CN112276081A - 一种兼顾成形效率和成形质量的双光束slm成形方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于先进制造技术领域，并具体公开了一种兼顾成形效率和成形质量的双光束SLM成形方法及系统，其利用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束实现金属零部件的高精度成形，利用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束实现金属零部件的高效率成形，以此实现金属零部件的高效率高质量的SLM成形。本发明可实现高效率成形区域与高精度成形区域的紧密冶金结合，并有效抑制不充分熔合、大颗粒夹杂等内部冶金缺陷的形成，显著降低成形材料的残余应力，实现金属零部件的高效率高质量SLM成形。

Description

一种兼顾成形效率和成形质量的双光束SLM成形方法及系统

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，更具体地，涉及一种兼顾成形效率和成形质量的双光束SLM成形方法及系统。

背景技术

激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是现阶段主流的金属3D打印技术，它采用扫描振镜驱动高能量密度激光束，根据零件二维切片数据对逐层预铺的金属粉末床施加选择性熔化与堆积，实现各类复杂金属零部件的无模化、短周期、近净成形。

然而，现有SLM技术通常采用中/低功率(≤1000W)、中/小光斑(≤200μm)激光束，存在以下不足：1)扫描速度、扫描间距、分层厚度等重要参数的选择相互制约，严重限制了金属零部件的成形效率(一般仅为5-40cm³/h)；2)激光作用区域温度梯度极高，大幅面成形时易产生显著的熔滴飞溅与熔体堆高现象，降低过程稳定性并诱发不充分熔合、大颗粒夹杂等内部冶金缺陷；3)成形材料在高温度梯度驱使下形成极高的残余应力，控制不当易造成零件变形甚至开裂。上述问题严重制约了SLM技术在工业领域的大规模应用。

为提升成形效率，国内外研究机构近期相继提出了一种双光束SLM成形新方法，该方法同时采用输出功率与光斑尺寸不同的两束激光进行金属零部件的成形。其中，一束激光为传统的中/低功率(≤1000W)、中/小光斑(≤200μm)激光束，用于高精度成形；另一束激光为高功率(>1000W)、大光斑(>200μm)激光束，用于高效率成形，两束激光相互配合，有望在确保成形精度的前提下，大幅提升成形效率。然而，由于所采用的高功率激光束的能量分布模式一般为高斯基态或者常规多模态，大幅面加工时的熔滴飞溅与熔体堆高现象更加明显，残余应力更高，致使高功率激光成形区域的冶金质量和外形尺寸难以控制。特别是由于多模高功率激光束作用区域边缘温度下降显著，无法确保粉末完全熔化，导致高功率激光成形区域和中/低功率激光成形区域之间经常难以形成有效的冶金结合。

因此，开发一种能够兼顾成形效率与成形质量的双光束SLM新方法及系统，具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种兼顾成形效率和成形质量的双光束SLM成形方法及系统，旨在解决现有SLM技术成形金属零部件时普遍存在的成形效率偏低、零件内部冶金缺陷难以控制、零件易变形开裂的难题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种兼顾成形效率和成形质量的双光束SLM成形方法，其利用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束实现金属零部件的高精度成形，利用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束实现金属零部件的高效率成形，以此实现兼顾成形效率和成形质量的双光束SLM成形。

作为进一步优选的，包括以下步骤：

1)确定待成形金属零部件的高精度成形区域和高效率成形区域，并对该金属零部件的三维模型进行切片处理，获得各切片层的切片信息；

2)根据切片层的切片信息完成当前层的激光选区熔化成形：

若切片层仅包含高精度成形区域，则采用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束完成该层的激光选区熔化成形；

若切片层仅包含高效率成形区域，则采用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束完成该层的激光选区熔化成形；

若切片层同时包含高精度成形区域和高效率成形区域，则采用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束成形高精度成形区域，采用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束成形高效率成形区域；

3)重复步骤2)完成所有切片层的激光选区熔化成形，以此实现金属零部件的高效率高质量的SLM成形。

作为进一步优选的，低功率、小光斑激光束的功率＜500W，光斑直径＜100μm。

作为进一步优选的，中功率、中光斑激光束的功率为500W～1000W，光斑直径100μm～200μm。

作为进一步优选的，高功率、大光斑激光束的功率＞1000W，优选为2000W～6000W，光斑直径＞200μm，优选为500μm～1000μm。

作为进一步优选的，所述中/低功率、中/小光斑激光束与所述高功率、大光斑激光束搭配构成一组激光束组合，所述激光束组合为一组或多组。

按照本发明的另一方面，提供了一种兼顾成形效率和质量的双光束SLM成形系统，该成形系统包括一组或多组成形单元，所述成形单元包括高精度成形模块和高效率成形模块，其中，所述高精度成形模块利用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束实现金属零部件的高精度成形，所述高效率成形模块利用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束实现金属零部件的高效率成形，以此实现兼顾成形效率和质量的双光束SLM成形。

