一种高能束增材制造大尺寸金属零部件的设备及其控制方法

摘要

本发明公开了一种高能束增材制造大尺寸金属零部件的设备。该设备包括工作腔、工作台、控制系统、高能束扫描发生器、贮粉斗、铺粉器及气体净化模块。工作台由成形缸、粉末回收缸组成，成形缸、粉末回收缸上表面共面并构成工作平面。控制系统控制高能束扫描发生器与铺粉器同步沿铺粉方向与工作台相对运动。采用本发明，极大缩短了采用常规激光/电子束选区熔化技术加工零部件时因预置粉末床造成的“等待时间”，从而显著提高高能束增材制造的成形效率。应用本发明可高效率地实现“米”级尺寸的高性能、高精度、复杂结构金属零部件的快速制造。

说明书

技术领域

本发明属于高能束加工技术领域，具体涉及一种高能束增材制造大尺 寸金属零部件的设备及其控制方法。本发明是基于高能束扫描发生器与铺 粉器同步运动的增材制造技术，尤其适用于大尺寸、高性能、高精度和复 杂结构金属零部件的高效率成形。

背景技术

增材制造技术，又称三维打印技术(3D-Printing)，是一种新兴的制造 技术。不同于传统的等材制造(铸造、锻造、焊接)与减材制造(机加工)， 增材制造技术基于离散-堆积法则，根据零部件的三维数据，以分层叠加的 模式将材料连接在一起，直到完成整个零件的成形，具有高度灵活、个性 化的特点，是当前制造业的发展前沿。根据原料的不同，可将增材制造分 为快速原型制造(Rapid Prototyping-RP)与可直接投入使用零部件的近净 成形(Rapid Manufacturing-RM)。快速原型制造技术以液态树脂、石蜡、 纸张和丝材等非金属材料为原料，制造非致密的原型样件及模型，常用于 设计优化、产品评估及宣传。相比之下，以金属粉末或丝材为原料的可直 接投入使用零部件近净成形技术，能够直接完成各种异形件、承力构件的 快速制造，具有更高的应用价值。

近净成形的工艺方法有很多种，依照所采用的能量源(例如激光束、 电子束、离子束、电弧等)和材料种类以及添加材料的方式不同，又可以 细分为很多种类。当前，在金属零部件的3D打印成形工艺中，以激光束、 电子束(以下将两者总称为“高能束”)成形发展最快，也最为工业界所接受。 根据金属原料供给方式的不同，使用最多的增材制造技术包括：基于同步 送粉的激光熔化沉积直接制造技术(Laser Melting Deposition，以下简称 LMD技术)、基于自动送丝的电子束熔丝增材制造技术(Electron Beam Wire  Melting，以下简称EBWM技术)、基于粉末床铺设的激光选区熔化增材制 造技术(Selective Laser Melting，以下简称SLM技术)和电子束选区熔化 增材制造技术(Electron Beam Selective Melting，以下简称EBSM技术)。

LMD和EBWM技术采用的激光束或者电子束功率很高，光斑直径(或 者电子束斑直径)大，沉积效率高，特别是采用大型机床作为运动机构， 因此适合成形大尺寸金属构件，但是难以实现复杂构件的精密加工。

SLM和EBSM技术基于粉末床铺设的方式，其过程可概括如下：首先 利用铺粉系统在基板表面铺设一层具有一定厚度的粉末，随后激光束或者 电子束根据预设轨迹对粉末床进行选区熔化，并冷却、凝固形成沉积层； 将基板下降与沉积层厚度相同的高度，重新铺设粉末床并选区熔化，直至 完成整个零部件的成形。SLM和EBSM技术一般采用功率较低的激光器或 电子枪作为能量源，其聚焦光斑或电子束斑直径较小，通常为0.1～0.2mm。 在加工过程中，高能束在厚度仅为0.02～0.2mm的粉层上快速扫描，形成 微小熔池并迅速凝固，热积累小，零部件精度及表面质量高。因此，SLM 与EBSM技术特别适合复杂形状金属零部件的制造。

然而，SLM与EBSM技术存在的最大不足在于其成形效率低。由于采 用的高能束功率低、光斑或者电子束斑直径小，其成形效率明显低于LMD 及EBWM技术，在制造大尺寸零部件时间过长。因此，进一步提高SLM 与EBSM技术的成形效率成为发展该技术的当务之急。

目前，已有若干涉及提高SLM/EBSM加工效率的方法及相关设备的专 利公开。国内专利文献“用于激光快速成形加工设备的多束激光扫描系统及 方法”(公开号为CN103358555A)公开了一种可用于提高SLM效率的方法 及设备。该设备利用激光分束器，将初始激光束分为一束第一激光及一束 第二激光。设备包含第一扫描单元及第二扫描单元，第一扫描单元及第二 扫描单元在控制信号的控制下分别调整第一激光及第二激光按照预设轨迹 同时扫描，从而在一定程度上提高了SLM加工效率。然而，由于采用分束 的方法，第一激光与第二激光的功率低于初始激光束，为保证粉末的充分 熔化，势必要减小分层厚度或降低扫描速率，从而极大限制了SLM加工效 率的提升空间。

