[发明专利]一种空间粉末床增材制造加工系统及方法

说明书

本发明提供了一种在空间环境下粉末床增材制造加工系统及方法。主要通过半导体阵列激光器为金属粉末熔化的能量源。半导体制冷器维持半导体阵列激光器的稳定工作。铺粉系统中用真空泵在成型缸内实现压差用于克服空间中微重力因素，保证粉层厚度均匀。在成型舱内采用保护气体循环过滤系统将金属粉末熔化产生的飞溅和杂质通过吹风管路和成形缸底部加入多级过滤系统过滤。本系统和方法可以克服空间中的微重力、超高真空等不利因素，实现金属粉末材料的增材制造加工。

技术领域

本发明涉及激光加工制造领域，具体地，涉及一种空间粉末床增材制造加工系统及方法。

背景技术

为了实现功能结构件的空间制造，考虑与地面环境相比，空间环境极为特殊，有微重力、超高真空、强辐射、温度变化幅度大等，这些因素对在轨增材制造工艺和材料提出了特殊要求。其中，影响空间站舱内在轨增材制造的主要因素是微重力。过程中材料的粘接固化过程，直接关系到零件能否成形、是否具有良好的使役性能。

在激光加工制造中，尤其是金属粉末增材制造中，较多地采用振镜或机械手臂来控制激光束加工各种复杂的图形和零件，这两种方式均需要激光器提供较高的能量，而激光器的能量转化效率较低，在空间站内的资源有限不能提供充足的能源。此外，在设备运输过程中精度容易丢失且不好校正。同样地，在地面上用于金属粉末增材制造工艺较成熟的方法主要有激光选区熔化(SLM)和激光融覆(LMD)，两种方法中所采用的金属粉末材料在微重力环境下均不能均匀铺置于加工基板。因此，选择能量转化效率高的激光器且精度容易保证的光路系统和铺粉稳定均匀地铺置于基板亟待解决。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种空间粉末床增材制造加工系统及方法。

根据本发明提供的一种空间粉末床增材制造加工系统，包括成型舱、光路系统、铺粉系统、保护气体循环过滤系统以及控制模块，其中：

所述成型舱内充满保护气体；

成型舱内设置有粉缸和成型缸，

所述铺粉系统将金属粉末从粉缸送至成型缸，并将金属粉末铺置于成型缸的基板上；

所述光路系统对铺粉进行加工；

所述保护气体循环过滤系统将保护气体在所述成型舱内循环运动；

所述控制模块控制光路系统的加工、铺粉系统的运动以及保护气体循环过滤系统的运动。

优选地，所述光路系统包括半导体阵列激光模块，半导体阵列激光模块采用半导体面阵列激光器模块或移动的半导体线阵列激光器模块。

优选地，还包括准直模块和平凸透镜，其中：

准直模块将半导体列阵激光模块的发散光束变成平行光束；

平凸透镜将所述平行光束聚焦，对金属粉末加工。

优选地，所述铺粉系统包括铺粉装置，铺粉装置包括刮刀，刮刀将粉末从粉缸送至成型缸，当粉缸往上运动一个层厚的距离时，成型缸往下运动一个层厚的距离，通过刮刀将粉末均匀铺置于成型缸的基板上。

优选地，所述成型缸底部连接真空泵形成负压，驱动粉末床内部形成从上往下的气流来固定粉末床。

优选地，所述保护气体包括惰性气体。

优选地，所述保护气体循环过滤系统包括吹风管路、过滤器、鼓风机以及风速自适应调节器，其中：吹风管路、过滤器、鼓风机以及风速自适应调节器依次首尾连接在成型舱内循环，过滤金属粉末未熔化产生的飞溅物。

优选地，所述半导体阵列激光模块包括TEC制冷系统。

本发明提供了一种基于上述的空间粉末床增材制造加工系统的空间粉末床增材制造加工方法，包括如下步骤：