作为进一步优选的，低功率小光斑激光束的功率＜500W，光斑直径＜100μm。

作为进一步优选的，中功率中光斑激光束的功率为500W～1000W，光斑直径100μm～200μm。

作为进一步优选的，高功率大光斑激光束的功率＞1000W，优选为2000W～6000W，光斑直径＞200μm，优选为500μm～1000μm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明采用能量分布模式为环形或平顶的高功率、大光斑激光束进行高效率SLM成形，使得高功率激光作用区域的温度分布较为均匀(即温度梯度大幅降低)，不仅能够减弱熔滴飞溅与熔体堆高现象，从而有效抑制高功率激光SLM成形时不充分熔合、大颗粒夹杂等内部冶金缺陷的形成，还能显著降低高功率激光成形区域的残余应力，更好地防止零件发生变形开裂。

2.本发明的高功率、大光斑激光束采用环形/平顶模式，使得激光束作用区域的温度分布较为均匀，从而保证了作用区域边缘金属粉末的充分熔化，使得高功率激光成形区域和中/低功率激光成形区域之间形成紧密的冶金结合。

3.本发明通过高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束搭配环形/平顶模式的高功率、大光斑激光束，可利用高功率激光束提高成形效率并防止内部冶金缺陷生成和零件变形开裂，利用中/低功率激光束提高成形精度，以此实现成形效率和成形质量的兼顾。

4.本发明还对激光束的功率及光斑尺寸进行了研究与设计，获得较佳工艺，通过特殊能量分布模式的激光束搭配上述较佳工艺，可实现金属零部件的高效率、高质量的SLM成形。

附图说明

图1是本发明实施例提供的兼顾成形效率和成形质量的双光束SLM成形方法的流程图；

图2是本发明所采用的高斯模式中/低功率、中/小光斑激光束的能量密度分布和光斑形状示意图；

图3是本发明所采用的环形模式高功率、大光斑激光束的能量密度分布和光斑形状示意图；

图4是本发明所采用的平顶模式高功率、大光斑激光束的能量密度分布和光斑形状示意图；

图5是实施例5对应的一种加工情况示意图；

图6是实施例6对应的一种加工情况示意图。

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。

本发明提出的一种兼顾成形效率和成形质量的双光束SLM成形方法，其基本原理是利用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束(即中低率中光斑激光束或低功率小光斑激光束)实现金属零部件的高精度成形，利用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束实现金属零部件的高效率成形，以此保证高精度成形区域与高效率成形区域间形成有效的冶金结合，并避免内部冶金缺陷生成和变形开裂，实现金属零部件的高效率高质量的SLM成形。

如图1所示，本发明的兼顾成形效率和成形质量的双光束SLM成形方法，具体包括以下步骤：

1)将待成形的金属零部件的三维模型划分为高精度成形区域和高效率成形区域，对该三维模型进行切片处理，获得各切片层的切片信息；

2)根据切片层的切片信息完成当前层的激光选区熔化成形：

若切片层仅包含高精度成形区域，则采用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束完成该层的激光选区熔化成形；

若切片层仅包含高效率成形区域，则采用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束完成该层的激光选区熔化成形；

若切片层同时包含高精度成形区域和高效率成形区域，则采用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束成形高精度成形区域，采用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束成形高效率成形区域；

