CN118268607A - 一种电子束与激光面打印的复合装备及激光面打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子束与激光面打印的复合装备及激光面打印方法。本发明利用电子枪对预成形的粉末层进行全幅域均匀化预热,保证成形区域的粉末层温度维持在材料的韧脆转变点以上,同时满足粉末颗粒假烧结状态,最终实现预成形粉末层的快速预热和面区域高精度成形,解决了成形过程待加工粉末层预热效率低、预热均匀性差、成形过程同幅面中粉末层因热梯度大引起的热应力大及面区域成形阶段因激光功率不足导致熔化不良的问题,从而实现高反射、高硬度、高熔点材料的快速面区域成形;此外,通过电子枪对预成形的粉末层进行预热,可以相应减少面区域成形时的激光功率,因此,可以选择更低功率、能耗的激光器作为面打印激光器,实现了降本增效的目的。

Description

一种电子束与激光面打印的复合装备及激光面打印方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域,尤其涉及一种电子束与激光面打印的复合装备及激光面打印方法。
背景技术
传统的L-PBF激光选区熔化技术是逐点扫描,单次仅成形100μm(光斑直径大小)的尺寸,为了提升成形尺寸和打印速度,激光器从1个到4个,再到8个、10个、12个、20个的变化,不仅从根本上没解决成形效率低的问题,且随着激光器数量的增加,设备成形过程多路激光耦合工作时拼接/搭接工艺路径规划更加复杂、打印出错率频繁且整体装备制造成本高昂,导致L-PBF技术的市场发展缓慢。激光面打印是一种以激光作为能量源的增材制造技术,属于金属粉末床增材制造技术领域,与L-PBF技术相比,该技术可直接一次成形一个面,单次可成形区域为2×2mm,速度是传统激光选区熔化技术的数百倍。另外,通过区域打印操作,可完全控制激光强度,从而降低飞溅缺陷。
然而,激光面打印技术目前仍面临几个问题:一是适用于面打印的大功率激光器成本高、能耗大、技术壁垒高;二是成形过程待加工粉末层预热效率低、预热均匀性差、成形过程热应力大;三是因激光功率不足无法成形高反射、高硬度、高熔点的材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种电子束与激光面打印的复合装备及激光面打印方法。
为解决上述技术问题,本发明采用如下所述的技术方案:
一种电子束与激光面打印的复合装备,其包括有面打印激光器、面打印光路***、反射镜、电子枪、真空仓、成形平台,所述成形平台设置于真空仓底部,成形平台上设有成形区域,所述面打印激光器、面打印光路***设在真空仓外部,所述面打印光路***通过光束整形技术对面打印激光器发射的激光光束进行二维图形化而输出特定需求形状的激光光束,所述反射镜对特定需求形状的激光光束进行反射,以使特定需求形状的激光光束照射在成形区域上,所述电子枪设在成形平台斜上方,用于对铺设在成形区域上的金属粉末进行离散式全幅域均匀预热。
一种激光面打印方法,其包括有如下步骤:S1、对整个真空仓进行抽真空操作,当真空度至5.0×10-2Pa时,启动高压电源及充入惰性气体;S2、利用电子枪对成形区域的成形基板进行反复预热,当成形基板温度为500℃-1100℃时,停止加热;S3、将当前层所需的金属粉末均匀平整地铺设在成形基板上,随后通过电子枪对铺完金属粉末的成形基板进行离散式全幅域均匀预热,直至金属粉末颗粒达到假烧结状态;S4、面打印激光器对达到假烧结状态的粉末层进行面区域成形,直至当前层打印结束,成形基板下降一层的距离;重复执行步骤S3-S4,直至零件整体成形完成。
