CN114425625A - 脉冲激光增材减材制造系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增材制造技术领域，提供一种脉冲激光增材减材制造系统及方法。该脉冲激光增材减材制造方法，包括如下步骤：S1、将金属粉末铺设于升降台上；S2、调整脉冲激光器输出第一设定扫描能量值的脉冲激光，并将第一设定扫描能量值的脉冲激光聚焦扫描金属粉末层，制备成形部件；S3、调整脉冲激光器输出第二设定扫描能量值的脉冲激光，并将第二设定扫描能量值的脉冲激光聚焦扫描成形部件的边缘的金属粉末，通过采用第一设定扫描能量值的脉冲激光扫描成形区域内的金属粉末，采用第二设定扫描能量值的脉冲激光扫描成形区域边缘的金属粉末，实现高质量金属粉末熔化和良好的表面状态，提高成形部件的边缘轮廓的精度，无需表面后处理即可直接应用。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种脉冲激光增材减材制造系统及方法。
背景技术
激光选区熔化增材制造方案是获得高精度、高质量金属3D打印部件的技术方案，近年来广泛用做航空航天、船舶工业等领域的结构件制造。常用的激光选区熔化增材制造方案通常采用连续激光，通过规划相应的路径，逐层扫描金属粉末，已获得特定结构的成形部件。
在这一过程中，连续激光只能实现增材功能，在扫描区域边缘并不能形成高精度的轮廓，表面粗糙，因此成形后的部件并不能直接使用，还需要进一步后处理，以去除表面的毛刺。
发明内容
本发明提供一种脉冲激光增材减材制造系统及方法，用以解决现有技术中增材制造中成形部件的边缘轮廓精度低的缺陷，实现提高成形部件边缘轮廓的精度。
本发明提供一种脉冲激光增材减材制造方法，包括如下步骤：
S1、将金属粉末铺设于升降台上；
S2、调整脉冲激光器输出第一设定扫描能量值的脉冲激光，并将第一设定扫描能量值的所述脉冲激光聚焦扫描金属粉末层，制备成形部件，其中，第一设定扫描能量值高于所述金属粉末的熔化阈值且低于所述金属粉末的汽化阈值；
S3、调整所述脉冲激光器输出第二设定扫描能量值的脉冲激光，并将第二设定扫描能量值的所述脉冲激光聚焦扫描所述成形部件的边缘的金属粉末，其中，第二设定扫描能量值高于所述金属粉末的汽化阈值。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，所述步骤S1中，将所述升降台置于密封室内，并向所述密封室输送保护气体，使所述密封室内的氧气含量低于0.1％。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，所述步骤S1中，通过粉末刮刀在所述升降台上沉积第一层金属粉末层，执行所述步骤S2；
降低所述升降台的高度，通过所述粉末刮刀在N-1(N为整数，且大于等于2)层金属粉末层上沉积铺设第N层金属粉末层，再执行所述步骤S2，完成所述成形部件的制备。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，所述步骤S2中，通过扫描电镜将所述脉冲激光器发射的激光脉冲聚焦于所述涂层粉末的表面。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，所述脉冲激光器输出的激光脉冲的脉宽在500fs至1ps之间，重复频率可在1Mhz至100Mhz范围调谐；
所述脉冲激光器输出的激光脉冲的平均功率大于100W。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，所述脉冲激光器输出的激光脉冲的中心波长位于1.02μm至1.04μm之间。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，所述脉冲激光器输出的激光脉冲的扫描能量值F的计算式为：
其中，P为脉冲激光器输出激光的平均功率，f为脉冲激光器输出的激光脉冲的重复频率，v为扫描电镜的光斑扫描速度。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，所述步骤S3中，通过降低所述脉冲激光器输出的激光脉冲的重复频率，使所述脉冲激光器输出第二设定扫描能量值的脉冲激光。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，所述脉冲激光器输出的激光脉冲为基模模式，偏振态为线偏振。
