专利摘要

本实用新型公开了一种基于原位多激光调控的增减材复合式制造装置，包括脉冲激光光路装置、连续光纤激光光路装置、切削加工装置以及激光选区熔化装置；所述脉冲激光光路装置包括脉冲激光器、第一准直器、第一扫描振镜和第一f‑θ镜；所述连续光纤激光光路装置包括连续光纤激光器、第二准直器、第二扫描振镜和第二f‑θ镜；所述切削加工装置包括切削刀具、切削刀具库和切削刀具X/Y/Z轴运动臂；所述激光选区熔化装置包括装置本体、成型缸、粉料缸、粉末回收缸以及铺粉车。本实用新型利用多激光原位调控，多波长激光增材、减材以及刀具铣削一体化协同成形，实现低缺陷、高精度、高性能零件的高效、一体化增减材复合制造。

权利要求

1.一种基于原位多激光调控的增减材复合式制造装置，其特征在于，包括脉冲激光光路装置、连续光纤激光光路装置、切削加工装置以及激光选区熔化装置；

所述脉冲激光光路装置包括脉冲激光器、第一准直器、第一扫描振镜和第一f-θ镜，所述脉冲激光器产生的激光经过第一准直器后由第一扫描振镜控制并在第一f-θ镜的作用下聚焦于成型表面；

所述连续光纤激光光路装置包括连续光纤激光器、第二准直器、第二扫描振镜和第二f-θ镜，所述连续光纤激光器产生的激光经过可调焦的第二准直器后由第二扫描振镜控制并在第二f-θ镜的作用下在成型表面聚焦为小光斑或正/负离焦为大光斑。

2.根据权利要求1所述基于原位多激光调控的增减材复合式制造装置，其特征在于，所述切削加工装置设置在激光选区熔化装置的成型室内，包括切削刀具、切削刀具库、切削刀具X轴运动臂、切削刀具Y轴运动臂以及切削刀具Z轴运动臂。

3.根据权利要求2所述基于原位多激光调控的增减材复合式制造装置，其特征在于，所述切削刀具设置在切削刀具X轴运动臂、切削刀具Y轴运动臂以及切削刀具Z轴运动臂上。

4.根据权利要求2所述基于原位多激光调控的增减材复合式制造装置，其特征在于，所述激光选区熔化装置包括装置本体、激光选区熔化成型的成型缸、粉料缸、粉末回收缸以及铺粉车。

5.根据权利要求4所述的基于原位多激光调控的增减材复合式制造装置，其特征在于，所述铺粉车设置在装置本体内部，一端可滑动的固定在一个面上，底部与所述成型缸平行；所述粉料缸设置在装置本体底部。

6.根据权利要求4所述基于原位多激光调控的增减材复合式制造装置，其特征在于，所述切削刀具通过切削刀具X轴运动臂、切削刀具Y轴运动臂以及切削刀具Z轴运动臂可到达所述成型缸的任意位置，并可在切削刀具库中更换切削刀具。

说明书

技术领域

本实用新型属于増材制造技术领域，具体涉及一种基于原位多激光调控的增减材复合式制造装置。

背景技术

激光选区熔化技术(SLM)是一种通过高能激光使粉末快速熔化凝固并层层堆积成型的增材制造技术。在成型过程中，激光能量的高斯分布使激光在熔化粉末过程中容易使已成型零件边缘存在大量半粘附粉末，这些粘附粉末不仅影响表面质量，甚至会成为零件受载荷作用下失效的起源。随着技术的发展，由于脉冲激光器具有能量高、作用时间短等优点，因此可以应用于激光增材制造领域。利用高能脉冲激光可微切割激光选区熔化制造零件表面的半粘附粉末，提升表面质量。另外，与传统喷丸等表面强化方式类似，脉冲激光可通过激光的高能、高压冲击作用实现零件局部的精确冲击强化效果。该强化方式具有非接触、无热影响区、强化效果显著等特点，因此可用于成型过程中实时调整零件各部位的应力分布，减少应力分布不均匀造成的变形、开裂等缺陷。同时，可通过脉冲激光的重熔作用减少孔洞、裂纹等缺陷。

