一種具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方法與設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高能束增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方法與設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，金屬零部件的高能束增材制造技術(shù)(又稱高能束3D打印技術(shù))發(fā)展十分迅速。其中，基于粉末床鋪設(shè)的激光選區(qū)恪化技術(shù)(Selective Laser Melting，簡(jiǎn)稱SLM技術(shù))和電子束選區(qū)恪化技術(shù)(Electron Beam Selective Melting，簡(jiǎn)稱EBSM技術(shù))的基本原理可概括如下:首先采用滾筒或刮板將合金粉末均勻地鋪放在基板表面，然后根據(jù)所加工金屬零部件的數(shù)字化結(jié)構(gòu)和切片數(shù)據(jù)，采用激光或者電子束逐點(diǎn)、逐線地選區(qū)熔化金屬粉末，熔化后的合金粉末冷卻、凝固形成具有一定厚度的沉積層，并成為所成形金屬零件的一部分；將基板下降一定高度，重新鋪設(shè)粉末床并選區(qū)熔化，如此不斷循環(huán)直至完成整個(gè)金屬零部件的制造。
[0003]由于SLM技術(shù)與EBSM技術(shù)采用粉末床鋪設(shè)的給料方式，粉末層厚度可在0.02?
0.2mm范圍內(nèi)精確控制。此外，采用較小的光斑或束斑直徑(0.1?0.2mm)即可以輕易“捕捉”到處于靜止?fàn)顟B(tài)的合金粉末并形成熔池。因此，SLM與EBSM技術(shù)所成形金屬構(gòu)件具有精度高、致密度高、性能優(yōu)良等特點(diǎn)，特別適合于包含復(fù)雜內(nèi)腔、薄壁、懸臂等結(jié)構(gòu)的金屬異形構(gòu)件的制造，在航空航天、電子等領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用。
[0004]當(dāng)前國(guó)際通用的SLM與EBSM工業(yè)級(jí)設(shè)備存在三大問題，一是使用過程需要大量冗余粉末，降低了粉末利用率，使得一次性所需儲(chǔ)備的合金粉末數(shù)量大幅度增加，粉末材料購置成本極大提高；其次是基板垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須承受冗余粉末的重量，使得設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，設(shè)備制造成本大幅度提高；另外，由于SLM與EBSM加工過程中產(chǎn)生的氧化物與熔池飛濺產(chǎn)物會(huì)污染粉末，加工完成后需對(duì)粉末進(jìn)行回收處理，而大量的冗余粉末顯然會(huì)增大回收清理工作的困難程度。
[0005]與此同時(shí)，盡管伴隨著雙向鋪粉(CN 102266942A)、多工位掃描(CN 103990799A)等思想的提出與實(shí)現(xiàn)，SLM與EBSM技術(shù)在大尺寸復(fù)雜零部件制造領(lǐng)域的潛力凸顯，基于SLM與EBSM技術(shù)的工業(yè)級(jí)設(shè)備的成型缸尺寸也由早期的50?150mmX50?150mm提升至500mmX 500mm乃至更大。然而，冗余粉末過多這一技術(shù)缺陷更是隨著成形極限尺寸與成型缸空間的不斷增大而趨于嚴(yán)重。
[0006]綜上所述，冗余粉末過多、粉末利用率低這一問題已成為阻礙SLM技術(shù)與EBSM技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要瓶頸之一。因此，發(fā)明一種具有高粉末利用率，且適用于不同尺寸、各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零部件高效成形的高能束增材制造方法及裝置具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有SLM與EBSM工藝存在冗余粉末過多、粉末利用率低這一技術(shù)難點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方法與設(shè)備，其目的在于以保證高粉末利用率為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)不同尺寸、各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的高質(zhì)、高效成形。
