CN114192805B - 一种金属高效率增材制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属高效率增材制造的装置及方法，包括如下步骤：调整所述机械臂以带动中央送粉部移动到预设位置；调整所述滑块上下滑动，以调节光束倾角α至初始预设角度，从而使得所述多个高能束发射部的延长线与所述中央送粉部的延长线汇聚在基板上的预设加工起点；启动所述多个高能束发射部以发射高能束，同时启动中央送粉部送粉；根据预设路径调整所述机械臂带动中央送粉部沿所述预设路径移动以实现连续增材制造。本发明采用独特中央送粉，多路能束侧向入射的方式，能够大大提高熔池得粉率，提高成形精度和表面光洁度，实现多台低功率设备实现高功率制造，大大降低设备成本，可实现30kg/h或更高的成形效率。

Description

一种金属高效率增材制造装置及方法
技术领域
本发明涉及金属材料增材制造技术领域，尤其是涉及一种金属高效率增材制造装置及方法。
背景技术
增材制造技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的制造技术。金属高效增材制造技术主要包括激光送粉增材、电弧熔丝、电子束熔丝等。目前，常采用电弧作为热源进行大尺寸大重量构件的高效率成形，钢的成形效率最高可达15kg/h。高的成形效率必然要求电弧焊机采用大电流、大焊接气、大送丝量的工作模式。此工作模式下，产生的氩弧极为不稳定，加上大量送丝时对熔池的扰动，熔池也将极为不稳定，从而大大影响成形精度和构件性能。
激光具有强的定向性，采用激光作为热源，形成的熔池较为稳定，成形精度高，但由于激光器功率限制，成形效率偏低，当前工业用最大功率激光器12kW，增材制造沉积效率最高只能达到3kg/h左右。为提高成形效率，激光增材制造时往往采用多工位激光同时增材工作的模式，但存在成形设备结构复杂、多工位协同可靠性不高等问题。
发明内容
本发明提出并设计了一种新的采用激光作为热源的金属高效率增材制造装置，采用中央送粉，多路能束侧向入射的方式，能够大大提高熔池得粉率，提高成形精度和表面光洁度，并且解决了单台激光等高能束的功率限制，实现多台低功率设备实现高功率制造，大大降低设备成本。
具体的，本发明首先提供一种金属高效率增材制造装置，其特征在于：
所述金属高效率增材制造装置包括具有中空送粉通道的中央送粉部和在中央送粉部外周对称分布的多个高能束发射部；
所述中央送粉部上设置有固定支座和位于固定支座上方、可沿中央送粉部上下滑动的滑块，每个所述高能束发射部通过两个连杆分别与所述固定支座和滑块连接，所述连杆与所述高能束发射部、固定支座和滑块均为铰接；每个所述高能束发射部均与中央送粉部形成光束倾角α，以使得所述多个高能束发射部的延长线与所述中央送粉部的延长线汇聚在同一点；
所述中央送粉部与可移动的机械臂连接，所述机械臂带动中央送粉部在三维方向移动。
进一步优选的，在所述中央送粉部末端的送粉嘴内壁设置有水冷管。
进一步优选的，所述多个高能束发射部为1-20个。
进一步优选的，所述高能束为激光、电子束、电弧、等离子、氩弧中的一种或多种。
进一步优选的，所述滑块与电机固定连接，通过电机旋转带动滑块上下滑动。
同时，本发明还提供一种采用上述装置进行金属高效率增材制造的方法，其特征在于包括如下步骤：
调整所述机械臂以带动中央送粉部移动到预设位置
调整所述滑块上下滑动，以调节光束倾角α至初始预设角度，从而使得所述多个高能束发射部的延长线与所述中央送粉部的延长线汇聚在基板上的预设加工起点；
启动所述多个高能束发射部以发射高能束，同时启动中央送粉部送粉；
根据预设路径调整所述机械臂带动中央送粉部沿所述预设路径移动以实现连续增材制造。
进一步优选的，在所述连续增材制造中，实施N次调整所述滑块上下滑动，以分别调节光束倾角α至第一至第N预设角度，所述第一至第N预设角度可以与初始预设角度相同或不同，其中N为≥1的自然数。
