CN113681026A - 电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，包括：成型仓、基板、加压管口、抽真空管口、磁场线圈、玻璃窗、粉池、振镜、光路适配器、扩束镜、激光器、动态电磁场控制器、动态电磁场能发生装置、制件；成型仓的侧边底部设置充气口，成型仓的顶部设置真空管口，成型仓内部设置基板和粉池，磁场线圈布设在基板的四周；激光的发输出端对准扩束镜，扩束镜的输出端连接光路适配器，光路适配器通过振镜将光路传输至玻璃窗，玻璃窗设置在成型仓的顶部。本发明还提供电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的方法，本发明引入平板磁场动磁压制粉末，达到体成型目的，效率得到极高提升，制件的致密度高、力学性能优异。
Description
技术领域
本发明属于增材制造激光成型领域，具体涉及电磁干预激光成型调控粉床增材改善组织性能的方法及装置。
背景技术
使用粉末制造近终形制件已形成很多极端工艺，如电磁压制、热等静压、电子束、激光成型，标是通过提高制件致密度、改善组织结构形态、达到提高性能目标。现有技术中，增材制造主流的激光加工方法为选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)，SLM是利用激光逐层熔化金属粉末来制备复杂紧密零件的技术，因其结构设计灵活、适用新型材料、成型精度高、可制作任意复杂零件等优势，被广泛应用于航空航天、汽车以及医疗等行业。
然而纵使SLM技术在激光加工方面有许多优势，但在实际应用中仍然存在一个较大的不足，即激光加工典型缺陷“表面凸起硬质点”、“表面凹陷孔隙”以及“内部空隙”。在模具行业对H13钢零件成型加工时，镜面产品要求每平方厘米不超过1个缺陷存在，而SLM成型的模腔内部缺陷达到3-5个/cm2，其中“凸起硬质点”和“凹陷孔隙”较为集中，尺度分布大约20μm，这些缺陷的形成与SLM成型工艺密切相关。同时，由于SLM成型过程中激光作用到粉末床，金属粉末迅速升温熔化形成熔池达到微秒级，随即快速冷却速度达到1-10℃/μs，熔池的不均匀收缩和高冷速致使残余气体无法及时排出，产生内部空隙缺陷。SLM成形金属密实度达到99.9％的条件下，意味着1立方厘米制件中存在1亿个立方微米缺陷分布称为“1‰缺陷”。“表面缺陷”以及“1‰缺陷”是制约SLM技术进行产业应用的痛点。同时，传统SLM成形采用的是层间累加的概念，相比体成型其致密度和成形效率较低。因此急需探索调控降低缺陷、提升制件密度和成型效率的方法技术。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的方法及装置。采用此方法和装置可以显著细化晶粒和改善缺陷，并且可以根据生产周期的需要灵活调整加工方式，引入平板磁场动磁压制粉末体成型，极大提高了生产效率，制件具有高致密度和优异的力学性能。
本发明的技术方案是：
电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，包括：
成型仓、基板、加压管口、抽真空管口、磁场线圈、玻璃窗、粉池、振镜、光路适配器、扩束镜、激光器、动态电磁场控制器、动态电磁场能发生装置、制件；所述成型仓的侧边底部设置充气口，所述成型仓的顶部设置真空管口，所述成型仓内部设置基板和粉池，所述磁场线圈布设在基板的四周；
所述激光的发输出端对准扩束镜，所述扩束镜的输出端连接光路适配器，所述光路适配器通过振镜将光路传输至玻璃窗，所述玻璃窗设置在成型仓的顶部，所述光路适配器与动态电磁场控制器连接，所述动态电磁场控制器和磁场线圈与动态电磁场能发生装置连接；
所述光路适配器接收到熔池辐射逆向光路形成的谱相，对熔池内缺陷状态分析后对动态电磁场控制器发出信号；动态电磁场控制器接受信号后，动态电磁场能发生装置产生作用使磁场线圈释放电磁场对熔池产生电磁搅拌作用。
作为本发明的进一步技术方案为，还包括：第一支架，第二支架，平板线圈，磁场力带动驱动器，锥形放大器，压头以及连接头；所述第一支架固定在成型仓内，与基板保持垂直；第二支架与第一支架通过连接头连接固定，所述第二支架上设置平板线圈，所述平板线圈的下方连接磁场力带动驱动器，所述磁场力带动驱动器的下方连接锥形放大器；第二支架上的平板线圈接收到动态电磁场能发生装置的信号后通入强的脉冲电流，产生的磁场力带动驱动器和锥形放大器向下运动对粉末进行压实成型。
进一步地，所述连接件套装在第一支架上并可沿第一支架旋转升降，与连接件连接的第二支架随连接件绕第一支架旋转升降。
作为本发明的进一步技术方案为，所述成型仓为电磁屏蔽仓体。
作为本发明的进一步技术方案为，所述玻璃窗为双面镀高透光膜的玻璃窗。
作为本发明的进一步技术方案为，所述磁场线圈为纳微秒级脉冲磁场线圈。
作为本发明的进一步技术方案为，所述成型仓内部为真空环境，通过抽真空管口进行抽真空。
