CN109465447A - 一种三激光辅助预热缓冷的增材制造方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三激光辅助预热缓冷的增材制造方法及设备，采用相互平行的第一至第三激光同时对加工平面进行加工，其中，第二激光在加工平面形成光斑的直径小于第一激光、第三激光在加工平面上形成光斑的直径；第一激光、第二激光、第三激光在加工平面形成的光斑沿加工方向依次排列、圆心在同一条直线上，且相邻光斑的边缘相切；第一激光、第三激光形成光斑的温度小于粉末烧结熔化温度，第二激光形成光斑的温度大于粉末烧结熔化温度；第一至第三激光形成的光斑分别用于预热、烧结融化和缓冷。本发明能够减小成型过程中温度梯度，进而降低零件内部的应力，有助于提高零件的加工质量。

Description

一种三激光辅助预热缓冷的增材制造方法及设备

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种三激光辅助预热缓冷的增材制造方法及设备。

背景技术

增材制造技术是一种将材料依据所需加工产品的三维数字模型进行逐层制造的过程。其与传统技术的主要区别在于，将零件的三维模型进行数字化处理，使之分解成以层为单位的若干厚度极小的薄片的堆叠状态；之后再利用相关机构，将材料按照每层的形状进行堆叠，最终得到目标零件。粉末作为增材制造技术的原材料之一，由于与目标零件性状相同，所需后处理工艺少，得到了广泛应用。使用粉末进行增材制造时，设备在加工平面均匀铺设一层粉末，之后由激光器对粉末进行烧结，光斑作用在粉末上后会迅速使粉末融化，并与粉末下的零件结合在一起，激光光斑移开后，融化的粉末迅速冷却成为零件的一部分。这样的过程循环往复，最终得到需要的零件。

在之前的增材制造方法中，往往只使用一个激光源作为能量输入装置；制造过程中光斑直接作用在粉末上，由于粉末未经预热，在光斑内和光斑外产生了极大的温度梯度，使得通过增材制造方法成型的零件内部存在较大的残余应力和孔隙等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种三激光辅助预热缓冷的增材制造方法及设备。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种三激光辅助预热缓冷的增材制造方法，对需要进行打印的模型进行分层，由下至上对每一层均按照如下步骤进行打印：

步骤1），对加工平面进行铺粉；

步骤2），采用相互平行的第一至第三激光同时对加工平面进行加工，其中，第二激光在加工平面形成光斑的直径小于第一激光、第二激光在加工平面上形成光斑的直径；第一激光、第二激光、第三激光在加工平面形成的光斑沿加工方向依次排列、圆心在同一条直线上，且相邻光斑的边缘相切；

所述第一激光、第三激光形成光斑的温度小于粉末烧结熔化温度，第二激光形成光斑的温度大于粉末烧结熔化温度；

所述第一激光形成的光斑用于对待成型的粉末进行预热；

所述第二激光形成的光斑用于对预热过后的粉末进行烧结融化；

所述第三激光形成的光斑用于对烧结融化后的粉末进行缓冷。

作为本发明一种三激光辅助预热缓冷的增材制造方法进一步的优化方案，所述第一激光在加工平面形成光斑的直径为1000μm，所述第二激光在加工平面形成光斑的直径为100um，所述第三激光在加工平面形成光斑的直径为1200μm。

本发明还公开了一种基于该三激光辅助预热缓冷的增材制造方法的增材制造设备，包含第一至第三激光产生模块，所述第一至第三激光产生模块分别用于产生第一至第三激光；

所述第一至第三激光产生模块均包含激光器、扩束准直镜、动态聚焦装置和振镜；激光器用于产生激光，激光依次经过扩束准直镜、动态聚焦装置、振镜后在加工平面形成光斑。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

由于传统增材制造过程中，激光形成的熔池处温度极高，熔池与周围常温的粉末之间形成了非常大的温度梯度，导致被加工零件内部的应力极大，极易导致零件的变形，同时还会形成气孔、裂纹等缺陷。本发明采用一束光对粉末进行预热，另一束光对粉末进行加工，第三束激光对已成型的零件进行缓冷，能够减小温度梯度，进而降低零件内部的应力，有助于减少零件内部的气孔和裂纹，提高零件的加工质量。

附图说明

图1是本发明增材制造设备的结构示意图；

图2是本发明中第一至第三激光在加工平面形成光斑的示意图。

图中，1-第一激光在加工平面形成的光斑，2-第二激光在加工平面形成的光斑，3-第三激光在加工平面形成的光斑，101-第一激光产生模块中的激光器，102-第一激光产生模块中的扩束准直镜，103-第一激光产生模块中的动态聚焦装置，104-第一激光产生模块中的振镜，201-第二激光产生模块中的激光器，202-第二激光产生模块中的扩束准直镜，203-第二激光产生模块中的动态聚焦装置，204-第二激光产生模块中的振镜，301-第三激光产生模块中的激光器，302-第三激光产生模块中的扩束准直镜，303-第三激光产生模块中的动态聚焦装置，304-第三激光产生模块中的振镜，4-加工平面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明公开了一种三激光辅助预热缓冷的增材制造方法，对需要进行打印的模型进行分层，由下至上对每一层均按照如下步骤进行打印：

