[发明专利]逐层轧制激光立体成型零件的装置和方法

说明书

本发明公开了一种逐层轧制激光立体成型零件的装置和方法，该装置包括数控系统、工作机台、基板、位于基板上方的激光粉末同轴喷嘴、和轧制装置，采用数控系统控制轧制装置对金属沉积层进行轧制的方案，能够自由调节轧制区域的轧制次数和轧制形变量，解决了零件在激光立体成型过程中由于高温度梯度而产生的高残余应力和严重翘曲变形的问题，同时，利用辊轮轧制力细化晶粒，增加位错，减少裂纹以及提高零件的密实度。本发明能够提高激光立体成型制件的尺寸精度和力学性能，成型质量较高的金属零件，以及减少零件的后续加工处理。

技术领域

本发明属于快速成型技术领域，涉及一种增材制造装置和方法，具体涉及一种逐层轧制激光立体成型零件的装置和方法。

背景技术

区别于传统的“减材”和“等材”制造，增材制造可以直接基于数据模型，通过添加材料的方法制造零件。与传统制造方法相比，增材制造技术可高效率、低成本的制造难加工的复杂零件，在航空航天、汽车、生物医疗方面具有广阔的应用前景。根据成型方式的不同，激光增材制造可分为铺粉式的激光选区熔化和送粉式的激光立体成型。激光立体成型适用于大尺寸且形状复杂构件的低成本、高速快速成型。

激光立体成型过程是在数控系统的控制下，用同步送粉激光熔覆的方法将金属粉末材料按照一定的填充路径在基材上逐点堆积形成沉积层，逐层打印最终形成三维实体零件。因为激光立体成型技术采用功率高的激光对基材进行局部加热，产生较大的热应力、制造缺陷和明显的翘曲变形，从而对零件的力学性能和尺寸精度造成不利影响，甚至造成零件成型失败；且随着打印层数的增加，熔池散热条件变差，冷却速率变低，沉积层的晶粒尺寸会变大，导致构件的力学性能进一步降低。专利CN201620873214.4通过对自动调平基板，采用滚筒架压实铺粉以提高致密度来减小零件的翘曲变形，通过压实熔融前的粉末，仍无法避免激光加热和打印层数增加所带来的零件变形问题。CN201010248416.7通过激光熔融金属丝，形成熔滴，熔滴在工作台上堆积冷却，并随工作台运动而形成薄片，各个薄片依次一层层沉积而形成三维金属零件，该发明采用金属熔滴替换铺粉方式来改善零件组织，但仍无法避免最终零件的粗大柱状晶组织，零件内部依旧存在较大的残余热应力，导致成型零件的综合力学性能较差。

因此，在激光立体成型过程中降低零件内部热应力，缓解翘曲变形，减少裂纹以及细化晶粒是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：基于现有技术中所存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种逐层轧制激光立体成型零件的装置，该装置能够实现对激光立体成型的沉积层的轧制，从而建造尺寸精度高、制造缺陷少以及力学性能高的金属零件。

本发明的另一目的在于提供一种逐层轧制激光立体成型零件的方法，该方法能降低零件内部的残余应力，缓解零件翘曲变形，减少裂纹，同时细化晶粒，最终达到提高零件尺寸精度和力学性能的效果。

技术方案：为实现本发明的第一目的——提供了逐层轧制激光立体成型零件的装置，该装置包括数控系统1、工作机台8、工作机台8上的基板3以及位于基板3上方的激光粉末同轴喷嘴2、和轧制装置5，其中：

所述激光粉末同轴喷嘴2被设置成在轧制零件过程中移动地同步熔覆金属粉末以形成金属沉积层4；在每一层金属沉积层4形成之后，所述轧制装置5对金属沉积层4进行逐层轧制；

所述数控系统1控制所述激光粉末同轴喷嘴2以及轧制装置3的移动。

优选地，所述装置还具有送粉器7和激光器6，所述送粉器7和激光器6分别连接在激光粉末同轴喷嘴2上的送粉通道和熔融通道上。

优选地，所述轧制装置包括辊轮5-3、辊轮固定装置5-2、液压装置5-1及第一伺服电机5-4，所述辊轮固定装置5-2的上端连接液压装置5-1的活塞杆，下端连接辊轮5-3，所述辊轮5-3可相对辊轮固定装置5-2自由转动，所述液压装置5-1的活塞杆上下往复运动带动辊轮固定装置5-2同步运动，进而控制辊轮5-3高度及辊轮5-3对金属沉积层4的轧制作用力，