CN113976911B - 逐点增材制造设备及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种逐点增材制造设备及制造方法，逐点增材制造设备包括喷粉装置以及激光发生器；所述激光发生器产生的激光时滞于喷粉装置喷射的粉末材料；所述激光发生器产生的激光汇聚在喷粉装置喷射的粉末材料上；喷粉装置是压电式脉冲喷粉器或气动式脉冲喷粉器。本发明具有成形精度好、材料多元化、能实现精准控制的特点。

Description

逐点增材制造设备及制造方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种逐点增材制造设备及制造方法，尤其涉及一种增材质量可控的逐点增材制造设备及制造方法。

背景技术

增材制造技术是基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的方式。其是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成形***，利用高能束将材料进行逐层堆积，最终叠加成形，制造出实体产品。

现有的增材制造技术，可分为逐点、逐线和逐层增材制造三种类型；对于逐线和逐层增材制造技术，例如SLM设备和送粉、送丝增材制造设备，往往具有以下缺点：

1)制造精度不高，难以实现微纳米级别的制造精度；

2)通过结构及材料相同的逐线和逐层加工，往往只能实现单一材料的成形，且不易实现分区控制，无法实现指定区域的材料和精度控制；

针对逐点增材制造技术，在金属制造领域，往往采用粘结剂和金属粉末混合物喷射或熔融或半熔融的粉末喷射方案，这两种技术方案都有各自的缺陷：前者成形精度差，且成形的零件力学性能差，工程应用受限；后者需要提前对粉末进行熔融化处理，结构复杂，并对供粉装置耐高温要求较高。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种成形精度好、材料多元化、能实现精准控制的逐点增材制造设备及制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种逐点增材制造设备，其特征在于：所述逐点增材制造设备包括喷粉装置以及激光发生器；所述激光发生器产生的激光时滞于喷粉装置喷射的粉末材料；所述激光发生器产生的激光汇聚在喷粉装置喷射的粉末材料上。

上述喷粉装置是压电式脉冲喷粉器或气动式脉冲喷粉器。

上述逐点增材制造设备还包括喷粉控制器；所述喷粉控制器控制喷粉装置喷射粉末材料；所述喷粉装置的数量为N，所述喷粉控制器的数量为M；其中，M，N均为大于或等于1的整数，M≤N；所述喷粉控制器中的一个喷粉控制器控制所述喷粉装置中一个或多个喷粉装置喷射粉末材料。

上述喷粉装置的数量是大于1时，喷粉装置呈线性排列或环形排列。

上述激光发生器是脉冲式激光发生器。

上述逐点增材制造设备还包括激光控制器，所述激光控制器控制激光发生器产生激光；所述激光发生器的数量是A；所述激光控制器的数量是B；所述A，B均是大于或等于1的整数；所述B≤A；所述激光控制器中的一个激光控制器控制所述激光发生器中一个或多个激光发生器产生激光。

上述粉末材料的粒径是微米级和/或纳米级。

上述粉末材料是金属粉末，所述金属粉末是钛合金、铝合金、高温合金、不锈钢、高强钢或模具钢。

一种基于如前所述的逐点增材制造设备的逐点增材制造方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)通过喷粉装置向成形表面喷射粉末材料；