由于粉末的快速熔化凝固，激光选区熔化技术制造的零件内部组织晶粒比传统加工方法更精细、位错密度更高，因此零件硬度、延展性等更高，这无疑使激光增减材复合制造过程中的铣削等减材加工更困难。因此可在减材加工过程中通过大光斑连续激光辐照待减材加工的部位，使金属软化，降低加工难度，提高切削效率，延长刀具寿命。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于原位多激光调控的增减材复合式制造装置，通过增材制造模式与减材制造模式的切换，可对增材制造零件的预定平面区域进行减材切削加工，实现低缺陷、高精度、高性能零件的高效、一体化增减材复合制造。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于原位多激光调控的增减材复合式制造装置，包括脉冲激光光路装置、连续光纤激光光路装置、切削加工装置以及激光选区熔化装置；

所述脉冲激光光路装置包括脉冲激光器、第一准直器、第一扫描振镜和第一f-θ镜，所述脉冲激光器产生的激光经过第一准直器后由第一扫描振镜控制并在第一f-θ镜作用下聚焦于成型表面；

所述连续光纤激光光路装置包括连续光纤激光器、第二准直器、第二扫描振镜和第二f-θ镜，所述连续光纤激光器产生的激光经过可调焦的第二准直器后由第二扫描振镜控制并在第二f-θ镜作用下在成型表面聚焦为小光斑或正/负离焦为大光斑；

进一步的，所述切削加工装置设置在激光选区熔化装置的成型室内，包括切削刀具、切削刀具库、切削刀具X轴运动臂、切削刀具Y轴运动臂以及切削刀具Z轴运动臂。

进一步的，所述切削刀具设置在切削刀具X轴运动臂、切削刀具Y轴运动臂以及切削刀具Z轴运动臂上；

进一步的，所述激光选区熔化装置包括装置本体、激光选区熔化成型的成型缸、粉料缸、粉末回收缸以及铺粉车。

进一步的，所述铺粉车设置在装置本体内部，一端可滑动的固定在一个面上，底部与所述成型缸平行；所述粉料缸设置在装置本体底部。

进一步的，所述切削刀具通过切削刀具X轴运动臂、切削刀具Y轴运动臂以及切削刀具Z轴运动臂可到达所述成型缸的任意位置，并可在切削刀具库中更换切削刀具。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型可通过大光斑激光辐照待减材切削加工部位，使金属软化，降低加工难度，提高切削效率，延长刀具寿命。

2、本实用新型利用高能脉冲激光微切割激光选区熔化制造零件表面的半粘附粉末，提升表面质量，控制形状精度。

3、本实用新型采用的脉冲激光冲击强化作用具有非接触、无热影响区、强化效果显著等特点，因此可用于成型过程中实时调整零件应力分布，减少应力分布不均匀造成的变形、开裂等缺陷，同时通过脉冲激光的重熔可减少零件内部的微孔、裂纹等缺陷。

