一种金属零件的激光增材制造装备及方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种金属零件的激光增材制造装备及方法。

背景技术：

随着高能束装备质量的不断提升与三维数据处理技术的日益发展，金属零件3D打印技术的广阔前景和巨大市场已成为不争的事实，各种各样的高能束增材制造方法与装备也应运而生。

目前，高能束增材制造技术主要以激光束、等离子束、电子束和电弧为加工能量源。其中，激光增材制造技术因成形性能好、材料适应性广泛等诸多优点，成为金属零件增材制造工艺的常用加工方法。

根据工艺特征的不同，发展较为成熟的激光增材制造技术可分为激光熔覆沉积(Laser Cladding Deposition，LCD)、激光送丝沉积(Laser WireDeposition，LWD)和激光选区熔化技术（SelectiveLaser Melting，SLM）。其中，激光熔覆沉积与激光送丝沉积采用同步送料的工艺，在加工成形过程中利用同轴送料喷嘴将金属粉末/金属丝同步运送至由激光束辐照形成的动态熔池中，进而完成金属粉末/金属丝的熔化、凝固成形。

为保证金属粉末/金属丝能被动态熔池捕捉，激光熔覆沉积与激光送丝沉积技术一般采用高功率、大束斑激光束以获得大尺寸动态熔池，故具有较高的成形效率。然而，在激光熔覆沉积与激光送丝沉积技术中，同轴送料喷嘴与工件的相对移动主要通过加速度较小、灵活性较低的传统机床来实现，致使该技术无法成形结构复杂的金属零件，且成形精度较差。

激光选区熔化技术采用预置铺粉的方式，其预先使用刮刀在基板上方铺设一层具有一定厚度的金属粉末，再利用扫描振镜输出激光束，以实现对粉末层的选择性熔化/凝固成形。一方面，由于金属粉末处于静止状态，使用功率较低、束斑较细小的激光束即可将其捕捉；另一方面，在扫描振镜的控制下，激光束可轻松实现复杂路径的扫描。这使得激光选区熔化技术可以完成各种复杂结构金属零件的成形。然而，由于工艺特征的限制，激光选区熔化技术必须使用成形缸来容纳基板和基板上方的零件及粉末床。现有激光选区熔化装备的成形缸都是固定的，其所能成形金属零件的最大尺寸受其成形缸大小的限制。如果需成形大尺寸零件，则必须使用具有相应尺寸成型缸的激光选区熔化装备。当使用具有大尺寸成形缸的激光选区熔化装备制造大尺寸金属零件时，成形缸内承载的大量粉末会给设备中的活塞、丝杆等机械运动部件带来巨大的负荷，装备的制造难度与维护成本大幅度上升。

综上所述，现有的激光增材制造技术仍存在应用的局限性。其中，激光熔覆沉积与激光送丝沉积技术仅适用于简单结构金属零件的成形制造，激光选区熔化技术则主要用于中小尺寸精密金属零件的成形制造。

为突破现有技术瓶颈，发明人所在团队曾提出一种新型的激光增材制造方法（公开号CN 103726049A）。该方法首先利用激光熔覆沉积技术（LCD）制备一层形状与金属零件层相适应的闭合随形缸体；然后以随形缸体为铺粉基准，在其内部铺置粉末层，并采用扫描振镜制造金属零件层；不断重复随形缸体和金属零件层的制造过程，直至完成金属零件层的制造。显然，该发明突破了常规激光选区熔化装备中尺寸固定的成型缸所带来的各种限制，能够实现大尺寸、复杂结构金属零件的快速制造。

然而，无论利用现有激光选区熔化技术还是CN 103726049A提出的新型增材制造方法，所成形的金属零件表面粗糙度仍然偏高，通常须在成形后利用传统机床对零件关键位置施以机械加工方可满足工业应用的要求。若金属零件含有内流道结构等复杂内表面，则在增材成形后对这些半封闭内表面施以机械加工的难度极高。许多情况下，即使耗费大量成本对此类零件进行后续加工，也无法使其内表面精度满足设计需求，影响其使用效果。

因此，开发能够成形大尺寸、高精度复杂金属零件，且无需在成形后对零件内外表面施加后处理的新型制造方法具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有金属零件增材制造技术的不足，本发明提出了一种金属零件的激光增材制造装备及方法，旨在一次性地实现大尺寸及结构金属零件的高精度成形。

本发明提供一种激光增材制造装备，其特征在于，该装备包括工作舱、预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件、移动机构和控制系统；

所述工作舱用于为金属零件的增材制造提供惰性、无粉尘的工作环境；

所述预置铺粉快速成形组件用于完成金属粉末的预置和激光选区熔化；

所述随形缸体设置与移除组件用于逐层设置形状与金属零件切片层相适应、可容纳金属粉末床的闭合随形缸体；金属零件成形后，随形缸体设置与移除组件还用于将随形缸体移除，以方便金属零件的取出；

所述机械加工组件用于在金属零件制造过程中对已形成的零件片层进行机械加工；

所述移动机构用于协助预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件按照各自的加工轨迹运行；

所述控制系统用于处理金属零件CAD模型，生成所述预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件的加工轨迹，并驱动装备各部分协同运转。