2)通过激光发生器向附着有粉末材料的成形表面发射激光，所述激光时滞于粉末材料并最终汇聚在成形表面上的粉末材料上；

3)依次熔融不同点的粉末材料，完成逐点制造，最终形成零件。

上述喷粉装置是以脉冲的方式向成形表面喷射粉末材料；所述激光发生器是以脉冲的方式向附着有粉末材料的成形表面发射激光；所述粉末材料的粒径是微米级和/或纳米级。

本发明的优点是：

本发明提供了一种逐点增材制造设备以及基于该设备的逐点增材制造方法，该方法是采用粒径微纳米级别的粉末，作为打印“墨水”，在压电陶瓷或其他喷粉装置作用下脉冲式喷出到成形表面，喷头顶部设置有一定功率和光斑大小的脉冲激光，激光出光时间和喷粉时间有一定相关性，如激光滞后脉冲喷粉进行脉冲出光，熔融金属粉末，重复制造，最终形成零件。本发明所提供的逐点增材制造设备以及基于该设备的逐点增材制造方法，以解决现有增材制造方法存在的成形精度差、材料单一，无法实现指定区域的材料和精度控制等问题，由于使用微纳米级粉末，能够提高制造精度；能够实现逐点的材料控制，能够实现多材料精细制造；采用脉冲式喷粉装置和脉冲激光，逐点可控性强，能够提高成形质量；简化了传统逐点增材制造设备的结构，增加了设备可靠性，并降低了设备成本，具有较好的市场推广使用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明所提供的逐点增材制造设备的第一种实施例示意图等轴测视图；

图2是图1的左视图；

图3是基于图1的喷粉和出光规律示意图；

图4是基于图1的激光控制及喷粉控制方案示意图；

图5是本发明所提供的逐点增材制造设备的第二种实施例示意图等轴测视图；

图6是图5的正视图；

图7是基于图5的喷粉和出光规律示意图；

图中：

1-安装板；2-第一喷粉控制器；3-第一喷粉装置；4-第二喷粉装置；5-第一激光；6-第三喷粉装置；7-第一激光控制器；8-第一粉末；9-第二激光；10-第三激光；11-第二激光控制器；12-第三激光控制器；13-第二粉末；14-第三粉末；15-第二喷粉控制器；16-第三喷粉控制器。

具体实施方式

以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1

如图1以及图2所示，本发明提供了一种逐点增材制造设备，该设备包括安装板1以及设置在安装板1上的喷粉部件以及激光发生部件。其中，喷粉部件包括第一喷粉控制器2、第一喷粉装置3、第二喷粉装置4以及第三喷粉装置6；激光发生部件包括第一激光控制器7以及与第一激光控制器7相连的激光发生器。

第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和第三喷粉装置6采用直线式排布，依次排开在激光发生器的一侧。第一激光控制器7、激光发生器以及三个喷粉装置(第一喷粉装置3、第二喷粉装置4以及第三喷粉装置6)固定在安装板1上。第一喷粉控制器2分别与第一喷粉装置3、第二喷粉装置4以及第三喷粉装置6相连并控制不同的喷粉装置向成形表面喷射第一粉末8，第一粉末8可以是相同材质的粉末材料或不同材质的粉末材料，示例性的，第一粉末8可以为Al-12Si合金粉末，Al-12Si合金粉末的粒径是100nm～2000nm，当然也可以是其他的粉末材料，例如钛合金、铝合金、高温合金、不锈钢、高强钢、模具钢等金属粉末，这些粉末材料的粒径不限于纳米级和1～5微米级。

在第一激光控制器7的控制下，激光发生器产生第一激光5，第一激光5时滞于喷粉装置喷射的粉末材料，第一激光5最终依次汇聚在第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和/或第三喷粉装置6所喷射的第一粉末8上；第一激光5可以是脉冲式激光。第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和第三喷粉装置6采用直线式排布的好处在于可以形成一条直线，然后再和运动方向结合，形成一个平面。此外，第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和第三喷粉装置6也可采用环形排布，其优点是环形范围内，局部区域多个喷粉装置均可将粉末喷至此处，局部成形效率更高。当然，第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和第三喷粉装置6的排布方式还可以是其他类型。

如图3所示，激光发生器产生的第一激光5和喷粉装置喷射的第一粉末8的相关性在于：第一激光5会按设定时滞，延迟于喷粉装置喷射的第一粉末8，第一粉末8可以是脉冲式喷粉。示例性的，制造开始时，先通过喷粉装置向成形表面喷射第一粉末8，喷粉时间为60us，喷粉完成后，间隔5us再通过激光发生器产生第一激光5，出光时间为50us，出光完成后，间隔5us以上再通过喷粉装置向成形表面喷射第一粉末8，如此循环。

