一種激光選區熔化耦合沖擊波設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于先進快速制造技術領域，具體涉及一種激光選區熔化耦合沖擊波技術的成形裝置，該裝置適用于激光選區熔化技術成形金屬合金，利用可控的在線沖擊波改善成形金屬合金中的殘余應力，成形高性能無殘余應力的金屬零件。
技術背景
[0002]激光選區恪化(Selective Laser Melting, SLM)作為增材制造(3D打印)家族重要成員之一，通過高能束光纖激光直接熔化鋪平在預置粉床上的微細粉末成形零件，是一種基于材料逐層堆積的新型制造技術。該工藝能夠直接根據CAD模型成形幾乎完全致密的任意復雜的金屬制件。SLM是通過逐層選擇性地熔化金屬粉末層并疊加來成形金屬零件，由于SLM可以直接制造結構復雜的金屬零件，因此該方法可以最大限度實現設計的自由度，在制備精確的具有優良特性的金屬合金零件方面具有巨大潛力。
[0003]然而，激光選區熔化制造過程中，由于光纖激光能量密度高，粉末材料的微熔池的冷卻速度達103-105K/s，這種高冷卻速率直接導致金屬零件中存在較大的殘余應力。目前殘余應力是限制SLM成形金屬零件走向大范圍應用的主要原因之一。金屬零件的殘余應力主要有兩個來源:不均勻塑性變形所產生的殘余應力；不均勻的體積變化所引起的殘余應力。前者主要是在非平衡凝固過程中，金屬原子來不及有序排列，產生大量空位和畸變，從而導致成形的金屬零件形成微應變而引起殘余應力。后者殘余應力主要是由于凝固后的金屬在快速冷卻下產生的收縮而引起殘余應力。當前消除SLM成形金屬零件殘余應力的方法主要采用成形后退火處理，盡管這種方法對于消除殘余應力效果較好，但對成形零件的三維尺寸存在較大影響。因此，尋找一種既能降低殘余應力且便捷，還不會使材料性能降低的方法將非常有意義。
【發明內容】
[0004]本發明提供了一種激光選區熔化耦合沖擊波設備，目的是成型制備SLM快速成形復雜結構且存在較小殘余應力的金屬零件，并且可避免SLM在成形金屬零件過程中由于較大殘余應力而變形，翹曲、無法加工等技術問題，也可省去金屬零件退火后處理的繁雜環節，簡單易行，低耗高效。
[0005]本發明提供的一種激光選區熔化耦合沖擊波設備，包括激光選區熔化成型系統和計算機控制系統，其特征在于，該設備還包括超聲沖擊波發射器，三維移動工作臺安裝在激光選區熔化成型系統的金屬密封艙內，并位于激光選區熔化成型系統的鋪送粉裝置上方，超聲沖擊波發射器通過萬向轉動關節安裝在三維移動工作臺的橫梁上，在激光進行加工掃描截面輪廓時，超聲波發射器移動到設備最遠端，保證對激光掃描不造成干擾；
[0006]所述激光選區熔化成型系統每加工一層，所述超聲波發射器則對該層表面進行超聲波處理，以消除殘余應力；
[0007]計算機控制系統與激光選區熔化成型系統和超聲沖擊波發射器電信號連接，用于控制兩者工作。
[0008]本發明設備將超聲沖擊波技術與種激光選區熔化耦合，利用大功率超聲波推動沖擊工具以每秒二萬次以上的頻率沖擊金屬物體表面，由于超聲波的高頻、高效和聚焦下的大能量，使金屬表層產生較大的壓縮塑性變形；同時超聲沖擊波改變了原有的應力場，產生一定數值的壓應力；并使被沖擊部位得以強化。本發明設備能夠實現SLM制備金屬零件過程中，超聲沖擊波同步去除或者改善殘余應力的耦合工作機制。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明提供的一種激光選區熔化耦合沖擊波設備的結構示意圖；
[0010]圖中各標示，I計算機，2線路系統，3反饋控制系統，4偏振鏡，5激光器，6保護窗，7金屬密封艙，8三維移動工作臺，9鋪送粉裝置，10支撐臺，11升降臺，12總支撐臺，13電機，14待處理工件，15保護氣循環裝置，16萬向轉動關節17超聲沖擊波發生器。
【具體實施方式】