国内专利文献“医用镁合金金属零件的选区激光熔化成形装置及方法” (公开号：CN101856724A)同样公开了一种SLM设备。该设备包含控制 装置、送铺粉装置、激光传输机构、气体净化装置和封闭成形室，其中送 铺粉装置包括料斗和安装于料斗下方两侧的铺粉刷，料斗上方与成形室上 方的填料口对应设置，铺粉刷的下方与成形缸的上表面水平对应，送铺粉 装置的料斗内设有加热丝。在金属粉末预置到成形缸基板前利用该加热丝 将其先行预热，提高金属粉末对激光能量的吸收率。在同样的激光能量输 入情况下，能够获得更高的成形效率。但是该设备采用“单向铺粉”方式，即 预置一层粉末需要送铺粉装置在成形室内往返运动一周，无效工作时间过 多，同样阻碍了SLM加工效率的显著提升。

国内专利文献“一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成形方法” (公开号：CN103273065A)则公开了一种EBSM方法，该方法采用的设备 包括电子束快速成形机和与电子束快速成形机相接的计算机，其中电子束 快速成形机包括可升降工作台、储粉箱、铺粉器和电子束发生器，根据计 算机生成的切片轮廓数据，电子束对金属粉末床逐层扫描从而获得金属蜂 窝构件。该方法所涉及到的储粉箱对称布置于成形室的左右两侧，从而实 现“双向铺粉”，提高了EBSM加工金属蜂窝构件的效率。然而，上述专利 中，高能束扫描沉积这一步骤须待粉末床铺设完毕后方可进行，铺粉工序 导致的等待时间较长。

除已公开的相关专利之外，德国的EOS公司近期推出了型号为“EOS M 400”的SLM设备，设备采用“双向铺粉”结构，能够实现金属零部件的高效制 造。德国Fraunhofer激光技术研究所研制出一种光斑直径可连续调节的SLM 设备。在成形大尺寸零部件时，采用高功率、大光斑的激光束扫描沉积零 件芯部，同时采用低功率、小光斑的激光束扫描沉积零件外壳，从而在保 证零部件精度与表面质量的基础上实现了成形效率的提升。瑞典的Arcam公 司开发出型号为“Arcam Q-20”的EBSM设备，设备采用“双向铺粉”结构，能 够完成高精度金属零部件的加工。

然而，上述设备在实际加工中，粉末床铺设与高能束扫描沉积这两个 过程在时间上是独立的。只有当粉末预置完成后，高能束才根据预设轨迹 对该层粉末选区扫描并形成沉积层。根据具体铺粉方式的不同(单向铺粉 或双向铺粉)，现有SLM/EBSM设备预置一层粉末的时间大约为10～30s。 当成形尺寸较大的零部件时，沉积层数常高达数千乃至上万，因预置粉末 床而造成的“等待时间”可高达几十小时，严重降低了SLM/EBSM的成形效 率，并限制了可加工零部件的极限尺寸。“EOS M400”与“Arcam Q-20”的极 限成形体积分别仅为400mmx400mmx400mm³与350x380mm(Φ/H)。

综上所述，现有SLM/EBSM技术由于铺粉工艺过程与高能束扫描成形 过程之间未能够很好协同，导致无法在真正意义上实现大尺寸、高质量金 属零部件的高效成形。因此，发明一种能够高效地制造出大尺寸、高性能、 高精度、复杂结构金属零部件的高能束增材制造设备具有重要意义。

发明内容

针对现有SLM/EBSM技术的不足，本发明提出了一种高能束增材制造 大尺寸金属零部件的设备及其控制方法，目的在于实现大尺寸、高性能、 高精度、复杂结构金属零部件的高效率成形。

本发明提供的一种高能束增材制造大尺寸金属零部件的设备，其特征 在于，该设备包括工作腔、工作台、控制系统及气体净化模块；

所述工作台包括第一粉末回收缸、第二粉末回收缸和成形缸，第一粉 末回收缸与第二粉末回收缸分别位于成形缸两侧，且均位于工作腔内，第 一粉末回收缸、第二粉末回收缸及成形缸的上表面共面构成工作平面；气 体净化模块通过进气口和出气口与工作腔构成封闭循环；

该设备还包括高能束扫描发生器、第一贮粉斗、第二贮粉斗和铺粉器， 控制系统分别与高能束扫描发生器、第一贮粉斗、第二贮粉斗、铺粉器、 工作台和气体净化模块相连接并控制它们协同工作；

