CN111992712A - 一种基于激光技术进行复合制造的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光技术进行复合制造的装置，包括密封成型室、惰性保护气源及加工成型平台；惰性保护气源与密封成型室连接；加工成型平台布置在密封成型室内，加工成型平台的正上方布置有光路选取系统；加工成型平台上设有加工位，加工成型平台布置在导轨上，其通过导轨可前后滑动；光路选取系统包括沿导轨方向布置的冲击强化独立激光光路、增材独立激光光路和减材独立激光光路，各独立激光光路不共用设备且布置在加工成型平台的正上方。本发明的装置融合激光冲击强化和激光增减材技术，改善复杂精细增材制件的成型精度、表面质量、组织性能和残余应力状态，实现一站式高效率、高精度、高性能增材制件的制备。

Description

一种基于激光技术进行复合制造的装置
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，涉及一种基于激光技术进行复合制造的装置。
背景技术
激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)是基于材料离散-逐渐累加的方法制造实体零件的激光增材制造技术，其具体以高功率激光为热源，逐层熔融金属粉末，可以直接制造出具有复杂精细结构的零件(加工精度高)，该技术能够实现具有复杂结构的致密材料的快速、无模的近净成型，为复杂、精细结构零件的一体化制备提供新的思路，尤其为航空航天、医疗器械、精密机床、电子通讯等领域中的关键精密零部件的成型提供了一个简单、快速、低成本、绿色化的从粉末到整件的柔性制造技术，具有美好的应用前景。
但是受制于粉末的尺度、粉末粘附和粉末球化、层间台阶效应、激光聚焦光斑尺寸、微裂纹以及受热不均导致的残余拉应力和变形等的影响，SLM成型零件的复杂、精细程度、表面粗糙度、致密度及机械力学综合性能等仍与用户期待有较大差距。
因此，开发一种能够顺利解决SLM成型零件的几何尺寸精度低、表面质量差、残余拉应力大和内部缺陷多等问题进而实现高精度、一体化的近净成型的技术极具现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术SLM成型零件的几何尺寸精度低、表面质量差、残余拉应力大及内部缺陷多的缺陷，进而提供一种实现高精度、一体化的近净成型的制造设备。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于激光技术进行复合制造的装置，包括密封成型室、惰性保护气源、加工成型平台、光路选取系统及控制装置；
所述惰性保护气源与密封成型室连接，为密封成型室提供惰性保护气体；
所述加工成型平台布置在所述密封成型室内，其中光路选取系统布置在所述加工成型平台的上方；
所述加工成型平台上设有加工位，加工成型平台布置在导轨上，其通过所述导轨可前后滑动(加工成型平台的具体运动形式不限，可以将导轨设为传送带，也可将导轨设为铁轨，通过加工成型平台下布置的车轮实现加工成型平台的前后滑动)；
所述光路选取系统布置在加工成型平台的正上方，其包括相互平行且沿导轨方向布置的冲击强化独立激光光路、增材独立激光光路和减材独立激光光路这三条独立激光光路，每条独立激光光路包括一套依次排布的激光器、扩束镜及扫描振镜，各独立激光光路不共用设备；
所述控制装置分别与惰性保护气源、加工成型平台及光路选取系统电信号连接，控制装置可控制惰性保护气源使得密封成型室内充满惰性保护气体，而后根据需求通过导轨滑动加工成型平台使得加工位对准所需的独立激光光路并控制光路选取系统加工部件，重复该操作直至部件加工完成即可。
其中控制装置的具体操作步骤如下：
(1)获取待制造零件的三维数模，利用软件(如CAD软件、CAM软件及其他具有类似功能的模型制作软件)对待制造零件的三维数模进行切片分层处理，获取逐层切片层的轮廓数据，并生成待制造零件的构造参数，所述构造参数包括激光增材加工参数、激光冲击强化参数和激光减材加工参数；
(2)开启惰性保护气源使得密封成型室处于惰性保护气体的保护下；
(3)控制增材激光器按照激光增材加工参数在成型缸内开始对待制造零件的激光增材加工，在激光增材制造时，粉料缸(粉料缸内的粉末材料为可以通过选区激光熔化进行增材制造加工的粉末，包括但不限于金属粉末、陶瓷粉末，及其混合粉末)上升一定高度，成型缸下降一个片层厚度，通过铺粉刷的运动使粉料缸的粉末平铺在成型缸的基板上，根据切片信息和构造参数控制激光束进行选择性地熔化铺设的粉料，并凝固形成零件的一个片层，即完成一个片层的激光增材加工工作，重复以上步骤，完成所有n层激光增材加工即完成待制造零件的激光增材加工；
