CN114799229A - 一种铺粉式多激光增减材复合精密制造装置及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光增减材设备技术领域，具体涉及一种铺粉式多激光增减材复合精密制造装置及其加工方法，该铺粉式多激光增减材复合精密制造装置包括成型缸、粉末缸、控制模块和处理器模块，所述成型缸与所述粉末缸并排连接设置，所述粉末缸上设有刮刀，所述刮刀能将所述粉末缸内的粉末推至所述成型缸内，所述成型缸的上方设有白光共焦传感器、超快激光器、工业相机和至少两个连续激光器，所述白光共焦传感器的传感端、所述超快激光器的超快激光发射端、所述工业相机的摄像头和所述连续激光器的连续激光发射端均指向所述成型缸的成型面，该铺粉式多激光增减材复合精密制造装置可进行非接触式增减材成形和局部表面抛光，具有加工效率高和加工质量高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光增减材设备技术领域，具体涉及一种铺粉式多激光增减材复合精密制造装置及其加工方法。
背景技术
选择性激光熔融(Selective laser melting SLM)技术是一种利用激光逐层熔融金属粉末的方式“自下而上”打印零件的制造方法。相比于传统制造工艺，选择性激光熔融技术具有很多优势，比如可直接制造出复杂的零件，省略了模具制造、多工序减材加工等步骤；可将多个零部件组合，进行一体式制造，提高了工程师的设计自由度。该技术已被广泛应用到航空航天、医疗器械、汽车制造等行业，以及产品定制化程度高、需要快速生产的领域。然而，在逐层加工的过程中，由于铺粉质量及激光功率等因素的影响，使得产品容易出现孔洞、微裂纹和开裂等缺陷，进而削弱其力学性能；且由于增材制造的原理所限，各层轮廓搭接处会产生边缘台阶效应,且零件上表面粗糙度较大,会造成产品整体表面粗糙等问题。
针对以上难题，行业提出了相关解决方案。中国专利(CN109926584A)提出一种增材制造和表面抛光同步加工方法及装置，通过超快激光消除内外轮廓面上选定区域内的多余材料，再进行下一片层的熔覆层激光成型加工，该方法仅能消除“台阶效应”，无法对表面进行抛光处理。中国专利(CN112170838A)提出一种增减材制造装置及其增减材复合制造方法，实现在一台装置内交替进行激光增材制造、高速数控切削加工和超快激光抛光表面处理，该装置部件较多且调用条件复杂，存在机械减材部分却没有相应的表面清洁装置，无法清除加工过程中产生的铁屑等废物，对后续加工产生了影响。中国专利(CN112548343A)提出一种超快-连续激光异步抛光送粉增材制造金属表面工艺，利用超快激光对加工表面进行微铣削，再使用连续激光进行材料重熔，获得表面精度较高的零件，该工艺由于铺粉增材制造技术的表面不会产生宏观突起沉积层，故该工艺仅适用于同轴送粉增材制造技术当中。
发明内容
本发明的目的之一在于避免现有技术中的不足之处而提供一种铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，该装置能以非接触式减材加工和局部表面抛光，具有加工效率高和加工质量高的优点。
本发明的目的之二在于提供一种铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法。
为实现上述目的之一，本发明提供以下技术方案：
提供一种铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，包括成型缸、粉末缸、控制模块和处理器模块，所述成型缸与所述粉末缸并排连接设置，所述粉末缸上设有刮刀，所述刮刀能将所述粉末缸内的粉末推至所述粉成型缸内，所述成型缸的上方设有白光共焦传感器、超快激光器、工业相机和至少两个连续激光器，所述白光共焦传感器的传感端、所述超快激光器的超快激光发射端、所述工业相机的摄像头好所述连续激光器的连续激光发射端均指向所述成型缸的成型面；
所述白光共焦传感器、所述超快激光器、所述工业相机和至少两个所述连续激光器均连接至所述控制模块，所述处理器模块与所述控制模块连接。
在一些实施方式中，所述成型缸还并排连接有收粉缸，所述收粉缸、所述成型缸和所述粉末缸在直线上按序排列。
在一些实施方式中，所述粉末缸内升降平台，所述升降平台托起粉末，所述刮刀的刀口指向所述升降平台的板面。
在一些实施方式中，所述成型缸内设有升降平面，所述升降平面接收从所述粉末缸传输过来的粉末。
在一些实施方式中，所述连续激光器的激光波长是1080nm、激光功率200W～2000W、激光光谱带宽是3nm～4nm、激光频率是20kHz～50kHz。
在一些实施方式中，所述连续激光器的激光波长是1064nm，激光的平均功率是30W～80W、激光单位脉冲能量是200uj～550uj、激光输出脉宽15ps、激光频率是100kHz～1MHz。
本发明一种铺粉式多激光增减材复合精密制造装置：
(1)本发明的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，其集成多个减材连续激光器和视觉检测系统，实现打印过程全流程闭环检测与控制，从而及时发现缺陷并修复缺陷，并且连续激光能对打印件进行强化处理，保持了打印零件的强度。
