激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝及設(shè)備制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝及設(shè)備，所述設(shè)備包括：成形腔室，腔室內(nèi)為真空或惰性氣體保護(hù)環(huán)境；熔融沉積裝置，由儲(chǔ)料裝置、導(dǎo)料裝置、加熱裝置、熔融金屬沉積裝置等組成；支撐裝置，用于支撐熔融沉積裝置；成形平臺(tái)；三軸運(yùn)動(dòng)裝置，用于支撐并實(shí)現(xiàn)成形平臺(tái)的三軸運(yùn)動(dòng)；激光掃描裝置，由激光器和聚焦掃描裝置組成，用于對(duì)預(yù)成形軌跡輪廓進(jìn)行掃描，并引導(dǎo)熔融金屬的沉積成形。本發(fā)明專利技術(shù)的工藝及設(shè)備，將激光的預(yù)熱/熔化引導(dǎo)與熔融沉積增材制造技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)控制預(yù)沉積軌跡區(qū)域的預(yù)熱溫度和熔化深度，來(lái)實(shí)現(xiàn)沉積成形金屬件層間的冶金結(jié)合。減少或消除沉積層中的孔隙和疏松，以提高金屬熔融沉積成形金屬件的性能。

Process and equipment for manufacturing metal material by laser guided multi metal melting deposition

The invention discloses a laser guided molten metal deposition increasing material manufacturing technology and equipment, the equipment comprises a forming chamber, the chamber for vacuum or inert gas to protect the environment; fused deposition apparatus, apparatus, material guide device, a heating device, a molten metal deposition device is composed of a material storage; supporting device for supporting the fused deposition device; forming platform; three axis motion device for three axis motion support and realize forming platform; laser scanning device consists of laser focusing and scanning device used for pre forming trajectory scanning, and guide the deposition of molten metal forming. The process and equipment of the invention, the laser preheating / melting guide and fused deposition increasing material manufacturing technology, through the preheating temperature and the melting depth control pre deposition track area, to achieve the deposition of metal layer is metallurgical combination between. To reduce or eliminate the porosity and porosity of the deposited layer, so as to improve the performance of metal fused deposition forming metal parts.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于增材制造領(lǐng)域，特別涉及一種激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝及設(shè)備。
技術(shù)介紹
目前，增材制造（AdditiveManufacturing，AM，俗稱3D打印）技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，該技術(shù)具有快速、高效、柔性等特點(diǎn)，不需要傳統(tǒng)的模具、刀具、夾具，而是利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在增材制造設(shè)備上高效而精確地制造出任意復(fù)雜形狀及結(jié)構(gòu)的零部件。增材制造技術(shù)可加工的原材料種類較為廣泛。目前，非金屬材料（主要是有機(jī)高分子材料）增材制造技術(shù)已有較成熟的應(yīng)用。但在金屬材料增材制造方面，由于材料熔點(diǎn)高，粘性和表面張力大，部分金屬還具有較強(qiáng)的腐蝕性，因此在如何提高成形精度、成形件性能和效率等方面還有較多的技術(shù)難題需要解決。而金屬材料零部件因其具有力學(xué)性能高、實(shí)用意義大等特點(diǎn)，在制造業(yè)中具有廣泛應(yīng)用。因此，金屬材料零部件快速制造是增材制造技術(shù)要實(shí)現(xiàn)的重要目標(biāo)，也是該技術(shù)發(fā)展的必然方向。雖然國(guó)內(nèi)外在金屬材料增材制造技術(shù)研究及設(shè)備開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了廣泛研究，并取得了較多成果。