[0008]本發(fā)明提供的一種具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方法，該方法根據(jù)待成形金屬構(gòu)件切片輪廓形狀確定成型缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使各鋪粉層的金屬粉末盡量只處于待成形金屬構(gòu)件切片輪廓形狀對(duì)應(yīng)的區(qū)域，以大幅度減少金屬粉末的用量，并提高高能束增材制造的功效。
[0009]本發(fā)明提供的一種具有高粉末原料利用率的高能束增材制造設(shè)備，包括一個(gè)或多個(gè)成型缸，其特征地于，該成型缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與待成形金屬構(gòu)件切片輪廓形狀相匹配，使各鋪粉層的金屬粉末盡量只處于待成形金屬構(gòu)件切片輪廓形狀對(duì)應(yīng)的區(qū)域，以大幅度減少金屬粉末的用量，并提高高能束增材制造的功效。
[0010]作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，本發(fā)明通過使用鑲塊以及與待成形金屬構(gòu)件切片輪廓形狀相適應(yīng)的異形基板實(shí)現(xiàn)成型缸適時(shí)重構(gòu)，使鑲塊在高能束增材制造過程中盡可能多地占據(jù)成型缸中已成形零部件以外的位置。
[0011]所述鑲塊包括邊緣鑲塊或/和內(nèi)部鑲塊，所述邊緣鑲塊用于將基板包圍在其中，其內(nèi)側(cè)面與基板的外側(cè)面緊密貼合，以避免粉末泄漏，并保證成形期間的氣氛穩(wěn)定；所述內(nèi)部鑲塊貫穿基板與支承板，其外側(cè)面與基板的內(nèi)側(cè)面緊密貼合，以避免粉末泄漏，并保證成形期間的氣氛穩(wěn)定。
[0012]作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述成型缸具體可由基板、鑲塊、支承板及絲杠構(gòu)成，基板位于最上部，支承板位于基板下方并起固定作用；基板與支承板的上下端面彼此水平且均具有與所成形金屬零部件切片輪廓相適應(yīng)的形狀；鑲塊位于基板的外圍或貫穿其內(nèi)部，用于在高能束增材制造過程中盡可能多地占據(jù)成型缸中已成形零部件以外的位置，以避免或減少冗余粉末的填充；絲杠位于基板下方，用于驅(qū)動(dòng)基板沿所成形金屬零部件的高度方向運(yùn)動(dòng)。
[0013]本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:
[0014](I)本發(fā)明通過使用鑲塊以及與金屬構(gòu)件切片輪廓形狀相適應(yīng)的異形基板，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同金屬構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征的成型缸(又稱成形缸)重構(gòu)，大幅度提高了粉末利用率與高能束增材制造的功效；
[0015](2)本發(fā)明可大幅度減少金屬粉末的實(shí)際用量，從而降低材料成本；
[0016](3)由于“冗余“粉末大幅度減少，成型缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的載荷大為減少，有利于簡(jiǎn)化設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備制造、維護(hù)成本，并可提高成型缸內(nèi)部機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度，進(jìn)而確保金屬構(gòu)件的成形精度；
[0017](4)冗余粉末數(shù)量的減少導(dǎo)致回收、清理粉末的工作量減小，產(chǎn)生的粉塵污染也減少，增強(qiáng)了高能束增材制造的人性化與綠色環(huán)保特征；
[0018](5)若所成形金屬構(gòu)件需啟用成型缸加熱功能，則可在金屬鑲塊內(nèi)部加裝包含電阻絲等在內(nèi)的加熱模塊，并與成型缸四壁或底部的加熱模塊相配合，進(jìn)行合金粉末預(yù)熱與構(gòu)件緩冷，更好地控制成型缸的溫度梯度，從而確保構(gòu)件的組織結(jié)構(gòu)性能及冶金質(zhì)量；
