发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种金属增材制造逐层激光-超声-等离子体复合清洗方法及装置,提高产品质量。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为:一种金属增材制造逐层激光-超声-等离子体复合清洗方法,其特征在于:本方法包括以下步骤:
S1、建模,完成模型分层处理机单层路径规划;
S2、金属增材制造设备准备;
S3、完成当前层材料制造;
S4、在每一层材料制造完成后,在线监测系统均反馈当前层是否有杂质和/或缺陷,若有则进行S5,否则继续下一层材料制造,直至零件生产完毕;
S5、针对杂质和/或缺陷的种类,采用以下一种或几种组合的方式进行修复:
1)等离子体冲击杂质和/或缺陷;2)超声振动去除杂质颗粒;3)激光重熔缺陷区域;
由在线监测系统确认当前层完成修复后停止清洗,继续下一层材料制造,直至零件生产完毕。
按上述方法,所述的S4,在线监测系统通过获取当前层的外观、孔隙分布,来判断当前层是否有杂质和/或缺陷。
按上述方法,所述的S1中,通过CAD建模,并在金属增材制造系统切片分层软件中完成模型分层处理及单层路径规划。
按上述方法,所述的S5在等离子体冲击杂质和/或缺陷时,以扫描的方式对当前层进行等离子体清洗和冲击,消除表层缺陷并暴露内部杂质颗粒,并将杂质颗粒从熔道表面剥离下来。
按上述方法,所述的S5在超声振动去除杂质颗粒时,通过引发基板和零件的超声振动,使当前层黏附以及冲击下来的杂质颗粒脱落。
按上述方法,所述的S5在激光重熔缺陷区域时,对残余的微米级气孔和/或裂纹所在区域进行局部重融,消除较大的气孔和/或裂纹。
一种用于金属增材制造逐层激光-超声-等离子体复合清洗方法的装置,本装置包括设置在所述金属增材制造设备中的多自由度机械臂、等离子体清洗装置、激光光源、超声振动装置和在线监测设备;其中,
多自由度机械臂通过底座固定在所述金属增材制造设备中,等离子体清洗装置固定在多自由度机械臂的自由端;所述的超声振动装置设置在金属增材制造设备的成型室的底部。
按上述装置,本装置还包括设置在所述金属增材制造设备腔体侧面的至少一个进气口和出气口,进气口用于持续通入保护气体,出气口用于吸出加工过程中产生的烟雾和飞溅物。
按上述装置,所述的激光光源采用固体激光器,选用激光波长为200nm-10.6μm、或波长为200nm-10.6μm的几种激光的混合激光、或宽谱激光。
按上述装置,所述的在线监测设备采用一台或多台摄像机。
本发明的有益效果为:本发明中集成了等离子体、超声波、激光三种能场,各种能场间具有相互促进效果,可以在金属增材制造过程快速地逐层去除杂质并修复微观缺陷;通过在线监测系统获得当前打印层的杂质颗粒及缺陷分布情况,然后调用等离子场、超声波、激光中的一种或多种,对当前打印层的缺陷进行快速处理;能够直接地处理零件内部微观缺陷,克服传统缺陷修复方法无法在线处理的难题,实现了高精度在线缺陷处理,从而提高了金属增材制造的产品质量。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种金属增材制造逐层激光-超声-等离子体复合清洗方法,如图2所示,本方法包括以下步骤:
S1、建模,完成模型分层处理机单层路径规划。本实施例通过CAD建模,并在金属增材制造系统切片分层软件中完成模型分层处理及单层路径规划。
S2、金属增材制造设备准备。本实施例中计算机控制增材制造设备中的激光器,将基体预热至250至350摄氏度,并在设备腔体中充满保护性气体。
S3、完成当前层材料制造,可以使用基于同步送粉的激光立体成形技术和基于铺粉的激光选取融化技术等。
S4、在每一层材料制造完成后,在线监测系统均反馈当前层是否有杂质和/或缺陷,若有则进行S5,否则继续下一层材料制造,直至零件生产完毕。
具体的,计算机通过安装的摄像机等在线监测设备获取当前层的外观、孔隙分布等数据,反馈当前层是否有杂质及缺陷并进行定位。当判断当前层存在杂质或缺陷时,由计算机系统控制清洗装置对当前层开始修复,否则就继续进行下一层材料堆叠。
S5、针对杂质和/或缺陷的种类,采用以下一种或几种组合的方式进行修复:
1)等离子体冲击杂质和/或缺陷;2)超声振动去除杂质颗粒;3)激光重熔缺陷区域;
由在线监测系统确认当前层完成修复后停止清洗,继续下一层材料制造,直至零件生产完毕。