所述随形缸体具体可采用激光熔覆沉积、激光送丝沉积、逐层铺置闭合薄片材料和上升预置于基板下方的环形缸体等方式获得。

利用上述激光增材制造装备进行激光增材制造的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第1步将金属零件CAD模型切片，根据切片轮廓信息生成预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件的工作轨迹，在对金属零件有精度要求时，还包括机械加工组件的加工轨迹；

第2步在工作舱体内安装、调平基板，并使工作舱为金属零件的增材制造提供惰性、无粉尘的工作环境；

第3步随形缸体设置与移除组件在基板表面设置一随形缸体切片层；

第4步预置铺粉快速成形组件在随形缸体所述切片层所围区域内部预置一层金属粉末；

第5步对预置的金属粉末层进行激光选区熔化，成形一金属零件切片层，获得金属零件片层；

第6步在所述金属零件片层不能满足精度需求时，机械加工组件对该金属零件片层进行机械加工，否则直接进入第7步；

第7步以随形缸体的上表面为定位基准，转入第3步，重复“随形缸体切片层设置-铺粉-金属零件切片层激光选区熔化成形”过程，包括必要时使用机械加工组件对当前已成形的金属零件片层进行机械加工，直至完成金属零件的制造；

第8步使用随形缸体设置与移除组件将随形缸体从基板表面移除，制得所需的金属零件。

本发明包括一种新型的兼具激光增材制造与减材制造特征的金属零件制造装备及方法，具体而言，本发明具有以下技术效果：

（1）本发明在金属零件的激光增材制造过程中重复“随形缸体切片层设置-铺粉-金属零件切片层激光选区熔化”这一过程，并可根据精度需求，在下一随形缸体切片层设置前，使用机械加工组件对当前已成形的金属零件片层进行机械加工，不但继承了激光选区熔化技术能够成形各种复杂结构的优点，还突破了常规激光选区熔化设备中尺寸固定成型缸对零部件尺寸的限制，同时避免了现有激光增材制造中零件内表面精度难以达标的问题，可一次性地制造各种尺寸及结构的高精度金属零件；

（2）本发明实现方式较为灵活，随形缸体的设置既可通过激光熔覆沉积或激光送丝沉积技术，又可通过逐层铺置闭合薄片材料；若待成形金属零件的切片外轮廓沿成形方向变化较小，亦可将环形缸体提前预置于基板下方，并在金属零件的激光选区熔化过程中通过基板上预留的闭合通槽逐步上升；多样化的实现方式使得本发明适用于不同背景与需求的金属零件制造者；

（3）由于随形缸体可根据金属零件的切片轮廓逐层变化以紧贴零件，需填入随形缸体的金属粉末比使用传统SLM设备固定“成型缸”时要明显较少，可以大幅度减少金属粉末用量，降低零件制造成本；

（4）当激光增材制造装备包含同轴送料喷嘴时，可根据金属零件特征，同时或交替使用扫描振镜和同轴送料喷嘴完成金属零件的制造，进一步提高加工效率；

（5）激光增材制造装备中随形缸体设置与移除组件、预置铺粉快速成形组件、机械加工组件的数量可灵活扩展，以实现大批量金属零件的同批次制造。

附图说明

图1（a）、1（b）为激光增材制造装备的第一种实施方式，其中，1（a）为装备整体示意图，1（b）为工作舱体内部细节示意图；

图2（a）、2（b）为激光增材制造装备的第二种实施方式，其中，2（a）为装备整体示意图，2（b）为工作舱体内部细节示意图；

图3（a）、3（b）为激光增材制造装备的第三种实施方式，其中，3（a）为装备整体示意图，3（b）为工作舱体内部细节示意图；

图4（a）、4（b）为激光增材制造装备的第四种实施方式，其中，4（a）为装备整体示意图，4（b）为工作舱体内部细节示意图；

图5（a）、5（b）为激光增材制造装备的第五种实施方式，其中，5（a）为装备整体示意图，5（b）为工作舱体内部细节示意图；

图6为实施例6中金属零件的CAD模型示意图。

图中，激光源1，选区熔化用激光传导光纤2，送料软管3，切割用激光束传导光纤4，辅助气流传输软管5，沉积用激光束传导光纤6，吊臂7，激光沉积与切割主机8，保护气源9，工作舱体10，第一、第二、每三伸缩式保护罩11、12、13，手套箱接头14，舱门15、除尘系统16、龙门式框架17、水平基座18、移动导轨19，基板20，粉末存储腔21，铺粉器22，刮刀23，水平框架24，可伸缩立柱25，侧向导轨26，悬臂27，激光切割头28，旋转基座29，同轴送料喷嘴30，机械加工夹具31，刀具32，扫描振镜33，防尘罩34，扩束镜35，第一至和三多关节智能机器臂36、37、38，激光切割主机39，第四多关节智能机器臂40，自动送料机构41，闭合薄片材料42，工作台43，闭合通槽44，随形缸体45，活塞46，定位圆柱47，丝杆48，扫描振镜框架49。

