一种激光增减材复合制造的方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种激光增减材复合制造的方法，还涉及激光增减材复合制造装置。
【背景技术】
[0002]高精度柔性制造是制造业追求的目标，为此，增材制造(或称3D打印)技术的研究和产业发展成为当今的一个热点。就功能性3D打印结构零件的成形精度而言，选区激光快速成形技术特别是选区激光恪化成形(Selective laser melting，SLM)技术的成形精度能够使3D打印技术能够达到的最高水平。然而，受制于粉末的尺度、激光聚焦光斑尺寸、以及成形过程快速冷凝导致热变形等的影响，选区激光快速成形的结构零件的尺寸精度和表面粗糙度都无法达到目前减材制造的精度水平。
[0003]为充分利用增材制造和减材制造的优点，将增材制造技术与减材制造技术相结合的增减材复合制造已经引起人们的重视。目前发展的增减材复合制造技术主要是以激光近净成形(LENS)或选区激光成形熔化(SLM)与数控加工(CNC)结合，已经开发出相关的装置并取得较成功的应用。但是，由于CNC属于机械加工技术，与LENS和SLM等技术在兼容性存在问题，使得增减材复合制造控制和加工任务规划、易用性等方面都存在较难克服的困难。此夕卜，由于CNC加工本身依靠有形刀具，其在对于狭小空间内的加工仍然受到限制。
[0004]在激光加工领域，脉冲激光减材制造是一类重要加工技术。短脉冲激光，特别是超短脉冲激光具有脉冲持续时间短、峰值功率高等特征，其与材料相互作用的过程是一个非线性的冷加工过程。利用短脉冲、超短脉冲激光去除材料进行减材制造，可以实现微米甚至纳米精度。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种激光增减材复合制造的方法;在利用选区激光快速成形进行逐层增材制造的过程中利用脉冲激光减材制造对已成形结构的轮廓边缘进行减材处理;本发明的目的之二在于提供激光增减材复合制造装置，结合该装置和方法有望破解目前高精度零件直接成形的制约难题。
[0006]为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案:
[0007]—种激光增减材复合制造的方法，该方法包括以下步骤:
[0008]I)建立实体零件的几何模型，规划选区激光快速成形的激光的扫描路径，规划激光减材制造的脉冲激光的扫描路径；
[0009]2)对成形腔室进行抽真空并充入保护气体；
[0010]3)利用粉末摊铺系统并在成形区域铺覆一层粉末；
[0011]4)利用选区激光快速成形的激光扫描铺覆的待成形材料，进行结构成形；
[0012]5)利用激光减材制造的脉冲激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓边缘，去除表面粗糙部分；
[0013]6)将成形基板降低一层粉末厚度，再重复步骤3)、4)和5)直至获得最终的三维实体零件。
[0014]本发明中，所述的选区激光快速成形包括选区激光熔化成形和选区激光烧结成形。
[0015]本发明中，用于选区激光快速成形的激光波长范围为200nm?10.6μπι的激光，用于激光减材制造的脉冲激光的脉冲宽度为500ns?Ifs。
[0016]本发明步骤3)中，所述粉末为金属粉末材料、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种或几种混合粉末材料，粉末材料的尺度为1nm?500
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[0017]本发明中，利用激光减材制造的激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓边缘，去除表面粗糙部分可以和利用选区激光快速成形进行多层结构后再利用激光减材制造激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓边缘，去除已成形多层结构的表面粗糙部分，即在步骤4)和5之间重复步骤3)和4)至少一次形成多层结构，然后进行步骤5)利用激光减材制造的脉冲激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓边缘，去除已成形多层结构的表面粗糙部分;最后再重复步骤3)、4)和5)或先重复步骤3)和4)至少一次后再重复步骤5)直至获得最终的三维实体零件。
[0018]本发明步骤5)利用激光减材制造的脉冲激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓边缘，去除表面粗糙部分包括:利用激光减材制造的脉冲激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓内外边缘，去除轮廓内外表面的粗糙部分;和利用激光减材制造的脉冲激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓内边缘及复杂部位外边缘，去除轮廓内表面及复杂部位外表面的粗糙部分。