3)重复步骤2)完成所有切片层的激光选区熔化成形，以此实现金属零部件的高效率高质量的SLM成形。

具体的，高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束如图2所示，光斑为圆形，光强在圆心处最强，并以高斯分布的形式沿边缘方向逐渐减弱；其中，低功率、小光斑激光束的功率＜500W，光斑直径＜100μm，在上述工艺下，SLM成形精度极高，但效率较低。中功率、中光斑激光束的功率为500W～1000W，光斑直径100μm～200μm，在上述工艺下，SLM成形精度尽管有所降低，但依然维持较高水平，且成形效率有所提升。环形模式的高功率、大光斑激光束如图3所示，其光斑为环形，光强在光斑中心位置较低，并随着向边缘方向延伸而先增大后减小，功率＞1000W，优选为2000W～6000W，光斑直径＞200μm，优选为500μm～1000μm，在上述工艺下，SLM成形精度较低，但成形效率极高。平顶模式的高功率、大光斑激光束如图4所示，其光斑为圆形，光斑内部各处的光强基本相等，功率＞1000W，优选为2000W～6000W，光斑直径＞200μm，优选为500μm～1000μm，在上述工艺下，SLM成形精度较低，但成形效率极高。本发明通过高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束结合环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束，不仅可有效利用中/低功率激光束的高精度成形优势及高功率激光束的高效率成形优势，实现兼顾成形效率和成形精度的SLM成形，同时还可以减弱熔滴飞溅与熔体堆高现象，从而抑制高功率激光SLM成形时不充分熔合、大颗粒夹杂等内部冶金缺陷的形成，此外，还可以保证高功率激光作用区域边缘金属粉末的充分熔化，使得高功率激光成形区域和中/低功率激光成形区域之间形成紧密的冶金结合。

如背景技术所述，高斯模式激光束与金属粉末相互作用时，激光作用区域温度梯度极高，不仅易产生熔滴飞溅与熔体堆高现象，降低过程稳定性并诱发冶金缺陷，还会形成极高的残余应力，造成零件变形甚至开裂。相比之下，本发明采用环形/平顶模式激光束辐照金属粉末床时，激光作用区域的温度分布较为均匀，即激光作用区域温度梯度显著下降。因此，采用环形/平顶模式高功率激光束能够提升成形过程稳定性，并抑制冶金缺陷形成和零件变形开裂。其中，环形模式激光束作用区域的温度分布相较平顶模式激光束作用区域的温度分布更加均匀，因此对于成形质量的提升效果更加显著，因此可优选采用环形模式高功率激光束。

本发明中的中/低功率、中/小光斑激光束与高功率、大光斑激光束搭配构成一组激光束组合，该激光束组合为一组或多组，即可以只有一束中/低功率、中/小光斑激光束和一束高功率、大光斑激光束，通过两束激光的配合实现金属零部件的高质量高效率SLM成形。或者中/低功率、中/小光斑激光束和高功率、大光斑激光束均为多束，且两者之间两两配合，以形成多组“中/低功率、中/小光斑激光束-高功率、大光斑激光束”组合，由此可通过多组激光束组合的并行成形，在确保成形质量的前提下进一步增大成形效率和成形幅面。

基于上述成形方法，本发明还提供了配套的成形系统，该成形系统包括一组或多组成形单元，成形单元包括高精度成形模块和高效率成形模块，其中，高精度成形模块利用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束实现金属零部件的高精度SLM成形；高效率成形模块利用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束实现金属零部件的高效率SLM成形，以此使得高精度成形区域与高效率成形区域间形成有效的冶金结合，并避免内部冶金缺陷生成和变形开裂，实现金属零部件的高效率高质量的SLM成形。

本发明采用一组成形单元即可实现金属零部件的SLM成形；同时，也可以采用多组成形单元对金属零部件进行多区块的并行SLM成形；例如，采用M组成形单元(M≥2)时，可将每一层金属粉末床都分为N个区块(M≥N≥2)，一个区块最多对应K组成形单元(K＝M-N+1)，通过多组成形单元的同步动作对金属粉末床施加并行的激光选区熔化，在确保成形质量的前提下进一步增大成形效率和成形幅面。

本发明中的高精度成形区域指的是利用中/低功率、中/小光斑激光束成形的区域，高效率成形区域指的是利用高功率、大光斑激光束成形的区域。具体而言，高功率、大光斑激光束可以用于加工对成形精度无具体要求或允许后续机加工的，且可以采用高功率激光加工的区域，这些区域即为高效率成形区域，对于这些区域采用高功率、大光斑激光束进行SLM成形，可提高成形效率。中/低功率、中/小光斑激光束可以用于成形难以采用高功率激光加工的区域(如精度要求高的区域、不允许后续机加工的区域、壁厚小于高功率激光束光斑直径的区域等)，这些区域即为高精度成形区域，对于这些区域采用中/低功率、中/小光斑的激光束进行SLM成形，可有效保证成形精度。各成形区域具体采用哪种功率和光斑的激光束进行成形，即具体采用高功率、大光斑激光束成形还是采用中/低功率、中/小光斑激光束成形，可根据实际加工需要进行设定，本发明不做具体限定，均在保护范围内。

