CN113275754A - 增材制造系统和增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种增材制造系统。该增材制造系统包括材料供给装置、第一热源装置和第二热源装置。所述材料供给装置构造成将材料供给至基板上以便进行增材制造。所述第一热源装置适于提供用于熔化或烧结所述材料的主热源。所述第二热源装置适于提供用于熔化或烧结所述材料的辅助热源。所述第一热源装置提供的热源的类型不同于所述第二热源装置提供的热源的类型。本申请还提供一种增材制造方法。根据本申请的增材制造系统和增材制造方法能够提高增材制造速率，降低制造成本，提高熔池稳定性，并且提高制造精度和产品质量。

Description

增材制造系统和增材制造方法
技术领域
本发明涉及材料加工的技术领域，特别地，涉及使材料融化或烧结以进行增材制造的增材制造系统和增材制造方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing)技术是利用热源将材料熔化或烧结以逐层累加来形成实体零件的技术。增材制造技术的热源通常包括激光、电子束和电弧。对于激光热源，激光光斑尺寸小，形成的熔池尺寸较小，导致成形速率慢，不利于制造大尺寸结构件。对于电弧热源，与激光热源和电子束热源相比，制造成本较低并且成形速率较高，但是产品表面质量较差，一般需要二次表面机加工。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高成形质量和精度同时能够降低制造成本和/或提高成形速率的增材制造系统。
本发明的另一目的是提供一种兼顾成形速率、成本、成形精度与质量的电弧和激光复合增材制造系统。
根据本公开的一个方面，提供一种增材制造系统。该增材制造系统包括材料供给装置、第一热源装置和第二热源装置。所述材料供给装置构造成将材料供给至基板上以便进行增材制造。所述第一热源装置适于提供用于熔化或烧结所述材料的主热源。所述第二热源装置适于提供用于熔化或烧结所述材料的辅助热源。所述第一热源装置提供的热源的类型不同于所述第二热源装置提供的热源的类型。上述增材制造系统能够提高增材制造速率，降低制造成本，提高熔池稳定性，并且保证制造精度和产品质量。
在本公开的增材制造系统中，设置有用于提供不同类型热源的第一热源装置和第二热源装置，激光与电弧等离子体的协调耦合作用可以获得较高的能量增益，使得熔池稳定，从而可以提高成形精度和质量。两种不同的热源可以相互弥补缺陷以降低敏感性并提高适应性。
在增材制造系统的一些示例中，所述第一热源装置为熔化极气体保护焊装置或非熔化极气体保护焊装置，所述第二热源装置为激光装置。所述材料供给装置包括用于输送丝材的送丝装置。与仅使用激光装置相比，气体保护焊装置与激光装置的耦合使用可以降低制造成本并提高成形速率。与仅使用气体保护焊装置相比，气体保护焊装置产生的电弧等离子体与激光装置产生的激光等离子体的协调耦合可以提高复合热源的稳定性，从而提高零件成形质量和精度。
在增材制造系统的一些示例中，所述材料供给装置还包括用于输送粉末材料的喷嘴，所述粉末材料和所述丝材由相同的材料形成或者由不同的材料形成。一方面，通过喷嘴可以提供与丝材的材料不同的粉末材料，即，将粉末材料掺杂至丝材熔融后形成的熔池中，由此改变零件的化学成分，提高其冶金形状，由此改变成形产品的机械等雾化性能。另一方面，通过喷嘴可以提供与丝材的材料相同的粉末材料，由此可以细化晶粒，减少成形缺陷，提高机械性能。
在增材制造系统的一些示例中，所述喷嘴具有内壁和外壁，在所述内壁和所述外壁之间形成环形空间以接收所述粉末材料，所述喷嘴的所述内壁构造成允许所述第二热源装置的激光通过。这样，可以使得增材制造系统的结构更加紧凑。
在增材制造系统的一些示例中，所述喷嘴的所述内壁和所述外壁同轴设置。激光热源通过由喷嘴的内壁形成的空间，粉末材料则通过内壁与外壁之间的环形空间。这样，粉末材料大体以激光热源为中心，因此有利于使粉末材料均匀分布和均匀受热。
在增材制造系统的一些示例中，所述喷嘴包括朝向所述基板渐缩的锥形部段。通过锥形部段可以收缩激光等离子体，收缩粉末束流，从而提高热源能量密度。
在增材制造系统的一些示例中，所述非熔化极气体保护焊装置的电极和所述送丝装置供给的丝材位于所述喷嘴的相同的一侧，并且所述丝材沿着产品的成形方向位于所述喷嘴的后方。可以根据材料或产品要求来确定非熔化极气体保护焊装置、喷嘴和/或丝材相对于基板的角度，以获得最佳成形质量。