本发明还提供一种脉冲激光增材减材制造系统，包括脉冲激光器、扫描电镜和铺粉组件，所述脉冲激光器的输出端与所述扫描电镜的输入端相对设置；
所述铺粉组件包括升降台、粉末刮刀、密封室和粉末容器，所述升降台设于所述密封室内，所述粉末刮刀用以将金属粉末沉积于所述升降台上，所述粉末容器设于所述密封室内，用以存储所述金属粉末；
所述扫描电镜的输出端与所述升降台相对应，用以将所述脉冲激光器输出的脉冲激光聚焦于所述金属粉末上。
本发明提供的脉冲激光增材减材制造系统及方法，包括如下步骤：S1、将金属粉末铺设于升降台上；S2、调整脉冲激光器输出第一设定扫描能量值的脉冲激光，并将第一设定扫描能量值的所述脉冲激光聚焦扫描金属粉末层，制备成形部件，其中，第一设定扫描能量值高于所述金属粉末的熔化阈值且低于所述金属粉末的汽化阈值；S3、调整所述脉冲激光器输出第二设定扫描能量值的脉冲激光，并将第二设定扫描能量值的所述脉冲激光聚焦扫描所述成形部件的边缘的金属粉末，其中，第二设定扫描能量值高于所述金属粉末的汽化阈值，通过采用第一设定扫描能量值的脉冲激光扫描成形区域内的金属粉末，采用第二设定扫描能量值的脉冲激光扫描成形区域边缘的金属粉末，实现高质量金属粉末熔化和良好的表面状态，提高成形部件的边缘轮廓的精度，无需表面后处理即可直接应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的脉冲激光增材减材制造方法的流程示意图；
图2是本发明提供的脉冲激光增材减材制造系统的结构框式图；
附图标记：
100、脉冲激光器；200、扫描电镜；300、铺粉组件；310、升降台；320、粉末刮刀；330、密封室；340、粉末容器；400、金属粉末层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明的一种脉冲激光增材减材制造方法，包括如下步骤：
S1、将金属粉末铺设于升降台310上；
S2、调整脉冲激光器100输出第一设定扫描能量值的脉冲激光，并将第一设定扫描能量值的脉冲激光聚焦扫描金属粉末层400，制备成形部件，其中，第一设定扫描能量值高于金属粉末的熔化阈值且低于金属粉末的汽化阈值；
S3、调整脉冲激光器100输出第二设定扫描能量值的脉冲激光，并将第二设定扫描能量值的脉冲激光聚焦扫描成形部件的边缘的金属粉末，其中，第二设定扫描能量值高于金属粉末的汽化阈值。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，步骤S1中，将升降台310置于密封室330内，并向密封室330输送保护气体，使密封室330内的氧气含量低于0.1％。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，步骤S1中，通过粉末刮刀320在升降台310上沉积第一层金属粉末层400，执行步骤S2；
降低升降台310的高度，通过粉末刮刀320在N-1(N为整数，且大于等于2)层金属粉末层400上沉积铺设第N层金属粉末层400，再执行步骤S2，完成成形部件的制备。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，步骤S2中，通过扫描电镜200将脉冲激光器100发射的激光脉冲聚焦于涂层粉末的表面。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，脉冲激光器100输出的激光脉冲的脉宽在500fs至1ps之间，重复频率可在1Mhz至100Mhz范围调谐；
脉冲激光器100输出的激光脉冲的平均功率大于100W。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，脉冲激光器100输出的激光脉冲的中心波长位于1.02μm至1.04μm之间。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，脉冲激光器100输出的激光脉冲的扫描能量值F的计算式为：
其中，P为脉冲激光器100输出激光的平均功率，f为脉冲激光器100输出的激光脉冲的重复频率，v为扫描电镜200的光斑扫描速度。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，步骤S3中，通过降低脉冲激光器100输出的激光脉冲的重复频率，使脉冲激光器100输出第二设定扫描能量值的脉冲激光。
根据本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，脉冲激光器100输出的激光脉冲为基模模式，偏振态为线偏振。