进一步优选的，所述光束倾角α为5-60°。
进一步优选的，所述多个高能束发射部为2个时，束斑耦合重叠面积在40%-60%之间；所述多个高能束发射部为3个时，束斑耦合重叠面积在25%-40%之间；所述多个高能束发射部为4个时，束斑耦合重叠面积在20%-30%之间；所述多个高能束发射部为5个时，束斑耦合重叠面积在15%-20%之间；所述多个高能束发射部为6个时，束斑耦合重叠面积在10%-15%之间；所述多个高能束发射部为7个时，束斑耦合重叠面积在8%-12%之间；所述多个高能束发射部为8-10个时，束斑耦合重叠面积在5%-10%之间。
本发明的金属高效率增材制造装置及方法：
第一，采用多束激光等高能束（例如激光束）耦合的方式提供热源，大大增加热输入，扩大熔池尺寸，显著提升增材制造效率，采用中央送粉、多路能束侧向入射的方式，能够大大提高熔池得粉率，提高成形精度和表面光洁度，并且，解决了单台激光等高能束的功率限制，实现多台低功率设备实现高功率制造，大大降低设备成本；加工头可实现20路甚至以上的高能束耦合工作，同步调整聚焦位置、光斑大小及能量密度，保持熔池形状稳定。通过上述方式，本发明可实现30kg/h或更高的成形效率。
第二，本发明通过调整光束倾角改变光斑大小，实现变宽度沉积，对于不同壁厚的零件可显著提升精度和效率，相比于通过调整扫描速度等方式，具有良好的工艺一致性和灵活性。同时，对于不同能束数量，还通过调整光束倾角从而改变光斑耦合程度，及改变光斑重叠面积，从而保证多光斑耦合形成的熔池边缘光滑，以提高成形精度。
第三，本发明在送粉嘴处设置了水冷管，能够有效防止高能激光束作用下熔融产生的金属蒸汽冷凝堵塞送粉嘴而影响加工甚至导致送粉嘴和中央送粉部的报废。
附图说明
图1为本发明金属高效率增材制造装置结构示意图。
图2为本发明通过调整光束倾角α调整光斑大小的原理示意图。
图3为多光斑耦合的熔池形状示意图。
图4为实施例1的成形构件表面宏观形貌照片。
图5为传统旁轴送粉激光增材制造的成形构件表面宏观形貌照片。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。
如图1所示，本发明的金属高效率增材制造装置，包括具有中空送粉通道的中央送粉部1和在中央送粉部1外周对称分布的多个高能束发射部2，多个高能束发射部例如可以为2-20个，如果需要，超过20个也可以实施。
中央送粉部1上设置有固定支座3和位于固定支座3上方、可沿中央送粉部1上下滑动的滑块4，每个高能束发射部通过两个连杆5、6分别与所述固定支座3和滑块4连接，连杆5、6与高能束发射部2、固定支座3和滑块4均为铰接；每个高能束发射部2均与中央送粉部1形成光束倾角α，以使得多个高能束发射部2的延长线与所述中央送粉部的延长线汇聚在同一点。如图1右下角直线箭头处的送粉嘴7的局部放大示意图所示，在中央送粉部1末端的送粉嘴7内壁设置有水冷管8，由于高能束如激光的能量密度很大，送粉嘴温度急剧上升，中央送粉的金属粉末熔融后产生的金属蒸汽很容易向上飘散冷凝后粘附在送粉嘴处，从而造成送粉嘴7堵塞，进而影响送粉加工，严重时甚至导致设备的报废，而由于水冷管8的设置，从而使得金属蒸汽能够迅速凝固沉降，且即便冷凝也难以粘附在送粉嘴7上。
中央送粉部1与可移动的机械臂（未图示）连接，机械臂带动中央送粉部1在三维方向移动以实现激光增材制造。
滑块4可以与电机（未图示）固定连接，通过电机旋转带动滑块4沿着中央送粉部上下滑动，以调整光束倾角α的大小。
为了防止金属蒸汽冷凝在激光器镜片上而，还特意在高能束发射部2的发射端设置了气体吹扫管9，从而喷吹气体并形成气帘，以将金属蒸汽及金属烟尘吹走，保证光路的通畅。
此外，高能束发射部2的尾端还可与旋转装置10相连接，以调整高能束发射部2与扫描方向之间的角度。
本发明虽然优选热源为激光束，但是也不做强制限定，即，根据需要，也可以将多个高能束发射部中的部分，例如一个或多个设置为电弧束发射部或其他示意的高能束发射部。