作为本发明的进一步技术方案为，所述成型仓内部为保护气体，所述保护气体通过充气口充气，所述保护气体为氮气或氩气中的一种。
本发明还提供电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的方法，包括以下步骤：
步骤201：开启SLM设备和计算机控制系统，向粉池填充需要的金属粉；
步骤202：计算机控制系统对三维模型进行分析计算，设置工艺参数；
步骤203：对成型仓进行抽真空或充保护气体；
步骤204：激光经过扩束镜、振镜、玻璃窗进入成型仓对基板上的粉床进行加工；
步骤205：光路适配器接收到熔池辐射逆向光路形成的谱相，对熔池内缺陷状态分析，判断缺陷的存在；
步骤206：动态电磁场控制器接收到光路适配器发射的信号，对动态电磁能发生装置进行控制；
步骤207：动态电池能发生装置开启使纳微秒级脉冲磁场线圈产生电磁场对熔池进行调控；
步骤208：制件完成，停机，待制件冷却后取出。
本发明还提供另一种电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的方法如下：
步骤301：开启SLM设备、计算机控制系统、粉池填充需要的金属粉；
步骤302：计算机控制系统将三维模型进行分析计算，设置需要的工艺参数：扫描速度、功率、层厚、光斑大小等；
步骤303：对成型仓进行抽真空或充保护气体；
步骤304：激光经过扩束镜、振镜、玻璃窗进入成型仓对基板上的粉床进行加工，成形所需制件的外壳；
步骤305：光路适配器接收到熔池辐射逆向光路形成的谱相，对熔池内缺陷状态分析，判断缺陷的存在；
步骤306：动态电磁场控制器接收到光路适配器发射的信号，对动态电磁能发生装置进行控制；
步骤307：动态电池能发生装置开启使纳微秒级脉冲磁场线圈产生电磁场对熔池进行调控；
步骤308：外壳成型完成后，第二支架绕第一支架旋转至加工制件上方合适位置；
步骤309：平板磁场接受到动态电磁场能发生装置的信号，线圈通电产生磁场；
步骤310：将粉池里的粉末填充至外壳；
步骤311：驱动器和放大器受到磁场力向下运动，带动压头压实粉末；
步骤312：制件完成，停机，待制件冷却后取出。
本发明的有益效果为：
本发明对传统的SLM方法和装置进行升级使之达到智能制造，利用熔池辐射红外阵列成像，直观和清晰的输出缺陷演变特征；本发明将粉体冶金电磁成形方法引入到激光微熔池层间累加及组织性能调控，提升制件密度、细化晶粒，有效的解决了SLM成型制件的“表面缺陷”以及“1‰缺陷”。并且引入平板磁场动磁压制粉末，达到体成型目的，效率得到极高提升，制件的致密度高、力学性能优异。
附图说明
图1为本发明提出的电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置结构图；
图中所示：
1-成型仓，2-基板，3-加压管口，4-抽真空管口，5-纳微秒级脉冲磁场线圈，6-双面镀高透光膜的玻璃窗，7-粉池，8-振镜，9-光路适配器，10-扩束镜，11-激光器，12-动态电磁场控制器，13-动态电磁场能发生装置，14-制件，15-第一号支架，16-第二号支架，17-平板线圈，18-驱动器，19-锥形放大器，20-压头，21-连接头。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
参见图1为本发明提出的电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置结构图；
如图1所示，电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，包括：
成型仓1、基板2、加压管口3、抽真空管口4、磁场线圈5、玻璃窗6、粉池7、振镜8、光路适配器9、扩束镜10、激光器11、动态电磁场控制器12、动态电磁场能发生装置13、制件14；所述成型仓1的侧边底部设置充气口3，所述成型仓1的顶部设置真空管口4，所述成型仓内部设置基板2和粉池7，所述磁场线圈5布设在基板2的四周；
所述激光11的发输出端对准扩束镜10，所述扩束镜的输出端连接光路适配器9，所述光路适配器9通过振镜8将光路传输至玻璃窗6，所述玻璃窗6设置在成型仓1的顶部，所述光路适配器9与动态电磁场控制器12连接，所述动态电磁场控制器12和磁场线圈5与动态电磁场能发生装置13连接；
所述光路适配器9接收到熔池辐射逆向光路形成的谱相，对熔池内缺陷状态分析后对动态电磁场控制器12发出信号；动态电磁场控制器12接受信号后，动态电磁场能发生装置13产生作用使磁场线圈5释放电磁场对熔池产生电磁搅拌作用。
本发明实施例中，光路适配器反射熔池高温时变辐射光谱，用CCD熔池成像记录仪或高速红外相机记录熔池状态；动态电磁场控制器接受熔池状态信号后对电磁场能发生装置进行控制；动态电磁场能发生装置接受到动态电磁场控制器的信号后开始工作，使线圈释放磁场对熔池层间累加凝固进行干预调控。