本发明提供的一种脉冲激光增材减材制造方法，具体包括如下步骤：
S1、通过粉末刮刀320将粉末容器340内的金属粉末沉积于基底上，形成第一层金属粉末层400，金属粉末层400的厚度可根据实际成形部件的所需尺寸具体设定；
向放置有上述升降台310的密封室330内通入保护气体，保护气体的种类可以选用氮气或氩气等惰性气体，使密封室330内残留的氧气含量低于0.1％；
S2、调节脉冲激光器100的参数，其中，脉冲激光器100为可调谐脉冲激光器100，脉冲激光器100输出的脉冲激光的脉宽在500fs至1ps之间，重复频率可在1Mhz至100Mhz范围调谐，平均功率P大于100W，激光脉冲的中心波长位于1.02μm至1.04μm之间，激光脉冲为基模模式，偏振态为线偏振；
其中，单位扫描长度内的脉冲激光的扫描能量值F的计算式为：
其中，P为脉冲激光器100100输出激光的平均功率，f为脉冲激光器100100输出的激光脉冲的重复频率，v为扫描电镜200200的光斑扫描速度；
将脉冲激光器100输出的脉冲激光调整至第一设定扫描能量值，并通过扫描电镜200聚焦于升降台310上的第一层金属粉末层400，并对金属粉末层400进行扫描，使成形区域内的金属粉末熔化；其中，第一设定扫描能量值高于金属粉末的熔化阈值且低于金属粉末的汽化阈值；保证使成形区域内的金属粉末熔化但不会发生汽化；
降低升降台310的高度(对应第二层金属粉末层400的厚度)，通过粉末刮刀320在第一层金属粉末层400上均匀沉积铺设第二层金属粉末层400，脉冲激光器100输出的第一设定扫描能量值的脉冲激光通过扫描电镜200聚焦于第二层金属粉末层400，并使成形区域内的第二层金属粉末层400内的金属粉末熔化；
再次降低升降台310的高度(对应第三层金属粉末层400的厚度)，通过粉末刮刀320在第二层金属粉末层400上均匀沉积铺设第三层金属粉末层400，脉冲激光器100输出的第一设定扫描能量值的脉冲激光通过扫描电镜200聚焦于第三层金属粉末层400，并使成形区域内的第三层金属粉末层400内的金属粉末熔化；
重复上述过程，直至最后一层金属粉末层400，即第N(N为整数，且大于等于2)层金属粉末层400，降低升降台310的高度(对应第N层金属粉末层400的厚度)，通过粉末刮刀320在第N-1层金属粉末层400上均匀沉积铺设第N层金属粉末层400，脉冲激光器100输出的第一设定扫描能量值的脉冲激光通过扫描电镜200聚焦于第N层金属粉末层400，并使成形区域内的第N层金属粉末层400内的金属粉末熔化，完成成形部件的制备；
需要说明的是，第一设定扫描能量值的脉冲激光为高重复频率模式的脉冲激光；
S3、通过降低脉冲激光器100输出的激光脉冲的重复频率，使脉冲激光器100输出第二设定扫描能量值的脉冲激光，其中，第二设定扫描能量值高于金属粉末的汽化阈值；
将第二设定扫描能量值的脉冲激光聚焦扫描成形部件的边缘的金属粉末，高脉冲扫描能量的脉冲激光可使成形部件边缘的金属粉末气化，提高成形部件的边缘轮廓的精度，完成增材减材制造。
下面对本发明提供的脉冲激光增材减材制造系统进行描述，下文描述的脉冲激光增材减材制造系统与上文描述的脉冲激光增材减材制造方法可相互对应参照。
如图2所示，本发明还提供一种脉冲激光增材减材制造系统，包括脉冲激光器100、扫描电镜200和铺粉组件300，脉冲激光器100的输出端与扫描电镜200的输入端相对设置；
铺粉组件300包括升降台310、粉末刮刀320、密封室330和粉末容器340，升降台310设于密封室330内，粉末刮刀320用以将金属粉末沉积于升降台310上，粉末容器340设于密封室330内，用以存储金属粉末；
扫描电镜200的输出端与升降台310相对应，用以将脉冲激光器100输出的脉冲激光聚焦于金属粉末上。可以理解的是，脉冲激光器100为参数可调谐脉冲激光器100，扫描电镜200用以对脉冲激光器100输出的脉冲激光进行聚焦并扫描对应金属粉末，铺粉组件300用以铺设金属粉末，进而脉冲激光对金属粉末进行熔化或汽化处理。
其中，铺粉组件300包括升降台310、粉末刮刀320、密封室330和粉末容器340，粉末刮刀320用以将金属粉末均匀沉积铺设于升降台310上，实现对金属粉末的升降调整，增加或缩短金属粉末与扫描电镜200之间的距离。密封室330设有窗口，脉冲激光透过窗口对金属粉末进行聚焦扫描。密封室330为金属粉末提供熔化或汽化的密闭反应室，并充有保护气体，提高表面成形部件的制备质量。粉末容器340用以存储铺设金属粉末层400所需的金属粉末，粉末容器340放置于密封室330内。
