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一種激光增減材復合制造的方法與裝置.pdf

摘要
申請專利號:

CN201610098664.5

申請日:

2016.02.23

公開號:

CN105538728A

公開日:

2016.05.04

當前法律狀態:

駁回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的駁回IPC(主分類):B29C 67/00申請公布日:20160504|||實質審查的生效IPC(主分類):B29C 67/00申請日:20160223|||公開
IPC分類號: B29C67/00; B22F3/105; C04B35/64; B23K26/046(2014.01)I; B23K26/08(2014.01)I; B23K26/0622(2014.01)I; B33Y10/00(2015.01)I; B33Y30/00(2015.01)I 主分類號: B29C67/00
申請人: 中國科學院重慶綠色智能技術研究院
發明人: 段宣明; 范樹遷; 曹洪忠; 王國玉
地址: 400714 重慶市北碚區方正大道266號
優先權:
專利代理機構: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275 代理人: 王貴君
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201610098664.5

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.11.02|||2016.06.01|||2016.05.04

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的駁回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種激光增減材復合制造的方法與裝置,具體方法包括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激光的掃描路徑;對成形腔室進行抽真空并充入保護氣體;利用粉末攤鋪系統并在成形區域鋪覆一層粉末;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;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;重復粉末攤鋪、選區激光快速成形和激光減材制造直至獲得最終的三維實體零件;本發明還提供激光增減材復合制造的裝置,利用該裝置和方法制造增減材,提高了成形精度,并且增減材都是使用激光,具有更好兼容性,控制方面更為簡單。

權利要求書

1.一種激光增減材復合制造的方法,其特征在于,包括以下步驟:
1)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;
2)對成形腔室進行抽真空并充入保護氣體;
3)利用粉末攤鋪系統并在成形區域鋪覆一層粉末;
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;
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;
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。
2.根據權利要求1所述一種激光增減材復合制造的方法,其特征在于: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。
3.根據權利要求1所述一種激光增減材復合制造的方法,其特征在于:所述選區激光快速成
形的激光波長范圍為200nm~10.6μm的激光,用于激光減材制造的脈沖激光的脈沖寬度為
500ns~1fs。
4.根據權利要求1所述一種激光增減材復合制造的方法,其特征在于:所述粉末的尺度為
10nm~500μm。
5.根據權利要求4所述一種激光增減材復合制造的方法,其特征在于: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。
6.根據權利要求1~5任一項所述一種激光增減材復合制造的方法,其特征在于: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。
7.權利要求1~6任一項所述方法使用的裝置,其特征在于: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;所述激光光源系統與激
光聚焦掃描系統、成形腔室和粉末攤鋪系統依次連接,所述氣氛控制系統與粉末攤鋪系統連
接,所述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;
所述激光光源系統包括提供選區激光快速成形的激光器Ⅰ和提供激光減材制造脈沖激光
的激光器Ⅱ。
8.根據權利要求7所述的裝置,其特征在于:所述激光聚焦掃描系統分別由位于激光器Ⅰ光
路上的擴束鏡Ⅰ、動態聚焦鏡Ⅰ、反射鏡,位于激光器Ⅱ光路上的擴束鏡Ⅱ、動態聚焦鏡Ⅱ,
兩條光路共享的二向色鏡以及掃描振鏡組成;所述成形腔室置有粉末收集器;所述粉末攤鋪
系統由送粉器、刮刀、成形基板和升降組件組成;氣氛控制系統由真空泵和保護氣體循環組
件組成。
9.根據權利要求8所述的裝置,其特征在于:激光聚焦掃描系統分別由位于激光器Ⅰ光路上
的擴束鏡Ⅰ和反射鏡,位于激光器Ⅱ光路上的擴束鏡Ⅱ,兩條光路共享的二向色鏡,與二向
色鏡連接的掃描振鏡和聚焦場鏡組成。
10.根據權利要求7~9任一項所述的裝置,其特征在于:所述激光器Ⅰ提供的激光波長范圍
為200nm~10.6μm的激光;所述激光器Ⅱ提供的脈沖激光的脈沖寬度為500ns~1fs。

