一種激光增減材復合制造的方法與裝置的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于3D打印技術領域，具體涉及一種激光增減材復合制造的方法，還涉及激光增減材復合制造裝置。
【背景技術】
[0002]高精度柔性制造是制造業追求的目標，為此，增材制造(或稱3D打印)技術的研究和產業發展成為當今的一個熱點。就功能性3D打印結構零件的成形精度而言，選區激光快速成形技術特別是選區激光恪化成形(Selective laser melting，SLM)技術的成形精度能夠使3D打印技術能夠達到的最高水平。然而，受制于粉末的尺度、激光聚焦光斑尺寸、以及成形過程快速冷凝導致熱變形等的影響，選區激光快速成形的結構零件的尺寸精度和表面粗糙度都無法達到目前減材制造的精度水平。
[0003]為充分利用增材制造和減材制造的優點，將增材制造技術與減材制造技術相結合的增減材復合制造已經引起人們的重視。目前發展的增減材復合制造技術主要是以激光近凈成形(LENS)或選區激光成形熔化(SLM)與數控加工(CNC)結合，已經開發出相關的裝置并取得較成功的應用。但是，由于CNC屬于機械加工技術，與LENS和SLM等技術在兼容性存在問題，使得增減材復合制造控制和加工任務規劃、易用性等方面都存在較難克服的困難。此夕卜，由于CNC加工本身依靠有形刀具，其在對于狹小空間內的加工仍然受到限制。
[0004]在激光加工領域，脈沖激光減材制造是一類重要加工技術。短脈沖激光，特別是超短脈沖激光具有脈沖持續時間短、峰值功率高等特征，其與材料相互作用的過程是一個非線性的冷加工過程。利用短脈沖、超短脈沖激光去除材料進行減材制造，可以實現微米甚至納米精度。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本發明的目的之一在于提供一種激光增減材復合制造的方法;在利用選區激光快速成形進行逐層增材制造的過程中利用脈沖激光減材制造對已成形結構的輪廓邊緣進行減材處理;本發明的目的之二在于提供激光增減材復合制造裝置，結合該裝置和方法有望破解目前高精度零件直接成形的制約難題。
[0006]為實現上述發明目的，本發明提供如下技術方案:
[0007]—種激光增減材復合制造的方法，該方法包括以下步驟:
[0008]I)建立實體零件的幾何模型，規劃選區激光快速成形的激光的掃描路徑，規劃激光減材制造的脈沖激光的掃描路徑；
[0009]2)對成形腔室進行抽真空并充入保護氣體；
[0010]3)利用粉末攤鋪系統并在成形區域鋪覆一層粉末；
[0011]4)利用選區激光快速成形的激光掃描鋪覆的待成形材料，進行結構成形；
[0012]5)利用激光減材制造的脈沖激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓邊緣，去除表面粗糙部分；
[0013]6)將成形基板降低一層粉末厚度，再重復步驟3)、4)和5)直至獲得最終的三維實體零件。
[0014]本發明中，所述的選區激光快速成形包括選區激光熔化成形和選區激光燒結成形。
[0015]本發明中，用于選區激光快速成形的激光波長范圍為200nm?10.6μπι的激光，用于激光減材制造的脈沖激光的脈沖寬度為500ns?Ifs。
[0016]本發明步驟3)中，所述粉末為金屬粉末材料、塑料粉末粉末、陶瓷粉末材料、覆膜砂粉末材料、聚合物粉末材料中的一種或幾種混合粉末材料，粉末材料的尺度為1nm?500
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[0017]本發明中，利用激光減材制造的激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓邊緣，去除表面粗糙部分可以和利用選區激光快速成形進行多層結構后再利用激光減材制造激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓邊緣，去除已成形多層結構的表面粗糙部分，即在步驟4)和5之間重復步驟3)和4)至少一次形成多層結構，然后進行步驟5)利用激光減材制造的脈沖激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓邊緣，去除已成形多層結構的表面粗糙部分;最后再重復步驟3)、4)和5)或先重復步驟3)和4)至少一次后再重復步驟5)直至獲得最終的三維實體零件。
[0018]本發明步驟5)利用激光減材制造的脈沖激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓邊緣，去除表面粗糙部分包括:利用激光減材制造的脈沖激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓內外邊緣，去除輪廓內外表面的粗糙部分;和利用激光減材制造的脈沖激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓內邊緣及復雜部位外邊緣，去除輪廓內表面及復雜部位外表面的粗糙部分。
[0019]—種激光增減材復合制造的裝置，該裝置包括:包括激光光源系統、激光聚焦掃描系統、成形腔室、粉末攤鋪系統、氣氛控制系統和軟件控制系統;其中激光光源系統與激光聚焦掃描系統、成形腔室和粉末攤鋪系統依次連接，氣氛控制系統連接于粉末攤鋪系統上，軟件控制系統分別與激光光源系統、激光聚焦掃描系統、成形腔室、粉末攤鋪系統和氣氛控制系統連接，其中激光光源系統包括提供選區激光快速成形的激光器Il和提供激光減材制造脈沖激光的激光器Π 2。本發明中激光器11提供的激光波長范圍為200nm?1.6μπι的激光，激光器Π 2提供的脈沖激光的脈沖寬度為500ns?Ifs。
