全雷射複合增材製造裝置的製作方法
2023-05-29 19:34:37 3
本申請涉及一種材料雷射加工裝置，屬於材料加工領域。
背景技術：
擇性雷射熔化技術(Select Laser Melting)可以實現複雜結構件的成形，但成形精度低、表面光潔度差、解析度低，一般需要後續加工來提高表面的光潔度。後續加工一般選擇兩種方式，一種是在增材製造中引入機加減材，這種方法可提高宏觀尺度光潔度，但刀具可靠性和耐久性差，解析度低，特別對於微通道的加工能力不足；另一種是把超快雷射減材技術引入雷射增材製造中，這種方法可以實現複雜內腔結構件微通道的精密成形、加工。這兩種方式都面臨著微通道內部有粉體殘留，通道上壁面粘粉、懸垂面加工困難的問題，影響到成形工件的最終使用效果，特別是在對加工質量要求嚴苛的航空航天關鍵零部件的製造上，該方法難以滿足高光潔度、高潔淨度、高精度的要求，另外，這兩種方法都無法實現懸垂面的加工，限制了技術的應用領域。
技術實現要素：
根據本申請的一個方面，提供了一種全雷射複合增材製造裝置，把雷射選區熔化、雷射精密去除、雷射精密封裝融合在一起，解決材料內部微通道、尤其是懸垂面的成型問題，解決微通道粉體殘留的問題，滿足航空航天關鍵零部件加工高精度、高光潔度、高潔淨度的要求。該全雷射複合增材製造裝置包括雷射部、控制部和成型部，所述雷射部與所述成型部光路連接，所述控制部分別與所述雷射部和所述成型部電連接；
所述雷射部包括第一雷射光源和第二雷射光源；
所述成型部包括焊接部，所述焊接部由所述控制部控制的方式與所述雷射部配合增材製造。
優選地，所述第一雷射光源包括連續波紅外雷射器或脈衝紅外雷射器。作為一個具體的實施方式，所述第一雷射光源為連續波紅外雷射器。
優選地，所述第二雷射光源包括固體短脈衝雷射器、半導體短脈衝雷射器、氣體短脈衝雷射器，所述短脈衝雷射器的脈寬範圍為1飛秒至100毫秒。
優選地，所述第二雷射光源包括飛秒脈衝雷射器、皮秒脈衝雷射器、納秒脈衝雷射器、微秒脈衝雷射器或毫秒脈衝雷射器。
優選地，所述雷射部包括第一光學調製系統和第二光學調製系統；
所述第一光學調製系統位於所述第一雷射光源的出射雷射光路上，所述第一光學調製系統調製所述第一雷射光源射出的雷射；
所述第二光學調製系統位於所述第二雷射光源的出射雷射光路上，所述第二光學調製系統調製所述第一雷射光源射出的雷射。
進一步優選地，所述雷射部包括第一反射鏡；
所述第一反射鏡同時位於所述第一雷射光源和所述第二雷射光源的出射雷射光路上，所述第一反射鏡透射紅外光且反射可見光；
所述第一雷射光源為紅外雷射，所述第一雷射光源的出射雷射經過所述第一光學調製系統後射向並透過所述第一反射鏡後進入所述成型部；
所述第二雷射光源為可見光雷射，所述第二雷射光源的出射雷射經過所述第二光學調製系統後由所述第一反射鏡反射向所述成型部。
所述第一雷射光源透過所述第一反射鏡後的光束與所述第二雷射光源被所述第一反射鏡反射後的光束同光路。
進一步優選地，所述雷射部包括第二反射鏡；
所述第二反射鏡位於所述第二雷射光源的出射雷射光路上，所述第二雷射光源的出射雷射經過所述第二反射鏡反射後射向所述第二光學調製系統。
優選地，所述成型部包括成型腔、掃描振鏡、鋪粉系統、運動系統；
所述焊接部包括機械臂和壓力施加部，所述機械臂在所述壓力施加部施加壓力的情況下通過所述雷射部焊接以增材製造；
所述壓力施加部包括機械施壓、氣動施壓、電磁施壓；
所述成型腔具備用於充入惰性氣體的進氣口和用於抽真空的出氣口；
所述掃描振鏡位於所述成型腔的頂部，反射所述雷射部射出的雷射並以掃描的方式射向所述成型腔的底部；
所述鋪粉系統和所述運動系統位於所述成型腔的底部。
優選地，所述控制部包括計算機、雷射測距儀、第三反射鏡和圖像傳感器；
所述計算機分別與所述雷射測距儀和所述圖像傳感器電連接；
所述第三反射鏡位於所述第一雷射光源射出光線的光路上，所述第一雷射光源射出光線透過所述第三反射鏡與所述雷射測距儀的雷射光束經所述第三反射鏡反射後的光束同光路。
