雷射增減材複合製造裝置及方法與流程
2023-06-18 20:33:56 3
本發明涉及一種雷射增減材複合製造裝置及方法，屬於雷射加工製造技術領域。
背景技術：
近年來，將雷射增材製造技術和數控工具機的減材製造技術相結合，以實現增減材製造加工，是先進位造行業研究的熱點，加工材料主要包括鈦及其合金、鋁合金、不鏽鋼、鎳基高溫合金等韌性良好的材料，經過雷射增材結合數控工具機的減材製造加工，能夠提升材料的組織性能，製造出形狀複雜多樣的零件。
現有的雷射增材製造技術，一般是於基材表面進行大面積、全面積的連續增材製造加工，在雷射快速加熱和凝固的條件下，加工材料非常容易開裂，開裂形式主要分為兩種，一種是由於基材與增材的熱物性參數不匹配而產生熱應力，加工過程中，當熱積累到一定程度時，基材與增材之間易出現開裂；另一種是由於增材材料自身的脆性，在雷射快速加熱凝固條件下，增材有可能開裂，且增材面積越大，越容易開裂。因此，利用現有的雷射增材製造技術製造大尺寸的複合材料，效果並不理想。
另一方面，利用數控工具機等機械加工設備實現減材製造加工，加工不同的材料需配置不同的輔助工具(如刀具、夾具、模具等)，加工過程繁瑣，使用和設計方面非常不靈活。
技術實現要素：
有鑑於上述原因，本發明的目的在於提供一種雷射增減材複合製造裝置及方法，通過雷射刻蝕方法，利用高能量雷射光束照射到基材表面，使材料融化、氣化，於基材表面形成凹槽結構以實現減材製造，於凹槽結構中填充粉末材料，並通過雷射熔化粉末材料實現粉末材料與基材的結合，以實現增材製造，複合材料綜合性能良好，加工效率高，設計靈活，使用方便。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
一種雷射增減材複合製造裝置，包括雷射刻蝕系統、粉末填充機構、雷射熔化系統、計算機控制系統，
雷射刻蝕系統，用於通過雷射刻蝕於基材表面形成具有預定圖案的若干凹槽結構；
粉末填充機構，用於向若干凹槽結構中填充粉末材料；
雷射熔化系統，用於將若干凹槽結構中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料與基材相結合；
計算機控制系統，用於設置預定圖案，設置雷射刻蝕系統的雷射刻蝕參數，控制雷射刻蝕系統按照預定圖案依據雷射刻蝕參數於基材表面進行雷射刻槽過程；用於控制粉末填充機構依次向若干凹槽結構中填充粉末材料；用於設置雷射熔化系統的雷射熔化參數，控制雷射熔化系統依據雷射熔化參數將若干凹槽結構中的粉末材料熔化。
進一步的
所述雷射刻蝕系統與雷射熔化系統是三維動態聚焦掃描系統。
所述粉末填充機構包括用於盛裝粉末材料的容器，用於將容器內的粉末材料填充至預定位置的填粉執行機構。
一種雷射增減材複合製造方法，包括：
s1：利用雷射刻蝕系統於基材表面形成具有預定圖案的若干凹槽結構；
s2：利用粉末填充機構向若干凹槽結構中填充粉末材料；
s3：利用雷射熔化系統將若干凹槽結構中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料與基材相結合。
重複步驟s1-s3，形成由多種材料複合而成的鑲嵌結構形式的複合材料。
所述預定圖案由離散分布的若干封閉圖形組成。
所述凹槽結構是直槽、斜槽、臺階槽，槽的深度為0.1～5mm。
所述基材包括鋁、鈦、鎳、銅、鐵等金屬及其合金材料；粉末材料包括金屬、陶瓷及金屬基陶瓷複合材料。
本發明的優點是：
