[发明专利]大尺寸环形/框形金属件的激光选区熔化成形装置及方法

说明书

本发明属于先进制造技术领域，并公开了大尺寸环形/框形金属件的激光选区熔化成形装置及方法。所述装置包括成形缸、基板、振镜阵列和除尘模块；成形缸为环形/框形，与待成形环形/框形金属件的内外轮廓相适应；基板同样为环形/框形，布置在成形缸内部；振镜阵列位于成形缸上方，包括多个振镜系统，对应扫描区域覆盖成形缸上表面；除尘模块位于成形缸与振镜阵列之间，用于形成沿环形金属件径向/框形金属件水平截面外接圆径向/框形金属件边框法向分布的循环气流场，或者多段沿环形金属件周向/框形金属件边框周向分布的循环气流场。所述方法采用所述装置实现。本发明可减少激光选区熔化成形环形/框形金属件的粉末用量，并提升成形质量和效率。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，更具体地，涉及适用于大尺寸环形、框形金属件的激光选区熔化成形装置及方法。

背景技术

生产制造领域含有大量的大尺寸环形与框形金属件，随着相关装备的更新换代、推陈出新频率不断加快，传统的铸造、锻压、焊接等加工技术因响应速度慢、工艺环节多、加工周期长等问题，已经逐渐难以满足此类零部件的制造需求。

激光选区熔化技术是当前激光增材制造(俗称3D打印)领域的研究热点，其工艺过程是：首先对待成形零件CAD模型进行切片处理，生成各切片层的激光扫描轨迹；然后，在位于成形缸内部的基板表面铺设一层金属粉末，并通过振镜系统按照零件的切片图形控制激光束运动轨迹，对金属粉末床进行选区扫描、熔化，金属熔池快速冷却、凝固形成沉积层；然后，将基板下降一个切片层厚度，不断重复“预置铺粉→激光选区熔化→基板下降”过程，直至完成所有沉积层的成形，最终实现金属件的整体制造。显然，激光选区熔化技术具有响应时间短、工艺流程简单、加工精度高、可成形复杂结构、产品性能优良、材料普适性强等优点，有望为各类大尺寸环形与框形金属件的制造带来一条新路。

然而，国内外现有激光选区熔化技术与装备普遍选用圆柱形或方柱形的成形缸和基板。这种结构对于成形小尺寸或实心零件比较适合，但是当其用于成形大尺寸环形金属件或框形金属件时，必须使用大量冗余金属粉末填充零件沉积层所包围区域(如图1a和图1b所示)，导致粉末利用率较低，原料成本急剧增加。

激光选区熔化成形过程中，激光束与金属粉末的相互作用会形成大量烟尘，这些烟尘主要由飞溅的熔滴、粉末和烧损的金属颗粒组成，如果不能够及时予以去除，会沉积在金属粉末床、零件沉积层或装备腔体表面，影响后续成形过程稳定性。现有激光选区熔化装备的除尘系统一般由抽气机构、吹气机构，以及它们所连接的含有循环风机和过滤介质的烟尘净化主机组成。其中，抽气机构与吹气机构通常固定于圆柱形或方柱形成形缸两侧，如图1a和图1b所示。当成形大尺寸环形或框形金属件时，成形缸幅面较大，导致抽气机构的抽气口与吹气机构的吹气口相距较远，难以在金属粉末层上方产生稳定、均匀的循环气流。若循环气流平均流速过低，则不足以将所有烟尘消除干净，由此诱发的产品质量恶化乃至成形失败的案例屡见不鲜；若循环气流平均流速过高，则可能将粉末床表面的部分金属粉末一起带走，不仅造成额外的原料损失，并因此影响粉层平整度，导致成形质量下降。

综上所述，针对大尺寸环形与框形金属件开发一种冗余粉末用量小、烟尘净化效果好、成形效率高的激光选区熔化成形装备，具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了适用于大尺寸环形/框形金属件的激光选区熔化成形装置及方法，其目的在于显著减少激光选区熔化成形金属件时的冗余粉末用量，并大幅改善烟尘净化效果、提升成形效率，从而实现大尺寸环形/框形复杂金属构件的高效率、低成本、高质量增材制造。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种大尺寸环形/框形金属件的激光选区熔化成形装置，其包括成形缸、基板、振镜阵列和除尘模块，其中：

所述成形缸为环形/框形，其与待成形的大尺寸环形/框形金属件的内外轮廓相适应，所述基板同样为环形/框形，其布置在所述成形缸的内部；