[0020]本發明中，激光聚焦掃描系統分別由位于激光器Il光路上的擴束鏡13、動態聚焦鏡15、反射鏡7，位于激光器Π 2光路上的擴束鏡Π 4、動態聚焦鏡Π 6，兩條光路共享的二向色鏡8以及掃描振鏡9組成;成形腔室可實現環境隔絕，并設置有粉末收集器14;粉末攤鋪系統由送粉器10、刮刀11、成形基板12和升降組件13組成;氣氛控制系統由真空栗15和保護氣體循環組件16組成。
[0021]或激光增減材復合制造的裝置中，激光聚焦掃描系統分別由位于激光器Il光路上的擴束鏡13和反射鏡7，位于激光器Π 2光路上的擴束鏡Π 4，兩條光路共享的二向色鏡8，與二向色鏡連接的掃描振鏡9和聚焦場鏡18組成。
[0022]本發明的有益效果在于:本發明一種激光增減材復合制造的方法和裝置，制備方法利用脈沖激光減材制造對已成形結構進行輪廓表面進行減材處理，提高了成形精度;與其它增減材復合制造相比，增減材都是使用激光，具有更好兼容性，控制方面更為簡單。
[0023]本發明的其它優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。
【附圖說明】
[0024]為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖:
[0025]圖1為一種激光增減材復合制造方法的流程圖。
[0026]圖2為激光增減材復合制造裝置的結構示意圖之一。
[0027]圖3為激光增減材復合制造裝置的結構示意圖之二。
【具體實施方式】
[0028]下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規條件或按照制造廠商所建議的條件。
[0029]—種激光增減材復合制造的方法，具體流程見圖1，如圖1所述，該方法包括以下步驟:
[0030]I)建立實體零件的幾何模型，規劃選區激光快速成形的激光的掃描路徑，規劃激光減材制造的脈沖激光的掃描路徑；
[0031]2)對成形腔室進行抽真空并充入保護氣體；
[0032]3)利用粉末攤鋪系統并在成形區域鋪覆一層粉末；
[0033]4)利用選區激光快速成形的激光掃描鋪覆的待成形材料，進行結構成形；
[0034]5)利用激光減材制造的脈沖激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓邊緣，去除表面粗糙部分；
[0035]6)將成形基板降低一層粉末厚度，再重復步驟3)、4)和5)直至獲得最終的三維實體零件。
[0036]本發明中，所述的選區激光快速成形包括選區激光熔化成形和選區激光燒結成形。
[0037]本發明中，用于選區激光快速成形的激光波長范圍為200nm?10.6μπι的激光，用于激光減材制造的脈沖激光的脈沖寬度為500ns?Ifs。
[0038]本發明步驟3)中，所述粉末為金屬粉末材料、塑料粉末粉末、陶瓷粉末材料、覆膜砂粉末材料、聚合物粉末材料中的一種或幾種混合粉末材料，粉末材料的尺度為1nm?500
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[0039]本發明中，利用激光減材制造的激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓邊緣，去除表面粗糙部分可以和利用選區激光快速成形進行多層結構后再利用激光減材制造激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓邊緣，去除已成形多層結構的表面粗糙部分，即在步驟4)和5之間重復步驟3)和4)至少一次形成多層結構，然后進行步驟5)利用激光減材制造的脈沖激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓邊緣，去除已成形多層結構的表面粗糙部分;最后再重復步驟3)、4)和5)或先重復步驟3)和4)再重復步驟5)直至獲得最終的三維實體零件。
[0040]本發明步驟5)利用激光減材制造的脈沖激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓邊緣，去除表面粗糙部分包括:利用激光減材制造的脈沖激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓內外邊緣，去除輪廓內外表面的粗糙部分;和利用激光減材制造的脈沖激光沿規劃路徑掃描成形結構的輪廓內邊緣及復雜部位外邊緣，去除輪廓內表面及復雜部位外表面的粗糙部分。
[0041 ]圖2為激光增減材復合制造的裝置結構示意圖，如圖2所示，該裝置包括:包括激光光源系統、激光聚焦掃描系統、成形腔室、粉末攤鋪系統、氣氛控制系統和軟件控制系統;其中激光光源系統與激光聚焦掃描系統、成形腔室和粉末攤鋪系統依次連接，氣氛控制系統連接于粉末攤鋪系統上，軟件控制系統17分別與激光光源系統、激光聚焦掃描系統、成形腔室、粉末攤鋪系統和氣氛控制系統連接，其中激光光源系統包括提供選區激光快速成形的激光器Il和提供激光減材制造脈沖激光的激光器Π 2，激光聚焦掃描系統分別由位于激光器11光路上的擴束鏡13、動態聚焦鏡15、反射鏡7，位于激光器Π