作為一個具體的實施方式，所述第一雷射光源為1064nm連續波光纖雷射器，所述第二雷射光源為532nm皮秒雷射器。
本申請能產生的有益效果包括：
本申請所提供的全雷射複合增材製造裝置，將雷射選區熔化、雷射精密去除、雷射精密封裝融合在一起，解決懸垂面的成型問題、微通道粉體殘留的問題，滿足航空航天關鍵零部件加工高精度、高光潔度、高潔淨度的要求。
附圖說明
圖1為本申請一種實施方式的全雷射複合增材製造裝置示意圖。
圖2為本申請一種實施方式的全雷射複合增材製造裝置的製造過程示意圖。
圖3為本申請一種實施方式的全雷射複合增材製造裝置示意圖。
圖4為本申請一種實施方式的全雷射複合增材製造裝置的製造流程圖。
部件和附圖標記列表：
具體實施方式
下面結合實施例詳述本申請，但本申請並不局限於這些實施例。
如無特別說明，本申請的實施例中的原料和部件均通過商業途徑購買。
實施例1
下面將結合附圖，對本申請的優選實施例進行詳細的描述。
圖1為本申請一種實施方式的全雷射複合增材製造裝置的結構示意圖，如圖1所示，該裝置包括：包括雷射部2、控制部4和成型部6，所述雷射部2與所述成型部6光路連接，所述控制部4分別與所述雷射部2和所述成型部6電連接。
所述雷射部2包括雷射器20和雷射器22。雷射器20為連續波雷射，雷射器22為短脈衝雷射。
所述成型部6包括焊接部68，所述焊接部68由所述控制部4控制，與所述雷射部2配合工作。
雷射器20在成型部6的底部增材製造產品基底，然後由雷射器22在得到的產品基底上經減材形成凹槽結構，再由焊接部68將預製金屬板放置在凹槽結構上並由雷射器20焊接封裝，得到微通道結構。具體而言，工作方式如圖2所示，其中：
步驟S1、雷射選區熔化(SLM)：採用雷射器20進行複雜結構件的3D列印成形；
步驟S2、雷射微細去除加工：雷射器22為超快雷射(飛秒、皮秒)，在步驟S1中3D列印成形件上加工凹槽結構，並對所述凹槽結構表面進行雷射拋光、精整加工，提高壁面和底面的光潔度；
步驟S3、雷射精密封裝：焊接部68將金屬片放置在步驟S2中形成的所述凹槽結構上方，採用雷射器20對所述金屬片與凹槽結構相接觸的位置進行焊接以精密封裝，使得金屬片與3D列印基體材料冶金結合，形成微通道；
步驟S4、雷射選區熔化(SLM)：在步驟S3封裝完成的3D列印基體材料上，利用紅外雷射繼續進行增材製造，直至完成加工。
實施例2
在實施例1的基礎上，本實施例提供了一種具體的全雷射複合增材製造裝置，下面將結合附圖，對本實施例進行詳細的描述。
圖3為本申請一種實施方式的全雷射複合增材製造裝置的結構示意圖，如圖3所示，該裝置包括：
雷射部2(圖3中未標記)，其包括雷射器20、雷射器22、光學調製器240、光學調製器242、反射鏡260、反射鏡262。其中，雷射器20為連續波紅外雷射，選用1064nm光纖雷射器，用於複雜構件的3DSLM成型以及精密封裝；雷射器22為短脈衝雷射，選擇532nm的皮秒雷射器，用於微通道的成型以及拋光、精整等。反射鏡260為紅外光透射、可見光反射型反射鏡，雷射器20的1064nm連續波紅外雷射可透過反射鏡260，雷射器22的532nm皮秒綠光雷射會被反射鏡260反射。
控制部4(圖3中未標記)，其包括計算機40、測距儀42、反射鏡44、CCD檢測器46。測距儀42和CCD檢測部46，用於採集成型特徵形貌，然後根據CAD模型比對，閉環實現自動化在線修整、清理、封裝和增材。
成型部6(圖3中未標記)，其包括成型腔60、掃描振鏡62、鋪粉裝置64、運動系統66、焊接部68。其中，掃描振鏡62位於成型腔60頂部的光路入口，將雷射部2發射來的雷射光束反射向成型腔60的底部，並掃描以增材製造。成型腔60側面具有進氣口600和出氣口602，進氣口600用於向成型腔內充入惰性氣體，出氣口602用於將成型腔60中的氣體抽出。
掃描振鏡62為一臺雙波長掃描振鏡，雷射器20和雷射器22射出的雷射通過掃描振鏡62進入含有惰性氣體的成型腔60，兩類雷射通過計算機40系統的中央控制實現分時工作。