(2)本发明的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，其集成使用了超快激光器和白光共焦传感器，能及时对上表面的粗糙部位进行抛光处理和发现粗糙度。
(3)本发明的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，结构简单，适合于大规模生产应用。
为实现上述目的之二，本发明提供以下技术方案：
提供一种铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法，采用上述的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，包括以下步骤：
S1、所述刮刀将粉末缸内的粉末推到所述成型缸内，所述连续激光器对成型缸内的粉末进行选区熔融，打印出零件的当前层；
S2、所述工业相机对当前层的表面进行检测，所述工业相机将检测数据传输至所述处理器模块，所述处理器模块将检测数据与标准表面数据对比，若当前层的表面有缺陷，处理器模块生成修复加工代码并上传到所述控制模块，所述控制模块控制所述连续激光器修改所述当前层；修复后，所述工业相机再次检测当前层，若当前层的表面仍有缺陷，则继续修复，直至检测数据符合标准表面数据；
S3、超快激光器基于零件模型的切片数据，超快激光器对当前层的内轮廓和外轮廓的多余材料进行减材处理；
S4、控制模块判断当前层是否属于需强化的设定层，如是，则采用连续激光器对当前熔融数层厚的待成型打印件进行激光强化，否则，当前层不强化；
S5、超快激光器基于零件模型的切片数据，超快激光器对上表面进行激光抛光，所述上表面是平行于加工件的平面且后续无其他覆盖物的裸露表面；
S6、激光抛光后，采用白光共焦传感器对激光抛光的上表面区域进行检测，检测数据传回传输至所述处理器模块，所述处理器模块将检测数据与标准表面粗糙度阀值对比，若上表面的粗糙度高于标准阀值，所述控制模块控制所述超快激光器激光抛光所述上表面，直至检测的粗糙度数据降至阈值以下。
在一些实施方式中，所述S2中，所述缺陷是包括缺失、多余、裂纹或气孔中的任意一种。
在一些实施方式中，所述S2中，所述处理模块通过对所述当前层的表面进行边缘提取、阈值分割获取检测数据，所述检测数据与标准表面数据对比。
在一些实施方式中，所述S2中和所述S6中，所述工业相机和所述白光共焦传感器均将检测数据通过A/D转换后传输至所述处理器。
本发明一种铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法的有益效果：
(1)本发明铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法，采用多个连续激光器激光减材以及借助工业相机的视觉检测对缺陷进行检测，降低零件出现内部缺陷的可能性。
(2)本发明铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法，采用超快激光器激光抛光以及结合白光共焦传感器检测粗糙度，通过全流程闭环控制激光抛光，实现零件上表面抛光。
(3)本发明铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法，根据模型的切片数据，自动识别每打印的当前层，借助超快激光去除内外轮廓的多余材料，有助于释放残余应力，以提高零件内外侧表面的质量及强度。
(4)本发铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法，基于模型的切片数据，采用连续激光器强化技术对打印的当前层的表面进行强化，可以大幅提高打印零件的硬度、耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀等性能，从而获得表面精度良好、力学性能优异的零件。
(5)本发明铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法，通过切片数据自动选择所需区域进行抛光，而不是整面抛光，可大大缩短加工时间。
附图说明
图1是实施例的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的结构示意图。
图2是实施例的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法的工作流程图。
图3是实施例的当前层的内轮廓和外轮廓的结构示意图。
图4是实施例的上表面的结构示意图。
附图标记
成型缸1；粉末缸2；控制模块3；处理器模块4；刮刀5；白光共焦传感器6；超快激光器7；工业相机8；连续激光器9；收粉缸10；升降平台11；升降平面12；当前层13；内轮廓14；外轮廓15；上表面16；加工件17；粉末18。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“该”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