[0019](6)若所成形金屬構(gòu)件需架設(shè)輔助支撐結(jié)構(gòu)，則可使用與構(gòu)件具有較好冶金結(jié)合能力的金屬作為鑲塊材料，并在鑲塊上表面直接沉積支撐結(jié)構(gòu)，進(jìn)而大幅度減小支撐體積，提尚制造效率。
【附圖說明】
[0020]圖l(a)、l(b)為本發(fā)明所涉及的高能束增材制造裝置的第一種實(shí)施方式，其中，I (a)為裝置正面示意圖，I (b)為I (a)中A-A截面剖視圖；
[0021]圖2(a)、2(b)為本發(fā)明所涉及的高能束增材制造裝置的第二種實(shí)施方式，其中，2(a)為裝置正面示意圖，2(b)為2 (a)中B-B截面局部剖視圖；
[0022]圖3(a) ,3(b) ,3(c)和圖3(d)為本發(fā)明所涉及的高能束增材制造裝置的第三種實(shí)施方式示意圖；
[0023]圖4(&)、4(13)、4((3)和圖4(d)為本發(fā)明所涉及的高能束增材制造裝置的第四種實(shí)施方式示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]現(xiàn)有的SLM與EBSM工業(yè)級(jí)設(shè)備的基板一般為規(guī)則長(zhǎng)方體或圓柱體金屬，其側(cè)壁與成型缸內(nèi)壁保持平行且緊密貼合。一臺(tái)SLM或EBSM設(shè)備的裝配完成后，成型缸與基板的尺寸均固定不變。然而，由SLM與EBSM技術(shù)逐層制造的工藝特征所決定，當(dāng)采用上述基板與成型缸的配置形式時(shí)，若所成形的金屬構(gòu)件在工作平面的垂直投影尺寸相對(duì)于成型缸幅面較小，或者其包含有空腔、薄壁等結(jié)構(gòu)，則需使用體積遠(yuǎn)大于零件實(shí)際所占空間的大量冗余金屬粉末將成型缸內(nèi)部填滿，才能完成構(gòu)件的成形。這種情況在利用SLM與EBSM技術(shù)進(jìn)行航空航天、電子領(lǐng)域產(chǎn)品研發(fā)與批量生產(chǎn)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)。
[0025]為解決這一問題，本發(fā)明提供了一種高能束增材制造方法，該方法通過使用鑲塊以及與待成形金屬構(gòu)件切片輪廓形狀相適應(yīng)的異形基板，針對(duì)不同金屬構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征重構(gòu)成型缸，以大幅度減少金屬粉末的用量，并提高高能束增材制造的功效。對(duì)于僅用于制造特定形狀待成形金屬構(gòu)件的，可以設(shè)計(jì)固定形狀的成型缸，不需要通過使用鑲塊來實(shí)時(shí)重構(gòu)成型缸的結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高效率，簡(jiǎn)化設(shè)備，這種情形也可以通過固定的鑲塊來簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)過程。
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的【具體實(shí)施方式】及附圖僅是說明性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例和附圖的限制。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0027]本發(fā)明還提供了一種高能束增材制造裝置，該裝置包括可重構(gòu)成型缸，該成型缸由基板、鑲塊、支承板及絲杠構(gòu)成，基板位于成型缸最上部，支承板位于其下方并起固定作用；基板與支承板的上下端面彼此水平且均具有與所成形金屬零部件切片輪廓相適應(yīng)的形狀；既可使基板水平端面外輪廓在支承板水平端面上的垂直投影能將支承板水平端面外輪廓包圍，又可使兩者水平端面外輪廓的形狀、尺寸相同；絲杠為高精度絲杠，且分為基板驅(qū)動(dòng)絲杠與鑲塊驅(qū)動(dòng)絲杠；其中，基板驅(qū)動(dòng)絲杠位于支承板下方，并帶動(dòng)基板與支承板一同沿所成形金屬零部件的高度方向運(yùn)動(dòng)，其水平幅面小于支撐板的水平幅面，并不與成型缸內(nèi)部其他部件相干涉。鑲塊位于基板的外圍或貫穿其內(nèi)部，用于在高能束增材制造過程中時(shí)刻占據(jù)成型缸中已成形零部件以外的大部分位置，以避免或減少冗余粉末的填充。
[0028]本發(fā)明裝置具體包括高能束掃描模塊、粉末存儲(chǔ)腔、鋪粉器、工作平面、粉末回收缸、成型缸、控制系統(tǒng)及氣體凈化系統(tǒng)，其特征在于，該裝置的成型缸由基板、鑲塊、支承板及絲杠構(gòu)成；