本发明多束斑重叠后形成的各种熔池形状示意图如图3所示，其中，虚线为多光斑耦合形成的熔池。通过滑块4移动改变固定支座3和滑块4间距离实现α角度调整，同时调节机械臂带动中央送粉部1整体沿竖直方向移动使得光束汇聚点位置在竖直方向上调节，可以实现光束倾角α调整的同时，光束和粉末汇聚高度位置不变。通过调整光束倾角α，可以控制单束激光在光粉汇聚位置上的光斑面积As和多束激光在光粉汇聚点上的光斑面积Am，进而实现激光功率密度（激光功率/光斑面积）的控制。并且，确保光斑大于粉末流在光粉汇聚位置的粉斑（粉末流截面），使得粉末全部落在光斑范围内，以保证光束充分覆盖、捕获并熔化绝大部分的粉末，达到超过90%以上的粉末利用率。具体的，多个高能束发射部为2个时，束斑耦合重叠面积在40%-60%之间，如图3左侧上面所示；多个高能束发射部为3个时，束斑耦合重叠面积在25%-40%之间，如图3中间上面所示；多个高能束发射部为4个时，束斑耦合重叠面积在20%-30%之间，如图3右侧上面所示；多个高能束发射部为5个时，束斑耦合重叠面积在15%-20%之间；多个高能束发射部为6个时，束斑耦合重叠面积在10%-15%之间；多个高能束发射部为7个时，束斑耦合重叠面积在8%-12%之间；多个高能束发射部为8个以上时，束斑耦合重叠面积在5%-10%之间；采用上述方式进行耦合，能保证熔池边缘平滑，如图3左侧下面所示，为光斑耦合形成的正常熔池，如果重叠面积过小时，熔池形状将会如图3中间下面所示，影响成形效果，而如果重叠面积过大时，熔池形状则将会如图3右侧下面所示，重叠部分能量太高，将金属部分气化，形成匙孔，严重影响成形效果而且容易造成危险。送粉时，粉管在激光头对称轴处送粉，这样能保证粉末尽可能进入熔池熔化，能够提高粉末利用率和成形表面精度。两光斑耦合时，需不断调整旋转装置10保持激光头所在平面与扫描方向垂直，若不保持垂直，熔池会被拉长，熔池形状不稳定，会导致得粉率变低，表面质量变差。
以下通过几个实施例来说明采用本发明金属高效率增材制造装置实施激光增材制造的工艺：
实施例1：
设置4个对于分布的激光束发射部2形成了一个空间内虚拟的圆锥面，位于圆锥面上分布的4束光束从侧向汇聚至于竖直方向的圆锥旋转轴上某一位置，中央送粉部1的中空送粉通道中心线与于该圆锥旋转轴线重合，4束激光束对称排布，每束光束中心轴线与竖直方向夹角（即光束倾角）均为α。滑块4固定在电机上，通过电机旋转带动滑块4上下移动改变α，考虑防止光束和送粉通道干涉等原因，优选地α范围为30±15°。
采用该金属高效率增材制造装置的光-粉耦合装置，以粒径为60μm-200μm的TC4钛合金形粉末作为原料，初始光束倾角为20°，光斑汇聚尺寸为20mm，每束激光功率为6kW、总激光功率为24kW，送粉量为8.10kg/h。通过称重计算，沉积效率为7.78kg/h，粉末利用率达到96.0%。如图4为本实施例的成形构件的表面宏观形貌，而图5为传统旁轴送粉激光增材制造的成形构件的表面宏观形貌（沉积效率仅为2kg/h），两者对比，本实施例表面粘粉少，表面质量好，成形精度大大提高。
在连续的激光增材制造成形过程中，通过调节α1为20°至α2为15°，光斑汇聚尺寸从20mm调整至24mm（原理如图2所示，其中图2中右侧所示为小光斑尺寸，左侧为大光斑尺寸），同时总功率从24kW提高至28kW，单道沉积宽度从20mm提高至23mm，实现了变宽度沉积，粉末利用率提高至97.4%。
实施例2：
设置2个对于分布的激光束发射部2形成了一个空间内虚拟的圆锥面，位于圆锥面上分布的2束光束从侧向汇聚至于竖直方向的圆锥旋转轴上某一位置，中央送粉部1的中空送粉通道中心线与该圆锥旋转轴线重合，2束激光束对称排布，每束光束中心轴线与竖直方向夹角均为α。滑块4固定在伺服电机上，通过电机旋转带动滑块4上下移动改变α，α范围为20±10°。