本实施例公开的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，图1所示，包括成型缸1、粉末缸2、控制模块3和处理器模块4，所述成型缸1与所述粉末缸2并排连接设置，所述粉末缸2上设有刮刀5，所述刮刀5能将所述粉末缸2内的粉末18(金属粉末)推至所述成型缸1内，所述成型缸1的上方设有白光共焦传感器6、超快激光器7、工业相机8和至少两个连续激光器9，所述白光共焦传感器6的传感端、所述超快激光器7的超快激光发射端、所述工业相机8的摄像头好所述连续激光器9的连续激光发射端均指向所述成型缸1的成型面；所述白光共焦传感器6、所述超快激光器7、所述工业相机8和至少两个所述连续激光器9均连接至所述控制模块3，所述处理器模块4与所述控制模块3连接。
上述的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，其集成多个减材连续激光器9和视觉检测系统，实现打印过程全流程闭环检测与控制，从而及时发现缺陷并修复缺陷，并且连续激光能对打印件进行强化处理，保持了打印零件的强度，该铺粉式多激光增减材复合精密制造装置集成使用了超快激光器7和白光共焦传感器6，能及时对上表面16的粗糙部位进行抛光处理和发现粗糙度。
本实施例中，图1所示，所述成型缸1还并排连接有收粉缸10，所述收粉缸10、所述成型缸1和所述粉末缸2在直线上按序排列。该收粉缸10用于收集从成型缸1溢出的粉末18，避免粉末18浪费。
本实施例中，图1所示，所述粉末缸2内升降平台11，所述升降平台11托起粉末18，所述刮刀5的刀口指向所述升降平台11的板面。升降平台11托起粉末缸2内的粉末18升起，方便刮刀5推动粉末18。
本实施例中，图1所示，所述成型缸1内设有升降平面12，所述升降平面12接收从所述粉末缸2传输过来的粉末18。该升降平面12升起则可将粉末18托起，便于激光器对粉末18熔融打印。
本实施例中，所述连续激光器9的激光波长是1080nm、激光功率200W～2000W、激光光谱带宽是3nm～4nm、激光频率是20kHz～50kHz。
本实施例中，所述超快激光器7的激光波长是1064nm，激光的平均功率是30W～80W、激光单位脉冲能量是200uj～550uj、激光输出脉宽15ps、激光频率是100kHz～1MHz。
实施例2
本实施例公开的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法，图1-图2所示，采用上述的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，包括以下步骤：
S1、所述刮刀5将粉末缸2内的粉末18推到所述成型缸1内，所述连续激光器9对成型缸1内的当前粉末18进行选区熔融，打印出零件的当前层13；
S2、所述工业相机8对当前层13的表面进行检测，所述工业相机8将检测数据传输至所述处理器模块4，所述处理器模块4将检测数据与标准表面数据对比，若当前层13的表面有缺陷，处理器模块4生成修复加工代码并上传到所述控制模块3，所述控制模块3控制所述连续激光器9修改所述当前层13；修复后，所述工业相机8再次检测当前层13，若当前层13的表面仍有缺陷，则继续修复，直至检测数据符合标准表面数据。
采用多个连续激光器9激光减材以及借助工业相机8的视觉检测对缺陷进行检测，降低零件出现内部缺陷的可能性。
S3、超快激光器7基于零件模型的切片数据，超快激光器7对图3所示的当前层13的内轮廓14和外轮廓15的多余材料进行减材处理；根据模型的切片数据，自动识别每打印的当前层13，借助超快激光去除内外轮廓15的多余材料，有助于释放残余应力，以提高零件内外侧表面的质量及强度。
S4、控制模块3判断当前层13是否属于需强化的设定层，如是，则采用连续激光器9对当前熔融数层厚的待成型打印件进行激光强化，否则，当前层13不强化；基于模型的切片数据，采用连续激光器9强化技术对打印的当前层13的表面进行强化，可以大幅提高打印零件的硬度、耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀等性能，从而获得表面精度良好、力学性能优异的零件。
S5、超快激光器7基于零件模型的切片数据，超快激光器7对上表面16进行激光抛光，图4所示所述上表面16是平行于加工件17的平面且后续无其他覆盖物的裸露表面，该上表面16即为不必要的粗糙表面；通过切片数据自动选择所需区域进行抛光，而不是整面抛光，可大大缩短加工时间。
S6、激光抛光后，采用白光共焦传感器6对激光抛光的上表面16区域进行检测，检测数据传回传输至所述处理器模块4，所述处理器模块4将检测数据与标准表面粗糙度阀值对比，若上表面16的粗糙度高于标准阀值，所述控制模块3控制所述超快激光器7激光抛光所述上表面16，直至检测的粗糙度数据降至阈值以下。白光共焦传感器6检测粗糙度，通过全流程闭环控制激光抛光，实现零件上表面16抛光