本发明的有益技术效果在于:本发明利用电子枪对预成形的粉末层进行全幅域均匀化预热,保证成形区域的粉末层温度维持在材料的韧脆转变点以上,且同时满足粉末颗粒假烧结状态,最终实现预成形粉末层的快速预热和面区域高精度成形,解决了成形过程待加工粉末层预热效率低、预热均匀性差、成形过程同幅面中粉末层因热梯度大引起的热应力大以及面区域成形阶段因激光功率不足导致的熔化不良的问题,从而实现高反射、高硬度、高熔点材料的快速面区域成形;此外,通过电子枪对预成形的粉末层进行预热,可以相应减少面区域成形时的激光功率,因此,可以选择更低功率、能耗的激光器作为面打印激光器,实现了降本增效的目的。
附图说明
图1为本发明的电子束与激光面打印的复合装备的结构示意图;
图2为本发明的激光面打印方法的流程示意图。
附图标记:10、面打印激光器;20、面打印光路***;30、反射镜;31、镜组安装腔;40、电子枪;41、电子枪安装腔;50、粉末回收口;51、粉末回收桶;60、成形缸;61、成形基板;70、送粉缸;80、铺粉装置;91、铅玻璃;92、石英玻璃;93、不锈钢挡板;100、真空仓;101、成形平台;102、成形区域;103、零件;104、金属粉末。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点,以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
本发明提供了一种电子束与激光面打印的复合装备。
如图1所示,在本发明一个实施例中,所述电子束与激光面打印的复合装备包括有面打印激光器10、面打印光路***20、反射镜30、电子枪40、真空仓100、成形平台101,所述成形平台101设置于真空仓100底部,成形平台101上设有成形区域102,所述面打印激光器10、面打印光路***20设在真空仓100外部,所述面打印光路***20通过光束整形技术对面打印激光器10发射的激光光束进行二维图形化而输出特定需求形状的激光光束,所述反射镜30对特定需求形状的激光光束进行反射,以使特定需求形状的激光光束照射在成形区域102上,所述电子枪40设在成形平台101斜上方,用于对铺设在成形区域102上的金属粉末进行离散式全幅域均匀预热。
在本实施例中,由于整个成形环境温度较高,将面打印激光器10、面打印光路***20设在真空仓100外部,可以避免工作过程中面打印激光器10等精密仪器过热。
所述成形平台101设有开孔而形成所述成形区域102,所述成形区域102下方设有成形缸60,成形缸60内有成形基板61,成形基板61下方通过升降杆与传动***连接。所述成形区域102的一侧设有送粉缸70,所述真空仓100内还设有用于将送粉缸70内的金属粉末均匀铺设在成形区域102上的铺粉装置80;所述成形区域102的另一侧设有粉末回收口50,该粉末回收口50下方设有粉末回收桶51。
在本实施例中,所述成形区域102中心点正上方位置设有一个镜组安装腔31,该镜组安装腔31与所述真空仓100相通,所述反射镜30安装在所述镜组安装腔31内,镜组安装腔31面向所述面打印光路***20的一侧设有一透光窗口,所述面打印光路***20输出的激光光束透过所述透光窗口照射在所述反射镜30上。
利用电子枪进行预热时,电子束流持续扫描在成形基板61、金属粉末104上会产生γ射线;此外,由于工艺要求,成形基板61的温度持续保持在1100℃以上,因此真空仓100内既是高温又有辐射。在本发明一个优选实施例中,所述反射镜30的下方依次设有辐射防护玻璃91和高温防护玻璃92,所述辐射防护玻璃和高温防护玻璃分别与所述镜组安装腔的内壁密封连接。所述辐射防护玻璃采用铅玻璃,可以防止γ射线辐射;所述高温防护玻璃采用耐温1100℃以上的石英玻璃,可以阻隔真空仓100内的高温,防止辐射防护玻璃91、反射镜30等器件被烧坏,起到一个保护作用。
