[实用新型]一种高能束增材制造大尺寸金属零部件的设备

说明书

技术领域

本实用新型属于高能束加工技术领域，具体涉及一种高能束增材制造大尺寸金属零部件的设备。本实用新型是基于高能束扫描发生器与铺粉器同步运动的增材制造技术，尤其适用于大尺寸、高性能、高精度和复杂结构金属零部件的高效率成形。 

背景技术

增材制造技术，又称三维打印技术(3D-Printing)，是一种新兴的制造技术。不同于传统的等材制造(铸造、锻造、焊接)与减材制造(机加工)，增材制造技术基于离散-堆积法则，根据零部件的三维数据，以分层叠加的模式将材料连接在一起，直到完成整个零件的成形，具有高度灵活、个性化的特点，是当前制造业的发展前沿。根据原料的不同，可将增材制造分为快速原型制造(Rapid Prototyping-RP)与可直接投入使用零部件的近净成形(Rapid Manufacturing-RM)。快速原型制造技术以液态树脂、石蜡、纸张和丝材等非金属材料为原料，制造非致密的原型样件及模型，常用于设计优化、产品评估及宣传。相比之下，以金属粉末或丝材为原料的可直接投入使用零部件近净成形技术，能够直接完成各种异形件、承力构件的快速制造，具有更高的应用价值。 

近净成形的工艺方法有很多种，依照所采用的能量源(例如激光束、电子束、离子束、电弧等)和材料种类以及添加材料的方式不同，又可以细分为很多种类。当前，在金属零部件的3D打印成形工艺中，以激光束、电子束(以下将两者总称为“高能束”)成形发展最快，也最为工业界所接受。根据金属原料供给方式的不同，使用最多的增材制造技术包括：基于同步送粉的激光熔化沉积直接制造技术(Laser Melting Deposition，以下简称 LMD技术)、基于自动送丝的电子束熔丝增材制造技术(Electron Beam Wire Melting，以下简称EBWM技术)、基于粉末床铺设的激光选区熔化增材制造技术(Selective Laser Melting，以下简称SLM技术)和电子束选区熔化增材制造技术(Electron Beam Selective Melting，以下简称EBSM技术)。 

LMD和EBWM技术采用的激光束或者电子束功率很高，光斑直径(或者电子束斑直径)大，沉积效率高，特别是采用大型机床作为运动机构，因此适合成形大尺寸金属构件，但是难以实现复杂构件的精密加工。 

SLM和EBSM技术基于粉末床铺设的方式，其过程可概括如下：首先利用铺粉系统在基板表面铺设一层具有一定厚度的粉末，随后激光束或者电子束根据预设轨迹对粉末床进行选区熔化，并冷却、凝固形成沉积层；将基板下降与沉积层厚度相同的高度，重新铺设粉末床并选区熔化，直至完成整个零部件的成形。SLM和EBSM技术一般采用功率较低的激光器或电子枪作为能量源，其聚焦光斑或电子束斑直径较小，通常为0.1～0.2mm。在加工过程中，高能束在厚度仅为0.02～0.2mm的粉层上快速扫描，形成微小熔池并迅速凝固，热积累小，零部件精度及表面质量高。因此，SLM与EBSM技术特别适合复杂形状金属零部件的制造。 

然而，SLM与EBSM技术存在的最大不足在于其成形效率低。由于采用的高能束功率低、光斑或者电子束斑直径小，其成形效率明显低于LMD及EBWM技术，在制造大尺寸零部件时间过长。因此，进一步提高SLM与EBSM技术的成形效率成为发展该技术的当务之急。 

目前，已有若干涉及提高SLM/EBSM加工效率的方法及相关设备的专利公开。国内专利文献“用于激光快速成形加工设备的多束激光扫描系统及方法”(公开号为CN 103358555A)公开了一种可用于提高SLM效率的方法及设备。该设备利用激光分束器，将初始激光束分为一束第一激光及一束第二激光。设备包含第一扫描单元及第二扫描单元，第一扫描单元及第二 扫描单元在控制信号的控制下分别调整第一激光及第二激光按照预设轨迹同时扫描，从而在一定程度上提高了SLM加工效率。然而，由于采用分束的方法，第一激光与第二激光的功率低于初始激光束，为保证粉末的充分熔化，势必要减小分层厚度或降低扫描速率，从而极大限制了SLM加工效率的提升空间。