在增材制造系统的一些示例中，所述非熔化极气体保护焊装置的电极和所述送丝装置供给的丝材位于所述喷嘴的相反的两侧，并且所述丝材沿着产品的成形方向位于所述喷嘴的前方。这样，可以对丝材进行预热。另外，所述丝材相对于基板的角度可以调节。
在增材制造系统的一些示例中，所述熔化极气体保护焊装置的电极和所述送丝装置供给的丝材位于所述喷嘴的相同的一侧，并且所述丝材沿着产品的成形方向位于所述喷嘴的后方。
在增材制造系统的一些示例中，还包括对所述基板和/或所述材料进行加热的温度控制装置。这样，可以降低粉末材料与熔池的温度梯度，减小温度梯度，提高增材制造结构件成型质量。
根据本公开的另一方面，提供一种上述增材制造系统的增材制造方法。所述增材制造方法包括：先启动所述第一热源装置以将所述丝材熔融形成熔池；以及在所述熔池稳定之后，启动所述第二热源装置。
在增材制造方法的一些示例中，还包括：在所述熔池稳定之后，向所述熔池中供给粉末材料，其中，所述粉末材料和所述丝材由相同的材料形成或者由不同的材料形成。
本发明的其他优点和特征将在以下非限制性详细描述中将变得清楚。
附图说明
通过以下参照附图的描述，本发明的一个或多个实施方式的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：
图1是根据本公开实施方式的增材制造系统的结构示意图；
图2是根据本公开另一实施方式的增材制造系统的结构示意图；以及
图3是根据本公开实施方式的增材制造方法的流程图。
在所有附图中，相对应的附图标记表示相对应的零部件。
具体实施方式
下面参照附图、借助示例性实施方式对本发明进行详细描述。对本发明的以下详细描述仅仅是出于说明目的，而绝不是对本发明及其应用或用途的限制。
图1是根据本公开实施方式的增材制造系统10的结构示意图。图1中的增材制造系统10包括钨极氩弧焊机(TIG)110、送丝装置120、激光器130、喷嘴140、基板S以及加热器H1至H3等。
喷嘴140经由供给管道150连接至粉末材料源，以向基板S上供给粉末材料(粉基材料)PM。送丝装置120用于向基板S上供给丝材(也称为“丝材”)WM。喷嘴140和送丝装置120构成用于将材料供给至基板S上以便进行增材制造材料供给装置。本文中提及的材料可以是丝材，或者可以是掺杂有粉末材料的丝材。应理解的是，粉末材料PM和丝材WM的供给速率可以根据需要而改变。丝材和粉末材料可以由相同的材料构成，或者可以由不同的材料构成。粉末材料可以是金属或者陶瓷粉末材料。
应理解的是，本公开不局限于图示的具体示例。例如，可以仅向基板S上供给丝材WM。
钨极氩弧焊机110和激光器130共同用于使供给到基板S上的材料熔化或烧结以形成材料层ML。材料层ML逐层累加以形成最终产品。
钨极氩弧焊机110构成适于提供用于熔化或烧结材料的热源的第一热源装置。钨极氩弧焊机110属于非熔化极气体保护焊装置。钨极氩弧焊机110通过电弧对材料进行加热使其熔化或烧结。
激光器130构成适于提供用于熔化或烧结材料的热源的第二热源装置。激光器130产生激光束134，并经由光学装置132使激光束照射到材料上。激光器130通过激光束134对材料进行加热使其熔化或烧结。通常，激光器130的光斑尺寸与丝材WM的直径、工艺参数等有关。
钨极氩弧焊机110可以作为用于熔化材料的主热源，而激光器130可以作为用于熔化材料的辅助热源。钨极氩弧焊机110具有较大的电弧加热区域，而激光器130具有较小的光斑照射区域。在钨极氩弧焊机110与激光器130的共同作用下可以改善熔池温度和稳定性，提高成形精度和质量。由于电弧热源与激光热源的协同耦合作用，因此可以提高激光束的成形速率并且可以降低激光器的功率要求。
相比于仅通过激光束作为热源的增材制造系统而言，本发明的包括钨极氩弧焊机110与激光器130的增材制造系统可以明显提高成形速率，降低制造成本，降低敏感度并提高适应性。相比于仅通过电弧作为热源的增材制造系统而言，本发明的包括钨极氩弧焊机110与激光器130的增材制造系统可以提高成形产品的质量。
喷嘴140构造成将粉末材料PW输送到基板S上以进行增材制造。丝材WM可以作为成形产品的主材料。粉末材料PW可以作为成形产品的掺杂材料以改变产品的性能。根据待成形的产品的性能要求，可以改变粉末材料的成分或量。