1、本發明的裝置及方法，是通過雷射刻蝕方法於基材表面形成若干離散化的凹槽結構，再向離散化的凹槽結構中填充粉末材料，利用雷射熔化方法依次將凹槽結構中的粉末材料熔化使其與基材相結合，上述離散化的雷射加工過程，能夠避免大面積的熱積累，從而避免加工過程中材料出現開裂情況，在此基礎上，本發明能夠製造出大面積、多種材料複合的鑲嵌結構式高性能複合材料，提升材料表層的綜合性能；
2、本發明的裝置及方法，通過雷射刻蝕方法於基材表面形成若干離散化的凹槽結構，以實現減材製造加工，與機械式減材製造設備相比，加工圖案可設計性強，加工快速高效，精度高；
3、本發明的裝置及方法，可通過雷射刻蝕方法實現減材製造，通過雷射熔化方法實現增材製造，兩種雷射加工方法的有效結合實現了基材表層的性能結構的優化設計和快速製造加工，且雷射加工速度快、過程熱輸入少，基材受雷射的熱作用小，組織性能不會發生改變，切熱應力小、變形少，對基材的性能影響非常小；
4、本發明的裝置及方法，能夠製備出強度、耐磨損等綜合性能較高的材料，且設計靈活多樣，在刀具、模具、摩擦副、裝飾、藝術設計等方面均具有非常廣泛的應用前景。
附圖說明
圖1是本發明的裝置結構框圖。
圖2是本發明的加工流程圖。
圖3a、3b、3c是利用本發明的裝置及方法加工出的複合材料零件的側視圖。
圖4a、4b、4c是利用本發明的裝置及方法加工出的複合材料零件的平面結構圖。
圖5是本發明的加工流程圖，加工過程中於凹槽結構中填充兩種材料。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。
如圖1所示，本發明公開的雷射增減材複合製造裝置包括雷射刻蝕系統、粉末填充機構、雷射熔化系統、計算機控制系統，
雷射刻蝕系統，用於通過雷射刻蝕於基材表面形成具有預定圖案的若干凹槽結構；
粉末填充機構，用於向基材表面形成的凹槽結構中填充粉末材料；
雷射熔化系統，用於將凹槽結構中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料與基材相結合；
計算機控制系統，用於設置預定圖案，設置雷射刻蝕系統的雷射刻蝕參數，控制雷射刻蝕系統按照預定圖案依據雷射刻蝕參數於基材表面進行雷射刻蝕加工過程；用於控制粉末填充機構依次向基材表面的凹槽結構中填充粉末材料；用於設置雷射熔化系統的雷射熔化參數，控制雷射熔化系統依據雷射熔化參數依次將凹槽結構中的粉末材料熔化，使得熔化的粉末材料與基材相結合。
上述的雷射刻蝕系統與雷射熔化系統均為三維動態聚焦掃描系統(包括圖1所示雷射器及雷射聚焦掃描系統)，該三維動態聚焦掃描系統包括動態聚焦鏡組、x軸振鏡、y軸振鏡、振鏡控制單元，動態聚焦鏡組包括z軸振鏡、兩片聚焦鏡；z軸振鏡、兩片聚焦鏡、x軸振鏡、y軸振鏡順序設置於雷射器發出的雷射光路上；振鏡控制單元分別與x軸振鏡、y軸振鏡、z軸振鏡的伺服電機相連接，用於通過控制伺服電機動作而調整x軸振鏡、y軸振鏡及z軸振鏡的鏡片的位置，使得雷射光束聚焦於物體表面的不同位置上。三維動態聚焦掃描系統的結構組成及工作原理均為現有技術，本發明不作詳細的說明。
為提高加工效率，避免設備交叉使用，雷射刻蝕系統與雷射熔化系統可以是獨立的兩部三維動態聚焦掃描系統，雷射刻蝕系統依據設定的雷射刻蝕參數對基材表面進行刻槽加工過程，雷射熔化系統依據設定的雷射熔化參數對凹槽結構內的粉末材料進行熔化加工過程；雷射刻蝕系統與雷射熔化系統也可以是同一部三維動態聚焦掃描系統，加工過程中，分別按照雷射刻蝕參數、雷射熔化參數在基材表面進行刻槽、熔化粉末材料的加工過程。對於雷射刻蝕系統，光源需採用脈衝雷射，如納秒、皮秒或者飛秒雷射。雷射刻蝕參數按照雷射刻蝕工藝的原理及要求設置，雷射熔化參數按照雷射熔化工藝的原理及要求設置。
