统(4)分别与所述电子枪(5)、飞秒激光切割装置连接，计算机将监测到的成型面的平整度、温度场的均匀度等参数与理想参考数据进行比对，根据比对结果在预设的工艺参数中调取更优参数输出给实时跟踪反馈系统(4)，实时跟踪反馈系统(4)根据接收到的数据调节所述电子枪的输出功率和所述飞秒激光切割装置的激光能量密度和输出功率。
所述飞秒激光切割装置用于切割零件分层轮廓及内部复杂结构，并切去成型面的凸起部分；
所述成型缸(16)置于所述密封室(3)下方，所述粉缸(10)置于所述密封室(3)内部上方；
所述粉末输送系统包括粉末暂存缸(12)、可实现双向送粉的铺粉器(13)，粉末(15)从所述粉缸(10)输送至所述粉末暂存缸(12)由粉缸电机(11)通过中央控制系统(1)控制下粉；
所述电子枪(5)、飞秒激光切割装置设置于所述密封室(3)内顶部。
进一步地，所述实时监测系统包括电荷耦合式摄像机(25)和热成像仪(26)，用于实时记录加工过程中零件成型质量和粉床上表面的温度场。
更进一步地，所述飞秒激光切割装置包括依次连接的飞秒激光振荡器(24)、扩束准直镜(23)、扫描振镜(21)、聚光透镜(22)。
更进一步地，所述密封成型室(3)还包括气体循环净化系统；所述气体循环净化系统包括抽真空装置(7)、氧含量监测及反馈装置、气体循环净化装置(6)，所述气体循环净化装置(6)用于通入保护气体。
更进一步地，所述飞秒激光切割装置作用于一层或多层切片层。
本发明还提供了一种使用上述基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备进行增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1：成型前将密封成型室(3)抽成真空状态并通入保护气；
步骤2：设计待成型件的三维模型，分层切片处理，计算增材制造主要工艺参数，并进行参数优化，将数据传输给中央控制系统(1)作为原始数据；
步骤3：首先铺粉器(13)在成型面上铺一次粉，电子枪(5)形成电子束(36)，所述电子束(36)选区扫描金属粉末从而熔化形成一层实体，每成型一层后刮刀即铺一次粉，如此循环十层后，中央控制系统(1)发出信号，电子枪(5)停止工作，铺粉器(13)停止铺粉；实时监测系统监测零件内部结构成型情况、表面成型情况和形状尺寸是否达到理想要求，对比分析步骤2原始数据，进行误差分析；
步骤4：若误差在允许范围内，将目前的工艺参数作为最佳工艺参数；否则进入步骤5；
步骤5：自动补偿工艺参数，确定最终最佳工艺参数；
步骤6：根据实时监测系统记录的成型数据与原始数据的对比结果，实时跟踪反馈系统(4)控制飞秒激光切割装置开始工作，切去分层零件轮廓、腔室、管道、孔洞，并切去成型面凹凸不平的部分；
步骤7：按照最佳工艺参数不断重复加工，直至零件成型完成，并且内部结构性能、表面性能和形状尺寸相关参数接近理想要求且误差在允许的范围之内。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明与现有的增材制造设备相比，本设备实现了在同一台设备内轮换进行电子束增材制造和飞秒激光精密切割的打切一体功能，保证了成型零件的尺寸精度和表面粗糙度，并且还能够实现更重要的成型零件的内部结构和随行管道的制造。
附图说明
图1为本发明提出基于EBM与飞秒激光大切一体增材设备的正视结构示意图。
图2为本发明提出基于EBM与飞秒激光大切一体增材设备的俯视结构示意图。
图3为本发明实施例的工作原理图。
图中标记：1中央控制系统、2电源系统、3密封成型室、4实时跟踪反馈系统、5电子枪、6气体循环净化装置、7抽真空装置、10粉缸、11粉缸电机、12粉末暂存缸、13铺粉器、14铺粉器导轨、15粉末、16成型杠、17粉缸送粉口、21扫描振镜、22聚光透镜、23扩束准直镜、24飞秒激光振荡器、25电荷耦合摄像机、26热成像仪、31灯丝、32阳极、33像散线圈、34聚焦线圈、35偏转线圈、36电子束。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1－3所示，本发明公开了一种基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备，包括中央控制系统1、电源系统2、密封成型室3、用于产生及控制电子束的电子枪5、用于检测零件内部结构成型情况、表面成型情况和形状尺寸的实时监测系统、成型缸16和粉缸10、粉末输送系统、以及将数据反馈给电子枪装置的实时跟踪反馈系统4；