(4)完成待制造零件的激光增材加工后，通过导轨移动加工成型平台将成型缸移至冲击强化独立激光光路的正下方，控制冲击强化激光器按照激光冲击强化参数对片层上表面进行激光冲击强化加工；
(5)完成待制造零件的激光冲击强化加工后，通过导轨移动加工成型平台将成型缸移至减材独立激光光路的正下方，控制减材激光器按照激光减材参数进行超快脉冲激光减材加工，对已成型的n层片层的轮廓边缘和/或需减材加工成精细结构的特征区域进行扫描，去除粉末粘附、台阶效应等多余材料；
(6)反复步骤(3)～(5)直至待制造零件的所有片层加工完成，即完成待制造零件的加工工作。
本发明的基于激光技术进行复合制造的装置，同时采用激光冲击强化和激光增减材进行复合制造，其相比于传统激光增材制造或激光增减材制造，具有一体化、高精度、非接触、热影响区小、组织致密、无缺陷和残余压应力高等突出优点。本发明应用了激光冲击强化技术，对表面进行强化，能够获得残余压应力、较细的表层显微组织和较高的表面质量，可以提高抗疲劳、耐磨和抗应力腐蚀等性能，同时，对于增材制造金属零件来说，该强化手段可以有效地消除零件内部的孔洞、缩松、微裂纹等内部缺陷，从而提高金属零件的机械力学综合性能；其有机融合激光选区熔化技术、激光冲击强化技术和超快激光减材技术，在激光粉末床逐层增材制造的过程中，交替利用冲击强化激光和超快脉冲激光对已成型零件片层的表面和边缘轮廓及其它选定区域进行冲击强化和减材加工，逐层叠加后形成致密、复杂、精细结构(零件带有内部的空腔、深槽、深孔和管路等特征)，同时提升零件表面的光洁度、尺寸精度和组织性能，克服激光增材制造技术成型精度低、粗糙度过高、残余拉应力大和内部缺陷多等难题。
本发明的装置设计精巧，每个加工工艺均配备有独立激光光路，相比于现有技术常用的共用设备(激光器)，不仅能够显著提高加工精度，而且独立激光光路能够提高光路的稳定性，能够提高加工的稳定性，极具应用前景。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，所述冲击强化独立激光光路包括冲击强化激光器、冲击强化光路扩束镜及冲击强化光路扫描振镜；
所述增材独立激光光路包括增材激光器、增材光路扩束镜及增材光路扫描振镜；
所述减材独立激光光路包括减材激光器、减材光路扩束镜及减材光路扫描振镜。
如上所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，所述控制装置分别与冲击强化激光器、增材激光器及减材激光器连接。
在进行激光增材加工时，控制装置控制增材激光器输出激光光束，通过增材光路扩束镜及增材光路扫描振镜向加工成型平台上的对应加工位内输送加工激光束进行增材加工；
在进行激光冲击强化加工时，控制装置控制冲击强化激光器输出激光光束，通过冲击强化光路扩束镜及冲击强化光路扫描振镜向加工成型平台上的对应加工位内输送加工激光束进行冲击强化加工；
在进行激光减材加工时，控制装置控制减材激光器输出激光光束，通过减材光路扩束镜及减材光路扫描振镜向加工成型平台上的对应加工位内输送加工激光束进行减材加工。
如上所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，所述冲击强化激光器发出的激光束为脉冲激光，其波长为1064nm，脉冲频率为1～10Hz，脉冲宽度为5～20ns，光斑直径为0.1～3mm，单脉冲能量为1～30J；
所述增材激光器发出的激光束为连续激光，其波长为1064nm，功率为100～1000W，光斑直径为50～200μm，扫描速度为50～2000mm/s；
所述减材激光器发出的激光束为皮秒脉冲激光束或飞秒脉冲激光束；
皮秒脉冲激光束的参数为：脉宽为13ps，频率为1～2MHz，功率为0～180W，扫描速度为1～10mm/s，波长为1030nm；
飞秒脉冲激光束的参数为：脉宽为190fs～10ps，频率为1kHz～1MkHz，功率为0～20W，扫描速度1～10mm/s，波长为1030nm。其中减材激光器功率需要根据实际工艺要求进行选择，过高的激光功率会导致激光光斑能量过大，造成明显的热效应并影响材料性能，而过低的激光功率会造成激光光斑能量不足，无法达到切除表面多余材料提高表面质量的目的。本发明中各类激光器发出激光的参数并不仅限于此，本领域技术人员可根据加工的实际需求在一定范围内进行调整。