步骤1），对加工平面进行铺粉；

步骤2），采用相互平行的第一至第三激光同时对加工平面进行加工，其中，第二激光在加工平面形成光斑的直径小于第一激光、第二激光在加工平面上形成光斑的直径；第一激光、第二激光、第三激光在加工平面形成的光斑沿加工方向依次排列、圆心在同一条直线上，且相邻光斑的边缘相切；

所述第一激光、第三激光形成光斑的温度小于粉末烧结熔化温度，第二激光形成光斑的温度大于粉末烧结熔化温度；

所述第一激光形成的光斑用于对待成型的粉末进行预热；

所述第二激光形成的光斑用于对预热过后的粉末进行烧结融化；

所述第三激光形成的光斑用于对烧结融化后的粉末进行缓冷。

本发明还公开了一种基于该三激光辅助预热缓冷的增材制造方法的增材制造设备，包含第一至第三激光产生模块，所述第一至第三激光产生模块分别用于产生第一至第三激光；

所述第一至第三激光产生模块均包含激光器、扩束准直镜、动态聚焦装置和振镜；激光器用于产生激光，激光依次经过扩束准直镜、动态聚焦装置、振镜后在加工平面形成光斑。

如图1所示，本发明的双光束增材制造方法，同时采用三束光直接作用于加工平面。第一台波长为A的激光器经过扩束准直镜后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光，再经第一台振镜系统反射，在加工平面上形成微大光斑，将加工平面处的粉末预热。扩束准直镜、动态聚焦系统均适用于波长为A的激光波段。与此同时，第二台波长为B的激光器经过扩束准直镜后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光，再经第二台振镜系统反射，在加工平面上形成较小光斑，可对加工平面处的粉末融化烧结。扩束准直镜、动态聚焦系统均适用于波长为B的激光波段。第三台波长为C的激光器经过扩束准直镜后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光，再经第一台振镜系统反射，在加工平面上形成微大光斑，将加工平面处的已成型零件进行缓冷。扩束准直镜、动态聚焦系统均适用于波长为C的激光波段。

如图2所示，波长为A的激光器在加工平面上形成的光斑，远大于波长为B的激光器在加工平面上形成的光斑。波长为C的激光器在加工平面上形成的光斑，远大于波长为B的激光器在加工平面上形成的光斑。波长为B的激光器形成的较小光斑，可将加工平面融化形成熔池，进而将金属粉末烧结形成金属实体。熔池处的温度极高，通常大于0℃，与周围粉末以及零件形成了大的温度梯度。当振镜带动激光在加工平面上运动时，波长为A的激光器可为第二束激光光斑前的粉末进行持续加热，波长为C的激光器可为第二束激光光斑后的粉末进行持续加热，可以降低熔池周围的温度梯度，减少零件内部产生的应力和裂纹气孔等缺陷。

本发明实施实例：

下面以一实例说明本发明的有益效果。

第一台功率为500W、中心波长为1070nm的光纤激光器发出的发散光，经过扩束准直镜后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光1；第二台功率为500W、中心波长为1067nm的光纤激光器发出的光，经过扩束准直镜后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光2。第三台功率为500W、中心波长为1067nm的光纤激光器发出的光，经过扩束准直镜后，进入动态聚焦系统，形成汇聚光3。三个振镜内的偏摆镜同时对三束激光呈高反射率，三束汇聚光再经振镜系统反射，投射在加工平面上。汇聚光1在加工平面上形成直径约1000μm的光斑，能量密度较低，可将加工平面上的粉末加热。汇聚光2在加工平面上形成直径约100um的光斑，能量密度极高，可将加工平面上的粉末熔化。汇聚光3再加工平面上形成直径约为1200μm的光斑，能量密度较低，可对加工平面上已成形的零件进行缓冷，以降低零件内部的应力，减少零件内部气孔和裂纹。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种三激光辅助预热缓冷的增材制造方法，其特征在于，对需要进行打印的模型进行分层，由下至上对每一层均按照如下步骤进行打印：

步骤1），对加工平面进行铺粉；

步骤2），采用相互平行的第一至第三激光同时对加工平面进行加工，其中，第二激光在加工平面形成光斑的直径小于第一激光、第三激光在加工平面上形成光斑的直径；第一激光、第二激光、第三激光在加工平面形成的光斑沿加工方向依次排列、圆心在同一条直线上，且相邻光斑的边缘相切；

所述第一激光、第三激光形成光斑的温度小于粉末烧结熔化温度，第二激光形成光斑的温度大于粉末烧结熔化温度；

所述第一激光形成的光斑用于对待成型的粉末进行预热；

所述第二激光形成的光斑用于对预热过后的粉末进行烧结融化；

所述第三激光形成的光斑用于对烧结融化后的粉末进行缓冷。

2.根据权利要求1所述的三激光辅助预热缓冷的增材制造方法，其特征在于，所述第一激光在加工平面形成光斑的直径为1000μm，所述第二激光在加工平面形成光斑的直径为100um，所述第三激光在加工平面形成光斑的直径为1200μm。

3.基于权利要求1所述的三激光辅助预热缓冷的增材制造方法的增材制造设备，其特征在于，包含第一至第三激光产生模块，所述第一至第三激光产生模块分别用于产生第一至第三激光；

所述第一至第三激光产生模块均包含激光器、扩束准直镜、动态聚焦装置和振镜；激光器用于产生激光，激光依次经过扩束准直镜、动态聚焦装置、振镜后在加工平面形成光斑。