以下为本发明的实施例：

实施例1

本实施例以TC4钛合金预旋喷嘴的加工为例，对本发明的成形方法进行说明，具体步骤为：

(1)将预旋喷嘴的数模划分为高精度成形区域和高效率成形区域，并对数模进行切片处理，获得S层切片层信息(S≥2)；其中，高精度成形区域为喷嘴，该区域精度要求高，且难以进行后续机加工；其余区域可采用高功率激光束成形，且精度要求低，允许后续机加工，故设为高效率成形区域；

(2)根据第1层切片信息对金属粉末床施加激光选区熔化：

若切片层仅包含高精度成形区域，则采用图2所示的1束能量分布呈高斯模式的低功率、小光斑激光束成形，其中，激光功率为400W、光斑直径为70μm；

若切片层仅包含高效率成形区域，则采用图3所述的1束能量分布呈环形模式的高功率、大光斑激光束成形，其中，激光功率为4000W、光斑直径为550μm；

若切片层同时包含高精度成形区域和高效率成形区域，则采用图2所示的1束高斯模式的低功率、小光斑激光束成形高精度成形区域，采用图3所示的1束环形模式的高功率、大光斑激光束成形高效率成形区域；其中，高斯模式激光的功率为400W、光斑直径为70μm；环形或平顶模式激光的功率为4000W、光斑直径为550μm；

(3)按照(2)的方式完成后续S-1个切片层的激光选区熔化，实现TC4钛合金预旋喷嘴的高效率、高质量SLM成形。

实施例2

本实施例以AlSi10Mg铝合金曲面液冷冷板的加工为例，对本发明的成形方法进行说明，具体步骤为：

(1)将液冷冷板的数模划分为高精度成形区域和高效率成形区域，并对数模进行切片处理，获得S层切片层信息(S≥2)，其中，高精度成形区域为冷板的天线预装面，该区域尺寸精度要求高，且难以进行后续机加工；其余区域可采用高功率激光束成形，且精度要求低，允许后续机加工，故设为高效率成形区域；

(2)根据第1层切片信息对金属粉末床施加激光选区熔化：

若切片层仅包含高精度成形区域，则采用图2所示的1束能量分布呈高斯模式的低功率、小光斑激光束成形，其中，激光功率为200W、光斑直径为50μm；

若切片层仅包含高效率成形区域，则采用图4所示的1束能量分布呈平顶模式的高功率、大光斑激光束成形，其中，激光功率为6000W、光斑直径为800μm；

若切片层同时包含高精度成形区域和高效率成形区域，则采用图2所示的1束高斯模式的低功率、小光斑激光束成形高精度成形区域，采用图4所示的1束环形/平顶模式的高功率、大光斑激光束成形高效率成形区域，其中，高斯模式激光的功率为200W、光斑直径为50μm，平顶模式激光的功率为6000W、光斑直径为800μm；

(3)按照(2)的方式完成后续S-1个切片层的激光选区熔化，实现AlSi10Mg铝合金曲面液冷冷板的高效率、高质量SLM成形。

实施例3

本实施例以GH4169镍基高温合金航空发动机舱段的加工为例，对本发明的成形方法进行说明，具体步骤为：

(1)将发动机舱段的数模划分为高精度成形区域和高效率成形区域，并对数模进行切片处理，获得S层切片层信息(S≥2)，其中，高精度成形区域为舱段的外延冷却管路，该区域结构复杂、难以采用高功率激光成形，其余区域为高效率成形区域；

(2)根据第1层切片信息对金属粉末床施加激光选区熔化：

若切片层仅包含高精度成形区域，则采用1束图2所示的能量分布呈高斯模式的中功率、中光斑激光束成形，其中，激光功率为800W、光斑直径为150μm；

若切片层仅包含高效率成形区域，则采用1束图3所示的能量分布呈环形模式的高功率、大光斑激光束成形，其中，激光功率为5000W、光斑直径为700μm；

若切片层同时包含高精度成形区域和高效率成形区域，则采用1束图2所示的高斯模式的中功率、中光斑激光束成形高精度成形区域，采用1束图3所示的环形模式的高功率、大光斑激光束成形高效率成形区域；其中，高斯模式激光的功率为800W、光斑直径为150μm；环形模式激光的功率为5000W、光斑直径为700μm；