如上所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，所述加工成型平台包括加工平台面、粉料缸、成型缸、粉料收集缸和铺粉刷；
所述粉料缸、成型缸、粉料收集缸布置在所述加工平台面上；
成型缸为所述加工位，成型缸内布置有基板，所述基板可在竖直方向上运动；
所述铺粉刷布置在所述加工平台面的上方，用于将粉料缸内的粉料铺到成形缸中的基板上并将多余粉料推至粉料收集缸内。
如上所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，所述控制装置分别与铺粉刷、成型缸及粉料缸连接。
如上所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，所述控制装置为计算机。
如上所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，所述基于激光技术进行复合制造的装置制得的零件的粗糙度可达Ra 6.3μm，加工精度可达10μm。
有益效果：
(1)本发明的基于激光技术进行复合制造的装置，在激光增材加工过程中，同步利用激光冲击强化技术逐层改善零件片层的组织形貌及应力状态，实现对选取激光熔化后零件内部组织和残余应力的调控，有效地抑制粗大组织和残余拉应力的形成，消除内部气孔和微裂纹等缺陷，从而提高零件的综合力学性能；
(2)本发明的基于激光技术进行复合制造的装置，在激光增材加工过程中，同步利用超快激光减材技术可以逐层消除台阶效应，逐层剥离轮廓边缘的片层台阶和粘附粉末等多余材料，去除层内选定区域的局部材料并在逐层叠加后形成连续的复杂、精细内腔，可以有效地同步去除部分支撑材料；
(3)本发明的基于激光技术进行复合制造的装置，有机融合激光选区熔化技术、激光冲击强化技术和超快激光减材技术，可以改善复杂精细增材制件的成型精度、表面质量、组织性能和残余应力状态，克服了无法对于带有封闭空腔、深槽深孔、多道毛细管路等精细结构的复杂、精细零件进行后续处理的技术难题，最终实现一站式高效率、高精度、高性能增材制件的制备，同时在同一装置中完成三种工艺过程，很大程度上提高了加工效率和减少了后处理成本；
(4)本发明的基于激光技术进行复合制造的装置，设计精巧，每个加工工艺均配备有独立激光光路，相比于现有技术常用的共用设备(激光器)，不仅能够显著提高加工精度，而且独立激光光路能够提高光路的稳定性，能够提高加工的稳定性，极具应用前景。
附图说明
图1为本发明的基于激光技术进行复合制造的装置的示意图；
图2为传统激光选区熔化成型技术制得的316不锈钢毛细管(a)与采用本发明的装置制得316不锈钢毛细管(b)的实体剖视图的对比示意图；
其中，1-惰性保护气源，2-密封成型室，3-光路选取系统，4-导轨，5-加工成型平台，6-待制造零件，7-控制装置，301-增材激光器，302-增材光路扩束镜，303-增材光路扫描振镜，304-冲击强化激光器，305-冲击强化光路扩束镜，306-冲击强化光路扫描振镜，307-减材激光器，308-减材光路扩束镜，309-减材光路扫描振镜，501-粉料收集缸，502-成型缸，503-基板，504-粉料缸，505-铺粉刷。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述，以制造316不锈钢毛细管为例。
一种基于激光技术进行复合制造的装置，如图1所示，包括密封成型室2、惰性保护气源1、加工成型平台5、光路选取系统3及控制装置7(计算机)；
惰性保护气源1与密封成型室2连接，为密封成型室2提供惰性保护气体；
加工成型平台5布置在密封成型室2内，其中光路选取系统3布置在加工成型平台5的上方；
加工成型平台5包括加工平台面、粉料缸504、成型缸502(即加工位)、粉料收集缸501和铺粉刷505；
粉料缸504、成型缸502、粉料收集缸501布置在加工平台面上，成型缸502内布置有可在竖直方向上运动的基板503，铺粉刷505布置在加工平台面的上方，用于将粉料缸504内的粉料铺到成形缸中的基板503上并将多余粉料推至粉料收集缸501内；
加工成型平台5下设有导轨4，其通过导轨4可前后滑动；
光路选取系统3布置在加工成型平台5的正上方，其包括相互平行且沿导轨方向依次布置的的增材独立激光光路、冲击强化独立激光光路和减材独立激光光路这三条独立激光光路，其中增材独立激光光路包括增材激光器301、增材光路扩束镜302及增材光路扫描振镜303，冲击强化独立激光光路包括冲击强化激光器304、冲击强化光路扩束镜305及冲击强化光路扫描振镜306，减材独立激光光路包括减材激光器307、减材光路扩束镜308及减材光路扫描振镜309；