說明書

一種激光增減材復合制造的方法與裝置

技術領域

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

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熔化成形(Selectivelasermelting,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。

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
外,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。

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

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。

為實現上述發明目的,本發明提供如下技術方案:

一種激光增減材復合制造的方法,該方法包括以下步驟:

1)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;

2)對成形腔室進行抽真空并充入保護氣體;

3)利用粉末攤鋪系統并在成形區域鋪覆一層粉末;

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;

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;

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。

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。

本發明中,用于選區激光快速成形的激光波長范圍為200nm~10.6μm的激光,用于激光
減材制造的脈沖激光的脈沖寬度為500ns~1fs。

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10nm~500μm。

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。

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。

一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Ⅰ1和提供激光減材制造脈沖
激光的激光器Ⅱ2。本發明中激光器Ⅰ1提供的激光波長范圍為200nm~10.6μm的激光,激光
器Ⅱ2提供的脈沖激光的脈沖寬度為500ns~1fs。

本發明中,激光聚焦掃描系統分別由位于激光器Ⅰ1光路上的擴束鏡Ⅰ3、動態聚焦鏡Ⅰ
5、反射鏡7,位于激光器Ⅱ2光路上的擴束鏡Ⅱ4、動態聚焦鏡Ⅱ6,兩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泵15和保
護氣體循環組件16組成。

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Ⅰ1光路上的擴
束鏡Ⅰ3和反射鏡7,位于激光器Ⅱ2光路上的擴束鏡Ⅱ4,兩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。

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。

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

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:

圖1為一種激光增減材復合制造方法的流程圖。

圖2為激光增減材復合制造裝置的結構示意圖之一。

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

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。

一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:

1)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;

2)對成形腔室進行抽真空并充入保護氣體;

3)利用粉末攤鋪系統并在成形區域鋪覆一層粉末;

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;

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;

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。

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。

本發明中,用于選區激光快速成形的激光波長范圍為200nm~10.6μm的激光,用于激光
減材制造的脈沖激光的脈沖寬度為500ns~1fs。

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10nm~500μm。

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。

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。

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
Ⅰ1和提供激光減材制造脈沖激光的激光器Ⅱ2,激光聚焦掃描系統分別由位于激光器Ⅰ1光
路上的擴束鏡Ⅰ3、動態聚焦鏡Ⅰ5、反射鏡7,位于激光器Ⅱ2光路上的擴束鏡Ⅱ4、動態聚
焦鏡Ⅱ6,兩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泵15和保護氣體循環組件16組成;激光器Ⅰ1提供的激光波長范圍為
200nm~10.6μm的激光,激光器Ⅱ2提供的脈沖激光的脈沖寬度為500ns~1fs。

圖3為激光增減材復合制造的裝置結構示意圖,如圖3所示,如圖所示,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Ⅰ1和提供激光減材制造脈沖激光的激光器Ⅱ2;激光聚焦掃描系統分別由位于激
光器Ⅰ1光路上的擴束鏡Ⅰ3和反射鏡7,位于激光器Ⅱ2光路上的擴束鏡Ⅱ4、兩條光路共享
的二向色鏡8以及掃描振鏡9和聚焦場鏡18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
系統由真空泵15和保護氣體循環組件16組成;激光器Ⅰ1提供的激光波長范圍為
200nm~10.6μm的激光,激光器Ⅱ2提供的脈沖激光的脈沖寬度為500ns~1fs。