在第一喷粉控制器2的控制下，第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和/或第三喷粉装置6喷射第一粉末8的脉冲时长、喷粉流量和截面积形状和尺寸均可调、可控。第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和第三喷粉装置6可以是压电式脉冲喷粉器或气动式脉冲喷粉器，或者其他类型的喷粉装置。在本实施例中，喷粉装置采用3个，并在一条直线上排布，当然，喷粉装置还可以是一个、两个或更多的数量。本实施例中，各喷粉装置的喷粉量范围为0g/s～5000ug/s，喷粉口截面为直径2mm的圆形截面(当然不限于圆形截面)，喷粉量由成型零件在本点的形状决定，喷粉口截面由成型零件力学性能要求决定。在第一激光控制器7控制下，第一激光5的出光时长和能量可调、可控。本实施例中，第一激光5的波长为1064nm(当然也可选择其它波长的激光发生器，例如根据实际需要，波长范围可以是300～1100nm)，功率可控范围为50W～500W(甚至更大的功率可以，例如100W～10000W)，且和喷粉量成正比，光斑直径为4000um(根据不同的激光器可产生不同的光斑直径，光斑直径范围为10um～8000um)，扫描速度可控范围为275mm/s～500mm/s，且和喷粉量成反比。

激光发生器和喷粉装置的控制方式如图4所示。其中，工控机通过网口或者控制信号线和第一激光控制器7相连；光学振镜控制卡通过网口或者控制信号线和第一激光控制器7相连，控制指令可由工控机发给光学振镜控制卡，通过光学振镜控制卡把控制指令发给第一激光控制器7；或者控制指令可由工控机直接发给第一激光控制器7，无论哪种方式，最终都由第一激光控制器7控制激光发生器，最终形成第一激光5。第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和第三喷粉装置6均可以采用压电式脉冲喷粉器，控制方式如图4所示：工控机通过网口分别和第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和第三喷粉装置6连接，控制指令可由工控机分别发给第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和第三喷粉装置6。

成形过程中，安装板1连同安装在其上的零部件一起沿着图1所示的箭头方向运动，在第一喷粉控制器2的控制下，第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和第三喷粉装置6分别进行脉冲式喷粉，三个喷粉装置喷粉规律一致，从而提高增材速度，如图3所示。当然，在一些实施例中，三个喷粉装置喷粉规律也可以不一致，根据零件的形态设置不同的喷粉规律。

在第一激光控制器7作用下，激光发生器按照图3所示规律进行脉冲式出光，形成第一激光5，依次熔化不同点的金属粉末，完成逐点制造。当一个面层完成制造后，安装板1连同安装在其上的零部件可沿着制造平面的法向进行运动，运动一段距离后停止，接着逐点制造，重复上述过程，直至制造完成。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例选择了更多的激光发生器以及喷粉控制器，实现更复杂的增材制造，具体是：

如图5以及图6所示，本发明提供了一种逐点增材制造设备，包括安装板1以及设置在安装板1上的喷粉部件以及激光发生部件。喷粉部件包括第一喷粉控制器2、第二喷粉控制器15、第三喷粉控制器16、第一喷粉装置3、第二喷粉装置4以及第三喷粉装置6。激光发生部件包括第一激光控制器7、第二激光控制器11、第三激光控制器12以及分别与第一激光控制器7、第二激光控制器11和第三激光控制器12相连的激光发生器。激光发生器是多个，在第一激光控制器7的控制下，与第一激光控制器7相连的激光发生器产生第一激光5；在第二激光控制器11的控制下，与第二激光控制器11相连的激光发生器产生第二激光9；在第三激光控制器12的控制下，与第三激光控制器12相连的激光发生器产生第三激光10。第一喷粉控制器2与第一喷粉装置3相连并控制第一喷粉装置3向成形表面喷射第一粉末8；第二喷粉控制器15与第二喷粉装置4相连并控制第二喷粉装置4向成形表面喷射第二粉末13；第三喷粉控制器16与第三喷粉装置6相连并控制第三喷粉装置6向成形表面喷射第三粉末14。