其中，增材激光器发出的激光束为连续激光，其波长为1064nm，功率为100～1000W，光斑直径为50～200μm，扫描速度为50～2000mm/s；
冲击强化激光器发出的激光束为脉冲激光，其波长为1064nm，脉冲频率为1～10Hz，脉冲宽度为5～20ns，光斑直径为0.1～3mm，单脉冲能量为1～30J；
减材激光器发出的激光束为皮秒脉冲激光束或飞秒脉冲激光束；
皮秒脉冲激光束的参数为：脉宽为13ps，频率为1～2MHz，功率为0～180W，扫描速度为1～10mm/s，波长为1030nm；
飞秒脉冲激光束的参数为：脉宽为190fs～10ps，频率为1kHz～1MkHz，功率为0～20W，扫描速度1～10mm/s，波长为1030nm；
控制装置7分别与导轨4、惰性保护气源1、铺粉刷505、成型缸502、粉料缸504、冲击强化激光器304、增材激光器301及减材激光器303电信号连接，控制装置可控制惰性保护气源使得密封成型室内充满惰性保护气体，而后根据需求通过导轨滑动加工成型平台使得加工位对准所需的独立激光光路并控制光路选取系统加工部件，重复该操作直至部件加工完成即可.
其中控制装置加工零件的具体步骤如下：
(1)获取待制造零件4(即316不锈钢毛细管)的三维数模，利用CAD软件和CAM软件对待制造零件的三维数模进行切片分层处理，获取逐层切片层的轮廓数据，并生成待制造零件的构造参数，所述构造参数包括激光增材加工参数、激光冲击强化参数和激光减材加工参数；
(2)开启惰性保护气源使得密封成型室处于惰性保护气体的保护下；
(3)控制增材激光器按照激光增材加工参数在成型缸内开始对待制造零件的激光增材加工，其中粉料缸内的粉料为粒径在15～53μm的近球形316不锈钢粉末，进行激光增材加工的过程具体为：粉料缸502上升一定高度，成型缸502的基板503下降一个片层厚度，通过铺粉刷505的运动使316不锈钢的粉末平铺在成型缸的基板503上，多余的粉末被收集于粉料收集缸501中，而后根据切片信息和构造参数控制扫描振镜303进行选择性地熔化铺设的粉料，当熔化凝固成型完熔覆层后，再继续铺粉和选区熔化构造熔融层，当构造完2～5层片层后，关闭增材激光器301；
(4)完成待制造零件的激光增材加工后，控制加工成型平台5沿着导轨4滑动直至成型缸移至冲击强化独立激光光路的正下方，控制冲击强化激光器按照激光冲击强化参数对片层上表面进行激光冲击强化加工，此时高能量脉冲激光与材料作用产生高温、高压的等离子体，形成高强度压力冲击波，导致工件表面发生超高应变率塑性形变，形成有益的残余压应力，抵消材料由于不均温度场导致的内部拉应力，闭合熔融层内部的微观裂纹和气孔等缺陷，并且击碎原始的粗大晶粒，使组织得到明显细化，并且可以通过调整激光冲击强化的工艺参数，达到调控和提高材料组织和力学性能的目的；
(5)完成待制造零件的激光冲击强化加工后，控制加工成型平台5沿着导轨4滑动直至将成型缸移至减材独立激光光路的正下方，控制减材激光器按照激光减材参数进行超快脉冲激光减材加工，激光减材加工具体为：对基板503上已熔覆层的轮廓边缘或需减材加工成精细结构的选定特征区域(精细结构有零件内部的空腔、深槽、深孔和复杂毛细管路等)进行减材扫描，扫描次数为1～2次，消除轮廓边缘及选定特征区域的多余材料，提高零件表面质量和尺寸精度，以及实现零件精细结构的成形；
(6)反复步骤(3)～(5)直至待制造零件的所有片层加工完成，即完成待制造零件的加工工作，已成型316不锈钢毛细管的剖视图如图2b所示；
制得的316不锈钢毛细管的粗糙度可达Ra 6.3μm，加工精度可达10μm，通过与传统激光选区熔化成型技术制得的316不锈钢毛细管进行比较后，可以发现，采用本发明的装置制得的316不锈钢毛细管内无粉末球化团残留且光滑度好，产品质量远优于传统激光选区熔化成型技术制得的316不锈钢毛细管(如图2a所示)，本发明的装置能够提高零件的加工精度和表面质量，制得产品内部组织致密，能够有效抑制残余拉应力的形成，显著提升产品的综合力学性能。