具体实施方式

下面通过借助实施例及附图更加详细地说明本发明，但下列实施例及附图仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。此外，下面所描述的各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种激光增材制造装备，该装备包括工作舱、预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件、移动机构和控制系统；

所述工作舱用于为金属零件的增材制造提供惰性、无粉尘的工作环境；所述预置铺粉快速成形组件用于完成金属粉末的预置和激光选区熔化；所述随形缸体设置与移除组件用于逐层设置形状与金属零件切片层相适应、可容纳金属粉末床的闭合随形缸体；金属零件成形后，随形缸体设置与移除组件还用于将随形缸体移除，以方便金属零件的取出；所述机械加工组件用于在金属零件制造过程中对已形成的零件片层进行机械加工；所述移动机构用于协助预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件按照各自的加工轨迹运行；所述控制系统用于处理金属零件CAD模型，生成预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件的加工轨迹，并驱动装备各部分协同运转。所述随形缸体具体可采用激光熔覆沉积、激光送丝沉积、逐层铺置闭合薄片材料和上升预置于基板下方的环形缸体等方式获得。

使用该装备制造金属零件的方法可概括为以下步骤：

（1）控制系统处理金属零件CAD模型，根据模型切片轮廓信息生成预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件和机械加工组件的加工轨迹；若随形缸体是通过逐层铺置闭合薄片材料这种方式设置，则还需在工作舱内预置形状与切片轮廓相适应、数量与切片层数相同的闭合薄片材料；若随形缸体是通过逐层上升预置于基板下方的环形缸体这种方式设置，则还需在工作舱内预置形状与切片轮廓相适应的环形缸体；

（2）在工作舱内安装、调平基板；

（3）工作舱为金属零件的增材制造建立惰性、无粉尘的工作环境；

（4）随形缸体设置与移除组件设置随形缸体的第一切片层；

（5）预置铺粉快速成形组件在随形缸体第一切片层所围区域内部预置一层金属粉末，并对该层粉末进行激光选区熔化，成形金属零件的第一切片层；根据精度需求，机械加工组件可对已成形的金属零件片层进行机械加工；

（6）重复“随形缸体切片层设置-铺粉-金属零件切片层激光选区熔化成形”这一过程，并可根据精度需求，在下一随形缸体切片层设置前，使用机械加工组件对当前已成形的金属零件片层进行机械加工，直至完成金属零件的制造；

（7）使用随形缸体设置与移除组件将随形缸体从基板表面移除，制得所需的金属零件。

实例：

实施例1

如图1所示，本发明实例提供的一种激光增材制造装备，包括工作舱、预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件、移动机构和控制系统。

所述工作舱包含工作舱体10、保护气源9与除尘系统16；工作舱体10底部设有水平基座18，侧面设有舱门15和手套箱接头14；保护气源9与除尘系统16位于工作舱体10外部；其中，保护气源9负责向工作舱体10内部提供保护气体；除尘系统16内部安装有多级滤芯及循环风机，用于净化工作舱体10内部因高能束辐照和机械加工产生的粉尘。

预置铺粉快速成形组件包含激光源1、选区熔化用激光传导光纤2、基板20、粉末存储腔21、铺粉器22、刮刀23、扫描振镜33、防尘罩34和扩束镜35；其中，激光源1位于工作舱体10外部，基板20、粉末存储腔21、铺粉器22、刮刀23、扫描振镜33、防尘罩34、扩束镜35则位于工作舱体10内部；基板20安装在水平基座18上表面；铺粉器22位于基板20上方，用于接收位于工作舱体10上部的粉末存储腔21所提供的金属粉末，其下方安装有刮刀23；激光源1可通过选区熔化用激光传导光纤2将激光束传输至扩束镜35；扩束镜35负责对入射激光束进行准直，然后将其传输至安装在防尘罩34内部的扫描振镜33；扫描振镜33可根据预设的扫描路径输出激光束，后者经安装在防尘罩34下部的动态聚焦镜聚焦后，选择性地熔化金属粉末床。

随形缸体设置与移除组件包含送料软管3、切割用激光束传导光纤4、辅助气流传输软管5、沉积用激光束传导光纤6、激光沉积与切割主机8、激光切割头28、同轴送料喷嘴30；激光沉积与切割主机8位于工作舱体10之外，其内部具有高功率激光源、送料机构和辅助气源；高功率激光源可输出高功率激光束；送料机构可选用现有激光熔覆沉积装备或激光送丝沉积装备中的送粉装置或送丝装置；辅助气源可输出用于激光切割的高压保护气流；同轴送料喷嘴30与激光切割头28位于工作舱体10内部，两者分别用于随形缸体的制造与切除；同轴送料喷嘴30与现有激光熔覆沉积装备或激光送丝沉积装备中的同轴送料喷嘴结构相同；激光沉积与切割主机8通过沉积用激光束传导光纤6、送料软管3为同轴送料喷嘴30提供激光熔覆沉积或激光送丝沉积所需的激光束与金属粉末或丝材；激光沉积与切割主机8通过切割用激光束传导光纤4、辅助气流传输软管5为激光切割头28提供切割所需的激光束与高压保护气流。

