一種高效高精度復(fù)合増材制造裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種高效高精復(fù)合増材制造裝置，采用激光束與電子束復(fù)合實(shí)現(xiàn)。裝置包括下部包括鋪粉輥、工作臺(tái)、送粉缸和工作缸；上部包括電子束發(fā)生裝置、激光束發(fā)生裝置、底板、二根導(dǎo)軌、二根橫梁、同步帶輪和伺服電機(jī)。電子束發(fā)生裝置、激光束發(fā)生裝置分別作為一個(gè)整體，交替移動(dòng)到成形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掃描。在高能束與金屬粉末作用的過程中，激光束掃描熔化表面輪廓的金屬粉末，保證零件表面具有較好的表面質(zhì)量；電子束高速熔化內(nèi)部粉末成形零件內(nèi)腔，以達(dá)到最快的成形效率。本實(shí)用新型可改善單一成形技術(shù)存在的缺點(diǎn)，優(yōu)化綜合性能的目的。
【專利說明】一種高效高精度復(fù)合増材制造裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于先進(jìn)制造【技術(shù)領(lǐng)域】，為一種高效高精度復(fù)合増材制造裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 高能束主要包括激光束、電子束和離子束等。高能束熔化金屬粉末制造技術(shù)是近 年發(fā)展起來的一項(xiàng)能夠?qū)崿F(xiàn)近全致密金屬零部件増材制造的先進(jìn)技術(shù)。在計(jì)算機(jī)中將擬制 造零部件的三維圖形劃分為一系列二維圖形薄片，再通過計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡等控制高能 束的運(yùn)動(dòng)方式和軌跡，通過高能束加熱產(chǎn)生相變、熔化等過程，逐層制造并疊加成為最終的 三維零件。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)制造工藝的限制，整個(gè)加工過程無(wú)加工廢料、無(wú)需工裝夾具和 模具，能直接制造產(chǎn)品或是模具，因此受到廣泛的關(guān)注。
[0003] 電子束烙化（Electron Beam Melting, EBM)可成形多種金屬材料，有高真空保護(hù)， 電子束能量利用率高，掃描速度快，可達(dá)8000m/s，成形效率高。但是目前國(guó)外設(shè)備成形零件 的精度等級(jí)為±〇. 3mm，國(guó)內(nèi)設(shè)備只有± 1mm，成形零件精度低；其鋪粉層厚不小于0. 06mm， 層厚較大也是零件成形精度低的原因。
[0004] 與EBM相比，選擇性激光烙化（Selective Laser Melting, SLM)成形過程中，激光 束光斑直徑小，能量密度高，成形零件的尺寸精度高，表面粗糙度低。目前國(guó)內(nèi)設(shè)備成形零 件精度等級(jí)為±〇. 1mm，成形精度高；鋪粉層厚為〇.〇2mm，只有EBM的三分之一，層厚小。但 SLM成形設(shè)備的掃描速度較低，國(guó)外最大只能達(dá)到70m/s，而國(guó)內(nèi)則為lm/s，成形速度較低， 對(duì)大型零件的成形時(shí)間較長(zhǎng)。表1為兩種成形工藝的參數(shù)對(duì)比情況。
[0005] 進(jìn)一步提高高能束増材制造技術(shù)的應(yīng)用范圍，目前必須克服成形效率低，表面質(zhì) 量差的困難。在成形效率方面，對(duì)于SLM技術(shù)主要是提高振鏡掃描速度，但是振鏡是機(jī)械部 件，受慣性、加速度極限的影響，要想大幅度提高其掃描速度十分困難；而EBM雖然成形效 率高，但是表面質(zhì)量及精度卻很難達(dá)到近凈成形的目的。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0006] 為解決上述單一高能束増材制造存在的成形效率低、表面質(zhì)量差等問題，本實(shí)用 新型提供了一種激光束與電子束復(fù)合的高效高精度増材制造裝置，以期發(fā)揮各自成形技術(shù) 的優(yōu)點(diǎn)，改善單一成形技術(shù)存在的缺點(diǎn)，優(yōu)化綜合性能。
[0007] 本實(shí)用新型提供的一種復(fù)合増材制造裝置，其特征在于，該裝置的下部主要包括 鋪粉輥、工作臺(tái)、送粉缸和工作缸；鋪粉輥安放在工作臺(tái)的上表面，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)X-Y 平面內(nèi)的移動(dòng)鋪粉；送粉缸和工作缸通過控制系統(tǒng)能沿Z軸方向無(wú)阻礙地上下運(yùn)動(dòng)，兩缸 的上表面不超過工作臺(tái)的上表面；
[0008] 該裝置的上部主要包括電子束發(fā)生裝置、激光束發(fā)生裝置、底板、二根導(dǎo)軌、二根 橫梁、同步帶輪和伺服電機(jī)；底板中部有矩形窗口，底板上固定所述二根導(dǎo)軌，平行于窗口 的一對(duì)對(duì)邊，所述二根導(dǎo)軌旁邊分別固定一個(gè)同步帶輪和伺服電機(jī)，同步帶與導(dǎo)軌平行，由 同步帶輪和伺服電機(jī)張緊；兩橫梁垂直于導(dǎo)軌，通過滑塊與導(dǎo)軌滑動(dòng)配合，兩根橫梁的一端 固定在同步帶上；激光發(fā)生裝置和電子束發(fā)生裝置分別固定在一根橫梁上。