但是，由于這些技術(shù)及設(shè)備主要采用激光、電子束等高能束進(jìn)行金屬材料的燒結(jié)/熔化堆積成形，不但設(shè)備運(yùn)行成本高，而且成形效率較低，使其僅限于航空航天、軍工等高端領(lǐng)域中特定類型零部件的制造。國(guó)內(nèi)外一些金屬材料增材制造技術(shù)研究機(jī)構(gòu)為了能夠提高所開(kāi)發(fā)設(shè)備的成形效率，不惜采用較大功率的激光器、雙激光頭、四激光頭等，這雖然提高了成形效率，但也極大增加了設(shè)備開(kāi)發(fā)及運(yùn)行成本。因此，尋求新的金屬材料高質(zhì)、高效增材制造工藝、開(kāi)發(fā)新的低成本增材制造設(shè)備成為該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要方向。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)針對(duì)現(xiàn)有金屬材料增材制造技術(shù)及設(shè)備存在效率低、成本高等不足，以及工業(yè)用復(fù)雜金屬件/模具加工過(guò)程中存在的生產(chǎn)周期長(zhǎng)、加工效率低等問(wèn)題，提出一種全新的激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝，通過(guò)該工藝方法不僅可以實(shí)現(xiàn)具有材料梯度及復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零部件的直接高效成形，同時(shí)將激光的預(yù)熱/熔化引導(dǎo)與熔融沉積增材制造技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)控制預(yù)沉積軌跡區(qū)域的預(yù)熱溫度和熔化深度，來(lái)實(shí)現(xiàn)沉積成形金屬件層間的冶金結(jié)合。減少或消除沉積層中的孔隙和疏松，以提高金屬熔融沉積成形金屬件的性能。該工藝的具體實(shí)施步驟為：預(yù)制件模型數(shù)據(jù)處理：建立預(yù)成形金屬件的CAD模型，并得到STL格式文件，然后采用分層軟件對(duì)STL文件進(jìn)行分層處理得到層片數(shù)據(jù)文件，層片數(shù)據(jù)文件被轉(zhuǎn)換成能夠被激光聚焦掃描裝置及三軸運(yùn)動(dòng)裝置所識(shí)別的掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)文件；激光按路徑掃描：激光掃描裝置在驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下按照預(yù)制件當(dāng)前層成形路徑進(jìn)行掃描，并根據(jù)預(yù)沉積金屬特性調(diào)整激光功率和頻率等；選擇性熔融金屬同步沉積：三軸運(yùn)動(dòng)裝置在驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下帶動(dòng)成形平臺(tái)移動(dòng)，同時(shí)熔融沉積裝置按照當(dāng)前層預(yù)制件材料信息進(jìn)行相應(yīng)金屬的熔化沉積，以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光掃描完成路徑的選擇性金屬材料按需同步沉積成形；激光引導(dǎo)金屬件逐層沉積增材制造成形：經(jīng)過(guò)逐層成形件的按路徑激光掃描和選擇性金屬同步沉積，最終完成預(yù)成形金屬件的激光引導(dǎo)熔融沉積增材制造。進(jìn)一步地，所述激光聚集掃描裝置沿預(yù)制件當(dāng)前層成形路徑進(jìn)行掃描，同時(shí)通過(guò)三軸運(yùn)動(dòng)裝置帶動(dòng)成形平臺(tái)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熔融金屬跟隨激光掃描路徑的同步沉積。進(jìn)一步地，所述激光掃描和三軸運(yùn)動(dòng)速度可根據(jù)不同成形工藝要求（如成形效率、成形溫度、成形精度、金屬材料成形特性等）進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。進(jìn)一步地，在成形前對(duì)成形平臺(tái)或已沉積層表面整體溫度進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)成形工藝要求確定其整體預(yù)熱溫度范圍，調(diào)整掃描激光的功率、頻率、掃描速度，并采用激光在成形平臺(tái)或已沉積層表面進(jìn)行快速、反復(fù)掃描，使其表面達(dá)到預(yù)熱溫度范圍。進(jìn)一步地，在成形前對(duì)預(yù)成形路徑表面溫度進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)預(yù)沉積金屬材料特性及成形工藝要求確定成形路徑表面預(yù)達(dá)到的溫度范圍及物理狀態(tài)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)控掃描激光的功率和頻率，使得激光掃描后的成形軌跡表面溫度達(dá)到預(yù)定溫度范圍，并使成形路徑表面達(dá)到所需的固態(tài)、半液態(tài)或半固態(tài)等物理狀態(tài)。進(jìn)一步地，所述熔融沉積裝置可按照當(dāng)前層預(yù)制件材料信息進(jìn)行相應(yīng)單一或多種金屬材料的單獨(dú)或同時(shí)熔化沉積。進(jìn)一步地，所述熔融金屬的熔化溫度和沉積速度可根據(jù)材料特性、成形溫度、成形效率等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。