[发明专利]激光增减材复合制造装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光增减材复合制造装置及方法，属于激光加工制造技术领域。

背景技术

近年来，将激光增材制造技术和数控机床的减材制造技术相结合，以实现增减材制造加工，是先进制造行业研究的热点，加工材料主要包括钛及其合金、铝合金、不锈钢、镍基高温合金等韧性良好的材料，经过激光增材结合数控机床的减材制造加工，能够提升材料的组织性能，制造出形状复杂多样的零件。

现有的激光增材制造技术，一般是于基材表面进行大面积、全面积的连续增材制造加工，在激光快速加热和凝固的条件下，加工材料非常容易开裂，开裂形式主要分为两种，一种是由于基材与增材的热物性参数不匹配而产生热应力，加工过程中，当热积累到一定程度时，基材与增材之间易出现开裂；另一种是由于增材材料自身的脆性，在激光快速加热凝固条件下，增材有可能开裂，且增材面积越大，越容易开裂。因此，利用现有的激光增材制造技术制造大尺寸的复合材料，效果并不理想。

另一方面，利用数控机床等机械加工设备实现减材制造加工，加工不同的材料需配置不同的辅助工具(如刀具、夹具、模具等)，加工过程繁琐，使用和设计方面非常不灵活。

发明内容

有鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种激光增减材复合制造装置及方法，通过激光刻蚀方法，利用高能量激光光束照射到基材表面，使材料融化、气化，于基材表面形成凹槽结构以实现减材制造，于凹槽结构中填充粉末材料，并通过激光熔化粉末材料实现粉末材料与基材的结合，以实现增材制造，复合材料综合性能良好，加工效率高，设计灵活，使用方便。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光增减材复合制造装置，包括激光刻蚀系统、粉末填充机构、激光熔化系统、计算机控制系统，

激光刻蚀系统，用于通过激光刻蚀于基材表面形成具有预定图案的若干凹槽结构；

粉末填充机构，用于向若干凹槽结构中填充粉末材料；

激光熔化系统，用于将若干凹槽结构中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料与基材相结合；

计算机控制系统，用于设置预定图案，设置激光刻蚀系统的激光刻蚀参数，控制激光刻蚀系统按照预定图案依据激光刻蚀参数于基材表面进行激光刻槽过程；用于控制粉末填充机构依次向若干凹槽结构中填充粉末材料；用于设置激光熔化系统的激光熔化参数，控制激光熔化系统依据激光熔化参数将若干凹槽结构中的粉末材料熔化。

进一步的

所述激光刻蚀系统与激光熔化系统是三维动态聚焦扫描系统。

所述粉末填充机构包括用于盛装粉末材料的容器，用于将容器内的粉末材料填充至预定位置的填粉执行机构。

一种激光增减材复合制造方法，包括：

S1：利用激光刻蚀系统于基材表面形成具有预定图案的若干凹槽结构；

S2：利用粉末填充机构向若干凹槽结构中填充粉末材料；

S3：利用激光熔化系统将若干凹槽结构中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料与基材相结合。

重复步骤S1-S3，形成由多种材料复合而成的镶嵌结构形式的复合材料。

所述预定图案由离散分布的若干封闭图形组成。

所述凹槽结构是直槽、斜槽、台阶槽，槽的深度为0.1～5mm。

所述基材包括铝、钛、镍、铜、铁等金属及其合金材料；粉末材料包括金属、陶瓷及金属基陶瓷复合材料。

本发明的优点是：

1、本发明的装置及方法，是通过激光刻蚀方法于基材表面形成若干离散化的凹槽结构，再向离散化的凹槽结构中填充粉末材料，利用激光熔化方法依次将凹槽结构中的粉末材料熔化使其与基材相结合，上述离散化的激光加工过程，能够避免大面积的热积累，从而避免加工过程中材料出现开裂情况，在此基础上，本发明能够制造出大面积、多种材料复合的镶嵌结构式高性能复合材料，提升材料表层的综合性能；

2、本发明的装置及方法，通过激光刻蚀方法于基材表面形成若干离散化的凹槽结构，以实现减材制造加工，与机械式减材制造设备相比，加工图案可设计性强，加工快速高效，精度高；

3、本发明的装置及方法，可通过激光刻蚀方法实现减材制造，通过激光熔化方法实现增材制造，两种激光加工方法的有效结合实现了基材表层的性能结构的优化设计和快速制造加工，且激光加工速度快、过程热输入少，基材受激光的热作用小，组织性能不会发生改变，切热应力小、变形少，对基材的性能影响非常小；