一種雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置的製作方法

2023-07-11 20:17:36

本發明涉及增材製造領域以及雷射衝擊強化領域，特指一種雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，本裝置有效解決了增材製造中內應力造成成形件易於變形開裂的「控形」和冶金缺陷導致疲勞性能較差的「控性」難題，提高成形件的疲勞強度和力學性能，實現成形件的高效高質量整體加工。

背景技術：

選擇性雷射熔化(selectivelasermelting,slm)技術是一種今年出現的最新的快速成形技術，應用分層製造進行增材製造，通過粉末將cad模型轉換為實物零件。其採用雷射快速熔化選區金屬粉末與快速冷卻凝固技術，可以獲得非平衡態過飽和固溶體及均勻細小的金相組織，並且成形材料範圍廣泛，製造過程不受金屬零件複雜結構的限制，無需任何工裝模具，工藝簡單，可實現金屬零件的快速製造，降低成本，還能實現材料組分連續變化的梯度功能材料製造。

雷射衝擊強化(lasershockpeening,lsp)技術是一種新型的表面強化技術，主要是採用短脈衝(幾十納秒)、高峰值功率密度(>109w/cm2)的雷射輻照在金屬表面，雷射束通過約束層之後被吸收層吸收，吸收層從而獲得能量形成爆炸性氣化蒸發，產生高溫高壓的等離子體，由於外層約束層的約束，等離子體形成高壓衝擊波從而向材料內部傳播，利用衝擊波的力效應在材料表層發生塑性變形，使得表層材料微觀組織發生變化，細化材料晶粒尺寸，是材料組織更緻密，降低孔隙率，並在較深的厚度上形成殘餘壓應力，而殘餘壓應力層能有效地消除材料內部的應力集中和抑制裂紋的萌生和擴展，顯著提高關鍵零件構件的疲勞壽命以及抗腐蝕和抗磨損能力。大量的研究證明雷射衝擊強化技術是延長裂紋萌生時間降低裂紋擴展速度提高材料壽命的有效手段。

雖然近年來在雷射增材製造方面取得了長足進步，但是由於選擇性雷射熔凝是一個快速成形過程，熔化的金屬表面張力很大，所以容易產生球化效應，導致製件內部空洞增多，密度和強度降低；金屬粉末熔化快，熔池存在時間短，快速凝固成形時存在較大的溫度梯度，以至於容易產生較大的熱應力，不同組織的熱膨脹係數不一樣，會產生組織應力，凝固組織還存在殘餘應力，這三種應力綜合作用將會導致製件產生裂紋。而雷射衝擊強化技術可以顯著細化熔覆層粗晶，誘導較大深度的殘餘壓應力，同時能閉合塑性變形層內微裂紋和微小冶金缺陷，是消除熔覆層殘餘拉應力和細化晶粒的一種卓有成效的方法。

鑑於上述問題，本發明提出一種雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，以實現在成形件成形過程中同時對成形件進行雷射衝擊強化，有效解決了增材製造中內應力造成成形件易於變形開裂的「控形」和冶金缺陷導致疲勞性能較差的「控性」難題，提高成形件的疲勞強度和力學性能，實現成形件的高效高質量整體加工。

技術實現要素：

本發明旨在提供了一種雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，通過雷射衝擊強化和選擇性雷射熔化交替工作，實現了在成形件成形過程中同時對成形件進行雷射衝擊強化，在每一層粉料熔化之後，對其進行雷射衝擊強化，有效解決了增材製造中內應力造成成形件易於變形開裂的「控形」和冶金缺陷導致疲勞性能較差的「控性」難題，提高成形件的疲勞強度和力學性能，實現成形件的高效高質量整體加工。

本發明提出一種雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，所述組合裝置包括雷射衝擊強化模塊，噴水模塊，選擇性雷射熔化模塊，由防水層、滾筒、滾筒支架、螺紋絲槓和電機構成的防水層施加模塊，回形水槽，由空氣壓縮機、氣缸和控制閥構成的氣動模塊，底座，由液壓缸、電氣系統和可升降工作檯構成的液壓升降模塊，導軌以及由供粉箱、刮板和電機構成的鋪粉模塊。