经验证，本发明的基于激光技术进行复合制造的装置，在激光增材加工过程中，同步利用激光冲击强化技术逐层改善零件片层的组织形貌及应力状态，实现对选取激光熔化后零件内部组织和残余应力的调控，有效地抑制粗大组织和残余拉应力的形成，消除内部气孔和微裂纹等缺陷，从而提高零件的综合力学性能；在激光增材加工过程中，同步利用超快激光减材技术可以逐层消除台阶效应，逐层剥离轮廓边缘的片层台阶和粘附粉末等多余材料，去除层内选定区域的局部材料并在逐层叠加后形成连续的复杂、精细内腔，可以有效地同步去除部分支撑材料；有机融合激光选区熔化技术、激光冲击强化技术和超快激光减材技术，可以改善复杂精细增材制件的成型精度、表面质量、组织性能和残余应力状态，克服了无法对于带有封闭空腔、深槽深孔、多道毛细管路等精细结构的复杂、精细零件进行后续处理的技术难题，最终实现一站式高效率、高精度、高性能增材制件的制备，同时在同一装置中完成三种工艺过程，很大程度上提高了加工效率和减少了后处理成本；设计精巧，每个加工工艺均配备有独立激光光路，相比于现有技术常用的共用设备(激光器)，不仅能够显著提高加工精度，而且独立激光光路能够提高光路的稳定性，能够提高加工的稳定性，极具应用前景。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims (8)

1.一种基于激光技术进行复合制造的装置，其特征在于，包括密封成型室、惰性保护气源、加工成型平台、光路选取系统及控制装置；
所述惰性保护气源与密封成型室连接，为密封成型室提供惰性保护气体；
所述加工成型平台布置在所述密封成型室内，其中光路选取系统布置在所述加工成型平台的上方；
所述加工成型平台上设有加工位，加工成型平台布置在导轨上，其通过所述导轨可前后滑动；
所述光路选取系统布置在加工成型平台的正上方，其包括相互平行且沿导轨方向布置的冲击强化独立激光光路、增材独立激光光路和减材独立激光光路这三条独立激光光路，每条独立激光光路包括一套依次排布的激光器、扩束镜及扫描振镜，各独立激光光路不共用设备；
所述控制装置分别与惰性保护气源、加工成型平台及光路选取系统电信号连接，控制装置可控制惰性保护气源使得密封成型室内充满惰性保护气体，而后根据需求通过导轨滑动加工成型平台使得加工位对准所需的独立激光光路并控制光路选取系统加工部件，重复该操作直至部件加工完成即可。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，其特征在于，所述冲击强化独立激光光路包括冲击强化激光器、冲击强化光路扩束镜及冲击强化光路扫描振镜；
所述增材独立激光光路包括增材激光器、增材光路扩束镜及增材光路扫描振镜；
所述减材独立激光光路包括减材激光器、减材光路扩束镜及减材光路扫描振镜。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，其特征在于，所述控制装置分别与冲击强化激光器、增材激光器及减材激光器连接。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，其特征在于，所述冲击强化激光器发出的激光束为脉冲激光，其波长为1064nm，脉冲频率为1～10Hz，脉冲宽度为5～20ns，光斑直径为0.1～3mm，单脉冲能量为1～30J；
所述增材激光器发出的激光束为连续激光，其波长为1064nm，功率为100～1000W，光斑直径为50～200μm，扫描速度为50～2000mm/s；
所述减材激光器发出的激光束为皮秒脉冲激光束或飞秒脉冲激光束；
皮秒脉冲激光束的参数为：脉宽为13ps，频率为1～2MHz，功率为0～180W，扫描速度为1～10mm/s，波长为1030nm；
飞秒脉冲激光束的参数为：脉宽为190fs～10ps，频率为1kHz～1MkHz，功率为0～20W，扫描速度1～10mm/s，波长为1030nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，其特征在于，所述加工成型平台包括加工平台面、粉料缸、成型缸、粉料收集缸和铺粉刷；
所述粉料缸、成型缸、粉料收集缸布置在所述加工平台面上；
成型缸为所述加工位，成型缸内布置有基板，所述基板可在竖直方向上运动；
所述铺粉刷布置在所述加工平台面的上方，用于将粉料缸内的粉料铺到成形缸中的基板上并将多余粉料推至粉料收集缸内。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，其特征在于，所述控制装置分别与铺粉刷、成型缸及粉料缸连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，其特征在于，所述控制装置为计算机。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光技术进行复合制造的装置，其特征在于，所述基于激光技术进行复合制造的装置制得的零件的粗糙度可达Ra6.3μm，加工精度可达10μm。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113102894A (zh) * 2021-03-19 2021-07-13 新代科技(苏州)有限公司 基于轴向和振镜联动的双头激光标刻装置