4、本实用新型采用的脉冲激光强化过程中可通过工艺参数的改变、扫描区域的定义等获得具有梯度强化、应力分布可调控的零件。

5、本实用新型通过增材制造模式与减材制造模式的切换，可对增材制造零件的预定平面区域进行减材切削加工，获得高效、一体化复合制造的低缺陷、高精度、高性能零件。

附图说明

图1是本实用新型实施例的流程示意图；

图2是本实用新型装置进行增材制造的示意图；

图3是本实用新型装置进行减材制造的示意图；

图4是本实用新型方法减材制造步骤时对零件进行加工的示意图；

附图标号说明：1-脉冲激光器；2-第一准直器；3-第一扫描振镜；4-第二扫描振镜；5-连续光纤激光器；6-第二准直器；7-第二f-θ镜；8-铺粉车；9-粉料缸；10-成型缸；11-成型零件；12-粉末回收缸；13-切削刀具库；14-切削刀具；15-切削刀具Z轴运动臂；16-切削刀具Y轴运动臂；17-切削刀具X轴运动臂；18-第一f-θ镜；A1-小光斑连续激光束；A2-大光斑连续激光束；B-脉冲激光束；P-减材加工区域。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图2、图3、图4所示，本实用新型提出一种基于原位多激光调控的增减材复合式制造装置，包括脉冲激光光路装置、连续光纤激光光路装置、切削加工装置以及激光选区熔化装置；本实用新型利用多激光原位调控，多波长激光增材、减材以及刀具铣削一体化协同成形，实现低缺陷、高精度、高性能零件的高效、一体化增减材复合制造。

进一步的，所述脉冲激光光路装置包括脉冲激光器1、第一准直器2、第一扫描振镜3和第一f-θ镜18，所述脉冲激光器1产生的激光经过第一准直器2后由第一扫描振镜3控制并在第一f-θ镜18作用下聚焦于成型表面。

进一步的，所述连续光纤激光光路装置包括连续光纤激光器5、第二准直器6、第二扫描振镜4和第二f-θ镜7，所述连续光纤激光器5产生的激光经过可调焦的第二准直器6后由第二扫描振镜4控制并在第二f-θ镜7作用下在成型表面聚焦为小光斑或正/负离焦为大光斑。

在本实施例中，所述切削加工装置包括切削刀具14、切削刀具库13以及切削刀具Z轴运动臂15、切削刀具Y轴运动臂16和切削刀具X轴运动臂17，所述切削刀具14设置在切削刀具Z轴运动臂15、切削刀具Y轴运动臂16和切削刀具X轴运动臂17上，并可在切削刀具库13中更换切削刀具14，完成具体的切割步骤。

所述激光选区熔化装置包括装置本体、激光选区熔化成型的成型缸10、粉料缸9、粉末回收缸12以及铺粉车8；所述铺粉车8设置在装置本体内部，一端可滑动的固定在一个面上，底部与成型缸10平行；所述粉料缸9设置在装置本体底部。

更进一步的，所述切削加工装置位于激光选区熔化成型室内，切削刀具14可通过切削刀具X轴运动臂17、切削刀具Y轴运动臂16以及切削刀具Z轴运动臂15到达成型缸的任意位置。

在本实施例中，经过脉冲激光光路装置产生的脉冲激光束B，以及连续光纤激光光路装置产生的小光斑连续激光束A1或大光斑连续激光束A2聚焦到成型缸10上，

基于本实用新型装置的制造方法如下，如图1所示，包括以下步骤：

S1、根据零件的属性要求，对零件的数据模型进行数据处理，分别得到增材处理所需的切片数据、脉冲激光扫描路径数据和减材处理所需的切削刀具路径数据、连续激光预热金属的扫描路径数据以及脉冲激光器边缘冲击路径。

所述零件的数据模型需考虑减材切削加工的实际情况，预留减材加工的切削余量、优化走刀路径；所述切削余量由精度要求、切削角度确定；

在本实施例中，所述增材处理中的脉冲激光扫描路径数据包括重熔数据、脉冲激光冲击强化数据，其中，脉冲激光冲击强化数据可根据不同部位的应力集中情况进行定义；

所述连续激光预热金属的扫描路径数据应结合减材切削加工部位确定，应与减材切削加工路径一致。

S2、增材处理，如图2所示，连续光纤激光器5发出的激光经过第二准直器6调焦使其在成形加工表面聚焦成为小光斑连续激光束A1，该小光斑连续激光束A1在第二扫描振镜4的控制下进行SLM成形零件，同时，由脉冲激光器1发出的激光经过第一准直器2聚焦于成形加工表面，并根据脉冲激光扫描路径数据由第一扫描振镜3控制，对已成形零件表面进行重熔以及脉冲冲击强化。