机械加工组件位于工作舱体10内部，包含机械加工夹具31与刀具32；其中，机械加工夹具31用于安装刀具32；刀具32可根据实际需要选用相应型号的铣刀、车刀等，并可在零件成形过程中通过手套箱接头14快速更换。

移动机构包含龙门式框架17、移动导轨19、吊臂7、第一伸缩式保护罩11、第二伸缩式保护罩12、每三伸缩式保护罩13、水平框架24、可伸缩立柱25、侧向导轨26、悬臂27和旋转基座29；其中，移动导轨19位于工作舱体10与水平基座18两侧；龙门式框架17横跨工作舱体10与水平基座18，并可在移动导轨19带动下沿工作舱体10长度方向往复移动；龙门式框架17的横梁安装有丝杆，可带动吊臂7沿工作舱体10宽度方向往复移动；吊臂7上半部位于工作舱体10上方，下半部则位于工作舱体10内部；第一伸缩式保护罩11、第二伸缩式保护罩12、每三伸缩式保护罩13用于保证工作舱体10的气密性和吊臂7的正常移动；其中，第二伸缩式保护罩12位于吊臂7与工作舱体10相连的位置及其四周，可沿工作舱体10宽度方向伸缩；第一、第三伸缩式保护罩11、13位于第二伸缩式保护罩12两侧，可沿工作舱体10长度方向伸缩；吊臂7位于工作舱体10之内的部分可伸缩，并带动与其相连的悬臂27、机械加工组件沿工作舱体10高度方向往复移动；悬臂27上安装有旋转基座29、扩束镜35、防尘罩34、同轴送料喷嘴30；激光切割头28安装在旋转基座29下方，后者可带动前者水平旋转；可伸缩立柱25安装在基板20四周，其上方与水平框架24相连，并带动后者沿工作舱体10高度方向往复移动；侧向导轨26位于水平框架24两侧，可带动与之相连的铺粉器22沿工作舱体10长度方向往复移动。

控制系统与装备其余部分通过电信号相连，用于处理待成形金属零件CAD模型，生成扫描振镜33、同轴送料喷嘴30、激光切割头28、刀具32的加工轨迹，并驱动装备各部分的运行。

利用图1所示的激光增材制造装备制造金属零件的方法可分为以下步骤：

（1）控制系统将金属零件CAD模型切片以生成扫描振镜33的扫描轨迹；

（2）根据金属零件CAD模型，控制系统生成与之相适应的随形缸体CAD模型，并将其切片以生成同轴送料喷嘴30的扫描轨迹；随形缸体切片层数应与金属零件切片层数相同；随形缸体每个切片层的轮廓都必须将与之对应的金属零件切片层包围；

（3）控制系统识别金属零件须施加机械加工的切片层，并生成刀具32的加工轨迹；金属零件须施加机械加工的切片层包含但不限于：具有内表面的切片层、对外表面粗糙度有一定要求的切片层；

（4）根据随形缸体CAD模型，控制系统生成激光切割头28的加工轨迹，以便在零件制造结束后切除随形缸体；

（5）控制系统对扫描振镜33、同轴送料喷嘴30、激光切割头28、刀具32的加工轨迹进行CAE模拟及优化，以避免工作舱体10内部各部件出现运动干涉；

（6）安装、调平基板20，并在工作舱体10内部建立保护气氛；

（7）以激光沉积与切割主机8输出的高功率激光束为能量源，使用同轴送料喷嘴30在基板20表面成形随形缸体的第一切片层；

（8）粉末存储腔21向铺粉器22提供适量金属粉末；铺粉器22带动刮刀23，并以随形缸体已成形部分的上表面为定位基准，在其所围区域内部铺设一层具有一定厚度金属粉末；

（9）以激光源1输出的激光束为能量源，使用扫描振镜33在粉末床表面成形金属零件第一切片层；

（10）若金属零件已成形的切片层无需机械加工，则以激光沉积与切割主机8输出的高功率激光束为能量源，使用同轴送料喷嘴30成形随形缸体的下一切片层；若金属零件已成形的切片层需要机械加工，则首先使用刀具32对其加工，再以激光沉积与切割主机8输出的高功率激光束为能量源，使用同轴送料喷嘴30成形随形缸体的下一切片层；

（11）以随形缸体已成形部分的上表面为定位基准，在其所围区域内部铺设一层具有一定厚度金属粉末；以激光源1输出的激光束为能量源，使用扫描振镜33在粉末床表面成形金属零件下一切片层；

（12）重复步骤（10）～（11），直至完成金属零件的成形；

（13）使用激光切割头28切除随形缸体。

实施例2

如图2所示，本发明实例提供的一种激光增材制造装备，包括工作舱、预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件、移动机构和控制系统。

所述工作舱、预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件的组成及所含部件的结构、功能与实施例1中相同；其中，激光沉积与切割主机8、激光源1、保护气源9与除尘系统16仍位于工作舱体10外部，基板20、粉末存储腔21、铺粉器22、刮刀23、激光切割头28、同轴送料喷嘴30、机械加工夹具31、刀具32、扫描振镜33、防尘罩34、扩束镜35仍位于工作舱体10内部。