進(jìn)一步地，所述激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造設(shè)備具體包括：成形腔室，所述成形腔室內(nèi)即可以是真空環(huán)境，也可以是惰性氣體保護(hù)環(huán)境；熔融沉積裝置，所述熔融沉積裝置設(shè)在所述成形腔室內(nèi)，由儲(chǔ)料裝置、送料裝置、加熱裝置、熔融金屬沉積裝置等組成；支撐裝置，所述支撐裝置設(shè)在所述成形腔室內(nèi)，用于支撐所述熔融沉積裝置；成形平臺(tái)，所述成形平臺(tái)設(shè)在所述成形腔室內(nèi)，用于沉積熔融金屬；三軸運(yùn)動(dòng)裝置，所示三軸運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)在所述成形腔室內(nèi)，用于支撐成形平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)成形平臺(tái)的三軸運(yùn)動(dòng)；激光掃描裝置，所述激光掃描裝置設(shè)在所述成形腔室外，并位于成形腔室上部，由激光器和聚焦掃描裝置組成，用于對(duì)預(yù)成形軌跡輪廓進(jìn)行掃描，并引導(dǎo)熔融金屬的沉積成形。進(jìn)一步地，所述成形腔室外部下端分別安裝有抽真空裝置和惰性氣體充入裝置，兩個(gè)裝置均通過(guò)管道與成形腔室相連通，單獨(dú)使用抽真空裝置或同時(shí)使用兩個(gè)裝置，分別可以為成形腔室提供真空或惰性氣體保護(hù)環(huán)境。進(jìn)一步地，所述成形腔室外部側(cè)壁安裝有觀察窗和紅外測(cè)溫（或熱成像）儀，分別用于觀測(cè)成形腔室內(nèi)的設(shè)備及成形狀態(tài)，以及對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)成形平臺(tái)、沉積層、成形件、熔融沉積裝置的溫度分布及變化情況。進(jìn)一步地，所述成形腔室外部上端安裝有激光掃描裝置，由激光器所產(chǎn)生的激光經(jīng)聚焦掃描裝置處理后，通過(guò)成形腔室上端的激光窗口射入成形腔室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)成形平臺(tái)及已沉積層表面的預(yù)熱，以及對(duì)預(yù)成形軌跡輪廓進(jìn)行掃描加熱，引導(dǎo)熔融金屬的沉積成形。進(jìn)一步地，所述儲(chǔ)料裝置為多個(gè)，儲(chǔ)存有多種單一或混合金屬絲材或粉材，并通過(guò)多個(gè)送料裝置將金屬料送入下端熔融金屬沉積裝置。進(jìn)一步地，所述加熱裝置為多個(gè)，并可根據(jù)被加熱金屬材料的特性選擇熔煉爐、電爐、感應(yīng)加熱裝置、等離子加熱裝置中的一種或多種。進(jìn)一步地，所述熔融金屬沉積裝置為結(jié)構(gòu)相同或不同的多個(gè)，可根據(jù)預(yù)制件材料信息進(jìn)行相應(yīng)一種或多種金屬液的單獨(dú)或同時(shí)沉積成形，沉積速度均可以單獨(dú)控制。同時(shí)，可以使金屬液以液滴、液流、霧化微滴三種形式進(jìn)行沉積成形，以滿足預(yù)制件的不同尺寸、精度及性能等要求。附圖說(shuō)明圖1為根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造設(shè)備示意圖。圖2為根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝流程示意圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖1、2對(duì)采用本專利技術(shù)一種激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝及設(shè)備進(jìn)行具有材料梯度及復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零部件的直接高效成形過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本專利技術(shù)具體實(shí)施步驟如下。1、設(shè)備可工作性確認(rèn)：確認(rèn)設(shè)備各個(gè)運(yùn)行及控制系統(tǒng)均可正常工作。2、構(gòu)建所需成形環(huán)境：根據(jù)成形工藝及成形材料選擇合適的成形環(huán)境。通過(guò)與成形腔室(1)相連接的抽真空裝置(2)可為成形腔室(1)創(chuàng)造真空環(huán)境；通過(guò)抽真空裝置(2)抽真空，并輔助與成形腔室(1)相連接的惰性氣體充入裝置(3)可為成形腔室(1)創(chuàng)造惰性氣體保護(hù)環(huán)境。3、預(yù)制件模型數(shù)據(jù)處理：通過(guò)PC機(jī)建立預(yù)成形金屬件的CAD模型，并將模型轉(zhuǎn)換成STL格式文件，然后采用分層軟件對(duì)STL文件進(jìn)行分層處理得到層片數(shù)據(jù)文件，層片數(shù)據(jù)文件被轉(zhuǎn)換成能夠被激光聚焦掃描裝置(11)及三軸運(yùn)動(dòng)裝置(9)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝，其特征在于，包括以下步驟：預(yù)制件模型數(shù)據(jù)處理：建立預(yù)成形金屬件的CAD模型，并得到STL格式文件，然后采用分層軟件對(duì)STL文件進(jìn)行分層處理得到層片數(shù)據(jù)文件，層片數(shù)據(jù)文件被轉(zhuǎn)換成能夠被激光聚焦掃描裝置及三軸運(yùn)動(dòng)裝置所識(shí)別的掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)文件；激光按路徑掃描：激光掃描裝置在驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下按照預(yù)制件當(dāng)前層成形路徑進(jìn)行掃描，并根據(jù)預(yù)沉積金屬特性調(diào)整激光功率和頻率等；選擇性熔融金屬同步沉積：三軸運(yùn)動(dòng)裝置在驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下帶動(dòng)成形平臺(tái)移動(dòng)，同時(shí)熔融沉積裝置按照當(dāng)前層預(yù)制件材料信息進(jìn)行相應(yīng)金屬的熔化沉積，以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光掃描完成路徑的選擇性金屬材料按需同步沉積成形；激光引導(dǎo)金屬件逐層沉積增材制造成形：經(jīng)過(guò)逐層成形件的按路徑激光掃描和選擇性金屬同步沉積，最終完成預(yù)成形金屬件的激光引導(dǎo)熔融沉積增材制造。