[发明专利]一体化3D打印头装置、平台及熔丝送粉混合增材制造方法

说明书

本发明提供的一体化3D打印头装置、平台及熔丝送粉混合增材制造方法，包括控制系统，所述控制系统分别与激光发射单元、送粉单元和送丝单元连接，其中，激光发射单元的发射端入射在基板上形成熔池；所述送粉单元将金属粉末入射沉积在基板上上的聚焦光斑熔池中间位置处；所述送丝单元用于将金属丝材送入用于至基板上的聚焦光斑熔池中心处；同时，所述送丝单元置于送粉单元的内腔中，且与送粉单元同轴布置；送丝单元和送粉单元可以使粉末和线材同时沉积的过程中进行双模式送料，实现两种不同金属材料的动态混合熔融工艺，实现多相混合的金属复合材料在线制造；能够同时兼顾激光送粉和激光熔丝的工艺优点，提高制造效率。

技术领域

本发明属于金属增材制造和再制造修复领域，具体涉及一体化3D打印头装置、平台及熔丝送粉混合增材制造方法。

背景技术

增材制造俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法。按照技术种类划分，则有喷射成型、粘结剂喷射成型、光敏聚合物固化成型、材料挤出成型、激光粉末烧结成型、定向能量沉积成形等。

目前在金属3D打印技术方面，定向能量成积成形方式的激光送粉、熔丝增材制造技术由于其材料适应强、打印尺寸范围基本不受限制等优点，其相关技术在各个工业领域已经获得深入的推广和应用。聚焦激光送粉增材制造技术和激光熔丝增材制造技术，两者各自都有其鲜明的技术特点，其中：

激光送粉式3D打印的优点包括：高能束激光能量可聚焦成极小的光斑，金属粉末材料可以实现快速熔化，可进行微细件或者小特征局部加工，加工效率高，加工变形和热变形影响小；缺点在于：激光器价格昂贵，粉末利用率低、环境污染大。

激光熔丝3D打印技术优点：金属线材制备及成本比金属粉末更经济；金属线材利用率远高于粉末，甚至达到100%；线材定向能量沉积（DED）比粉末沉积更“整洁”；金属线材不会出现爆炸或引起人体呼吸问题；缺点在于：使用激光作为热源，丝材比粉末更难熔化，需要的能量输入更高，线材的输送以及直线度（缺乏直线度）可能会影响打印工艺稳定性。

当前，金属激光增材制造应用于航空航天、汽车、电力、航空、冶金、石油及航海等行业。国内外科研机构和企业院所关于激光熔覆送粉工艺装备和激光熔覆送丝工艺装备的研究和应用基本上处于并行关系，在激光送粉熔覆工艺和激光送丝熔覆工艺的开发和应用上各有侧重独立发展，且关于金属激光熔丝仍多采用旁轴送丝工艺和装备。一般来讲，激光旁轴送丝在工件打印过程中存在激光扫描方向性、离焦敏感性、受热不均匀性等问题，增大了成形控制系统的复杂性。目前还未出现将两者的优点结合起来开发兼顾同轴熔丝送粉3D打印制造工艺优点的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一体化3D打印头装置、平台及熔丝送粉混合增材制造方法，解决了现有的激光旁轴送丝存在的上述不足。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种激光同轴熔丝送粉混合增材制造方法，包括控制系统，所述控制系统分别与激光发射单元、送粉单元和送丝单元连接，其中，激光发射单元的发射端入射在基板上形成熔池；所述送粉单元用于将金属粉末入射沉积在基板上上的聚焦光斑熔池中间位置处；所述送丝单元用于将金属丝材送入至基板上的聚焦光斑熔池中心处；同时，所述送丝单元置于送粉单元的内腔中，且与送粉单元同轴布置。

优选地，所述激光发射单元包括激光器和至少三个激光器输出头，其中，所述激光器的发射端分别与多个激光器输出头连接；该至少三个激光器输出头的输出端入射至聚焦耦合输出头的接收端；所述聚焦耦合输出头的输出端入射至基板上。

优选地，该至少三个激光器输出头以送丝单元的输出端为中心呈环形结构布置。