所述高温防护玻璃92下方设有一个开闭式的合金挡板93,所述合金挡板93采用不锈钢制备或者耐温800°以上的其他合金材料制备。所述合金挡板93在激光扫描的时候自动打开,在电子束预热的时候自动关闭。在电子束预热时关闭合金挡板93一方面可以阻隔真空仓100内的高温;另一方面可以减少打印时产生的金属蒸汽进入所述镜组安装腔31污染高温防护玻璃92。
所述真空仓100的斜上方设有一个电子枪安装腔41,该电子枪安装腔41与所述真空仓100相通,所述电子枪40安装在所述电子枪安装腔41内。所述电子枪40采用功率为9kw-15kw的大功率电子枪。在铺粉装置80从送粉缸70一侧以一定的速度运动到成形缸60一侧时,电子枪40开始工作,在真空环境下将钨丝加热到2600℃,灯丝处激发出电子形成的束流再经加速电场形成电位差,再通过像差线圈、聚焦线圈和偏转线圈对成形区域上的金属粉末进行离散式全幅域均匀预热。利用电子枪40对预成形粉末层预热具备以下几点优势:一是磁线圈控制下的电子束跳转速度快,可达8000m/s;二是加热均匀且辐射范围广;三是材料反射率小,能量吸收率为90%以上。需强调的是,本发明中的电子枪40仅需实现离散的预热功能即可,无需高精度聚焦,因此进一步降低了电子,40的制造成本,为面打印技术成形大尺寸部件的大批量工程化应用奠定了坚实的基础。
基于图1所示实施例中的电子束与激光面打印的复合装备,本发明还提供了一种激光面打印方法。
如图2所示,在本发明一个实施例中,所述激光面打印方法包括有如下步骤:
S1、对整个真空仓进行抽真空操作,当真空度至5.0×10-2Pa时,启动高压电源及充入惰性气体。所述惰性气体可以是氦气,也可以是其他惰性气体。
S2、利用电子枪对成形区域的成形基板进行反复预热,当成形基板温度为500℃-1100℃时,停止加热。在首层粉末层开始打印前,先利用功率为9kw-15kw的大功率电子枪对成形基板61进行预热,以便能够将预成形的粉末层进行快速地预热。
S3、将当前层所需的金属粉末均匀平整地铺设在成形基板上,随后通过电子枪对铺完金属粉末的成形基板进行离散式全幅域均匀预热,直至金属粉末颗粒达到假烧结状态。
在本步骤中,铺粉装置(刮刀)80从送粉缸70处取出当前层所需金属粉末104,均匀平整的将金属粉末铺展在成形区域102加热后的成形基板61上,关闭合金挡板93,随后功率为9kw-15kw的电子枪40启动开始工作,在真空环境下将钨丝加热到2600℃,灯丝处激发出电子形成的束流再经加速电场形成电位差,再通过像差线圈、聚焦线圈和偏转线圈对成形区域上的金属粉末进行离散式全幅域均匀预热。
S4、面打印激光器对达到假烧结状态的粉末层进行面区域成形,直至当前层打印结束,成形基板下降一层的距离。
在本步骤中,先打开合金挡板93,随后面打印激光器10发射大光斑熔化激光光束(光斑直径一般为50-300微米),面打印光路***20通过光束整形技术对面打印激光器10发射的大光斑熔化激光光束进行二维图形化并进行精度修正,输出特定需求形状的激光光束,再通过反射镜30进行反射,使特定需求形状的激光光束照射在成形区域102上的粉末层表面,使得粉末熔化为所需形状从而完成零件103的快速高效制造成形。
在当前层打印结束后,成形基板61下降一层的距离,重复执行步骤S3-S4,即重复“铺粉-预热-面区域成形”的过程,直至零件103整体成形完成。
