[发明专利]基于激光增减材复合制造精细工件的近净成形方法及装置

说明书

本发明属于激光加工领域，涉及基于激光增减材复合制造复杂精细工件的近净成形方法及装置，利用软件生成三维数模逐层切片层的构造参数，进行激光增材加工，在激光增材加工过程中交替进行超快脉冲激光减材加工至形成三维实体。其装置包括计算机控制装置、密封成型室、光路选取系统和惰性保护气源；增材加工时，计算机控制装置控制光路选取系统选取增材激光器发射的激光，进行激光增材加工；减材加工时，光路选取系统控制光路选取系统选取减材激光器发射的超快脉冲激光，进行超快脉冲激光减材加工。本发明可以高精度一体化的完成复杂、精细结构零件的制备，克服传统激光增材制造的成型精度低、粗糙度过高，以及无法制备精细、复杂内腔的技术难题。

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及基于激光增减材复合制造精细工件的近净成形方法及装置。

背景技术

激光增材制造是基于材料离散-逐渐累加的方法制造实体零件的技术，能够实现具有复杂结构的致密材料的快速、无模的近净成形，为复杂、精细结构零件的一体化制备提供新的思路，尤其为航空航天、医疗器械、精密机床、电子通讯等领域中的关键精密零部件的成形提供了一个简单、快速、低成本、绿色化的从粉末到整件的柔性制造技术，具有美好的前景。

目前，激光增材制造技术主要分为：以粉末床为主要技术特征的激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)，以同步粉末送进为主要特征的激光立体成形技术(Laser Solid Forming,LSF)。两种技术各具特色，但就零件的成形精度而言，SLM成形技术具有较为突出的优势。但是受制于粉末的尺度、粉末粘附和粉末球化、层间台阶效应、激光聚焦光斑尺寸以及受热不均导致的热变形等的影响，SLM成形零件的复杂、精细程度以及尺寸精度和表面粗糙度等仍与用户期待有较大差距。尤其是当零件具有细小的内腔结构，如深沟、深槽、细小弯曲的内部流道。这些内部结构的最小尺寸可以小至几十μm，且大多为气体或者液体的通行管道，对内壁的粗糙度要求小于Ra6.3μm。现有的增材制造技术不能直接制备出如此高要求的精细、复杂结构，必须对增材制造后的零件进行机加工、内部磨粒流和外部机械抛光等后处理。然而，对于带有封闭空腔、深槽深孔、多道毛细管路等几何特征的零件，在增材制造工艺结束后，机械加工刀具极易与增材制造的零件结构发生干涉，零件的后续精密加工比较困难，甚至无法加工。因此，单一依靠增材制造技术很难满足具有弯扭、复杂型面、复杂精细型腔或毛细管道等特征的复杂、精细零件的制造要求。图1(a)所示为一根内径0.2mm的弯曲管道，由于增材制造过程中的台阶效应、粉体粘附和粉末球化，细管内壁附着大量的部分熔化颗粒、飞溅及其间嵌入的多余粉体，造成了细管内径变小甚至事实上的堵塞,即便通过复杂的工艺清理掉嵌入的多余粉体，也无法清理管道内壁。

随着激光技术的发展，超快激光减材加工作为一种先进的、新型的减材加工技术，以其“冷加工”、高重复频率和高脉冲能量等特点，可实现对多种材料高柔性、高精度、高效率的微细加工，在精密机械、表面工程、生物医学等领域具有广阔的应用范围和前景。将激光增材制造和超快激光减材制造有机融合，有望解决增材制造技术成形零件的几何尺寸精度低、表面粗糙度过大问题，形成真正的近净成形。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供一种基于激光增减材复合制造精细工件的近净成形方法及装置，有机融合激光选区熔化技术和超快激光减材技术，在激光粉末床逐层增材制造的过程中，交替利用超快脉冲激光对已成形工件片层的边缘轮廓及其它选定区域进行减材加工，逐层叠加后形成复杂、精细结构，同时提升工件表面的光洁度和尺寸精度，克服激光增材制造技术成型精度低、粗糙度过高、不够精细的技术难题。

本发明的技术方案为：基于激光增减材复合制造精细工件的近净成形方法，包括以下步骤：利用软件对工件的三维数模进行切片分层的步骤，获取逐层切片层的轮廓数据，并对应生成逐层切片层的构造参数，于惰性保护气体环境中进行激光增材加工的步骤；

其中，在进行激光增材加工的步骤过程中，包括①先采用选定的加工激光束逐层按照切片层的构造参数选择性地熔化铺设的粉料并沉积出一层或多层熔覆层；