實施例1

以下結合圖1和圖2,以鈦合金的基于選區激光快速成形的激光增減材復合制造為例對
本發明進行詳細的說明,選用的鈦合金粉末為粒徑在30-50μm的近球形的粉末。

首先,設計用于成形的鈦合金結構的幾何模型,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;然后利用氣氛控制系統對成形腔室進行抽真
空并充入保護氣體氬氣,并在成形過程中控制氣氛;利用送粉器10送入鈦合金粉末,利用粉
末攤鋪系統的刮刀11在成形基板上鋪覆一層厚度為50-70μm的鈦合金粉末;利用用于選區
激光快速成形的激光器Ⅰ1發出的并經擴束器Ⅰ3、動態聚焦Ⅰ5、反射鏡7、二向色鏡8和掃
描振鏡9后聚焦在成形基板的激光束沿規劃路徑掃描鋪覆的鈦合金粉末,進行單層結構成形,
激光器Ⅰ1發出的激光束波長為1070nm,功率為100-400W,激光聚焦光斑尺寸為50μm;利
用用于減材制造的激光器Ⅱ2發出的并經擴束器Ⅱ4、動態聚焦Ⅱ6、二向色鏡8和掃描振鏡9
后聚焦在成形基板的激光束沿規劃路徑掃描已成形單層結構的輪廓內邊緣,去除輪廓內表面
粗糙部分,激光器Ⅱ2發出的激光束波長為515nm,功率為20-100W,脈沖寬度為100ns-1ps,
激光聚焦光斑尺寸為20μm;利用升降組件13將成形基板12降低一層,再次利用粉末攤鋪系
統的刮刀11在成形基板上鋪覆一層厚度為50-70μm的鈦合金粉末,并利用激光器Ⅰ1發出的
激光束實現鋪覆粉末結構的成形和激光器Ⅱ2發出的激光束實現成形單層結構內表面的粗糙
部分去除,并重復增減材復合制造過程,直至獲得最終的三維實體零件,制備過程中多余的
鈦合金粉末由粉末收集器14收集。

實施例2

以下結合圖1和圖3,以Al2O3陶瓷的多波長激光選區快速成形為例對本發明進行詳細的
說明。選用的Al2O3陶瓷粉末為粒徑在30-60μm的近球形的粉末。

首先,設計用于成形的陶瓷結構的幾何模型,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;然后,對利用氣氛控制系統對成形腔室進行抽真
空并控制成形腔內的真空度;利用送粉器10送入Al2O3陶瓷粉末,利用粉末攤鋪系統的刮刀
11在成形基板上鋪覆一層厚度為50-70μm的Al2O3陶瓷粉末;利用用于選區激光快速成形的
激光器Ⅰ1發出的并依次經擴束器Ⅰ3、反射鏡7、二向色鏡8、掃描振鏡9和聚焦場鏡18后
聚焦在成形基板的激光束沿規劃路徑掃描鋪覆的Al2O3陶瓷粉末,進行單層結構成形,激光
器Ⅰ1發出的激光束波長為1030nm,功率為100-400W,激光聚焦光斑尺寸為50μm;將成形
基板降低一層,鋪覆一層粉末,再次利用用于選區激光快速成形的激光器Ⅰ1發出的并依次
經擴束器Ⅰ3、反射鏡7、二向色鏡8、掃描振鏡9和聚焦場鏡18后聚焦在成形基板的激光束
沿規劃路徑掃描鋪覆的Al2O3陶瓷粉末,進行下一層單層結構成形;利用用于減材制造的激
光器Ⅱ2發出的并依次經擴束器Ⅱ4、二向色鏡8、掃描振鏡9和聚焦場鏡18后聚焦在成形基
板的激光束沿規劃路徑掃描已成形兩層結構的輪廓內外邊緣,去除輪廓內外表面粗糙部分,
激光器Ⅱ2發出的激光束波長為1030nm,功率為40-100W,脈沖寬度為100ns-100fs,激光聚
焦光斑尺寸為20μm;利用升降組件13將成形基板12降低一層,再次利用粉末攤鋪系統的刮
刀在成形基板上鋪覆一層厚度為50-70μm的Al2O3陶瓷粉末,并利用激光器Ⅰ1發出的激光
束實現鋪覆粉末結構的成形和激光器Ⅱ2發出的激光束實現成形單層結構內表面的粗糙部分
去除,并重復增減材復合制造過程,直至獲得最終的三維實體零件,制備過程中多余的Al2O3
陶瓷粉末由粉末收集器14收集。

最后說明的是,以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制,盡管通過上述
優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述,但本領域技術人員應當理解,可以在形式上和
細節上對其作出各種各樣的改變,而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。

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