所述中央控制系统1负责整台设备的控制与监测，包括电子枪5参数的设定、实时监测系统数据的分析处理、实时跟踪反馈系统4参数的设定；
所述电子枪5由灯丝31产生电子，所述电子依次通过用于加速的阳极32、像散线圈33、聚焦线圈34、偏转线圈35形成电子束36，选区熔化金属粉末；
所述的电子枪5、飞秒激光切割系统根据加工工艺过程中的不同要求电子束5和飞秒激光的调节系统可以选择不同的参数。利用实时监测系统实时监测成型零件，通过实时跟踪反馈系统4，将零件内部结构成型情况、表面成型情况和形状尺寸等相关参数经分析调整后传输给电子枪5和飞秒激光调节装置，自动补偿调节后重复多次加工。
所述密封成型室3还包括气体循环净化系统；所述气体循环净化系统包括抽真空装置7、氧含量监测及反馈装置(图中未示出)、气体循环净化装置6。开始成型前，抽真空装置7将密封成型室3抽成低气压状态，气体循环净化装置6充入保护气体，氧含量监测装置持续实时监测密封成型室3内的氧含量，当氧含量超出许可范围时，监测系统发出信号，抽真空装置7和气体循环净化装置6启动，降低密封成型室3内氧含量。
所述粉末输送系统包括粉缸10、粉末暂存缸12、具有储粉能力的可实现双向铺粉的铺粉器13，粉末暂存缸12顶板处安装有超声波测距传感器作为料位传感器，以检测粉末10的上下极限位置，当其检测到粉末10到达下极限位置时，控制系统接收传感器信号，伺服电机驱动粉缸下底板打开一个与过粉管道直径一致的孔洞，粉末15从粉缸10通过与粉缸密封连接的过粉管道输送至粉末暂存缸12，铺粉器13的初始位置位于粉末暂存缸12正下方，粉末暂存缸12下底板暂时打开，所述下底板设有凹槽，凹槽的容积设为铺粉器13一次往复铺粉需要的粉末量，粉末因重力作用先流入凹槽内，当铺粉器13位于初始位置或者往复运动至初始位置时，位置传感器检测到信号，中央控制系统控制伺服电机带动粉末暂存缸12下底板横向移动至凹槽与铺粉器13顶板上的过粉通道对接，粉末10因重力作用流入铺粉器13储料腔暂存，铺粉器13通过铺粉器导轨14，由伺服电机带动，当铺粉器13到达左侧极限位置时，限位传感器接收信号，中央控制系统控制铺粉器13的导流控制单元和粉末释放机构开始工作，粉末通过受控流道定量输出，刮刀单元实现粉末10的铺设，当铺粉13到达右侧极限位置时，限位传感器再次接收信号，伺服电机开始反转，实现铺粉器一维的往复运动，粉末15通过粉缸送粉口17添加至粉缸10中，每成型十层后电子束成型系统停止工作，转向飞秒激光切割。
上述中，铺粉器13可选择中国专利公开号为CN 202317020U或CN 208324232U所公开的结构，本发明在此不为限。
所述飞秒激光切割装置依次包括飞秒激光振荡器24、扩束准直镜23、扫描振镜21、聚光透镜22，用于切割零件分层轮廓及内部复杂结构，并切去成型面的凸起部分。
采用上述基于EBM与飞秒激光打切一体设备对待成型零件的加工方法，可通过下述步骤实现：
步骤1：成型前将密封成型室3抽成真空状态并通入保护气；
步骤2：根据个性化设计要求设计待成型件的三维模型，分层切片处理，确定适合飞秒激光切割的最佳层数，计算增材制造主要工艺参数，根据计算机内置算法对切片厚度、电子束功率、电子束扫描速度、飞秒激光能量密度、飞秒激光功率等进行分组仿真模拟，得到各组参数对加工质量的影响权值，进一步得到若干组各有侧重的总体较优的工艺参数，将数据传输给中央控制系统1作为原始数据；
步骤3：首先铺粉器13在成型面上铺一次粉，电子枪5灯丝31产生的电子依次通过阳极32、像散线圈33、聚焦线圈34、偏转线圈35形成电子束36，所述电子束36选区扫描金属粉末从而熔化形成一层实体，每成型一层后刮刀即铺一次粉，如此循环十层后，中央控制系统1发出信号，电子枪5停止工作，铺粉器13停止铺粉；实时监测系统监测零件内部结构成型情况、表面成型情况和形状尺寸是否达到理想要求，对比分析步骤2原始数据，进行误差分析；
步骤4：若误差在允许范围内，将目前的工艺参数作为最佳工艺参数；否则进入步骤5；
步骤5：通过比对原始数据找到误差出现的主要区域，进一步补偿对该误差影响权值最大的工艺参数，在数据库中调用更优的工艺参数，确定最终最佳工艺参数；