粉末填充機構包括用於盛裝一種或多種粉末材料的容器，及用於將容器內的粉末材料填充至預定位置的填粉執行機構。填粉執行機構可以是輥筒、刮板、噴粉器、冷噴塗設備、噴槍等，利用輥筒或刮板帶動粉末材料於基材表面作平鋪運動，將粉末材料填充至凹槽結構中；或是利用噴粉器通過噴塗方式將粉末材料填充至凹槽結構中；或是利用冷噴塗設備，通過高壓氣流將粉末以比較緻密的方式填充至凹槽結構中，也可以先用有機溶劑將粉末材料調配成漿狀，利用噴槍噴入凹槽結構。粉末填充機構的結構已屬現有技術，本發明中不作詳細說明。
如圖2所示，本發明公開的雷射增減材複合製造方法，包括：
s1：利用雷射刻蝕系統於基材表面形成具有預定圖案的若干凹槽結構；
如圖3a、3b、3c、4a、4b、4c所示，預定圖案是由離散分布的若干圓形、多邊形等多種封閉圖形組成，凹槽結構2可以是直槽、斜槽也可以是臺階槽等多種槽形式，凹槽的深度在0.1～5mm。
s2：利用粉末填充機構向基材表面形成的凹槽結構中填充粉末材料；
基材1一般為韌性良好的材料，例如鋁、鈦、鎳、銅、鐵等金屬及其合金材料。粉末材料3一般為硬度高、強度大、脆性大的材料，包括金屬、陶瓷及金屬基陶瓷複合材料，金屬基陶瓷複合材料例如為鐵、鎳、鈷等金屬粉末，碳化物、矽化物、硼化物等陶瓷粉末，以及鐵包碳化物、鎳包碳化物等複合材料粉末。粉末材料的粒徑通常在100μm以下。
s3：利用雷射熔化系統將凹槽結構中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料與基材相結合。
粉末材料熔化燒結後組織緻密，熔化後的粉末材料4與基材形成冶金結合。
通過上述步驟可於基材表面形成具有預定圖案的鑲嵌結構的複合材料。
如圖5所示，根據設計及使用需要，可按照上述步驟s1-s3，在基材11表面按照預定圖案進行刻槽加工，在加工出第一凹槽結構12，在第一凹槽結構12中填充第一種粉末材料13，將第一種粉末材料13熔化、凝固；然後，重複步驟s1-s3，在基材11表面加工出第二凹槽結構14，在第二凹槽結構14中填充第二種粉末材料15，將第二種粉末材料15熔化、凝固使之與基材相結合形成具有鑲嵌結構的複合材料。如此反覆刻槽-填粉-熔化的加工過程，可形成由多種材料複合而成的鑲嵌結構形式的複合材料。
本發明的雷射增減材複合製造裝置及方法，通過雷射刻蝕方法於基材表面形成若干離散化的凹槽結構，實現減材製造，向離散化的凹槽結構中填充粉末材料，利用雷射熔化方法依次將若干凹槽結構中的粉末材料熔化使其與基材相結合，實現增材製造，離散化的雷射加工過程，可避免大面積加工造成的熱積累，從而避免加工過程中材料出現開裂情況，且雷射加工對基材的性能影響非常小。由此，本發明能夠製造出大面積、多種材料複合的鑲嵌結構式高性能複合材料，提升材料表層的綜合性能，且設計靈活，加工快速高效，精度高。
以上所述是本發明的較佳實施例及其所運用的技術原理，對於本領域的技術人員來說，在不背離本發明的精神和範圍的情況下，任何基於本發明技術方案基礎上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬於本發明保護範圍之內。