移动机构包含水平框架24、可伸缩立柱25、侧向导轨26、第一多关节智能机器臂36、第二多关节智能机器臂37和第三多关节智能机器臂38；其中，水平框架24、可伸缩立柱25、侧向导轨26的安装位置、结构、功能与实施例1中相同；第一多关节智能机器臂36可带动扫描振镜33、防尘罩34与扩束镜35在工作舱体10内部任意移动；第二多关节智能机器臂37可带动机械加工组件在工作舱体10内部任意移动；第三多关节智能机器臂38可带动同轴送料喷嘴30与激光切割头28在工作舱体10内部任意移动。

控制系统与装备其余部分通过电信号相连，其作用与实施例1中相同。

利用图2所示的激光增材制造装备制造金属零件的方法与实施例1中所提方法相同。

实施例3

如图3所示，本发明实例提供的一种激光增材制造装备，包括工作舱、预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件、移动机构和控制系统。

所述工作舱、预置铺粉快速成形组件、机械加工组件的组成及所含部件的结构、功能与实施例1中相同；其中，激光源1、保护气源9与除尘系统16仍位于工作舱体10外部，基板20、粉末存储腔21、铺粉器22、刮刀23、机械加工夹具31、刀具32、扫描振镜33、防尘罩34、扩束镜35仍位于工作舱体10内部。

随形缸体设置与移除组件包含激光切割主机39、切割用激光束传导光纤4、辅助气流传输软管5、激光切割头28、自动送料机构41与闭合薄片材料42；其中，激光切割主机39位于工作舱体10之外，其内部具有高功率激光源与辅助气源；高功率激光源可输出高功率激光束；辅助气源可输出用于激光束切割的高压保护气流；自动送料机构41、闭合薄片材料42与激光切割头28位于工作舱体10内部，前两者用于随形缸体的制造，后者则用于随形缸体的切除；闭合薄片材料42的数量应与金属零件切片层数相同；每个闭合薄片材料42的轮廓都必须将与之对应的金属零件切片层包围；闭合薄片材料42可选用既能与基板20粘合、又能相互间粘合的纸片、金属箔、塑料等；自动送料机构41用以将闭合薄片材料42逐层放置于基板20表面合适位置以形成随形缸体；激光切割主机39通过切割用激光束传导光纤4、辅助气流传输软管5为激光切割头28提供切割所需的高能束与高压保护气流。

移动机构包含龙门式框架17、移动导轨19、吊臂7、第一伸缩式保护罩11、第二伸缩式保护罩12、每三伸缩式保护罩13、水平框架24、可伸缩立柱25、侧向导轨26、悬臂27、旋转基座29和第四多关节智能机器臂40；其中，龙门式框架17、移动导轨19、吊臂7、第一伸缩式保护罩11、第二伸缩式保护罩12、每三伸缩式保护罩13、水平框架24、可伸缩立柱25、侧向导轨26的安装位置、结构、功能与实施例1中相同；悬臂27与吊臂7相连，悬臂27上安装有旋转基座29、扩束镜35、防尘罩34；旋转基座29可带动激光切割头28水平旋转；第四多关节智能机器臂40可带动自动送料机构41在工作舱体10内部任意移动。

控制系统与装备其余部分通过电信号相连，用于处理待成形金属零件CAD模型，生成扫描振镜33、刀具32、激光切割头28的加工轨迹以及自动送料机构41的运动轨迹，并驱动设备各部分的运行。

利用图3所示的激光增材制造装备制造金属零件的方法可分为以下步骤：

（1）控制系统将金属零件CAD模型切片以生成扫描振镜33的扫描轨迹；

（2）根据金属零件CAD模型，控制系统生成与之相适应的随形缸体CAD模型，并将其切片；根据随形缸体切片模型，在工作舱体10内部提前存储若干闭合薄片材料42；闭合薄片材料42的数量应与金属零件切片层数相同；每个闭合薄片材料42的轮廓都必须将与之对应的金属零件切片层包围；

（3）控制系统识别金属零件须施加机械加工的切片层，并生成刀具32的加工轨迹；金属零件须施加机械加工的切片层包含但不限于：具有内表面的切片层、对外表面粗糙度有一定要求的切片层；

（4）根据随形缸体CAD模型，控制系统生成激光切割头28的加工轨迹，以便在零件制造结束后切除随形缸体；

（5）控制系统对扫描振镜33、刀具32、激光切割头28的加工轨迹以及自动送料机构41的运动轨迹进行CAE模拟及优化，以避免工作舱体10内部各部件出现运动干涉；

（6）安装、调平基板20，并在工作舱体10内部建立保护气氛；

（7）利用自动送料机构41在基板20表面预置一层闭合薄片材料42，以形成随形缸体的第一层；

（8）粉末存储腔21向铺粉器22提供适量金属粉末；铺粉器22带动刮刀23，并以随形缸体的上表面为定位基准，在其所围区域内部铺设一层具有一定厚度金属粉末；

（9）以激光源1输出的激光束为能量源，使用扫描振镜33在粉末床表面成形金属零件第一切片层；

（10）若金属零件已成形的切片层无需机械加工，则继续利用自动送料机构41预置一层闭合薄片材料42，以形成随形缸体的下一层；若金属零件已成形的切片层需要机械加工，则首先使用刀具32对其加工，再利用自动送料机构41预置一层闭合薄片材料42，以形成随形缸体的下一层；