本发明实施例中，纳微秒级脉冲磁场线圈根据不同的金属粉末材料特性施加不同的电磁场强大小，电磁场对金属熔池累加凝固过程进行磁热力搅拌，提高成密度降低有害缺陷分布，同时细化晶粒提升制件强度。
磁场力带动驱动器在平板线圈的磁场下产生脉冲磁场力；锥形放大器对平板线圈产生的磁场力进行调配使其均匀化，有利于磁场力的传播，并且对磁场力进行放大；压头可以根据制件大小不同进行适配。
本发明实施例中，为了提高制件生产周期，还包括：第一支架15，第二支架16，平板线圈17，磁场力带动驱动器18，锥形放大器19，压头20以及连接头21；第一支架15固定在成型仓1内，与基板2保持垂直；第二支架16与第一支架15通过连接头21连接固定，第二支架16上设置平板线圈17，平板线圈17的下方连接磁场力带动驱动器18，磁场力带动驱动器18的下方连接锥形放大器19；第二支架16上的平板线圈17接收到动态电磁场能发生装置13的信号后通入强的脉冲电流，产生的磁场力带动驱动器18和锥形放大器19向下运动对粉末进行压实成型。
其中，连接件21套装在第一支架15上并可沿第一支架15旋转升降，与连接件21连接的第二支架16随连接件绕第一支架15旋转升降。第一支架固定在成型仓内，与基板保持垂直；第二支架与第一支架用连接头进行连接固定，第二支架可以绕第一支架进行旋转升降。
本发明实施例中，成型仓1为电磁屏蔽仓体，具有电磁屏蔽功能；玻璃窗6为双面镀高透光膜的玻璃窗；磁场线圈5为纳微秒级脉冲磁场线圈；成型仓内部为真空环境，通过抽真空管口进行抽真空；成型仓内部为保护气体，保护气体通过充气口充气，所述保护气体为氮气或氩气等保护气体。
本发明根据电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置提供本发明还提供电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的方法，包括以下步骤：
步骤201：开启SLM设备和计算机控制系统，向粉池填充需要的金属粉；
步骤202：计算机控制系统对三维模型进行分析计算，设置工艺参数；
步骤203：对成型仓进行抽真空或充保护气体；
步骤204：激光经过扩束镜、振镜、玻璃窗进入成型仓对基板上的粉床进行加工；
步骤205：光路适配器接收到熔池辐射逆向光路形成的谱相，对熔池内缺陷状态分析，判断缺陷的存在；
步骤206：动态电磁场控制器接收到光路适配器发射的信号，对动态电磁能发生装置进行控制；
步骤207：动态电池能发生装置开启使纳微秒级脉冲磁场线圈产生电磁场对熔池进行调控；
步骤208：制件完成，停机，待制件冷却后取出。
本发明实施例中所述的方法是针对制件对生产周期没有特殊要求，对制件通过粉床直接加工生产，工艺参数包括扫描速度、功率、层厚和光斑大小。
本发明还提供另一种电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的方法如下：
步骤301：开启SLM设备、计算机控制系统、粉池填充需要的金属粉；
步骤302：计算机控制系统将三维模型进行分析计算，设置需要的工艺参数：扫描速度、功率、层厚、光斑大小等；
步骤303：对成型仓进行抽真空或充保护气体；
步骤304：激光经过扩束镜、振镜、玻璃窗进入成型仓对基板上的粉床进行加工，成形所需制件的外壳；
步骤305：光路适配器接收到熔池辐射逆向光路形成的谱相，对熔池内缺陷状态分析，判断缺陷的存在；
步骤306：动态电磁场控制器接收到光路适配器发射的信号，对动态电磁能发生装置进行控制；
步骤307：动态电池能发生装置开启使纳微秒级脉冲磁场线圈产生电磁场对熔池进行调控；
步骤308：外壳成型完成后，第二支架绕第一支架旋转至加工制件上方合适位置；
步骤309：平板磁场接受到动态电磁场能发生装置的信号，线圈通电产生磁场；
步骤310：将粉池里的粉末填充至外壳；
步骤311：驱动器和放大器受到磁场力向下运动，带动压头压实粉末；
步骤312：制件完成，停机，待制件冷却后取出。
本发明实施例针对制件对生产周期有严格要求的生产，其中，工艺参数包括扫描速度、功率、层厚和光斑大小；通过对制件进行外壳制作，完成外壳后，通过平板线圈对外壳进行填充，最后压实，加工周期缩短，提高生产效率。
本发明中电磁场控制方程包括麦克斯方程组、运动流体的欧姆定律和连续方程。安培定律表示为
法拉第电磁感应定律表示为
欧姆定律表示为J＝ε[E+(U×B)]；求解本构方程为B＝μH。所以由麦克斯韦方程组得到磁场计算方程为：
在不同粉末进行激光加工时，所需电磁场强大小依据不同粉末特性的相对磁导率μ和电导率σ进行计算。
在熔体的凝固过程中，纳微秒级脉冲磁场线圈施加脉冲电流
后，熔池及层间产生了脉冲磁场
作用到熔体的洛仑磁力
