[发明专利]一种抗真空蒸镀金属增材制造装置及其工作和制造方法

说明书

本发明涉及一种抗真空蒸镀金属增材制造装置及其工作和制造方法，其中装置主要包括激光器、高速光闸、低速光闸以及光开关控制器；所述激光器的激光聚焦头和金属熔融体之间设置有高速光闸和低速光闸两种闸门；脉冲激光通过高速光闸和低速光闸作用于金属材料表面将其熔化并在激光入射相反方向产生高速喷射的金属蒸汽和低速飞溅的金属液滴，在高真空环境中蒸汽和液滴先后飞向所述激光器的激光聚焦头方向，在其到达激光聚焦头表面之前两道高速光闸和低速光闸分别完全闭合从而将其截止在光闸挡板的外侧，以此达到有效保护光学器件的目的，使得金属增材制造有序地进行。

技术领域

本发明涉及极端制造技术领域，具体是一种抗真空蒸镀金属增材制造装置及其工作和制造方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除、切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。以激光束、电子束、等离子或离子束为热源，加热材料使之结合、直接制造零件的方法，称为高能束流快速制造，是增材制造领域的重要分支，在工业领域最为常见。

为实现空间站的即造即用后勤保障模式，满足在轨零部件制造的重大战略需求，国际上正在开展太空增材制造技术方面的研究，该研究将为实现空间站即造即用后勤保障提供关键科学基础和关键技术基础，并为满足国家在航空航天、国防军工等领域的重大战略需求提供支撑。目前国内外在太空增材制造技术研究方面采用的主要技术路线包括热熔融沉积、电子束熔丝、激光选区烧结、立体光刻固化、激光熔丝等。各种技术手段适用的材料和材料的初始形态差异较大。热熔融沉积方式适用于PEEK等低熔点非金属丝材，激光选区烧结和立体光刻固化适用于高熔点陶瓷粉末，电子束熔丝和激光熔丝适用于常用金属丝材。与电子束熔丝相比激光熔丝主要的优势在于：

(1)在获得同样有效加热功率的情况下总功耗更小；

(2)带有光纤出头的激光器设备体积更小、柔性更好，易于实验系统集成；

(3)激光器核心单元工作寿命更长，易于实验系统维护；

(4)光束扫描不受电磁场影响也不产生电磁污染，环境适应性更好。

目前，太空中做激光熔丝金属增材制造的主要问题在于制造过程中产生的金属蒸汽和金属液滴容易污染末端光学器件从而破坏光路导致制造系统失效。

发明内容

本发明提供一种适用于高真空环境防蒸镀抗真空蒸镀金属增材制造装置及其工作和制造方法，着力解决了在制造过程中产生的金属蒸汽和金属液滴容易污染末端光学器件从而破坏光路导致制造系统失效的技术难题。为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明的技术方案之一是一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置，包括激光器、高速光闸、低速光闸和光开关控制器，所述激光器和光开关控制器连接，所述高速光闸和低速光闸依次设置在激光器后面；所述高速光闸由两道以上做相反方向等速率匀速旋转运动的机械快门构成；所述低速光闸由一道做匀速旋转运动的机械快门构成；所述光开关控制器可以控制激光器出光和关闭。

进一步，所述装置还包括机械传动结构，所述机械传动结构可以使高速光闸的开关频率为低速光闸的整数倍，保证两者在同一时刻完全打开。

进一步，所述激光器的脉冲频率可以与低速光闸开关频率一致和/或采用其整数倍分频。

优选的，所述高真空环境防蒸镀金属增材制造装置可以采用光电传感器加分频电路来实现激光器的脉冲频率为低速光闸开关频率的整数倍分频。