其中，雷射衝擊強化模塊與選擇性雷射熔化模塊位於成形件正上方，可通過機械手臂進行移動；防水層位於成形件前側，可通過電機帶動螺紋絲槓進行前後移動，通過氣動模塊進行上下移動；成形件左右兩側各有一組滾筒、滾筒支架、螺紋絲槓和電機，其中滾筒位於滾筒支架上，滾筒支架位於螺紋絲槓上；成形件位於可升降工作檯上；鋪粉模塊位於成形件後側，可通過導軌進行前後往復移動；可升降工作檯四周為回形水槽，氣動模塊位於水槽下方；整個裝置最下方為底座。

優選地，所述的雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，其雷射衝擊強化模塊可與選擇性雷射熔化模塊交替工作，達到在對成形件進行成形加工的同時強化成形件的效果。

優選地，雷射衝擊強化的參數為：光斑直徑為3mm，脈寬為8～30ns，脈衝能量2～15j，橫向和縱向搭接率均為50％。

優選地，選擇性雷射熔化成形的參數為：光斑直徑為80μm，雷射波長為1.06～1.10μm，雷射功率為200～1000w，掃描速度為500～1000mm/s，鋪粉層厚為0.02～0.5mm。

優選地，所述的雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，其鋪粉模塊通過導軌移動，實現均勻鋪粉及復位。

優選地，所述的雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，其液壓升降模塊的升降工作檯通過液壓升降模塊實現平穩升降，隨著製件高度的增加而下降。

優選地，所述的雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，在選擇性雷射熔化成形時，選擇性雷射熔化模塊通過機械手控制運動軌跡。

優選地，所述的雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，在雷射衝擊強化時，雷射衝擊強化模塊通過機械手控制運動軌跡。

優選地，所述的雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，在成形件外表面雷射衝擊強化時，防水層施加模塊通過電機和氣動模塊調動防水層，使防水層自動移動、貼合、分離及復位。

優選地，所述的雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，其防水層施加模塊通過氣動模塊實現垂直方向的運動，控制防水層與成形件外表面的貼合和分離。

優選地，所述的雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，其防水層施加模塊通過電機實現水平方向的運動，進行防水層移動和復位，不影響成形件卸下以及接下來的選擇性雷射熔化成形。

優選地，所述的雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，防水層採用自粘防水材料的鋁箔，當結束一個成形件的加工後，防水層施加模塊通過電機實現滾筒間歇運動，進行防水層更換，避免重複使用，出現漏水情況。

優選地，所述的雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，在雷射衝擊強化時，通過噴水模塊，採用以去離子水形成的厚度為1～2mm的均勻水膜作為約束層，以提高衝擊波的峰值壓力。

優選地，所述的雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，其可升降工作檯在中心，周邊為回形水槽，防止水飛濺或淹沒成形件及粉末。

優選地，所述的雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，其回形水槽中的水通過水循環模塊，可循環利用。

本發明的有益效果：本發明提供了一種雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，通過雷射衝擊強化模塊和選擇性雷射熔化模塊交替工作，實現了在成形件成形過程中同時對成形件進行雷射衝擊強化。

1.選擇性雷射熔化技術與雷射衝擊強化技術的結合使用，提高了加工效率，可以更加廣泛地應用於工業生產。

2.有效解決了增材製造中內應力造成成形件易於變形開裂的「控形」和冶金缺陷導致疲勞性能較差的「控性」難題，提高成形件的疲勞強度和力學性能。

附圖說明

圖1為本發明一種實施例的主視圖。

圖2為圖1的俯視圖(除雷射衝擊強化模塊和選擇性雷射熔化成形模塊)。

圖3為本發明一種實施例選擇性雷射熔化成形時的左視圖。

圖4為本發明一種實施例雷射衝擊強化時的主視圖。

圖5為本發明一種實施例雷射衝擊強化時的左視圖。

圖中：1-雷射衝擊強化模塊；2-噴水模塊；3-選擇性雷射熔化成形模塊；4-防水層；5-滾筒；6-滾筒支架；7-螺紋絲槓；8-回形水槽；9-氣動模塊；10-底座；11-液壓升降模塊；12-可升降工作檯；13-成形件；14-粉末；15-導軌，16-鋪粉模塊。