SLM成型过程中，激光熔池升温十分迅速达到微秒级，凝固速度达到1-10℃/μs。微熔池累加体呈现层间热叠加缓凝固特征，熔池动量扩散熔化升温，并伴随辐射、传质和对流能量的耗散，构成瞬态温度场时空差异的分布，凝固相变时间长要大于升温的4倍以上。
由于上述的时空差异分布，激光熔化粉体现出熔池后，洛仑磁力在熔体内产生径向收缩的“箍缩效应”。脉冲电流的大小和方向的变化时熔体径向反复被压缩，使未及时排出的杂志气体及时排出熔池，减少内部孔隙、表面缺陷的出现。
熔体凝固过程中施加的脉冲磁场会在熔体内感生出脉冲电流
根据洛仑磁力公式
根据磁场方向单位矢量
法向矢量
真空磁导率μ0得到体积电磁力为
激光加工时，洛仑磁力抑制熔体的对流和枝晶的横向生长，二次枝晶同样受到抑制，与此同时，磁场线圈产生的磁场与感应电流相互作用，产生的电磁力使熔体内产生抽离，打破了传统SLM成形的凝固体系特征，此过程中大晶粒被破碎形成细小晶粒，细晶强化作用可以有效提高制件强度。同时，内部原有缺陷存在被打破固有体系，重新进行分布排列，1‰缺陷有效缓解。
动磁压制过程中，粉末压实密度与电磁能量密切相关，并且在压制过程中粉末体积减少，需要多次填充压制才能达到所需的成型制件。体积减少率
V0为初始体积，V1为压制后体积，a，b为粉末参数，E为动磁压制时的能量。根据V0和V1选择合适的压制次数来填充空位直至完成制件。
以上对本发明进行了详细介绍，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (10)
1.电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，其特征在于，包括：
成型仓、基板、加压管口、抽真空管口、磁场线圈、玻璃窗、粉池、振镜、光路适配器、扩束镜、激光器、动态电磁场控制器、动态电磁场能发生装置、制件；所述成型仓的侧边底部设置充气口，所述成型仓的顶部设置真空管口，所述成型仓内部设置基板和粉池，所述磁场线圈布设在基板的四周；
所述激光的发输出端对准扩束镜，所述扩束镜的输出端连接光路适配器，所述光路适配器通过振镜将光路传输至玻璃窗，所述玻璃窗设置在成型仓的顶部，所述光路适配器与动态电磁场控制器连接，所述动态电磁场控制器和磁场线圈与动态电磁场能发生装置连接；
所述光路适配器接收到熔池辐射逆向光路形成的谱相，对熔池内缺陷状态分析后对动态电磁场控制器发出信号；动态电磁场控制器接受信号后，动态电磁场能发生装置产生作用使磁场线圈释放电磁场对熔池产生电磁搅拌作用。
2.根据权利要求1所述的电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，其特征在于，还包括：第一支架，第二支架，平板线圈，磁场力带动驱动器，锥形放大器，压头以及连接头；所述第一支架固定在成型仓内，与基板保持垂直；第二支架与第一支架通过连接头连接固定，所述第二支架上设置平板线圈，所述平板线圈的下方连接磁场力带动驱动器，所述磁场力带动驱动器的下方连接锥形放大器；第二支架上的平板线圈接收到动态电磁场能发生装置的信号后通入强的脉冲电流，产生的磁场力带动驱动器和锥形放大器向下运动对粉末进行压实成型。
3.根据权利要求2所述的电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，其特征在于，所述连接件套装在第一支架上并可沿第一支架旋转升降，与连接件连接的第二支架随连接件绕第一支架旋转升降。
4.根据权利要求1所述的电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，其特征在于，所述成型仓为电磁屏蔽仓体。
5.根据权利要求1所述的电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，其特征在于，所述玻璃窗为双面镀高透光膜的玻璃窗。
6.根据权利要求1所述的电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，其特征在于，所述磁场线圈为纳微秒级脉冲磁场线圈。
7.根据权利要求1所述的电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，其特征在于，所述成型仓内部为真空环境，通过抽真空管口进行抽真空。
8.根据权利要求1所述的电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，其特征在于，所述成型仓内部为保护气体，所述保护气体通过充气口充气，所述保护气体为氮气或氩气中的一种。
9.电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的方法，其特征在于，采用如权利要求1至8中任一所述的电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，包括以下步骤：
