[发明专利]一种金属零件的激光增材制造装备及方法

说明书

本发明公开了一种金属零件的激光增材制造装备及方法。该装备包含工作舱、预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件、移动机构和控制系统。首先利用随形缸体设置与移除组件在基板表面设置一个可将金属零件切片轮廓包围的随形缸体切片层，预置铺粉快速成形组件在其内部铺设一层金属粉末，并对粉末进行激光选区熔化，完成金属零件第一切片层成形；根据精度要求，可使用机械加工组件对零件已成形切片层进行机械加工；重复“随形缸体切片层设置‑铺粉‑金属零件切片层激光选区熔化成形‑机械加工(必要时)”过程，可一次性实现各种尺寸及结构金属零件的高精度成形；成形后还可利用随形缸体设置与移除组件方便地移除随形缸体。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种金属零件的激光增材制造装备及方法。

背景技术

随着高能束装备质量的不断提升与三维数据处理技术的日益发展，金属零件3D打印技术的广阔前景和巨大市场已成为不争的事实，各种各样的高能束增材制造方法与装备也应运而生。

目前，高能束增材制造技术主要以激光束、等离子束、电子束和电弧为加工能量源。其中，激光增材制造技术因成形性能好、材料适应性广泛等诸多优点，成为金属零件增材制造工艺的常用加工方法。

根据工艺特征的不同，发展较为成熟的激光增材制造技术可分为激光熔覆沉积(Laser Cladding Deposition，LCD)、激光送丝沉积(Laser WireDeposition，LWD)和激光选区熔化技术（SelectiveLaser Melting，SLM）。其中，激光熔覆沉积与激光送丝沉积采用同步送料的工艺，在加工成形过程中利用同轴送料喷嘴将金属粉末/金属丝同步运送至由激光束辐照形成的动态熔池中，进而完成金属粉末/金属丝的熔化、凝固成形。

为保证金属粉末/金属丝能被动态熔池捕捉，激光熔覆沉积与激光送丝沉积技术一般采用高功率、大束斑激光束以获得大尺寸动态熔池，故具有较高的成形效率。然而，在激光熔覆沉积与激光送丝沉积技术中，同轴送料喷嘴与工件的相对移动主要通过加速度较小、灵活性较低的传统机床来实现，致使该技术无法成形结构复杂的金属零件，且成形精度较差。

激光选区熔化技术采用预置铺粉的方式，其预先使用刮刀在基板上方铺设一层具有一定厚度的金属粉末，再利用扫描振镜输出激光束，以实现对粉末层的选择性熔化/凝固成形。一方面，由于金属粉末处于静止状态，使用功率较低、束斑较细小的激光束即可将其捕捉；另一方面，在扫描振镜的控制下，激光束可轻松实现复杂路径的扫描。这使得激光选区熔化技术可以完成各种复杂结构金属零件的成形。然而，由于工艺特征的限制，激光选区熔化技术必须使用成形缸来容纳基板和基板上方的零件及粉末床。现有激光选区熔化装备的成形缸都是固定的，其所能成形金属零件的最大尺寸受其成形缸大小的限制。如果需成形大尺寸零件，则必须使用具有相应尺寸成型缸的激光选区熔化装备。当使用具有大尺寸成形缸的激光选区熔化装备制造大尺寸金属零件时，成形缸内承载的大量粉末会给设备中的活塞、丝杆等机械运动部件带来巨大的负荷，装备的制造难度与维护成本大幅度上升。

综上所述，现有的激光增材制造技术仍存在应用的局限性。其中，激光熔覆沉积与激光送丝沉积技术仅适用于简单结构金属零件的成形制造，激光选区熔化技术则主要用于中小尺寸精密金属零件的成形制造。

为突破现有技术瓶颈，发明人所在团队曾提出一种新型的激光增材制造方法（公开号CN 103726049A）。该方法首先利用激光熔覆沉积技术（LCD）制备一层形状与金属零件层相适应的闭合随形缸体；然后以随形缸体为铺粉基准，在其内部铺置粉末层，并采用扫描振镜制造金属零件层；不断重复随形缸体和金属零件层的制造过程，直至完成金属零件层的制造。显然，该发明突破了常规激光选区熔化装备中尺寸固定的成型缸所带来的各种限制，能够实现大尺寸、复杂结构金属零件的快速制造。