[发明专利]一种高效高精度复合増材制造方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，为一种高效高精度复合増材制造方法及装置。本发明采用两种高能束进行复合增材制造，尤其是激光束与电子束复合的高效高精増材制造。本发明综合利用激光束成形精度高和电子束成形速度快的优点，将两者有机结合。

背景技术

高能束主要包括激光束、电子束和离子束等。高能束熔化金属粉末制造技术是近年发展起来的一项能够实现近全致密金属零部件増材制造的先进技术。在计算机中将拟制造零部件的三维图形划分为一系列二维图形薄片，再通过计算机、运动控制卡等控制高能束的运动方式和轨迹，通过高能束加热产生相变、熔化等过程，逐层制造并叠加成为最终的三维零件。该技术克服了传统制造工艺的限制，整个加工过程无加工废料、无需工装夹具和模具，能直接制造产品或是模具，因此受到广泛的关注。

电子束熔化(Electron Beam Melting,EBM)可成形多种金属材料，有高真空保护，电子束能量利用率高，扫描速度快，可达8000m/s，成形效率高。但是目前国外设备成形零件的精度等级为±0.3mm，国内设备只有±1mm，成形零件精度低；其铺粉层厚不小于0.06mm，层厚较大也是零件成形精度低的原因。

与EBM相比，选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形过程中，激光束光斑直径小，能量密度高，成形零件的尺寸精度高，表面粗糙度低。目前国内设备成形零件精度等级为±0.1mm，成形精度高；铺粉层厚为0.02mm，只有EBM的三分之一，层厚小。但SLM成形设备的扫描速度较低，国外最大只能达到70m/s，而国内则为1m/s，成形速度较低，对大型零件的成形时间较长。表1为两种成形工艺的参数对比情况。

进一步提高高能束増材制造技术的应用范围，目前必须克服成形效率低，表面质量差的困难。在成形效率方面，对于SLM技术主要是提高振镜扫描速度，但是振镜是机械部件，受惯性、加速度极限的影响，要想大幅度提高其扫描速度十分困难；而EBM虽然成形效率高，但是表面质量及精度却很难达到近净成形的目的。

发明内容

为解决上述单一高能束増材制造存在的成形效率低、表面质量差等问题，本发明提供了一种激光束与电子束复合的高效高精度増材制造方法，以期发挥各自成形技术的优点，改善单一成形技术存在的缺点，并且可以通过工艺优化组合，达到合理控制成形显微组织，优化综合性能的目的；本发明还提供了实现该方法的装置。

本发明提供的一种复合増材制造方法，该方法利用激光束和电子束对金属粉末进行扫描。激光束对切片边界的外轮廓进行扫描使其熔化，电子束对成形件内部粉末进行高速熔化，最后利用激光束或电子束对所述两部分成形结构的边界进行重新熔化，使它们结合成一个整体，从而得到完整的成形件。

本发明提供复合増材制造装置，其特征在于，该装置的下部主要包括铺粉辊、工作台、送粉缸和工作缸；铺粉辊安放在工作台的上表面，通过控制系统实现X-Y平面内的移动铺粉；送粉缸和工作缸通过控制系统能沿Z轴方向无阻碍地上下运动，两缸的上表面不超过工作台的上表面；

该装置的上部主要包括电子束发生装置、激光束发生装置、底板、二根导轨、二根横梁、同步带轮和伺服电机；底板中部有矩形窗口，底板上固定所述二根导轨，平行于窗口的一对对边，所述二根导轨旁边分别固定一个同步带轮和伺服电机，同步带与导轨平行，由同步带轮和伺服电机张紧；两横梁垂直于导轨，通过滑块与导轨滑动配合，两根横梁的一端固定在同步带上；激光发生装置和电子束发生装置分别固定在一根横梁上。

本发明将EBM和SLM两种成形工艺有机地结合，这种复合增材制造方法及装置主要具有如下优点：

1、缩短零件成形时间，提高成形效率