步骤201，开启SLM设备和计算机控制系统，向粉池填充需要的金属粉；
步骤202，计算机控制系统对三维模型进行分析计算，设置工艺参数；
步骤203，对成型仓进行抽真空或充保护气体；
步骤204，激光经过扩束镜、振镜、玻璃窗进入成型仓对基板上的粉床进行加工；
步骤205，光路适配器接收到熔池辐射逆向光路形成的谱相，对熔池内缺陷状态分析，判断缺陷的存在；
步骤206，动态电磁场控制器接收到光路适配器发射的信号，对动态电磁能发生装置进行控制；
步骤207，动态电池能发生装置开启使纳微秒级脉冲磁场线圈产生电磁场对熔池进行调控；
步骤208，制件完成，停机，待制件冷却后取出。
10.电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的方法，其特征在于，采用如权利要求2至8中任一所述的电磁干预激光成型调控粉床增材组织性能的装置，包括以下步骤：
步骤301，开启SLM设备、计算机控制系统、粉池填充需要的金属粉；
步骤302，计算机控制系统将三维模型进行分析计算，设置需要的工艺参数：扫描速度、功率、层厚、光斑大小等；
步骤303，对成型仓进行抽真空或充保护气体；
步骤304，激光经过扩束镜、振镜、玻璃窗进入成型仓对基板上的粉床进行加工，成形所需制件的外壳；
步骤305，光路适配器接收到熔池辐射逆向光路形成的谱相，对熔池内缺陷状态分析，判断缺陷的存在；
步骤306，动态电磁场控制器接收到光路适配器发射的信号，对动态电磁能发生装置进行控制；
步骤307，动态电池能发生装置开启使纳微秒级脉冲磁场线圈产生电磁场对熔池进行调控；
步骤308，外壳成型完成后，第二支架绕第一支架旋转至加工制件上方合适位置；
步骤309，平板磁场接受到动态电磁场能发生装置的信号，线圈通电产生磁场；
步骤310，将粉池里的粉末填充至外壳；
步骤311，驱动器和放大器受到磁场力向下运动，带动压头压实粉末；
步骤312，制件完成，停机，待制件冷却后取出。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114515840A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-05-20 | 济南森峰激光科技股份有限公司 | 一种基于磁性成型空间的激光快速成型装置及铺粉方法 |
| CN114669759A (zh) * | 2022-04-02 | 2022-06-28 | 江苏科技大学 | 一种外场辅助高熵合金激光增材制造装置及其方法 |
| CN114799224A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-07-29 | 南京航空航天大学 | 激光增材制造成形系统、激光增材制造成形性的调控方法 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102950285A (zh) * | 2012-11-02 | 2013-03-06 | 华中科技大学 | 一种磁场作用下金属零件快速制造方法及装置 |
| CN107655831A (zh) * | 2017-09-18 | 2018-02-02 | 华中科技大学 | 一种基于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置及方法 |
| CN108057883A (zh) * | 2018-01-02 | 2018-05-22 | 中南大学 | 一种径向和轴向电磁力实现粉末压制的方法和装置 |
| CN108620584A (zh) * | 2018-04-03 | 2018-10-09 | 上海大学 | 全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及其装置 |
| US20180311733A1 (en) * | 2017-04-28 | 2018-11-01 | Divergent Technologies, Inc. | Apparatus and methods for removable support structures in additive manufacturing |
| CN209552448U (zh) * | 2018-11-02 | 2019-10-29 | 广东汉邦激光科技有限公司 | 打印系统和打印设备 |
| CN111558718A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-21 | 上海大学 | 一种高能束增材制造成型的装置及成型方法 |