[0011]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發明，但并不構成對本發明的限定。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0012]如圖1所示，本實例提供的一種激光選區熔化耦合沖擊波設備，包括激光選區熔化成型系統、超聲沖擊波發射器和計算機控制系統。
[0013]激光選區熔化成型系統固定在總支撐臺12上，由偏振鏡4、激光器5、保護窗6、金屬密封艙7、鋪送粉裝置9、支撐臺10、升降臺面11、電機13組成，與現有的激光選區熔化設備基本一致。
[0014]三維移動工作臺8安裝在金屬密封艙7內，并位于鋪送粉裝置9上方，超聲沖擊波發射器17通過萬向轉動關節16安裝在三維移動工作臺8的橫梁上，當激光進行加工掃描截面輪廓時，超聲波發射器17移動到設備最遠端，保證對激光掃描不造成干擾。
[0015]計算機控制系統I用于控制兩者協調工作，如控制零件三維模型切片、激光掃描路徑生成、偏振鏡控制、臺面升降、鋪送粉系統工作等等。
[0016]加工工件14時，保護氣循環裝置15先啟動，往金屬密封艙7內通入保護氣體并開始循環，鋪送粉裝置9先在升降臺面11表面均勻鋪上一層很薄的粉末，激光器11發射出激光束，計算機控制系統I控制偏振鏡4對激光進行控制，在工件有實體輪廓的地方掃描熔化，然后電機13帶動升降臺面11下降一個層厚的高度，如此重復循環。
[0017]工件14每加工一定的高度，超聲沖擊波發射器17開始工作。具體的工作方式為:計算機控制系統I根據工件當前加工面的具體形貌，控制步進電機帶動XYZ三軸移動臺8和萬向轉動關節16，使得超聲沖擊波發射器17接觸工件14表面，對工件進行超聲波處理，消除殘余應力。XYZ三軸移動臺8能夠搭載超聲沖擊波發射器17進行前后、左右、上下運動。萬向轉動關節16保證超聲波發射器始終垂直于工件表面。當設備進行超聲波處理時，激光器5、鋪送粉裝置9以及升降臺面11停止工作，防止與XYZ三軸移動臺發生干涉碰撞。
[0018]以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限于該實施例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保護的范圍。
【主權項】
1.一種激光選區熔化耦合沖擊波設備，包括激光選區熔化成型系統和計算機控制系統，其特征在于，該設備還包括超聲沖擊波發射器，三維移動工作臺安裝在激光選區熔化成型系統的金屬密封艙內，并位于激光選區熔化成型系統的鋪送粉裝置上方，超聲沖擊波發射器通過萬向轉動關節安裝在三維移動工作臺的橫梁上，在激光進行加工掃描截面輪廓時，超聲波發射器移動到設備最遠端，保證對激光掃描不造成干擾； 所述激光選區熔化成型系統每加工一層，所述超聲波發射器則對該層表面進行超聲波處理，以消除殘余應力； 計算機控制系統與激光選區熔化成型系統和超聲沖擊波發射器電信號連接，用于控制兩者工作。
【專利摘要】本發明公開了一種激光選區熔化耦合沖擊波設備，包括激光選區熔化成型系統、計算機控制系統和超聲沖擊波發射器，三維移動工作臺安裝在激光選區熔化成型系統的金屬密封艙內，并位于激光選區熔化成型系統的鋪送粉裝置上方，超聲沖擊波發射器通過萬向轉動關節安裝在三維移動工作臺的橫梁上；激光選區熔化成型系統每加工一層，超聲波發射器則對該層表面進行超聲波處理，以消除殘余應力；計算機控制系統控制激光選區熔化成型系統和超聲沖擊波發射器工作。本發明可避免SLM在成形金屬零件過程中由于較大殘余應力而變形，翹曲、無法加工等技術問題，也可省去金屬零件退火后處理的繁雜環節，簡單易行，低耗高效。
【IPC分類】B22F3/24, B22F3/105, B33Y30/00, B33Y40/00
【公開號】CN104923789
【申請號】CN201510389999
【發明人】宋波, 魏青松, 文世峰, 張李超, 劉潔, 史玉升
【申請人】華中科技大學
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年7月6日