(3)按照(2)的方式完成后续S-1个切片层的激光选区熔化，实现GH4169镍基高温合金航空发动机舱段的高效率、高质量SLM成形。

实施例4

本实施例以316L不锈钢支架的加工为例，对本发明的成形方法进行说明，具体步骤为：

(1)将不锈钢支架的数模划分为高精度成形区域和高效率成形区域，并对数模进行切片处理，获得S层切片层信息(S≥2)，其中，高精度成形区域为支架装配环，该区域精度要求高，且难以进行后续机加工；其余区域可采用高功率激光束成形，且精度要求低，允许后续机加工，故设为高效率成形区域；

(2)根据第1层切片信息对金属粉末床施加激光选区熔化：

若切片层仅包含高精度成形区域，则采用1束图2所示的能量分布呈高斯模式的中功率、中光斑激光束成形，其中，激光功率为900W、光斑直径为180μm；

若切片层仅包含高效率成形区域，则采用1束图4所示的能量分布呈平顶模式的高功率、大光斑激光束成形，其中，激光功率为6000W、光斑直径为900μm；

若切片层同时包含高精度成形区域和高效率成形区域，则采用1束图2所示的高斯模式的中功率、中光斑激光束成形高精度成形区域，采用1束图4所示的平顶模式的高功率、大光斑激光束成形高效率成形区域；其中，高斯模式激光的功率为900W、光斑直径为180μm；平顶模式激光的功率为6000W、光斑直径为900μm；

(3)按照(2)的方式完成后续S-1个切片层的激光选区熔化，实现316L不锈钢支架的高效率、高质量SLM成形。

实施例5

本实施例以TA15钛合金涡轮叶片的加工为例，对本发明的成形方法进行说明，具体步骤为：

(1)将涡轮叶片的数模划分为高精度成形区域和高效率成形区域，并对数模进行切片处理，获得S层切片层信息(S≥2)；其中，高精度成形区域为叶片体，该区域精度要求高，且难以进行后续机加工；其余区域可采用高功率激光束成形，且精度要求低，允许后续机加工，故设为高效率成形区域；

(2)将金属粉末床分为4个区块，并根据第1层切片信息对金属粉末床施加4组成形单元的并行激光选区熔化：

若切片层仅包含高精度成形区域，则采用图2所示的4束能量分布呈高斯模式的低功率、小光斑激光束并行成形4个区块，其中，每个区块对应一束低功率、小光斑激光束，其功率为400W、光斑直径为70μm；

若切片层仅包含高效率成形区域，则采用图3所述的4束能量分布呈环形模式的高功率、大光斑激光束并行成形4个区块，其中，每个区块对应一束高功率、大光斑激光束，其功率为4000W、光斑直径为550μm；

若切片层同时包含高精度成形区域和高效率成形区域，则采用图2所示的4束高斯模式的低功率、小光斑激光束并行成形4个区块所含的高精度成形区域，其中，每个区块对应一束低功率、小光斑激光束，其功率为400W、光斑直径为70μm；采用图3所示的4束环形模式的高功率、大光斑激光束并行成形4个区块高效率成形区域；其中，每个区块对应一束高功率、大光斑激光束，其功率为4000W、光斑直径为550μm，此时的加工情况如图5所示，图中的A1为第一低功率小光斑激光束，A2为第二低功率小光斑激光束，A3为第三低功率小光斑激光束，A4为第四低功率小光斑激光束，B1为第一高功率大光斑激光束，B2为第二高功率大光斑激光束，B3为第三高功率大光斑激光束，B4为第四高功率大光斑激光束；

(3)按照(2)的方式完成后续S-1个切片层的激光选区熔化，实现TA15钛合金涡轮叶片的高效率、高质量SLM成形。

实施例6

本实施例以In625镍基高温合金航空发动机舱段的加工为例，对本发明的成形方法进行说明，具体步骤为：

(1)将航空发动机舱段的数模划分为高精度成形区域和高效率成形区域，并对数模进行切片处理，获得S层切片层信息(S≥2)；其中，高精度成形区域为舱段装配体，该区域精度要求高，且难以进行后续机加工；其余区域可采用高功率激光束成形，且精度要求低，允许后续机加工，故设为高效率成形区域；

(2)将金属粉末床分为2个区块，并根据第1层切片信息对金属粉末床施加4组成形单元的并行激光选区熔化：

若切片层仅包含高精度成形区域，则采用图2所示的4束能量分布呈高斯模式的低功率、小光斑激光束并行成形2个区块，其中，每个区块对应2束低功率、小光斑激光束，其功率均为300W、光斑直径均为90μm；

若切片层仅包含高效率成形区域，则采用图3所述的4束能量分布呈环形模式的高功率、大光斑激光束并行成形2个区块，其中，每个区块对应2束高功率、大光斑激光束，其功率均为5500W、光斑直径均为950μm；