本实施例中，第一粉末8、第二粉末13和第三粉末14可以是相同材质相同粒径的，也可以是相同材质不同粒径、不同材质相同粒径以及不同材质不同粒径。示例性的，第一粉末8可以是Al-12Si合金粉末，粒径范围为100nm～2000nm；第二粉末13为铜合金粉末，粒径范围为100nm～1000nm；第三粉末14为钛合金粉末，粒径范围为100nm～800nm。

激光的参数是基于粉末的性质设定的。示例性的，与第二粉末13对应的第一激光5的波长为532nm，激光功率可控范围为10W～500W，光斑直径为40um，扫描可控范围速度为100mm/s～300mm/s。与第一粉末8对应的第二激光9的波长为1064nm，激光功率可控范围为50W～500W，光斑直径为120um，扫描可控范围速度为275mm/s～500mm/s。与第三粉末14对应的第三激光的10波长为1060～1070nm，激光功率可控范围为100W～1000W，光斑直径为80um，扫描可控范围速度为50mm/s～500mm/s。

喷粉装置的喷粉量和截面可以根据用户实际打印需求设定。例如，第一喷粉装置3喷粉量范围可以为0g/s～5000ug/s，喷粉口截面可以为直径2mm的圆形截面；第二喷粉装置4喷粉量范围可以为0g/s～1000ug/s，喷粉口截面为边长可以为6mm的正方形截面；第三喷粉装置6喷粉量范围可以为0g/s～2500ug/s，喷粉口截面为边长可以为4mm的正三角形截面。

三个激光控制器和三个喷粉装置固定在安装板1上。第一激光控制器7、第二激光控制器11和第三激光控制器12采用直线型，依次排列开，第一激光控制器7、第二激光控制器11和第三激光控制器12分别控制三种不同波长的第一激光5、第二激光9以及第三激光10，输出激光参数，包括但不限于出光脉冲宽度、出光脉冲频率和能量均可独立进行控制，控制方式与实施例一保持一致。例如，在第二激光控制器11控制下，第二激光9的出光时长和激光能量可调、可控，控制；在第一激光控制器7控制下，第一激光5的出光时长和激光能量可调、可控；在第三激光控制器12控制下，第三激光10的出光时长和激光能量可调、可控。

第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和第三喷粉装置6采用直线型，依次排开在激光左侧，第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和第三喷粉装置6能够喷射不同的第一粉末8、第二粉末13和第三粉末14，粉末喷射参数，包括但不限于脉冲式喷粉脉冲时长、喷粉流量和截面积形状和尺寸均可独立进行控制，控制方式与实施例一保持一致。例如，在第一喷粉控制器2控制下，第一喷粉装置3的脉冲式喷粉脉冲时长和喷粉流量可调、可控；在第二喷粉控制器15控制下，第二喷粉装置4的脉冲式喷粉脉冲时长和喷粉流量可调、可控；在第三喷粉控制器16控制下，第三喷粉装置6的脉冲式喷粉脉冲时长和喷粉流量可调、可控。