在等离子体冲击杂质和/或缺陷时,控制多自由度机械臂和等离子体清洗装置,以扫描的方式对当前层进行等离子体清洗和冲击,消除表层缺陷并暴露内部杂质颗粒,并将杂质颗粒从熔道表面剥离下来。
在超声振动去除杂质颗粒时,启动超声清洗装置,通过引发基板和零件的超声振动,使当前层黏附以及冲击下来的杂质颗粒脱落。
在激光重熔缺陷区域时,控制激光器,对残余的微米级气孔和/或裂纹所在区域进行局部重融,消除较大的气孔和/或裂纹。
计算机根据CAD切片数据判断零件是否制作完成,未完成则进入下一指令周期。
一种用于金属增材制造逐层激光-超声-等离子体复合清洗方法的装置,如图1所示,本装置包括设置在所述金属增材制造设备中的多自由度机械臂1、等离子体清洗装置5、激光光源、超声振动装置6和在线监测设备。
多自由度机械臂1通过底座固定在所述金属增材制造设备中,等离子体清洗装置5固定在多自由度机械臂的自由端;所述的超声振动装置6设置在金属增材制造设备的成型室的底部,均匀安装有4个。
本实施例中,激光光源采用固体激光器3,选用激光波长为200nm-10.6μm、或波长为200nm-10.6μm的几种激光的混合激光、或宽谱激光。所述的在线监测设备采用一台或多台高分辨率摄像机4。
本装置还包括设置在所述金属增材制造设备腔体侧面的至少一个进气口和出气口,进气口用于持续通入保护气体,出气口用于吸出加工过程中产生的烟雾和飞溅物。本实施例中,包括上进气口2和下进气口8,以及出气口7。
本实施例中,粉末材料选用Ti6Al4V,选用激光功率400W,扫描速度为0.5m/s。
在加工开始前,从进气口通入氩气气流,打开出气口,直至设备腔体中充满氩气。
在铺粉开始前,对基板进行预热,直至基板整体温度达到300℃后开始铺粉,每铺完一层材料,计算机控制激光器依据模型数据完成当前层打印工作。
当前层完成打印后,计算机通过高分辨率摄像机获取当前层的外观,据此分析当前层是否有夹杂或气孔、裂纹等缺陷并对缺陷进行定位。当判断当前层存在缺陷时,计算机向多自由度机械臂发出操作指令,将等离子体清洗装置运送至当前层附近,以扫描方式快速进行等离子体清洗;当等离子体清洗结束后,机械臂归位,计算机系统控制基板上的超声振动装置,使基板和零件整体发生振动,去除表层黏附的杂质颗粒;超声波处理结束后,计算机控制激光器,对已定位的缺陷所在区域进行重熔。当以上处理均完成后,计算机重新获取当前层外观并判断是否需要再次修复,重复处理直至当前层修复完成。
当前层缺陷修复完成后,计算机进入下一个处理周期,发送启动信号给增材制造设备,开始下一层铺粉和打印工作。
持续以上步骤直至零件打印工作结束。
本发明中集成了等离子体、超声波、激光三种能场,各种能场间具有相互促进效果。等离子体清洗对被清洗材料无选择性,可实现较大面积快速清洗,集成激光清洗和超声波清洗后,选用较低能量密度的等离子体即可去除表层缺陷并将杂质颗粒暴露于表层,并可用来冲击黏附颗粒。超声波通过引起表层的振动去除黏附的杂质颗粒,由于等离子场将多数杂质颗粒暴露于表层,可以选用较小功率和体积的超声波发生装置。激光清洗可以处理较大气孔和裂纹等缺陷,而等离子场和超声波能够改善当前层表面质量,提高对激光能量的吸收,因此能用较低功率激光高效地修复缺陷。等离子体、激光、超声波之间独立控制,既可以单独工作,也可以共同作用。
本发明结合等离子清洗、超声波清洗和激光清洗的特点,设计复合清洗方法及装置,可以在金属增材制造过程快速地逐层去除杂质并修复微观缺陷。通过视觉系统获得当前打印层的杂质颗粒及缺陷分布情况,经过计算机分析后选择性地调用等离子场、超声波、激光中的一种或多种,对当前打印层的缺陷进行快速处理。该清洗方法及装置能够直接地处理零件内部微观缺陷,克服传统缺陷修复方法无法在线处理的难题,实现了高精度在线缺陷处理,从而提高了金属增材制造的产品质量。
本发明提出的金属增材制造逐层激光-超声-等离子体复合清洗方法及装置可以逐层修复夹杂、气孔、裂纹等多种缺陷,特别是针对熔道上的粘附颗粒缺陷,对提高增材制造产品质量并推动其工业化应用具有重大意义。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点,其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,本发明的保护范围不限于上述实施例。所以,凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰,均在本发明的保护范围之内。