本发明的有益技术效果在于:通过利用电子枪对预成形的粉末层进行全幅域均匀化预热,保证成形区域的粉末层温度维持在材料的韧脆转变点以上,且同时满足粉末颗粒假烧结状态,最终实现预成形粉末层的快速预热和面区域高精度成形,解决了成形过程待加工粉末层预热效率低、预热均匀性差、成形过程同幅面中粉末层因热梯度大引起的热应力大以及面区域成形阶段因激光功率不足导致的熔化不良的问题,从而实现高反射、高硬度、高熔点材料的快速面区域成形;此外,通过电子枪对预成形的粉末层进行预热,可以相应减少面区域成形时的激光功率,因此,可以选择更低功率、能耗的激光器作为面打印激光器,实现了降本增效的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例,而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进,凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰,均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电子束与激光面打印的复合装备,其特征在于,包括有面打印激光器、面打印光路***、反射镜、电子枪、真空仓、成形平台,所述成形平台设置于真空仓底部,成形平台上设有成形区域,所述面打印激光器、面打印光路***设在真空仓外部,所述面打印光路***通过光束整形技术对面打印激光器发射的激光光束进行二维图形化而输出特定需求形状的激光光束,所述反射镜对特定需求形状的激光光束进行反射,以使特定需求形状的激光光束照射在成形区域上,所述电子枪设在成形平台斜上方,用于对铺设在成形区域上的金属粉末进行离散式全幅域均匀预热。
2.如权利要求1所述的电子束与激光面打印的复合装备,其特征在于,所述成形区域的一侧设有送粉缸,所述真空仓内还设有用于将送粉缸内的金属粉末均匀铺设在成形区域上的铺粉装置。
3.如权利要求2所述的电子束与激光面打印的复合装备,其特征在于,所述成形区域的另一侧设有粉末回收口,该粉末回收口下方设有粉末回收桶。
4.如权利要求3所述的电子束与激光面打印的复合装备,其特征在于,所述成形平台设有开孔而形成所述成形区域,所述成形区域下方设有成形缸,成形缸内有成形基板,成形基板下方通过升降杆与传动***连接。
5.如权利要求1-4任一项所述的电子束与激光面打印的复合装备,其特征在于,所述真空仓的斜上方设有一个电子枪安装腔,该电子枪安装腔与所述真空仓相通,所述电子枪安装在所述电子枪安装腔内。
6.如权利要求1-4任一项所述的电子束与激光面打印的复合装备,其特征在于,所述成形区域中心点正上方位置设有一个镜组安装腔,该镜组安装腔与所述真空仓相通,所述反射镜安装在所述镜组安装腔内,镜组安装腔面向所述面打印光路***的一侧设有一透光窗口,所述面打印光路***输出的激光光束透过所述透光窗口照射在所述反射镜上。
7.如权利要求6所述的电子束与激光面打印的复合装备,其特征在于,所述反射镜的下方依次设有辐射防护玻璃和高温防护玻璃,所述辐射防护玻璃和高温防护玻璃分别与所述镜组安装腔的内壁密封连接,所述辐射防护玻璃采用铅玻璃,所述高温防护玻璃采用石英玻璃。
8.如权利要求7所述的电子束与激光面打印的复合装备,其特征在于,所述石英玻璃下方设有一个开闭式的合金挡板。
9.一种激光面打印方法,其特征在于,所述激光面打印方法包括有如下步骤:
S1、对整个真空仓进行抽真空操作,当真空度至5.0×10-2Pa时,启动高压电源及充入惰性气体;
S2、利用电子枪对成形区域的成形基板进行反复预热,当成形基板温度为500℃-1100℃时,停止加热;
S3、将当前层所需的金属粉末均匀平整地铺设在成形基板上,随后通过电子枪对铺完金属粉末的成形基板进行离散式全幅域均匀预热,直至金属粉末颗粒达到假烧结状态;
S4、面打印激光器对达到假烧结状态的粉末层进行面区域成形,直至当前层打印结束,成形基板下降一层的距离;
重复执行步骤S3-S4,直至零件整体成形完成。
10.如权利要求9所述的激光面打印方法,其特征在于,所述电子枪采用功率为9kw-15kw的大功率电子枪。
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