采用该金属高效率增材制造装置的光-粉耦合装置，以粒径为75μm-250μm的316L不锈钢球形粉末作为原料，初始光束倾角为15°，光斑汇聚尺寸长短轴分别为14、12mm，每束激光功率为8kW、总激光功率为16kW，送粉量为8kg/h。通过称重计算，沉积效率为7.38kg/h，粉末利用率达到92.3%。
在连续的激光增材制造成形过程中，通过调节α从15°至20°，汇聚光斑长短轴尺寸从14、12mm调整至16、14mm，同时总功率从16kW提高至20kW，单道沉积宽度从14mm提高至17mm，实现了变宽度沉积，粉末利用率提高至94.1%。
实施例3：
设置6个对于分布的激光束发射部2形成了一个空间内虚拟的圆锥面，位于圆锥面上分布的6束光束从侧向汇聚至于竖直方向的圆锥旋转轴上某一位置，中央送粉部1的中空送粉通道中心线与该圆锥旋转轴线重合，6束激光束对称排布，每束光束中心轴线与竖直方向夹角均为α。滑块4固定在伺服电机上，通过电机旋转带动滑块4上下移动改变α，α范围为30±10°。
采用该金属高效率增材制造装置的该光-粉耦合装置，以粒径为75μm-250μm的316L不锈钢球形粉末作为原料，光束初始倾角为30°，光斑汇聚尺寸为30mm，每束激光功率为8kW、总激光功率为48kW，送粉量为28kg/h。通过称重计算，沉积效率为27.2kg/h，粉末利用率达到97.1%。
在连续的激光增材制造成形过程中，通过调节α从30°至35°，光斑汇聚尺寸从30mm调整至27mm，同时总功率从48kW提高至40kW，单道沉积宽度从28mm减小至26mm，实现了变宽度沉积，粉末利用率提高至96.3%。
实施例4：
设置12个对于分布的激光束发射部2形成了一个空间内虚拟的圆锥面，位于圆锥面上分布的12束光束从侧向汇聚至于竖直方向的圆锥旋转轴上某一位置，中央送粉部1的中空送粉通道中心线与该圆锥旋转轴线重合，12束激光束对称排布，每束光束中心轴线与竖直方向夹角均为α。滑块4固定在伺服电机上，通过电机旋转带动滑块4上下移动改变α，α范围为35±10°。
采用该金属高效率增材制造装置的光-粉耦合装置，以粒径为75μm-250μm的316L不锈钢球形粉末作为原料，光束初始倾角为35°，光斑汇聚尺寸为27mm，每束激光功率为4kW、总激光功率为48kW，送粉量为28kg/h。通过称重计算，沉积效率为27.6kg/h，粉末利用率达到98.6%。
在连续的激光增材制造成形过程中，通过调节α从35°至30°，光斑汇聚尺寸从27mm调整至29mm，同时总功率从48kW提高至54kW，单道沉积宽度从28mm提高至30mm，实现了变宽度沉积，粉末利用率提高至98.9%。
实施例5：
设置对于分布的1激光束发射部和1个电弧束发射部形成了一个空间内虚拟的圆锥面，位于圆锥面上分布的1束激光光束和1束电弧从侧向汇聚至于竖直方向的圆锥旋转轴上某一位置，中央送粉部1的中空送粉通道中心线与该圆锥旋转轴线重合，2束能束对称排布，每束能束中心轴线与竖直方向夹角均为α。滑块固定在伺服电机上，通过电机旋转带动滑块上下移动改变α，α范围为20±15°。
采用该金属高效率增材制造装置的光-粉耦合装置，以粒径为75μm-250μm的316L不锈钢球形粉末作为原料，能束初始倾角为20°，能束汇聚束斑尺寸长短轴分别为15mm和12mm，激光功率为6kW、电弧功率为6kW，送粉量为5kg/h。通过称重计算，沉积效率为4.62kg/h，粉末利用率达到92.4%。
在连续的增材制造成形过程中，通过调节α从20°至16°，聚焦束斑长短周尺寸从15mm和12mm调整至18mm和15mm，同时总功率从12kW提高至15kW，单道沉积宽度从12mm提高至14mm，实现了变宽度沉积，粉末利用率提高至93.8%。
实施例6：
当然，虽然本发明为了解决多束能束同时加工的问题，但是本发明也同样可以适用于仅有一束激光束的情况，此时，1束光束从侧向与中央送粉部1的中空送粉通道中心线汇聚，光束中心轴线与竖直方向夹角均为α。滑块4固定在伺服电机上，通过电机旋转带动滑块4上下移动改变α，α范围为35±20°。