所述重熔具体为：

在连续激光束进行激光选区熔化成形当前层后，采用脉冲激光束B对已凝固金属进行重新熔化凝固以减少未熔粉末缺陷以及愈合微裂纹，消除零件内部微孔、裂纹等缺陷；

所述脉冲激光冲击强化具体为：

与传统喷丸等表面强化方式类似，高能、高压脉冲激光束B对每层零件的精确冲击强化，实时调整零件各部位的应力分布，减少应力分布不均匀造成的变形、开裂等缺陷；

在本实施例中，所述脉冲激光冲击强化可通过工艺参数的改变、扫描区域的定义等获得具有梯度强化、应力分布可调控的零件；

所述小光斑的尺寸主要为70-100μm，主要由粉末粒径大小、激光光路元器件工作能力所确定，在本实施例中，采用激光光路元器件所能达到的最小极限光斑尺寸。

S3、减材处理，如图3、图4所示，连续光纤激光器5发出的激光束在第二准直器6的动态调焦作用下，在成形加工表面正/负离焦为大光斑连续激光束A2，并在减材加工区域P进行处理，该大光斑连续激光束A2在第二扫描振镜4的控制下根据连续激光预热金属的扫描路径数据对预切削加工的金属基体进行辐照软化，切削加工装置对零件进行铣削加工；对于高表面质量要求的面，采用刀具微铣削，切削加工装置在切削刀具X轴运动臂17、切削刀具Y轴运动臂16以及切削刀具Z轴运动臂15的控制下运动，对零件进行铣削加工；对于表面质量要求较高的成型面，采用高能脉冲激光束B对零件的内外轮廓进行扫描和微切割，切除零件外边缘上的半粘附粉末颗粒，使零件表面质量提高，控制零件形状精度。

所述大光斑连续激光束A2主要用于减材制造过程中待切削金属的预热软化作用，对于切削加工熔点高的材料可适当采用更小的大光斑尺寸以提高光斑能量密度；大光斑尺寸根据减材切削加工材料、刀具大小、切削量确定，同时大光斑尺寸的预热区域大小应与刀具大小、切削量相匹配。

在本实施例中，微切割在激光选区熔化成形2-5层后对轮廓进行扫描去除半粘附粉末，以在保证精度要求的同时提高成形效率。

所述铣削加工过程中，成形缸内的零件应保持位置不动，铣削完成后应使铺粉车8把切屑刮到粉末回收缸12内，并把粉末铺平压实，以保证下一步增材制造的进行。

S4、继续下一部分零件的增材和减材处理，重复S2和S3步骤，直至完成整个零件的成型加工，获得高效、一体化复合制造的低缺陷、高精度、高性能零件。

在本实施例中，在完成所有工作以后，包含切屑的粉末可用粉末专用过滤筛将粉末与切屑分离，使粉末可循环利用。

基于原位能量调控的理念，本实用新型提出的多激光(可动态变焦连续激光+脉冲激光)增材与铣削减材复合制造方法中，可动态变焦连续激光光路可通过变焦使激光束光斑变小以用于SLM成形零件，使激光束光斑变大以用于铣削等减材加工前金属基体的软化，降低加工难度，提高切削效率，延长刀具寿命。另外，通过脉冲激光实现零件局部的精确冲击强化效果，并在成型过程中实时调整零件各部位的应力分布，减少应力分布不均匀造成的变形、开裂等缺陷。同时，通过脉冲激光的重熔作用减少微孔、裂纹等缺陷。减材加工装置可在大光斑连续激光软化待加工金属的辅助下，实现零件的高效减材加工。同时脉冲激光用于微切割零件表面的半粘附粉末，提升表面质量。通过上述过程，实现低缺陷、高精度、高性能零件的高效、一体化原位多激光增减材复合制造。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

一种基于原位多激光调控的增减材复合式制造装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。