[发明专利]一种用于金属SLM打印方法及其成型装置

说明书

本发明公开了一种用于金属SLM成型的装置和方法。所述方法中通过打印时提供一较大光斑的均匀激光结合一具有较小光斑尺寸光强分布为高斯光的激光束，在进行打印时两激光束可协同配合，利用大光斑激光束提高打印效率，利用小光斑激光束保证打印精度；同时由于均匀光强激光束的存在可大大改善金属材料的加热、冷却历史，提供更均匀的温度场分布，减缓冷却速度，减小金属材料热裂纹以及大变形的产生，提升打印质量。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种选择性激光熔化装置及方法，特别是适用于金属 3D打印的一种SLM成型的装置及方法。

背景

增材制造是于上世纪80年代兴起的一种集计算机、机械、材料和加工于一体的一种新型制造 工艺。选择性激光熔化(SLM)是增材制造中的一个重要分支，其原理是选用激光作为能量源， 按照三维CAD切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔 化、凝固从而达到冶金结合的效果；然后重新铺粉重复以上步骤，材料逐层堆积，得到所需的三 维零件。该方法具有原料利用率高、能够成形任意复杂形状构件的优点。广泛的应用于航天航空、 汽车、军事武器、生物医疗等领域。尽管如此，随着航天航空技术以及武器装备的快速发展，对 增材制造技术的成形效率、成型精度和成形质量提出了更高的要求。

为了实现高精度制造，目前应用的SLM技术主要是利用小光斑的激光束，在高功率密度下, 利用较小光斑(0.03mm-0.1mm)的激光束对原材料粉末进行快速激光扫描，这就造成在单位时间 内熔化的原材料表面积较小，在打印制造大型零件时成型效率较低；同时由于激光束光斑较小， 而所用激光束能量是呈高斯分布，所以原材料受热温度范围小而导致区域内热温度梯度较大，容 易造成较大的残余应力和变形；并且过大的温度上升速度容易使粉末球化出现孔洞等缺陷，最终 使零件尺寸精度下降和力学性能下降。而且对于一些耐热合金的制造，非常容易出现开裂等质量 问题。

专利CN103358555公开了一种多光束的激光扫描加工方法，在打印时利用多束激光束同时对 原材料粉末加工来提升打印效率。专利201680034015.7公开了一种利用多光束的增材制造方法， 通过多光束来扩大零件的整体成型幅面，但是对于单个幅面的成型效率并没有提高。专利 201310670777.4公开了一种基于四激光双工位的激光选区熔化SLM设备及加工方法，利用分布扫 描的策略先利用低功率密度的激光束对边缘进行扫描，再利用大光斑高功率密度的激光束对中心 区域进行扫描，该方法两束光束并不是同时进行，在一定程度上限制了打印效率的进一步提升。 专利CN112091213公开了一种利用高功率光束和低功率光束搭配切换的增材制造方法，利用低功 率光束保证高效率，而高功率光束保证高精度；该方法虽然在一定程度上能兼顾效率和精度，但 是由于两束光束是错开工作，所以效率还受到了一定程度的限制，而且对于两束光束的协调工作， 控制难度较大。

目前领域基本是采用多光束或大光斑的方法来提高效率，为了兼顾精度要求而采用了搭配小 光斑高功率密度光束的方法。但是目前方法都较为复杂，且效率在一定程度上仍然受限。

所以本领域内急需一种能提高打印效率，降低成本并，降低残余应力和变形的制造方法。

发明内容

为了实现以上目的，针对现有技术不足，本发明提出了一种用于金属SLM成型的装置及方法， 解决增材制造效率低、精度低、质量差的问题。提出以下解决方案：

提供一种用于金属选择性激光熔化的方法，所述方法包含以下步骤：

1)至少提供一具有光强均匀分布的第一激光束以及一束光斑面积不超过0.008mm²的第二激光束，且第一激光束的光斑面积大于第二激光束的光斑面积；

2)选择一种金属粉末，作为待激光熔化的原材料；

3)根据熔化区域面积及两激光束光斑作用面积，以尽可能使用第一激光束的原则确定两束激光的辐照区域及辐照方式；