（11）以随形缸体的上表面为定位基准，在其所围区域内部铺设一层具有一定厚度金属粉末；以激光源1输出的激光束为能量源，使用扫描振镜33在粉末床表面成形金属零件下一切片层；

（12）重复步骤（10）～（11），直至完成金属零件的成形；

（13）使用激光切割头28切除随形缸体。

实施例4

实施例1～3所提供的激光增材制造装备适用于成形各种尺寸、结构的高精度金属零件。当待加工零件切片外轮廓沿高度方向不变或变化较小时，还可采用本实施例所提供的装备及方法。

如图4所示，本实施例提供的一种激光增材制造装备，包括工作舱、预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件、移动机构和控制系统。

所述工作舱、机械加工组件的组成及所含部件的结构、功能与实施例1中相同；其中，保护气源9与除尘系统16仍位于工作舱体10外部，机械加工夹具31、刀具32仍位于工作舱体10内部。

预置铺粉快速成形组件包含激光源1、选区熔化用激光传导光纤2、基板20、粉末存储腔21、铺粉器22、刮刀23、扫描振镜33、防尘罩34和扩束镜35；其中，激光源1、选区熔化用激光传导光纤2、粉末存储腔21、铺粉器22、刮刀23、扫描振镜33、防尘罩34、扩束镜35的功能与实施例1相同；激光源1位于工作舱体10外部，基板20、粉末存储腔21、铺粉器22、刮刀23、扫描振镜33、防尘罩34、扩束镜35位于工作舱体10内部。

随形缸体设置与移除组件包含工作台43、闭合通槽44、随形缸体45和定位圆柱47；其中，工作台43通过定位圆柱47固定于水平基座18上方；基板20安装在工作台43上表面；铺粉器22位于基板20上方，其下方安装有刮刀23；粉末存储腔21位于工作舱体10上部；工作台43与基板20开设有沿基板20上表面法向方向重叠的两个竖直闭合通槽44；闭合通槽44可将金属零件最大切片轮廓包围。随形缸体45预置于工作台43下方，其形状与闭合通槽44相适应。

移动机构包含龙门式框架17、移动导轨19、吊臂7、第一伸缩式保护罩11、第二伸缩式保护罩12、每三伸缩式保护罩13、水平框架24、可伸缩立柱25、侧向导轨26、悬臂27和丝杆46；其中，移动导轨19、龙门式框架17、吊臂7、第一伸缩式保护罩11、第二伸缩式保护罩12、每三伸缩式保护罩13的安装位置、结构、功能与实施例1中相同；悬臂27与吊臂7相连，悬臂27上安装有扩束镜35、防尘罩34；可伸缩立柱25安装在工作台43上表面，其上方与水平框架24相连，并带动后者沿工作舱体10高度方向往复移动；侧向导轨26安装于水平框架24两侧，可带动与之相连的铺粉器22沿工作舱体10长度方向往复移动；丝杆46安装于水平基座18上表面，可带动与之相连的随形缸体45穿过工作台43与基板20升降。

控制系统与装备其余部分通过电信号相连，用于处理待成形金属零件CAD模型，生成扫描振镜33、刀具32的加工轨迹和随形缸体45的移动轨迹，并驱动设备各部分的运行。

在本实施例中，随形缸体45是预先制备并放置在工作台43以下的，也可称之为“环形缸体”；闭合通槽44是预设在工作台43与基板20上的，其作用是使随形缸体45能够在零件制造过程中穿过工作台43与基板20不断上升；为避免粉末泄漏，随形缸体45侧面与闭合通槽44侧面均安装有羊毛毡。

利用图4所示的激光增材制造装备制造金属零件的方法可分为以下步骤：

（1）控制系统将金属零件CAD模型切片以生成扫描振镜33的扫描轨迹；

（2）控制系统识别金属零件须施加机械加工的切片层，并生成刀具32的加工轨迹；金属零件须施加机械加工的切片层包含但不限于：具有内表面的切片层、对外表面粗糙度有一定要求的切片层；

（3）控制系统对扫描振镜33、刀具32的加工轨迹和随形缸体45的移动轨迹进行CAE模拟及优化，以避免工作舱体10内部各部件出现运动干涉；

（4）安装、调平基板20，并在工作舱体10内部建立保护气氛；

（5）上升随形缸体45使其上表面高于基板20上表面一定距离；

（6）粉末存储腔21向铺粉器22提供适量金属粉末；铺粉器22带动刮刀23，并以随形缸体45的上表面为定位基准，在其所围区域内部铺设一层具有一定厚度金属粉末；

（7）以激光源1输出的激光束为能量源，使用扫描振镜33在粉末床表面成形金属零件第一切片层；

（8）若金属零件已成形切片层无需机械加工，则继续上升随形缸体45使其上表面高于金属零件已成形切片层一定距离；若金属零件已成形切片层需要机械加工，则首先使用刀具32对其加工，再上升随形缸体45使其上表面高于金属零件已成形切片层一定距离；