如图7所示，本实施例中，各个喷粉装置喷粉和各个激光器出光在时间上彼此独立控制，其中，第二激光9出光和第一粉末8的喷粉有相关性，第一激光5出光和第二粉末13的喷粉有相关性，第三激光10出光和第三粉末14的喷粉有相关性。示例性的，第二激光9会按设定时滞，延迟于喷粉装置脉冲式喷粉，制造开始时，先喷粉，喷粉时间为60us，喷粉完成后，间隔5us再出光，出光时间为50us，出光完成后，间隔5us以上再喷粉，如此循环；第一激光5会按设定时滞，延迟于喷粉装置脉冲式喷粉，制造开始时，先喷粉，喷粉时间为100us，喷粉完成后，间隔2.5us再出光，出光时间为100s，出光完成后，间隔2.5us以上再喷粉，如此循环；第三激光10会按设定时滞，延迟于喷粉装置脉冲式喷粉，制造开始时，先喷粉，喷粉时间为30us，喷粉完成后，间隔5us再出光，出光时间为30s，出光完成后，间隔5us以上再喷粉，如此循环。

成形过程中，安装板1连同安装在其上的零部件静止，成型零件根据成型需要可在三维空间任意方向进行运动，在第一喷粉控制器2、第二喷粉控制器15和第三喷粉控制器16的控制下，第一喷粉装置3、第二喷粉装置4和第三喷粉装置6分别进行脉冲式喷粉，各自彼此均可独立控制；在第一激光控制器7、第二激光控制器11和第三激光控制器12控制下，分别产生第一激光5、第二激光9以及第三激光10，喷粉和出光规律如图7所示，分别熔化不同点的金属粉末，完成逐点制造，成型零件在三维空间运动，重复逐点制造直至完成零件制造。

Claims (10)

1.一种逐点增材制造设备，其特征在于：所述逐点增材制造设备包括安装板以及设置在安装板上的喷粉装置以及激光发生器；所述激光发生器产生的激光时滞于喷粉装置喷射的粉末材料；所述激光发生器产生的激光汇聚在喷粉装置喷射的粉末材料上；喷粉装置喷粉第一预设时间段后，间隔第一间隔时间，由激光发生器出光第二预设时间，间隔第二间隔时间后，再由喷粉装置喷粉，如此循环。

2.根据权利要求1所述的逐点增材制造设备，其特征在于：所述喷粉装置是压电式脉冲喷粉器或气动式脉冲喷粉器。

3.根据权利要求2所述的逐点增材制造设备，其特征在于：所述逐点增材制造设备还包括喷粉控制器；所述喷粉控制器控制喷粉装置喷射粉末材料；所述喷粉装置的数量为N，所述喷粉控制器的数量为M；其中，M，N均为大于或等于1的整数，M≤N；所述喷粉控制器中的一个喷粉控制器控制所述喷粉装置中一个或多个喷粉装置喷射粉末材料。

4.根据权利要求3所述的逐点增材制造设备，其特征在于：所述喷粉装置的数量是大于1时，喷粉装置呈线性排列或环形排列。

5.根据权利要求1-4任一项所述的逐点增材制造设备，其特征在于：所述激光发生器是脉冲式激光发生器。

6.根据权利要求5所述的逐点增材制造设备，其特征在于：所述逐点增材制造设备还包括激光控制器，所述激光控制器控制激光发生器产生激光；所述激光发生器的数量是A；所述激光控制器的数量是B；所述A，B均是大于或等于1的整数；所述B≤A；所述激光控制器中的一个激光控制器控制所述激光发生器中一个或多个激光发生器产生激光。

7.根据权利要求6所述的逐点增材制造设备，其特征在于：所述粉末材料的粒径是微米级和/或纳米级。

8.根据权利要求7所述的逐点增材制造设备，其特征在于：所述粉末材料是金属粉末。

9.一种基于如权利要求8所述的逐点增材制造设备的逐点增材制造方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）通过喷粉装置向成形表面喷射粉末材料；

2）通过激光发生器向附着有粉末材料的成形表面发射激光，所述激光时滞于粉末材料并最终汇聚在成形表面上的粉末材料上；

3）依次熔融不同点的粉末材料，完成逐点制造，最终形成零件。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述喷粉装置是以脉冲的方式向成形表面喷射粉末材料；所述激光发生器是以脉冲的方式向附着有粉末材料的成形表面发射激光；所述粉末材料的粒径是微米级和/或纳米级。