雷射器20射出的雷射先經過反射鏡44，反射鏡44位於雷射器20的出射光路上，雷射器20射出光線透過反射鏡44，經光學調製器240調製後射向並透過反射鏡260後，經掃描振鏡62反射並在成型腔60底部掃描。測距儀42為雷射測距儀，測距儀42發出的測距雷射光束射向反射鏡44並被反射，反射後的測距雷射光束與雷射器20射出的雷射同光路，以測量雷射器20正在進行雷射選區熔化的部位的距離。
鋪粉系統64是基於粉末床的鋪粉系統，其底部為採用雷射選區熔化技術(SLM)金屬成型的金屬粉末鋪布系統。
雷射器22射出的綠光雷射經反射鏡262反射後，經光學調製器242調製後射向反射鏡260後反射。
成型腔60內的焊接部68包括一套自動抓取、放置、施壓的微型機器手，用於封裝薄壁材料的抓取、放置，同時對薄壁材料施壓以配合雷射器20的1064nm雷射協作焊接進行精密封裝。
控制部4的計算機40分別與雷射器20、雷射器22、光學調製器240、光學調製器242電連接，以控制上述部件，同時和CCD檢測器46電連接，以實時監測材料加工的情況。
雷射器20在成型部6的底部增材製造產品基底，然後由雷射器22在得到的產品基底上經減材形成凹槽結構，再由焊接部68將預製金屬板放置在凹槽結構上並由雷射器20焊接封裝，得到微通道結構。工作方式如圖2所示，其中：
步驟S1、雷射選區熔化(SLM)：採用雷射器20進行複雜結構件的3D列印成形；
步驟S2、雷射微細去除加工：雷射器22為超快雷射(飛秒、皮秒)，在步驟S1中3D列印成形件上加工凹槽結構，並對所述凹槽結構表面進行雷射拋光、精整加工，提高壁面和底面的光潔度；
步驟S3、雷射精密封裝：焊接部68將金屬片放置在步驟S2中形成的所述凹槽結構上方，採用雷射器20對所述金屬片與凹槽結構相接觸的位置進行焊接以精密封裝，使得金屬片與3D列印基體材料冶金結合，形成微通道；
步驟S4、雷射選區熔化(SLM)：在步驟S3封裝完成的3D列印基體材料上，利用紅外雷射繼續進行增材製造，直至完成加工。
具體而言，本實施例中，一次微通道加工流程如圖4所示，鋪粉系統64在成型腔60底部鋪粉後，由計算機40控制雷射器20的1064nm紅外連續波光纖雷射雷射器工作，由掃描振鏡62反射至成型腔60底部並掃描，進行金屬粉末的SLM成型，此時計算機40控制雷射器22不啟動。
由計算機40控制雷射器22的皮秒綠光(532nm)雷射，在成形件上加工凹槽結構，在測距儀42和CCD檢測器46的輔助下對所述凹槽結構表面進行雷射拋光、精整加工，提高壁面和底面的光潔度。
成型腔60內設焊接部68，焊接部68為一套自動抓取、放置、施壓的微型機器手，用於封裝薄壁材料的抓取、放置，並施壓，與雷射器20的1064nm雷射協作進行精密封裝，具體而言，雷射器22在成形件上加工凹槽結構(微通道)後，由焊接部68的微型機器手抓取一塊0.5mm厚的與SLM成型材料相同的薄壁材料，在視覺定位系統(CCD檢測器46)的輔助下，精密放置在凹槽結構(微通道)上方，並施加壓力，由計算機40控制雷射器20對所述薄壁材料進行焊接封裝。系統設置CCD視覺檢測與雷射測距系統，用於採集成型特徵形貌，然後根據CAD模型比對，閉環實現自動化在線修整、清理、封裝和增材。
再由鋪粉系統64在成型腔60底部鋪粉後，由計算機40控制雷射器20的1064nm紅外連續波光纖雷射雷射器工作，由掃描振鏡62反射至成型腔60底部並掃描，進行金屬粉末的SLM成型，完成一次SLM成型基礎上的微通道加工過程。以上過程即為本申請一種實施方式的全雷射複合增材製造裝置的製造過程。
以上所述，僅是本申請的幾個實施例，並非對本申請做任何形式的限制，雖然本申請以較佳實施例揭示如上，然而並非用以限制本申請，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本申請技術方案的範圍內，利用上述揭示的技術內容做出些許的變動或修飾均等同於等效實施案例，均屬於技術方案範圍內。