[发明专利]增材、等材复合金属3D激光成形装置及其方法

说明书

本发明公开了一种增材、等材复合金属3D激光成形装置及其方法，该装置包括底座和主机横梁，所述主机横梁与底座之间通过设置在两侧的立柱固定连接，它还包括设置在底座上可相对其旋转的云台基座，所述云台基座上设置有可相对其横向移动用于放置工件的工作台，所述工作台的上方设置有可相对主机横梁上下和横向移动的增材加工机构，所述云台基座的一侧设置有等材加工机构。本发明的装置基于光内同轴送粉的金属粉末材料的3D激光增材制造与等材塑性加工复合成形方法，避免了加工过程粉粒和火花外溅严重以及终成制件致密度低的不足。

技术领域

本发明涉及3D激光成形装置及其方法，具体地指一种增材、等材复合金属3D激光成形装置及其方法。

背景技术

金属3D激光加工技术是当今迅速发展的新兴科学技术。该技术融合了选择性激光烧结技术和激光熔覆技术，以“离散+堆积”的成形思想为基础，按照零件分层截面轮廓轨迹逐层扫描堆积材料，最终形成三维实体零件或仅需进行少量加工的近形件。具有柔性好(不需要专用工具、模具和夹具)、加工速度快、材料利用率高、对零件的复杂程度基本没有限制、可实现高熔点难加工材料的成形等显著优点，现已广泛应用于机器、电子、汽车工业、轻化工及仪器仪表、航空航天、兵器工业等诸多领域，应用前景广阔。

传统的3D激光加工技术包括同步送粉激光成形类和粉床铺粉激光成形类两两种形式。在国外同步送粉激光成形方面，美国UTC与美国桑地亚国家实验室合作开发了使用Nd:YAG固体激光器的同步粉末输送激光净成形技术，成功地把同步送粉激光熔覆技术和选择性激光烧结技术融合成先进的激光直接快速成形技术。美国密歇根大学(University ofMichigan)Mazumder等人开发了直接金属沉积技术，实现了实时控制熔覆层高度、化学成份和显微组织。德国-德马吉(DMG)公司开发出的同轴光外送粉激光加工设备，采用5轴设备，使用光纤激光器。成形速度比粉床方式快20倍。在国内，西北工业大学黄卫东教授于1997年开展了基于LENS原理的金属材料激光直接成形技术研究。其创办西安铂力特激光成形技术有限公司可实现产品尺寸范围1mm～5000mm的大型零件增材制造。北京航天航空大学王华明院士团队采用光外同轴送粉激光增材制造技术研制“高性能难加工大型复杂整体关键构件激光直接制造技术”，使我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家。

国外粉床铺粉激光成形方面，美国的3D System公司开发出了直接金属打印技术，可供制造的材料包括钛合金和不锈钢，广泛应用于模具制造、航天航空、汽车零件、医疗器材等方面，打印出高精度、复杂形状、复合材料的金属零部件，材料致密度达99.6％以上。德国EOS公司成功开出发了型号EOS M400的大型增材制造设备，专门针对工业生产需求制造高质量大尺寸金属部件。西安交通大学卢秉恒院士团队创办的西安瑞特快速制造工程研究有限公司(2006年9月)和苏州秉创科技有限公司(2008年)实现了金属零件快速原型和小批量产品的制造服务。华中科技大学史玉升团队和曾晓雁团队突破了SLM成形难以高效制备大尺寸金属零件等瓶颈，开发出了大型金属零件高效激光选区熔化增材制造关键技术与装备。

此外，美国Stanford University和Carnegie Mellon University合作开发了形状沉积制造技术SDM，该工艺把增材制造和减材制造相结合。德国弗朗和夫生产技术研究所融合材料添加和去除方法开发了控制金属堆积技术(Controlled Metal Buildup，简称CMB)，该技术的原理与LENS/DLF相似，但不是用金属粉末而是用基于激光沉积焊接技术的金属焊丝作为原材料这样就改善了零件的精度和表面光洁度，据报道在制造不锈钢零件时，可以达到100％的致密度，加工精度±0.02mm。

上述所见报道激光3D成形方法中，主要集中在粉床铺粉激光加工，或者虽是同步送粉激光成形方法，但属于光外送粉同轴送粉，材料利用率低，工作效率不高。同时，在激光复合成形加工方面，仅限于激光熔覆和选择性激光烧结技术融合技术复合成形方法和激光增材制造、减材制造相结合的成形方法，通过该方法获得的零件或制件致密度不高，表面精度不理想。