采用该金属高效率增材制造装置的光-粉耦合装置，以粒径为60μm-200μm的TC4钛合金球形粉末作为原料，光束初始倾角为30°，光斑长短轴尺寸分别为15mm和10mm，激光功率为10kW，送粉量为3.5kg/h。通过称重计算，沉积效率为3.21kg/h，粉末利用率达到91.7%。
在连续的增材制造成形过程中，通过调节α从30°至25°，光斑尺寸分别为15mm和10mm调整至18mm和12mm，同时激光功率从10kW提高至12kW，单道沉积宽度从11mm提高至13mm，实现了变宽度沉积，粉末利用率提高至92.2%。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种金属高效率增材制造装置，其特征在于：
所述金属高效率增材制造装置包括具有中空送粉通道的中央送粉部和在中央送粉部外周对称分布的多个高能束发射部；
所述中央送粉部上设置有固定支座和位于固定支座上方、可沿中央送粉部上下滑动的滑块，每个所述高能束发射部通过两个连杆分别与所述固定支座和滑块连接，所述连杆与所述高能束发射部、固定支座和滑块均为铰接；每个所述高能束发射部均与中央送粉部形成光束倾角α，以使得所述多个高能束发射部的延长线与所述中央送粉部的延长线汇聚在同一点；
滑块沿着中央送粉部上下滑动，以调整光束倾角α的大小；通过调整光束倾角改变光斑大小，实现变宽度沉积；对于不同能束数量，通过调整光束倾角改变光斑耦合程度，及改变光斑重叠面积；
所述中央送粉部与可移动的机械臂连接，所述机械臂带动中央送粉部在三维方向移动。
2.根据权利要求1所述的金属高效率增材制造装置，其特征在于：在所述中央送粉部末端的送粉嘴内壁设置有水冷管。
3.根据权利要求1所述的金属高效率增材制造装置，其特征在于：
所述多个高能束发射部为1-20个。
4.根据权利要求1所述的金属高效率增材制造装置，其特征在于：
所述高能束为激光、电子束、电弧、等离子、氩弧中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的金属高效率增材制造装置，其特征在于：
所述滑块与电机固定连接，通过电机旋转带动滑块上下滑动。
6.一种金属高效率增材制造的方法，其采用权利要求1-5中任意一项所述的金属高效率增材制造装置，其特征在于包括如下步骤：
调整所述机械臂以带动中央送粉部移动到预设位置；
调整所述滑块上下滑动，以调节光束倾角α至初始预设角度，从而使得所述多个高能束发射部的延长线与所述中央送粉部的延长线汇聚在基板上的预设加工起点；
启动所述多个高能束发射部以发射高能束，同时启动中央送粉部送粉；
根据预设路径调整所述机械臂带动中央送粉部沿所述预设路径移动以实现连续增材制造。
7.根据权利要求6所述的金属高效率增材制造的方法，其特征在于：
在所述连续增材制造中，实施N次调整所述滑块上下滑动，以分别调节光束倾角α至第一至第N预设角度，所述第一至第N预设角度与初始预设角度相同或不同，其中N为≥1的自然数。
8.根据权利要求6所述的金属高效率增材制造的方法，其特征在于：
所述光束倾角α为5-60°。
9.根据权利要求6所述的金属高效率增材制造的方法，其特征在于：
所述多个高能束发射部为2个时，束斑耦合重叠面积在40%-60%之间；所述多个高能束发射部为3个时，束斑耦合重叠面积在25%-40%之间；所述多个高能束发射部为4个时，束斑耦合重叠面积在20%-30%之间；所述多个高能束发射部为5个时，束斑耦合重叠面积在15%-20%之间；所述多个高能束发射部为6个时，束斑耦合重叠面积在10%-15%之间；所述多个高能束发射部为7个时，束斑耦合重叠面积在8%-12%之间；所述多个高能束发射部为8-10个时，束斑耦合重叠面积在5%-10%之间。
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