本实施例中，所述S2中，所述缺陷是包括缺失、多余、裂纹或气孔中的任意一种。其中，当为缺失时，再次铺粉对缺失区域进行补充打印。
本实施例中，所述S2中，所述处理模块通过对所述当前层13的表面进行边缘提取、阈值分割获取检测数据，所述检测数据与标准表面数据对比。
本实施例中，所述S2中和所述S6中，所述工业相机8和所述白光共焦传感器6均将检测数据通过A/D转换后传输至所述处理器。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，其特征是：包括成型缸、粉末缸、控制模块和处理器模块，所述成型缸与所述粉末缸并排连接设置，所述粉末缸上设有刮刀，所述刮刀能将所述粉末缸内的粉末推至所述成型缸内，所述成型缸的上方设有白光共焦传感器、超快激光器、工业相机和至少两个连续激光器，所述白光共焦传感器的传感端、所述超快激光器的超快激光发射端、所述工业相机的摄像头和所述连续激光器的连续激光发射端均指向所述成型缸的成型面；
所述白光共焦传感器、所述超快激光器、所述工业相机和至少两个所述连续激光器均连接至所述控制模块，所述处理器模块与所述控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，其特征是：所述成型缸还并排连接有收粉缸，所述收粉缸、所述成型缸和所述粉末缸在直线上按序排列。
3.根据权利要求1所述的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，其特征是：所述粉末缸内设有升降平台，所述升降平台托起粉末，所述刮刀的刀口指向所述升降平台的板面。
4.根据权利要求3所述的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，其特征是：所述成型缸内设有升降平面，所述升降平面接收从所述粉末缸传输过来的粉末。
5.根据权利要求4所述的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，其特征是：所述连续激光器的激光波长是1080nm、激光功率200W～2000W、激光光谱带宽是3nm～4nm、激光频率是20kHz～50kHz。
6.根据权利要求4所述的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，其特征是：所述超快激光器的激光波长是1064nm，激光的平均功率是30W～80W、激光单位脉冲能量是200uj～550uj、激光输出脉宽15ps、激光频率是100kHz～1MHz。
7.一种铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法，其特征是：采用权利要求1-6任一项所述的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置，包括以下步骤：
S1、所述刮刀将粉末缸内的粉末推到所述成型缸内，所述连续激光器对成型缸内的粉末进行选区熔融，打印出零件的当前层；
S2、所述工业相机对当前层的表面进行检测，所述工业相机将检测数据传输至所述处理器模块，所述处理器模块将检测数据与标准表面数据对比，若当前层的表面有缺陷，处理器模块生成修复加工代码并上传到所述控制模块，所述控制模块控制所述连续激光器修改所述当前层；修复后，所述工业相机再次检测当前层，若当前层的表面仍有缺陷，则继续修复，直至检测数据符合标准表面数据；
S3、超快激光器基于零件模型的切片数据，超快激光器对当前层的内轮廓和外轮廓的多余材料进行减材处理；
S4、控制模块判断当前层是否属于需强化的设定层，如是，则采用连续激光器对当前熔融数层厚的待成型打印件进行激光强化，否则，当前层不强化；
S5、超快激光器基于零件模型的切片数据，超快激光器对上表面进行激光抛光，所述上表面是平行于加工件的平面且后续无其他覆盖物的裸露表面；
S6、激光抛光后，采用白光共焦传感器对激光抛光的上表面区域进行检测，检测数据传回传输至所述处理器模块，所述处理器模块将检测数据与标准表面粗糙度阀值对比，若上表面的粗糙度高于标准阀值，所述控制模块控制所述超快激光器激光抛光所述上表面，直至检测的粗糙度数据降至阈值以下。
8.根据权利要求7所述的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法，其特征是：所述S2中，所述缺陷是包括缺失、多余、裂纹或气孔中的任意一种。
9.根据权利要求7所述的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法，其特征是：所述S2中，所述处理模块通过对所述当前层的表面进行边缘提取、阈值分割获取检测数据，所述检测数据与标准表面数据对比。
10.根据权利要求7所述的铺粉式多激光增减材复合精密制造装置的加工方法，其特征是：所述S2中和所述S6中，所述工业相机和所述白光共焦传感器均将检测数据通过A/D转换后传输至所述处理器。
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