（9）以随形缸体45的上表面为定位基准，在其所围区域内部铺设一层具有一定厚度金属粉末；以激光源1输出的激光束为能量源，使用扫描振镜33在粉末床表面成形金属零件下一切片层；

（10）重复步骤（8）～（9），直至完成金属零件的成形；

（11）下降随形缸体45直至其上表面低于基板20的上表面，获得所需金属零件。

实施例5

如图5（a）所示，本发明实例提供的一种激光增材制造装备，包括工作舱、预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件、移动机构和控制系统。

所述工作舱、随形缸体设置与移除组件、机械加工组件的组成及所含部件的结构、功能与实施例1中相同；其中，激光沉积与切割主机8、保护气源9与除尘系统16仍位于工作舱体10外部，激光切割头28、同轴送料喷嘴30、机械加工夹具31、刀具32仍位于工作舱体10内部。

预置铺粉快速成形组件包含基板20、铺粉器22、刮刀23、两个粉末存储腔21、K个激光源1、K根选区熔化用激光传导光纤2、K个扫描振镜33、K个防尘罩34和K个扩束镜35（K≧2）；其中，所有激光源1均位于工作舱体10外部，基板20、铺粉器22、刮刀23、所有粉末存储腔21、所有扫描振镜33、所有防尘罩34、所有扩束镜35则位于工作舱体10内部；基板20安装在水平基座18上表面；铺粉器22位于基板20上方，其下方安装有刮刀23；两个粉末存储腔21分居工作舱体10上部两侧，可向铺粉器22提供金属粉末；每个激光源1均可通过选区熔化用激光传导光纤2将激光束传输至与其对应的扩束镜35；扩束镜35负责对入射激光束进行准直，然后将其传输至对应的防尘罩34内部的扫描振镜33；扫描振镜33可根据预设的扫描路径输出激光束，后者经安装在防尘罩34下部的动态聚焦镜聚焦后，选择性地熔化金属粉末床。

移动机构包含龙门式框架17、移动导轨19、吊臂7、第一伸缩式保护罩11、第二伸缩式保护罩12、每三伸缩式保护罩13、水平框架24、可伸缩立柱25、侧向导轨26、悬臂27、旋转基座29、丝杆48和扫描振镜框架49；其中，移动导轨19、龙门式框架17、吊臂7、第一伸缩式保护罩11、第二伸缩式保护罩12、每三伸缩式保护罩13、可伸缩立柱25的安装位置、结构、功能与实施例1中相同；悬臂27与吊臂7相连，悬臂27上安装有同轴送料喷嘴30、旋转基座29；旋转基座29可带动激光切割头28水平旋转；可伸缩立柱25安装在水平基座18上表面，水平框架24与可伸缩立柱25相连，可沿工作舱体10高度方向往复移动；侧向导轨26安装于水平框架24两侧，可带动与之相连的铺粉器22沿工作舱体10长度方向往复移动；高精度丝杆48分置于水平框架24上方两侧，其与扫描振镜框架49相连，并带动扫描振镜框架49沿工作舱体10长度方向往复移动；所有扫描振镜33、防尘罩34及扩束镜35均安装在扫描振镜框架49上。

控制系统与装备其余部分通过电信号相连，其作用与实施例1中相同。

利用图5所示的激光增材制造装备制造金属零件的方法可分为以下步骤：

（1）控制系统将金属零件CAD模型切片，根据切片轮廓，为每个扫描振镜33生成扫描轨迹；所有扫描振镜33的扫描轨迹之和须恰好包含零件全部切片轮廓信息；

（2）根据金属零件CAD模型，控制系统生成与之相适应的随形缸体CAD模型，并将其切片以生成同轴送料喷嘴30的扫描轨迹；随形缸体切片层数应与金属零件切片层数相同；随形缸体每个切片层的轮廓都必须将与之对应的金属零件切片层包围；

（3）控制系统识别金属零件须施加机械加工的切片层，并生成刀具32的加工轨迹；金属零件须施加机械加工的切片层包含但不限于：具有内表面的切片层、对外表面粗糙度有一定要求的切片层；

（4）根据随形缸体CAD模型，控制系统生成激光切割头28的加工轨迹，以便在零件制造结束后切除随形缸体；

（5）控制系统对扫描振镜33、同轴送料喷嘴30、激光切割头28、刀具32的加工轨迹进行CAE模拟及优化，以避免工作舱体10内部各部件出现运动干涉；

（6）安装、调平基板20，并在工作舱体10内部建立保护气氛；

（7）以激光沉积与切割主机8输出的高功率激光束为能量源，使用同轴送料喷嘴30在基板20表面成形随形缸体的第一切片层；

（8）位于工作舱体10一侧的粉末存储腔21向铺粉器22提供适量金属粉末；铺粉器22带动刮刀23，并以随形缸体已成形部分的上表面为定位基准，在其所围区域内部铺设一层具有一定厚度金属粉末；