[0019]—种激光增减材复合制造的装置，该装置包括:包括激光光源系统、激光聚焦扫描系统、成形腔室、粉末摊铺系统、气氛控制系统和软件控制系统;其中激光光源系统与激光聚焦扫描系统、成形腔室和粉末摊铺系统依次连接，气氛控制系统连接于粉末摊铺系统上，软件控制系统分别与激光光源系统、激光聚焦扫描系统、成形腔室、粉末摊铺系统和气氛控制系统连接，其中激光光源系统包括提供选区激光快速成形的激光器Il和提供激光减材制造脉冲激光的激光器Π 2。本发明中激光器11提供的激光波长范围为200nm?1.6μπι的激光，激光器Π 2提供的脉冲激光的脉冲宽度为500ns?Ifs。
[0020]本发明中，激光聚焦扫描系统分别由位于激光器Il光路上的扩束镜13、动态聚焦镜15、反射镜7，位于激光器Π 2光路上的扩束镜Π 4、动态聚焦镜Π 6，两条光路共享的二向色镜8以及扫描振镜9组成;成形腔室可实现环境隔绝，并设置有粉末收集器14;粉末摊铺系统由送粉器10、刮刀11、成形基板12和升降组件13组成;气氛控制系统由真空栗15和保护气体循环组件16组成。
[0021]或激光增减材复合制造的装置中，激光聚焦扫描系统分别由位于激光器Il光路上的扩束镜13和反射镜7，位于激光器Π 2光路上的扩束镜Π 4，两条光路共享的二向色镜8，与二向色镜连接的扫描振镜9和聚焦场镜18组成。
[0022]本发明的有益效果在于:本发明一种激光增减材复合制造的方法和装置，制备方法利用脉冲激光减材制造对已成形结构进行轮廓表面进行减材处理，提高了成形精度;与其它增减材复合制造相比，增减材都是使用激光，具有更好兼容性，控制方面更为简单。
[0023]本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
【附图说明】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图:
[0025]图1为一种激光增减材复合制造方法的流程图。
[0026]图2为激光增减材复合制造装置的结构示意图之一。
[0027]图3为激光增减材复合制造装置的结构示意图之二。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
[0029]—种激光增减材复合制造的方法，具体流程见图1，如图1所述，该方法包括以下步骤:
[0030]I)建立实体零件的几何模型，规划选区激光快速成形的激光的扫描路径，规划激光减材制造的脉冲激光的扫描路径；
[0031]2)对成形腔室进行抽真空并充入保护气体；
[0032]3)利用粉末摊铺系统并在成形区域铺覆一层粉末；
[0033]4)利用选区激光快速成形的激光扫描铺覆的待成形材料，进行结构成形；
[0034]5)利用激光减材制造的脉冲激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓边缘，去除表面粗糙部分；
[0035]6)将成形基板降低一层粉末厚度，再重复步骤3)、4)和5)直至获得最终的三维实体零件。
[0036]本发明中，所述的选区激光快速成形包括选区激光熔化成形和选区激光烧结成形。
[0037]本发明中，用于选区激光快速成形的激光波长范围为200nm?10.6μπι的激光，用于激光减材制造的脉冲激光的脉冲宽度为500ns?Ifs。
[0038]本发明步骤3)中，所述粉末为金属粉末材料、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种或几种混合粉末材料，粉末材料的尺度为1nm?500
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[0039]本发明中，利用激光减材制造的激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓边缘，去除表面粗糙部分可以和利用选区激光快速成形进行多层结构后再利用激光减材制造激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓边缘，去除已成形多层结构的表面粗糙部分，即在步骤4)和5之间重复步骤3)和4)至少一次形成多层结构，然后进行步骤5)利用激光减材制造的脉冲激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓边缘，去除已成形多层结构的表面粗糙部分;最后再重复步骤3)、4)和5)或先重复步骤3)和4)再重复步骤5)直至获得最终的三维实体零件。
[0040]本发明步骤5)利用激光减材制造的脉冲激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓边缘，去除表面粗糙部分包括:利用激光减材制造的脉冲激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓内外边缘，去除轮廓内外表面的粗糙部分;和利用激光减材制造的脉冲激光沿规划路径扫描成形结构的轮廓内边缘及复杂部位外边缘，去除轮廓内表面及复杂部位外表面的粗糙部分。
[0041 ]图2为激光增减材复合制造的装置结构示意图，如图2所示，该装置包括:包括激光光源系统、激光聚焦扫描系统、成形腔室、粉末摊铺系统、气氛控制系统和软件控制系统;其中激光光源系统与激光聚焦扫描系统、成形腔室和粉末摊铺系统依次连接，气氛控制系统连接于粉末摊铺系统上，软件控制系统17分别与激光光源系统、激光聚焦扫描系统、成形腔室、粉末摊铺系统和气氛控制系统连接，其中激光光源系统包括提供选区激光快速成形的激光器Il和提供激光减材制造脉冲激光的激光器Π 2，激光聚焦扫描系统分别由位于激光器11光路上的扩束镜13、动态聚焦镜15、反射镜7，位于激光器Π