本发明提供的脉冲激光增材减材制造系统及方法，包括如下步骤：S1、将金属粉末铺设于升降台上；S2、调整脉冲激光器输出第一设定扫描能量值的脉冲激光，并将第一设定扫描能量值的所述脉冲激光聚焦扫描金属粉末层，制备成形部件，其中，第一设定扫描能量值高于所述金属粉末的熔化阈值且低于所述金属粉末的汽化阈值；S3、调整所述脉冲激光器输出第二设定扫描能量值的脉冲激光，并将第二设定扫描能量值的所述脉冲激光聚焦扫描所述成形部件的边缘的金属粉末，其中，第二设定扫描能量值高于所述金属粉末的汽化阈值，通过采用第一设定扫描能量值的脉冲激光扫描成形区域内的金属粉末，采用第二设定扫描能量值的脉冲激光扫描成形区域边缘的金属粉末，实现高质量金属粉末熔化和良好的表面状态，提高成形部件的边缘轮廓的精度，无需表面后处理即可直接应用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种脉冲激光增材减材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将金属粉末铺设于升降台上；
S2、调整脉冲激光器输出第一设定扫描能量值的脉冲激光，并将第一设定扫描能量值的所述脉冲激光聚焦扫描金属粉末层，制备成形部件，其中，第一设定扫描能量值高于所述金属粉末的熔化阈值且低于所述金属粉末的汽化阈值；
S3、调整所述脉冲激光器输出第二设定扫描能量值的脉冲激光，并将第二设定扫描能量值的所述脉冲激光聚焦扫描所述成形部件的边缘的金属粉末，其中，第二设定扫描能量值高于所述金属粉末的汽化阈值。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光增材减材制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，将所述升降台置于密封室内，并向所述密封室输送保护气体，使所述密封室内的氧气含量低于0.1％。
3.根据权利要求2所述的脉冲激光增材减材制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过粉末刮刀在所述升降台上沉积第一层金属粉末层，执行所述步骤S2；
降低所述升降台的高度，通过所述粉末刮刀在N-1(N为整数，且大于等于2)层金属粉末层上沉积铺设第N层金属粉末层，再执行所述步骤S2，完成所述成形部件的制备。
4.根据权利要求1所述的脉冲激光增材减材制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过扫描电镜将所述脉冲激光器发射的激光脉冲聚焦于所述涂层粉末的表面。
5.根据权利要求1所述的脉冲激光增材减材制造方法，其特征在于，所述脉冲激光器输出的激光脉冲的脉宽在500fs至1ps之间，重复频率可在1Mhz至100Mhz范围调谐；
所述脉冲激光器输出的激光脉冲的平均功率大于100W。
6.根据权利要求1所述的脉冲激光增材减材制造方法，其特征在于，所述脉冲激光器输出的激光脉冲的中心波长位于1.02μm至1.04μm之间。
7.根据权利要求6所述的脉冲激光增材减材制造方法，其特征在于，所述脉冲激光器输出的激光脉冲的扫描能量值F的计算式为：
其中，P为脉冲激光器输出激光的平均功率，f为脉冲激光器输出的激光脉冲的重复频率，v为扫描电镜的光斑扫描速度。
8.根据权利要求1所述的脉冲激光增材减材制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过降低所述脉冲激光器输出的激光脉冲的重复频率，使所述脉冲激光器输出第二设定扫描能量值的脉冲激光。
9.根据权利要求1至8任一项所述的脉冲激光增材减材制造方法，其特征在于，所述脉冲激光器输出的激光脉冲为基模模式，偏振态为线偏振。
10.一种脉冲激光增材减材制造系统，其特征在于，包括脉冲激光器、扫描电镜和铺粉组件，所述脉冲激光器的输出端与所述扫描电镜的输入端相对设置；
所述铺粉组件包括升降台、粉末刮刀、密封室和粉末容器，所述升降台设于所述密封室内，所述粉末刮刀用以将金属粉末沉积于所述升降台上，所述粉末容器设于所述密封室内，用以存储所述金属粉末；
所述扫描电镜的输出端与所述升降台相对应，用以将所述脉冲激光器输出的脉冲激光聚焦于所述金属粉末上。
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