[发明专利]电子束选区熔化与电子束切割复合的增材制造方法

说明书

本发明公开了一种电子束选区熔化与电子束切割复合的增材制造方法，其特点是同一套电子束发射聚集扫描装置可以发射加热、选区熔化和电子束切割三种模式的电子束。发射加热模式的电子束对粉末床进行扫描预热；发射选区熔化模式的电子束对截面轮廓内的粉末进行扫描熔化，形成所需的零件截面层；发射电子束切割模式的电子束对零件截面的内外轮廓进行一次或多次切割扫描，去除或切除轮廓上的粗糙边缘和熔接粉末，以获得精确平顺的零件截面内外轮廓。重复上述加热、熔化沉积和轮廓切割过程，最终得到所需的三维实体零件。本发明的电子束选区熔化与电子束切割复合的增材制造方法可以提高电子束选区熔化制品内外表面的光洁度和微小内孔的成形能力。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种利用电子束选区熔化加热材料，使材料逐层烧结或熔化沉积，同时利用电子束切割成形材料轮廓，使得成形材料与粉末分离，实现高性能、高效率和较高精度的三维零件的增材制造方法。

背景技术

电子束选区熔化(Electron Beam selective Melting，EBSM)是典型的增材制造工艺，在复杂结构和特殊材料的三维成形方面具有很大的优势。电子束选区熔化工艺采用高能电子束作为热源，逐层烧结或熔化粉末材料，使材料逐层堆积成形。

但是，与其它增材制造工艺类似，电子束选区熔化工艺制造的零件的表面粗糙度较差，需要后续机械加工或者抛光来改善制件的表面光洁度和精度。这些后续加工步骤不但降低了零件的制造效率，更重要的是，对于一些刀具无法进入的部位(如内孔道等)无法实施加工，无法改善其表面质量。因此，制件的表面光洁度较差已经成为增材制造技术的一个瓶颈问题。

为了克服这一瓶颈，相关技术中提出了一些在线切削加工的处理方法来改善增材制造制件的表面质量，即将“增材”和“减材”结合的增减材复合工艺的思路。发明专利申请CN104741609A、CN104526359A和CN105945578A分别提出在电子束选区熔化和熔丝成形的过程中结合机械减材、激光切割，通过机械铣削头或激光切割扫描实时切削加工零件截面轮廓，改善零件精度和表面光洁度。

这些发明虽然将切削加工融入到在线增材制造过程中，但都需要单独的切削工具或激光系统，要么工件需要在增材和减材两个工位间不断移动，影响加工精度(如：CN104741609A 和CN105945578A)；要么增材和减材两套系统无法同时处于最佳加工位置(如CN104526359 A中电子束发射结构与激光切削头无法同时处于成形/加工区域正上方的最佳位置)，也会影响加工质量。而多了一套切削装置(切削铣刀或激光切削系统)都不同程度增加了设备结构的复杂程度。

发明专利申请CN105538728A提出在激光选区熔化增材制造过程中利用脉冲激光束扫描轮廓边缘去除表面粗糙部分，改善制件的表面光洁度。该专利利用同一扫描振镜系统，输入不同激光光源发射来的连续激光和脉冲激光，进行增减材复合加工。虽然避免了上述“增材”和“减材”两套激光扫描系统不能同时处于最佳加工位置的结构干涉问题，但仍然需要配置两套性质不同的激光器和光路整合系统。增加了设备成本和调试难度。

另外，该专利所针对的激光选取熔化工艺，为防止激光熔化材料时发生氧化和材料气化蒸镀激光透镜，需要在大于大气压力的正压惰性保护氛围中运行，这极大地限制了脉冲激光切割材料的效率。而该发明提出要利用脉冲激光扫描轮廓边缘“去除表面粗糙部分”，需要切削较大量材料，进一步增大了该发明的实施困难。

发明内容

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

在目前所有的电子束选区熔化工艺中，电子束仅作为热源用来预热、熔化、保温、成形粉末材料，逐层烧结或熔化粉末材料，使材料逐层堆积成形，达到增材制造中“增材”的目的。而对于电子束选区熔化工艺中零件的表面光洁度不好的问题，通常是在后续工序中，以“减材”为手段提高表面质量，这样不仅降低了零件制造的整体效率，还会存在内孔道等无法进行表面加工的问题。