| CN112404883A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-02-26 | 广东镭奔激光科技有限公司 | 一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法及装置 |
| CN112974803A (zh) * | 2019-12-17 | 2021-06-18 | 上海交通大学 | 一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法 |
| CN113084195A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-09 | 武汉大学 | 一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法及装置 |
-
2021
- 2021-08-31 CN CN202111000172.5A patent/CN113681026A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102950285A (zh) * | 2012-11-02 | 2013-03-06 | 华中科技大学 | 一种磁场作用下金属零件快速制造方法及装置 |
| US20180311733A1 (en) * | 2017-04-28 | 2018-11-01 | Divergent Technologies, Inc. | Apparatus and methods for removable support structures in additive manufacturing |
| CN107655831A (zh) * | 2017-09-18 | 2018-02-02 | 华中科技大学 | 一种基于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置及方法 |
| CN108057883A (zh) * | 2018-01-02 | 2018-05-22 | 中南大学 | 一种径向和轴向电磁力实现粉末压制的方法和装置 |
| CN108620584A (zh) * | 2018-04-03 | 2018-10-09 | 上海大学 | 全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及其装置 |
| CN209552448U (zh) * | 2018-11-02 | 2019-10-29 | 广东汉邦激光科技有限公司 | 打印系统和打印设备 |
| CN112974803A (zh) * | 2019-12-17 | 2021-06-18 | 上海交通大学 | 一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法 |
| CN111558718A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-21 | 上海大学 | 一种高能束增材制造成型的装置及成型方法 |
| CN112404883A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-02-26 | 广东镭奔激光科技有限公司 | 一种实时精准液态微型锻造增材再制造方法及装置 |
| CN113084195A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-09 | 武汉大学 | 一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法及装置 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114669759A (zh) * | 2022-04-02 | 2022-06-28 | 江苏科技大学 | 一种外场辅助高熵合金激光增材制造装置及其方法 |
| CN114669759B (zh) * | 2022-04-02 | 2024-01-05 | 江苏科技大学 | 一种外场辅助高熵合金激光增材制造装置及其方法 |
| CN114799224A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-07-29 | 南京航空航天大学 | 激光增材制造成形系统、激光增材制造成形性的调控方法 |
| CN114515840A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-05-20 | 济南森峰激光科技股份有限公司 | 一种基于磁性成型空间的激光快速成型装置及铺粉方法 |
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