步骤6：根据实时监测系统记录的成型数据与原始数据的对比结果，实时跟踪反馈系统4控制飞秒激光切割装置开始工作，通过飞秒激光振荡器24、扩束准直镜23、扫描振镜21、聚光透镜22，飞秒激光束移动到零件成型范围，飞秒激光切去分层零件轮廓、腔室、管道、孔洞，并切去成型面凹凸不平的部分；
步骤7：按照最佳工艺参数不断重复加工，直至零件成型完成，并且内部结构性能、表面性能和形状尺寸相关参数接近理想要求且误差在允许的范围之内。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备，其特征在于，包括中央控制系统(1)、电源系统(2)、密封成型室(3)、电子枪(5)、实时监测系统、成型缸(16)、粉缸(10)、粉末输送系统、实时跟踪反馈系统(4)、飞秒激光切割装置；
所述实时监测系统设置于所述密封成型室(3)内，用于检测零件内部结构成型情况、表面成型情况和形状尺寸；
所述中央控制系统(1)分别与电源系统(2)、实时监测系统、实时跟踪反馈系统(4)、粉末输送系统连接；
所述实时跟踪反馈系统(4)分别与所述电子枪(5)、飞秒激光切割装置连接，接受经计算机分析处理后的数据，调节所述电子枪和所述飞秒激光切割装置的输出功率；
所述飞秒激光切割装置用于切割零件分层轮廓及内部复杂结构，并切去成型面的凸起部分；
所述成型缸(16)置于所述密封室(3)下方，所述粉缸(10)置于所述密封室(3)内部上方；
所述粉末输送系统包括粉末暂存缸(12)、可实现双向送粉的铺粉器(13)，粉末(15)从所述粉缸(10)输送至所述粉末暂存缸(12)由粉缸电机(11)通过中央控制系统(1)控制下粉；
所述电子枪(5)、飞秒激光切割装置设置于所述密封室(3)内顶部。
2.根据权利要求1所述的基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备，其特征在于，所述实时监测系统包括电荷耦合式摄像机(25)和热成像仪(26)，用于实时记录加工过程中零件成型质量和粉床上表面的温度场。
3.根据权利要求1所述的基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备，其特征在于，所述飞秒激光切割装置包括依次连接的飞秒激光振荡器(24)、扩束准直镜(23)、扫描振镜(21)、聚光透镜(22)。
4.根据权利要求1所述的基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备，其特征在于，所述密封成型室(3)还包括气体循环净化系统；所述气体循环净化系统包括抽真空装置(7)、氧含量监测及反馈装置、气体循环净化装置(6)，所述气体循环净化装置(6)用于通入保护气体。
5.根据权利要求1－4任一项所述的基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备，其特征在于，所述飞秒激光切割装置作用于一层或多层切片层。
6.一种使用权利要求1～5任一项所述的基于EBM与飞秒激光的打切一体增材设备进行增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：成型前将密封成型室(3)抽成真空状态并通入保护气；
步骤2：设计待成型件的三维模型，分层切片处理，计算增材制造主要工艺参数，并进行参数优化，将数据传输给中央控制系统(1)作为原始数据；
步骤3：首先铺粉器(13)在成型面上铺一次粉，电子枪(5)形成电子束(36)，所述电子束(36)选区扫描金属粉末从而熔化形成一层实体，每成型一层后刮刀即铺一次粉，如此循环十层后，中央控制系统(1)发出信号，电子枪(5)停止工作，铺粉器(13)停止铺粉；实时监测系统监测零件内部结构成型情况、表面成型情况和形状尺寸是否达到理想要求，对比分析步骤2原始数据，进行误差分析；
步骤4：若误差在允许范围内，将目前的工艺参数作为最佳工艺参数；否则进入步骤5；
步骤5：自动补偿工艺参数，确定最终最佳工艺参数；
步骤6：根据实时监测系统记录的成型数据与原始数据的对比结果，实时跟踪反馈系统(4)控制飞秒激光切割装置开始工作，切去分层零件轮廓、腔室、管道、孔洞，并切去成型面凹凸不平的部分；
步骤7：按照最佳工艺参数不断重复加工，直至零件成型完成，并且内部结构性能、表面性能和形状尺寸相关参数接近理想要求且误差在允许的范围之内。
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