喷嘴140具有内壁144和外壁142。在内壁144和外壁142之间形成环形空间以接收粉末材料PM。由内壁144限定的内部空间可以允许激光束134穿过。外壁142的下端可以设置有开口141以便将环形空间内的粉末材料PM铺设在基板S上。从开口141出来的粉末材料PM围绕在激光束134的周围以使得粉末材料PM能够均匀受热熔融。换言之，从开口141出来的粉末材料PM能够准确地落入有效热源区域中。
喷嘴140的内壁144和外壁142可以同轴设置，即，内壁144的中心轴线与外壁142的中心轴线重合。在图1的示例中，喷嘴140的内壁144大体呈锥形。外壁142具有柱形部段142a和朝向基板S渐缩的锥形部段142b。开口141形成在锥形部段142b的下端部。锥形部段142b可以收缩激光束，收缩粉末流，从而提高热源能量密度。应理解的是，喷嘴140的形状不局限于图示的具体示例，而是可以根据具体需要而改变。
加热器H1可以设置在供给管道150上以能够对粉末材料进行加热。在增材制造之前或期间，可以通过加热器H1对供给的粉末材料进行加热和/或将温度保持在预定范围内。通过设置加热器H1可以减小粉末材料与其熔融温度之间的温度梯度，由此改善成型产品的质量。
加热器H2可以设置在基板S的一侧(图中为下侧)以能够对基板S进行加热。在增材制造之前、期间或之后，可以通过加热器H2对基板S进行加热。进而，基板S可以对材料层ML进行加热和/或将温度保持在预定范围内。通过设置加热器H2可以减小成形产品的应力变形等。
加热器H3可以设置在供给丝材WM的路径上以能够对丝材WM进行加热。在增材制造之前或期间，可以通过加热器H3对供给的丝材WM进行加热和/或将温度保持在预定范围内。通过设置加热器H3可以减小丝材WM与其熔融温度之间的温度梯度，由此改善成型产品的质量。
加热器H1至加热器H3构成了本文中所述的温度控制装置。温度控制装置可以是电阻温度控制装置或电磁温度控制装置。应理解的是，温度控制装置也可以是其他任何合适的温度控制装置，例如，电子束。应理解的是，加热器的数量、位置等可以根据需要而改变，而不局限于图示的具体示例。例如，可以根据需要选择使用加热器H1至加热器H3中的任意组合。
在图1的示例中，喷嘴140布置成大致垂直于基板S，即，喷嘴140的中央轴线大致垂直于基板S。应理解的是，根据需要，喷嘴140可以布置成相对于基板S倾斜一定角度，而不是如图所示地垂直于基板S。
在图1的示例中，送丝装置120供给的丝材WM和钨极氩弧焊机110的电极位于喷嘴140的相反的两侧。沿着产品的成形方向D(或者，钨极氩弧焊机110和激光器130的移动方向)，送丝装置120供给的丝材WM在喷嘴140(或钨极氩弧焊机110的电极)的前方。因理解的是，沿着产品的成形方向D，送丝装置120供给的丝材可以位于喷嘴140(或钨极氩弧焊机110的电极)的后方，即，钨极氩弧焊机110的电极位于喷嘴140的前方。
还应理解的是，送丝装置120供给的丝材WM和钨极氩弧焊机110的电极可以位于喷嘴140的相同的一侧。在这种情况下，丝材WM可以沿着产品的成形方向D位于喷嘴140的前方或后方。当丝材WM位于喷嘴140的前方时，可以对丝材WM进行预热。当丝材WM位于喷嘴140的后方时，可以降低熔池的冷却速率。
钨极氩弧焊机110可以布置成使得电极相对于竖直方向成α角度。送丝装置120可以布置成使得丝材WM相对于竖直方向成β角度。应理解的是，根据需要，α角度和β角度可以改变。
图2是根据本公开另一实施方式的增材制造系统20的结构示意图。图2的增材制造系统20与图1的增材制造系统10相同的部分由相同的附图标记表示，且省去其详细描述。下面，将详细描述图2的增材制造系统20与图1的增材制造系统10不同的部分。
图2的增材制造系统20与图1的增材制造系统10不同的部分在于使用惰性气体保护焊机(MIG)210作为主热源。惰性气体保护焊机210属于熔化极气体保护焊装置。与钨极氩弧焊机110相似，惰性气体保护焊机210提供用于熔化或烧结材料的电弧热源。
如图2所示，惰性气体保护焊机210与送丝装置120位于喷嘴140的同一侧。而且，沿着产品的成形方向D(或惰性气体保护焊机210和激光器130的移动方向)，惰性气体保护焊机210与送丝装置120位于熔池的后方，即，丝材位于喷嘴140的后方，这样可以降低熔池的冷却速率。