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝，其特征在于，包括以下步驟：預(yù)制件模型數(shù)據(jù)處理：建立預(yù)成形金屬件的CAD模型，并得到STL格式文件，然后采用分層軟件對(duì)STL文件進(jìn)行分層處理得到層片數(shù)據(jù)文件，層片數(shù)據(jù)文件被轉(zhuǎn)換成能夠被激光聚焦掃描裝置及三軸運(yùn)動(dòng)裝置所識(shí)別的掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)文件；激光按路徑掃描：激光掃描裝置在驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下按照預(yù)制件當(dāng)前層成形路徑進(jìn)行掃描，并根據(jù)預(yù)沉積金屬特性調(diào)整激光功率和頻率等；選擇性熔融金屬同步沉積：三軸運(yùn)動(dòng)裝置在驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下帶動(dòng)成形平臺(tái)移動(dòng)，同時(shí)熔融沉積裝置按照當(dāng)前層預(yù)制件材料信息進(jìn)行相應(yīng)金屬的熔化沉積，以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光掃描完成路徑的選擇性金屬材料按需同步沉積成形；激光引導(dǎo)金屬件逐層沉積增材制造成形：經(jīng)過(guò)逐層成形件的按路徑激光掃描和選擇性金屬同步沉積，最終完成預(yù)成形金屬件的激光引導(dǎo)熔融沉積增材制造。2.如權(quán)利要求1所述的一種激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝，其特征在于，所述激光聚焦掃描裝置沿預(yù)制件當(dāng)前層成形路徑進(jìn)行掃描，同時(shí)通過(guò)三軸運(yùn)動(dòng)裝置帶動(dòng)成形平臺(tái)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熔融金屬跟隨激光掃描路徑的同步沉積。3.如權(quán)利要求1所述的一種激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝，其特征在于，所述激光掃描和三軸運(yùn)動(dòng)速度可根據(jù)不同成形工藝要求（如成形效率、成形溫度、成形精度、金屬材料成形特性等）進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。4.如權(quán)利要求1所述的一種激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝，其特征在于，在成形前對(duì)成形平臺(tái)或已沉積層表面整體溫度進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)成形工藝要求確定其整體預(yù)熱溫度范圍，調(diào)整掃描激光的功率、頻率、掃描速度，并采用激光在成形平臺(tái)或已沉積層表面進(jìn)行快速、反復(fù)掃描，使其表面達(dá)到預(yù)熱溫度范圍。5.如權(quán)利要求1所述的一種激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝，其特征在于，在成形前對(duì)預(yù)成形路徑表面溫度進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)預(yù)沉積金屬材料特性及成形工藝要求確定成形路徑表面預(yù)達(dá)到的溫度范圍及物理狀態(tài)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)控掃描激光的功率和頻率，使得激光掃描后的成形軌跡表面溫度達(dá)到預(yù)定溫度范圍，并使成形路徑表面達(dá)到所需的固態(tài)、半液態(tài)或半固態(tài)等物理狀態(tài)。6.如權(quán)利要求1所述的一種激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝，其特征在于，所述熔融沉積裝置可按照當(dāng)前層預(yù)制件材料信息進(jìn)行相應(yīng)單一或多種金屬材料的單獨(dú)或同時(shí)熔化沉積。7.如權(quán)利要求1所述的一種激光引導(dǎo)多金屬熔融沉積增材制造工藝，其特征在于，所述熔融金屬的熔化溫度和沉積速度可根據(jù)材料特性、成形溫度、成形效率等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。8.一種激光引...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：單忠德，楊立寧，戎文娟，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京;11