若切片层同时包含高精度成形区域和高效率成形区域，则采用图2所示的4束高斯模式的低功率、小光斑激光束并行成形2个区块所含的高精度成形区域，其中，每个区块对应2束低功率、小光斑激光束，其功率均为300W、光斑直径均为90μm；采用图3所示的4束环形模式的高功率、大光斑激光束并行成形2个区块高效率成形区域；其中，每个区块对应2束高功率、大光斑激光束，其功率均为5500W、光斑直径均为950μm，此时的加工情况如图6所示，图中的A1为第一低功率小光斑激光束，A2为第二低功率小光斑激光束，A3为第三低功率小光斑激光束，A4为第四低功率小光斑激光束，B1为第一高功率大光斑激光束，B2为第二高功率大光斑激光束，B3为第三高功率大光斑激光束，B4为第四高功率大光斑激光束；

(3)按照(2)的方式完成后续S-1个切片层的激光选区熔化，实现In625镍基高温合金航空发动机舱段的高效率、高质量SLM成形。

总之，本发明能实现成形效率和成形精度的兼顾，且高功率大光斑激光束采用环形/平顶模式，在确保高效率成形区域与高精度成形区域形成紧密冶金结合的同时，还可有效抑制高效率成形区域不充分熔合、大颗粒夹杂等内部冶金缺陷的形成，并且显著降低成形材料的残余应力，防止变形、开裂。

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 (10)

1.一种兼顾成形效率和成形质量的双光束SLM成形方法，其特征在于，利用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束实现金属零部件的高精度成形，利用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束实现金属零部件的高效率成形，以此实现兼顾成形效率和成形质量的双光束SLM成形。

2.如权利要求1所述的兼顾成形效率和质量的双光束SLM成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定待成形金属零部件的高精度成形区域和高效率成形区域，并对该金属零部件的三维模型进行切片处理，获得各切片层的切片信息；

2)根据切片层的切片信息完成当前层的激光选区熔化成形：

若切片层仅包含高精度成形区域，则采用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束完成该层的激光选区熔化成形；

若切片层仅包含高效率成形区域，则采用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束完成该层的激光选区熔化成形；

若切片层同时包含高精度成形区域和高效率成形区域，则采用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束成形高精度成形区域，采用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束成形高效率成形区域；

3)重复步骤2)完成所有切片层的激光选区熔化成形，以此实现金属零部件的高效率高质量的SLM成形。

3.如权利要求1所述的兼顾成形效率和质量的双光束SLM成形方法，其特征在于，低功率、小光斑激光束的功率＜500W，光斑直径＜100μm。

4.如权利要求1所述的兼顾成形效率和质量的双光束SLM成形方法，其特征在于，中功率、中光斑激光束的功率为500W～1000W，光斑直径100μm～200μm。

5.如权利要求1-4任一项所述的兼顾成形效率和质量的双光束SLM成形方法，其特征在于，高功率、大光斑激光束的功率＞1000W，优选为2000W～6000W，光斑直径＞200μm，优选为500μm～1000μm。

6.如权利要求1-5任一项所述的兼顾成形效率和质量的双光束SLM成形方法，其特征在于，所述中/低功率、中/小光斑激光束与所述高功率、大光斑激光束搭配构成一组激光束组合，所述激光束组合为一组或多组。

7.一种兼顾成形效率和质量的双光束SLM成形系统，其特征在于，该成形系统包括一组或多组成形单元，所述成形单元包括高精度成形模块和高效率成形模块，其中，所述高精度成形模块利用能量分布呈高斯模式的中/低功率、中/小光斑激光束实现金属零部件的高精度成形，所述高效率成形模块利用能量分布呈环形或平顶模式的高功率、大光斑激光束实现金属零部件的高效率成形，以此实现兼顾成形效率和质量的双光束SLM成形。

8.如权利要求7所述的兼顾成形效率和质量的双光束SLM成形系统，其特征在于，低功率小光斑激光束的功率＜500W，光斑直径＜100μm。

9.如权利要求7或8所述的兼顾成形效率和质量的双光束SLM成形系统，其特征在于，中功率中光斑激光束的功率为500W～1000W，光斑直径100μm～200μm。

10.如权利要求7-9任一项所述的兼顾成形效率和质量的双光束SLM成形系统，其特征在于，高功率大光斑激光束的功率＞1000W，优选为2000W～6000W，光斑直径＞200μm，优选为500μm～1000μm。

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