在图2所示的示例中，由于使用惰性气体保护焊机(MIG)210作为主热源，电弧电流较大，丝材熔化速度更快，增材制造成形速率更快，因此成形大尺寸零件的潜力更大。相比之下，在图1所示的示例中，由于使用钨极氩弧焊机(TIG)110作为主热源，电弧状态更加稳定，形成的熔池也更加稳定，成形件的组织更加均匀，性能更好。惰性气体保护焊机(MIG)210和钨极氩弧焊机(TIG)110可以适用于各种金属，例如，合金钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金、钛合金等。
可以根据选用的丝材和粉末材料，来选择使用惰性气体保护焊机(MIG)210和钨极氩弧焊机(TIG)110作为主热源。
应理解的是，本发明不局限于图示的具体示例。根据需要，可以采用合适的焊机，并且焊机与送丝装置也可以位于熔池的前方，这样可以对丝材WM进行预先加热。
图3示出了根据本公开的增材制造方法的一个示例的流程图。如图3所示，在步骤S10处，先打开主热源，例如，惰性气体保护焊机(MIG)210或钨极氩弧焊机(TIG)110，以将供给的丝材熔融而形成熔池。在熔池稳定之后，在步骤S20处，可以启动辅助热源，例如，激光器130。
这样，在图3的示例中，与传统单一热源相比，两个热源的耦合作用可以优化成形速率与成形精度。
在图3的示例中，还可以在熔池稳定之后，向熔池中添加粉末材料(步骤S30)。粉末材料可以由与丝材相同或不同的材料形成。如果粉末材料与丝材的材料相同，则可以细化晶粒，提高成形质量。如果粉末材料与丝材的材料不同，则可以根据需要改变产品的性能。
虽然已经参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式/示例，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对示例性实施方式做出各种改变。

Claims (12)

1.一种增材制造系统，包括：
材料供给装置，所述材料供给装置构造成将材料供给至基板上以便进行增材制造；
第一热源装置，所述第一热源装置适于提供用于熔化或烧结所述材料的主热源；以及
第二热源装置，所述第二热源装置适于提供用于熔化或烧结所述材料的辅助热源；
其中，所述第一热源装置提供的热源的类型不同于所述第二热源装置提供的热源的类型。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述第一热源装置为熔化极气体保护焊装置或非熔化极气体保护焊装置，
所述第二热源装置为激光装置，并且
所述材料供给装置包括用于输送丝材的送丝装置。
3.根据权利要求2所述的增材制造系统，其中，所述材料供给装置还包括用于输送粉末材料的喷嘴，所述粉末材料和所述丝材由相同的材料形成或者由不同的材料形成。
4.根据权利要求3所述的增材制造系统，其中，所述喷嘴具有内壁和外壁，在所述内壁和所述外壁之间形成环形空间以接收所述粉末材料，所述喷嘴的所述内壁构造成允许所述激光装置产生的激光通过。
5.根据权利要求4所述的增材制造系统，其中，所述喷嘴的所述内壁和所述外壁同轴设置。
6.根据权利要求5所述的增材制造系统，其中，所述喷嘴包括朝向所述基板渐缩的锥形部段。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的增材制造系统，其中，所述非熔化极气体保护焊装置的电极和所述送丝装置供给的丝材位于所述喷嘴的相同的一侧，并且所述丝材沿着产品的成形方向位于所述喷嘴的后方。
8.根据权利要求3至6中任一项所述的增材制造系统，其中，所述非熔化极气体保护焊装置的电极和所述送丝装置供给的丝材位于所述喷嘴的相反的两侧，并且所述丝材沿着产品的成形方向位于所述喷嘴的前方。
9.根据权利要求3至6中任一项所述的增材制造系统，其中，所述熔化极气体保护焊装置的电极和所述送丝装置供给的丝材位于所述喷嘴的相同的一侧，并且所述丝材沿着产品的成形方向位于所述喷嘴的后方。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的增材制造系统，还包括对所述基板和/或所述材料进行加热和/或保温的温度控制装置。
11.一种根据权利要求2至10中任一项所述的增材制造系统的增材制造方法，所述增材制造方法包括：
先启动所述第一热源装置以将所述丝材熔融形成熔池；以及
在所述熔池稳定之后，启动所述第二热源装置。
12.根据权利要求11所述的增材制造方法，还包括：
在所述熔池稳定之后，向所述熔池中供给粉末材料，
其中，所述粉末材料和所述丝材由相同的材料形成或者由不同的材料形成。
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