（9）以多个激光源1输出的激光束为能量源，使用多个扫描振镜33在粉末床表面同步扫描，成形金属零件第一切片层；

（10）若金属零件已成形的切片层无需机械加工，则以激光沉积与切割主机8输出的高功率激光束为能量源，使用同轴送料喷嘴30成形随形缸体的下一切片层；若金属零件已成形的切片层需要机械加工，则首先使用刀具32对其加工，再以激光沉积与切割主机8输出的高功率激光束为能量源，使用同轴送料喷嘴30成形随形缸体的下一切片层；

（11）位于工作舱体10另一侧的粉末存储腔21向铺粉器22提供适量金属粉末；铺粉器22带动刮刀23，并以随形缸体已成形部分的上表面为定位基准，在其所围区域内部铺设一层具有一定厚度金属粉末；以多个激光源1输出的激光束为能量源，使用多个扫描振镜33在粉末床表面同步扫描，成形金属零件的下一切片层；

（12）重复步骤（10）～（11），直至完成金属零件的成形；

（13）使用激光切割头28切除随形缸体。

由于本实施例运用了双向铺粉与多扫描振镜同步扫描的方式，零件的成形效率大幅度提高。

实施例6

在实施例1～5中，金属零件仅通过扫描振镜选区熔化成形。然而，当激光增材制造装备包含同轴送料喷嘴时，金属零件部分位置的成形亦可利用同轴送料喷嘴完成，以进一步提高零件成形效率。以图6所示金属零件为例，该零件由圆柱形主体和与其相连接的悬臂构成，其中，圆柱形主体中部包含有较为复杂的螺旋形内流道结构，悬臂中部则包含一个定位圆孔。显然，当使用实施例1所公布的激光增材制造装备对其进行制造时，可利用扫描振镜成形圆柱形主体，再利用同步送料喷嘴成形悬臂结构，具体方法如下：

（1）控制系统将金属零件CAD模型M划分为M1与M2两个子模型，其中M1包含圆柱形主体三维数据，M2包含悬臂三维数据；控制系统将子模型M1切片，生成扫描振镜33的扫描轨迹；根据子模型M1，控制系统生成与之相适应的随形缸体CAD模型N；控制系统将子模型M2与模型N切片，生成同轴送料喷嘴30的加工轨迹；其中，模型N切片层数应与子模型M1切片层数相同；模型N每个切片层的轮廓都必须将与之对应的子模型M1切片层包围；

（2）控制系统块识别子模型M1、M2须施加机械加工的切片层，并生成刀具32的加工轨迹；在本实施例中，子模型M1须施加机械加工的切片层为包含螺旋内流道结构的切片层，子模型M12须施加机械加工的切片层为包含定位圆孔的切片层；

（3）根据随形缸体CAD模型N，控制系统生成激光切割头28的加工轨迹，以便在零件子模型M1制造结束后切除随形缸体；

（4）控制系统对扫描振镜33、同轴送料喷嘴30、刀具32、激光切割头28的加工轨迹进行CAE模拟及优化，以避免工作舱体10内部各部件出现运动干涉；

（5）安装、调平基20，并在工作舱体10内部建立保护气氛；

（6）重复“模型N切片层激光熔覆沉积或激光送丝沉积-铺粉-子模型M1切片层激光选区熔化”这一过程，直至子模型M1待选区熔化的切片层开始包含螺旋内流道结构；

（7）重复“子模型M1切片层机械加工-模型N切片层激光熔覆沉积或激光送丝沉积-铺粉-子模型M1切片层激光选区熔化”这一过程，直至子模型M1待选区熔化的切片层不再包含螺旋内流道结构；

（8）重复“模型N切片层激光熔覆沉积或激光送丝沉积-铺粉-子模型M1切片层激光选区熔化”这一过程，直至完成子模型M1最后一层切片的成形；

（9）使用激光切割头28去除随形缸体，利用同轴送料喷嘴30在已成形的圆柱形主体侧面逐层成形子模型M2，直至待成形切片层开始包含定位圆孔结构；

（10）重复“子模型M2切片层激光熔覆沉积或激光送丝沉积-子模型M2切片层机械加工”这一过程，直至待成形切片层不再包含定位圆孔结构；

（11）继续子模型M2剩余切片层的激光熔覆沉积或激光送丝沉积成形，进而实现整个金属零件的快速制造。

上述各实例中预置铺粉快速成形组件、随形缸体设置与移除组件和移动机构具体实现形式可以互换，相互组合。

以上所述仅为本发明的较佳实例，基于本发明的思路还可设计多种激光增材制造装备。例如，可在实施例1～5所公布的装备中装配多个随形缸体设置与移除组件、预置铺粉快速成形组件与机械加工组件，以实现多个金属零件的同批次快速制造；扫描振镜亦可与同轴送料喷嘴、高能束切割头共用一个激光源；此外，当零件包含需要施以机械加工的连续切片层时，也可以先利用扫描振镜连续成形多个切片层，再统一对这些切片层进行机械加工。总之，本发明不应该局限于上述实例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，仍应视为本发明保护范围之内。