具體實施方式

本發明針對現有技術中的不足，提供了一種雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置，主要是通過雷射衝擊強化模塊和選擇性雷射熔化成形模塊交替工作、自由切換(如圖1、2所示)，實現了在成形件成形過程中同時對成形件進行雷射衝擊強化，有效解決了增材製造中內應力造成成形件易於變形開裂的「控形」和冶金缺陷導致疲勞性能較差的「控性」難題，提高成形件的疲勞強度和力學性能，實現成形件的高效高質量整體加工。

參見圖1與圖2，圖1為本發明一種實施例的主視圖，圖2為圖1的俯視圖(除雷射衝擊強化模塊和選擇性雷射熔化成形模塊)。如圖所示，一種雷射熱力逐層交互增材製造的組合裝置。

在進行選擇性雷射熔化前，鋪粉模塊16通過導軌15間歇往復運動，均勻地在可升降工作檯12上鋪粉，鋪粉完成後自動復位至初始位置(如圖2所示)，不影響後續選擇性雷射熔化成形模塊和雷射衝擊強化模塊作業。

在選擇性雷射熔化成形模塊3作業時(如圖3所示)，通過機械手控制其運動軌跡，此時，防水層4在安全區域，不會影響選擇性雷射熔化成形模塊作業。

選用選擇性雷射熔化成形的參數為：光斑直徑為80μm，雷射波長為1.08μm，雷射功率為600w，掃描速度為800mm/s，鋪粉層厚為0.2mm，進行選擇性雷射熔化成形，在一層粉料熔化之後，選擇性雷射熔化成形模塊3結束作業，雷射衝擊強化模塊1將對其進行雷射衝擊強化。

在雷射衝擊強化模塊作業前(如圖4和5所示)，選擇性雷射熔凝成形模塊3通過機械手離開可升降工作檯12上方；同樣地，在雷射衝擊強化模塊作業時(如圖4和5所示)，通過機械手控制其運動軌跡。

選用雷射衝擊強化的參數為：光斑直徑為3mm，脈寬為10ns，脈衝能量8j，橫向和縱向搭接率均為50％，進行雷射衝擊強化，在雷射衝擊強化之後，雷射衝擊強化模塊結束作業，可升降工作檯(12)通過液壓升降模塊(11)下降一定高度(一般小於1mm，因為雷射衝擊強化的影響層深度約為1mm)，為後續的鋪粉作業留出空間。

鋪粉模塊16進行鋪粉後，選擇性雷射熔化成形模塊3將進行下一層粉料熔化。

如此，選擇性雷射熔化模塊3和雷射衝擊強化模塊1交替作業、自由切換，直至完成對指定成形件的加工。最後，防水層4通過電機帶動螺紋絲槓7移動至成形件13上方，通過滾筒5轉動一定角度，使上一次使用過的防水層偏離成形件13外表面，新的防水層通過氣動模塊9下降至低於成形件外表面1mm處，使新的防水層與成形件外表面貼合。噴水模塊2隨雷射衝擊強化模塊一起作業，為成形件外表面雷射衝擊強化提供了約束層，防水層及回形水槽的設計避免水飛濺或淹沒成形件13及粉末(如圖2所示)，且水槽中的水可循環使用。

雷射衝擊強化之後，雷射衝擊強化模塊1和噴水模塊2結束作業，防水層4通過氣動模塊9上升至初始高度，與成形件分離，並通過電機帶動螺紋絲槓7復位至初始位置，進行下一個成形件的加工。