[0009] 本實(shí)用新型采用兩種高能束進(jìn)行復(fù)合增材制造，尤其是激光束與電子束復(fù)合的高 效高精増材制造。本實(shí)用新型綜合利用激光束成形精度高和電子束成形速度快的優(yōu)點(diǎn)，將 兩者有機(jī)結(jié)合，可以縮短零件成形時(shí)間，提高成形效率；提高采用電子束單一成形的精度和 表面質(zhì)量，改善零件的綜合性能?？傊緦?shí)用新型可以縮短零件成形時(shí)間，提高采用電子 束單一成形的零件表面質(zhì)量，改善零件的綜合性能，可以推動(dòng)金屬零部件直接快速制造技 術(shù)和裝備的應(yīng)用和推廣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為激光束和電子束復(fù)合工作的裝置示意圖；
[0011] 圖2為上部整體式移動(dòng)交替掃描裝置俯視圖；
[0012] 圖3為本實(shí)用新型成形金屬零件模型示意圖；
[0013] 圖4為激光束和電子束掃描區(qū)域示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明 的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本實(shí)用新型，但并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限 定。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未 構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0015] 本實(shí)用新型裝置可以利用激光束和電子束復(fù)合對(duì)金屬粉末進(jìn)行掃描，以達(dá)到高效 高精度的目的。激光束主要對(duì)邊界輪廓的金屬粉末進(jìn)行掃描熔化，保證零件表面具有較好 的表面質(zhì)量；電子束對(duì)內(nèi)部粉末進(jìn)行高速熔化，保證較高的成形效率。兩者可以同時(shí)進(jìn)行工 作，也可以在同一加工過程中階段性地分開工作。
[0016] 本實(shí)用新型裝置分為兩部分。上部是一種整體式移動(dòng)交替掃描裝置，具體安放了 兩種高能束的發(fā)生裝置、橫梁和導(dǎo)軌等機(jī)械機(jī)構(gòu)以及兩臺(tái)伺服電機(jī)，高能束發(fā)生裝置分別 安裝在不同橫梁上，伺服電機(jī)帶動(dòng)同步帶輪使橫梁沿兩條導(dǎo)軌完成在平面內(nèi)的精確移動(dòng)。 兩個(gè)高能束發(fā)生裝置以整體的形式交替移動(dòng)，根據(jù)需要預(yù)熱粉末、掃描成形件。成形時(shí)，在 控制軟件的控制下，電子束在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)控制下分別實(shí)現(xiàn)X向和Y向的偏轉(zhuǎn)控制。激 光束則在振鏡的精確控制下，對(duì)表面輪廓進(jìn)行掃描。下部則是成形臺(tái)面和成形空間，具體安 放了鋪粉機(jī)構(gòu)、工作缸和送粉缸。
[0017] 下面結(jié)合圖1、圖2詳細(xì)說明依據(jù)該實(shí)用新型的基本原理及工作情況。本實(shí)用新型 裝置是一種激光束和電子束復(fù)合成形裝置，其下部主要包括鋪粉輥1、工作臺(tái)2、送粉缸3和 工作缸4。鋪粉輥1安放在工作臺(tái)2的上表面，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)X-Y平面內(nèi)的移動(dòng)鋪粉。 送粉缸3和工作缸4通過控制系統(tǒng)能無(wú)阻礙地上下運(yùn)動(dòng)，兩缸的上表面不能超過工作臺(tái)2 的上表面。
[0018] 上部主要包括電子束發(fā)生裝置7、激光束發(fā)生裝置8、底板9、導(dǎo)軌10、橫梁11、同步 帶輪12和伺服電機(jī)13等部分。底板9中部有矩形窗口，底板9上固定兩導(dǎo)軌10,平行于窗 口的一對(duì)對(duì)邊，導(dǎo)軌10旁邊分別固定一個(gè)同步帶輪12和伺服電機(jī)13,同步帶與導(dǎo)軌10平 行，由同步帶輪12和伺服電機(jī)13張緊。兩橫梁11垂直于導(dǎo)軌10,通過滑塊與導(dǎo)軌10滑動(dòng) 配合，橫梁11的一端固定在同步帶上。激光發(fā)生裝置8和電子束發(fā)生裝置7分別固定在一 橫梁11上。