CN113976925A (zh) * 2021-10-14 2022-01-28 华中科技大学 激光选区熔化和激光冲击强化复合的增材制造设备和方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017143789A1 (zh) * 2016-02-23 2017-08-31 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种激光增减材复合制造的方法与装置
CN108746616A (zh) * 2018-06-15 2018-11-06 广东工业大学 一种同轴送粉与激光锻打复合增减材制造方法及装置
CN108907196A (zh) * 2018-09-03 2018-11-30 江苏典悦三维科技有限公司 激光增减材复合制造装置及方法
US20190047050A1 (en) * 2017-06-05 2019-02-14 Guangdong University Of Technology Method for composite additive manufacturing with dual-laser beams for laser melting and laser shock
CN109434110A (zh) * 2018-12-26 2019-03-08 合肥华脉激光科技有限公司 一种等离子熔覆与激光锻打复合增减材制造方法及装置
CN110369725A (zh) * 2019-08-02 2019-10-25 上海工程技术大学 基于激光增减材复合制造精细工件的近净成形方法及装置
CN110976869A (zh) * 2019-12-25 2020-04-10 长安大学 一种零件增材复合制造装置及方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017143789A1 (zh) * 2016-02-23 2017-08-31 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种激光增减材复合制造的方法与装置
US20190047050A1 (en) * 2017-06-05 2019-02-14 Guangdong University Of Technology Method for composite additive manufacturing with dual-laser beams for laser melting and laser shock
CN108746616A (zh) * 2018-06-15 2018-11-06 广东工业大学 一种同轴送粉与激光锻打复合增减材制造方法及装置
CN108907196A (zh) * 2018-09-03 2018-11-30 江苏典悦三维科技有限公司 激光增减材复合制造装置及方法
CN109434110A (zh) * 2018-12-26 2019-03-08 合肥华脉激光科技有限公司 一种等离子熔覆与激光锻打复合增减材制造方法及装置
CN110369725A (zh) * 2019-08-02 2019-10-25 上海工程技术大学 基于激光增减材复合制造精细工件的近净成形方法及装置
CN110976869A (zh) * 2019-12-25 2020-04-10 长安大学 一种零件增材复合制造装置及方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113102894A (zh) * 2021-03-19 2021-07-13 新代科技(苏州)有限公司 基于轴向和振镜联动的双头激光标刻装置
CN113976925A (zh) * 2021-10-14 2022-01-28 华中科技大学 激光选区熔化和激光冲击强化复合的增材制造设备和方法

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