[0019] 本實(shí)用新型裝置工作時(shí)，高能束6通過電子束發(fā)生裝置7產(chǎn)生，工作狀態(tài)時(shí)移動(dòng)到 工作臺(tái)2的中心區(qū)域上方。成形內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，電子束發(fā)生裝置7移動(dòng)到成形區(qū)域進(jìn)行掃描， 激光束發(fā)生裝置8保持原位；成形表面輪廓時(shí)，電子束發(fā)生裝置7回到原位，激光束發(fā)生裝 置8移動(dòng)到成形區(qū)域進(jìn)行掃描。在金屬粉末均勻地鋪在工作缸4上的過程中，電子束發(fā)生 裝置7和激光束發(fā)生裝置8均處于關(guān)閉狀態(tài)。每鋪一層粉末后，電子束發(fā)生裝置7發(fā)射小 束流6對(duì)金屬粉末5進(jìn)行預(yù)熱，之后激光束發(fā)生裝置8發(fā)射的高能激光束6照射到零件指 定的表面輪廓的金屬粉末5上進(jìn)行熔化。當(dāng)鋪粉層厚達(dá)到設(shè)定的EBM掃描單層粉末的厚度 時(shí)，由電子束發(fā)生裝置7發(fā)射的電子束6開始工作，掃描指定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0020] 利用本實(shí)用新型裝置進(jìn)行增材制造的具體過程為：
[0021] (1)對(duì)成形零件模型的表面輪廓和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域劃分，控制電子束和激光束 工作的范圍；
[0022] (2)設(shè)定裝置的鋪粉層厚、SLM掃描單層粉末的厚度和EBM掃描單層粉末的厚度。 裝置的成形空間抽成真空，并通入保護(hù)性氣體；
[0023] (3)由鋪粉機(jī)構(gòu)在金屬基板上平鋪一層粉末，利用電子束的小束流對(duì)設(shè)定區(qū)域內(nèi) 的薄層粉末進(jìn)行高速掃描，預(yù)熱粉末；
[0024] (4)控制激光束發(fā)生裝置運(yùn)動(dòng)至掃描窗口，激光束掃描設(shè)定區(qū)域內(nèi)的粉末，形成表 面輪廓層，電子束發(fā)生裝置保持初始位置不動(dòng)。
[0025] (5)重復(fù)上述步驟（3)?（4)，直到鋪粉機(jī)構(gòu)鋪完粉后，剛好使內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粉層達(dá) 到設(shè)定的EBM掃描單層粉末的厚度，電子束發(fā)生裝置開始運(yùn)動(dòng)至掃描窗口，電子束掃描內(nèi) 部結(jié)構(gòu)區(qū)域，同時(shí)激光束掃描表面輪廓區(qū)域。在激光束掃描完成后，電子束才對(duì)兩區(qū)域的邊 界進(jìn)行重熔，重熔區(qū)域?qū)挾却蠹s為〇. 1mm，使得兩個(gè)區(qū)域結(jié)合成整體。
[0026] (6)重復(fù)上述步驟（5)，直到在制造方向上內(nèi)部結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)的粉末掃描完成。
[0027] (7)再鋪一層粉并預(yù)熱，激光束開始掃描零件頂端的表面輪廓，同時(shí)重熔上述兩區(qū) 域的邊界，使它們結(jié)合在一起。重復(fù)鋪粉掃描直到零件頂端的表面輪廓（如高度為〇.5mm) 加工完成。
[0028] 上述過程中，激光光斑直徑范圍為0. 05mm-0. 1mm，電子束光斑的直徑為0. 1mm。由 于零件尺寸和精度要求的不同，裝置設(shè)定的鋪粉層厚和零件表面輪廓的尺寸可以調(diào)整，表 面輪廓的厚度應(yīng)不小于〇.5mm。如圖3所示的成形金屬零件模型，其激光束和電子束掃描區(qū) 域如圖4所示。
[0029] 以上所述為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，但本實(shí)用新型不應(yīng)該局限于該實(shí)施例 和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本實(shí)用新型所公開的精神下完成的等效或修改，都 落入本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0030] 表IEBM和SLM的參數(shù)對(duì)比
[0031]
【權(quán)利要求】
1. 一種復(fù)合増材制造裝置，其特征在于，該裝置的下部主要包括鋪粉輥、工作臺(tái)、送粉 缸和工作缸；鋪粉輥安放在工作臺(tái)的上表面，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)X-Y平面內(nèi)的移動(dòng)鋪粉；送 粉缸和工作缸通過控制系統(tǒng)能無(wú)阻礙地上下運(yùn)動(dòng)，兩缸的上表面不超過工作臺(tái)的上表面； 該裝置的上部主要包括電子束發(fā)生裝置、激光束發(fā)生裝置、底板、二根導(dǎo)軌、二根橫梁、 同步帶輪和伺服電機(jī)；底板中部有矩形窗口，底板上固定所述二根導(dǎo)軌，平行于窗口的一對(duì) 對(duì)邊，所述二根導(dǎo)軌旁邊分別固定一個(gè)同步帶輪和伺服電機(jī)，同步帶與導(dǎo)軌平行，由同步帶 輪和伺服電機(jī)張緊；兩橫梁垂直于導(dǎo)軌，通過滑塊與導(dǎo)軌滑動(dòng)配合，兩根橫梁的一端固定在 同步帶上；激光發(fā)生裝置和電子束發(fā)生裝置分別固定在一根橫梁上。
【文檔編號(hào)】B22F3/105GK204122756SQ201420516347
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】魏青松, 史玉升, 韓昌駿, 李帥, 唐萍, 劉潔 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)