高能束扫描发生器位于工作腔上方，第一贮粉斗、第二贮粉斗和铺粉 器位于工作腔内部；第一贮粉斗、第二贮粉斗分别位于高能束扫描发生器 的两侧，铺粉器位于第一贮粉斗和第二贮粉斗的下方，以接收其供粉，并 用于在成形缸表面进行双向铺粉；

所述工作台、高能束扫描发生器、第一贮粉斗、第二贮粉斗和铺粉器 均可设有运动机构，使高能束扫描发生器、铺粉器能够同步与工作台发生 沿铺粉方向的相对运动，且在高能束扫描过程中，高能束扫描发生器中心 线与所述铺粉器的距离保持大于高能束扫描发生器的有效加工覆盖区域的 半径。

本发明还提供了上述技术方案的几种具体改进方案及其对应的控制方 法。

本发明具有以下技术效果：

(1)本发明通过控制高能束扫描发生器、铺粉器同步与工作台发生沿 铺粉方向的相对运动，极大地缩短了采用常规SLM/EBSM技术加工零部件 时因单独预置金属粉末床过程造成的“等待时间”，极大地提高了高能束增材 制造的成形效率；

(2)本发明采用双向铺粉方式，进一步提高了激光或者电子束选区熔 化快速成形的成形效率；

(3)本发明根据成形质量、效率的要求，既可以灵活采用“双排振镜 组合(双排电子束偏转器组合)或者多排振镜组合(多排电子束偏转器组 合)，又可对高能束扫描发生器、铺粉器与工作台之间的相对速度进行连续 调节，从而进一步提高金属零部件的成形效率及加工质量；

(4)由于成形效率显著提高，可应用本发明实现达到“米”级的超大尺 寸金属零部件的快速成形；

(5)由于因预置粉末床造成的“等待时间”被极大缩短，零部件在加工 过程中始终保持较高温度，因反复热循环所造成的应力、变形及开裂等问 题得以改善；

(6)在高能束增材制造过程中，高能束扫描发生器既可以在与工作台 相对运动的“飞行”状态下进行选区扫描，从而保证扫描轨迹时刻处于高能束 扫描发生器的理想加工区域，避免成形大尺寸金属零部件时远离理想加工 区域位置的扫描轨迹失真，又可以与铺粉器同步沿铺粉方向步进运动，每 次移动一个与有效加工覆盖区域直径相当的距离后，在静止状态下完成对 应区域粉末床的熔化扫描，在兼顾成本的条件下进一步保证金属零部件的 精度及表面质量。

附图说明

图1为本发明所涉及的高能束增材制造大尺寸金属零部件设备的第一 种具体实施方式示意图；

图2为本发明所涉及的扫描振镜组的第一种结构示意图；

图3为采用图1所示的高能束增材制造设备进行金属零部件加工过程 中粉末床铺设与高能束扫描过程同步进行的细节示意图；

图4为本发明所涉及的高能束增材制造大尺寸金属零部件设备的第二 种具体实施方式示意图；

图5为本发明所涉及的高能束增材制造大尺寸金属零部件设备的第三 种具体实施方式示意图；

图6为采用图5所示的高能束增材制造设备进行金属零部件加工过程 中粉末床铺设与高能束扫描过程同步进行的细节示意图；

图7为本发明所涉及的电子束偏转器组的第一种结构示意图；

图8为本发明所涉及的双排振镜组合(双排电子束偏转器组合)或者 多排振镜组合(多排电子束偏转器组合)的结构示意图；

图9为本发明所涉及的一种连续调节高能束扫描发生器与工作台之间 相对速度方法的示意图。

图10为本发明所涉及的一种步进式高能束扫描过程示意图。

具体实施方式

下面通过借助实施例及附图更加详细地说明本发明，但下列实施例及 附图仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。此外， 下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未 构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本发明所涉及的高能束增材制造设备的第一种具体实施方 式包括粉末供给及扫描模块1、工作腔9、工作台、控制系统10及气体净化 模块11。

控制系统10计算加工轨迹并生成相关数控信号，该数控信号用于调控 与控制系统10相连接的粉末供给及扫描模块1、工作台和气体净化模块11的 协同工作。为简化图形，图1中仅显示了粉末供给及扫描模块1与控制系统 10的连接，其余部件同控制系统10的连接并未显示。值得注意的是，这种 连接既可以包括物理线路等在内的接触性连接，也可以为电子信号等非接 触性链接。

粉末供给及扫描模块1由扫描振镜组2、第一贮粉斗3、第二贮粉斗4、 第一单向铺粉器5和第二单向铺粉器6组成。其中，扫描振镜组2位于工作腔 9上方，并作为高能束扫描发生器为高能束增材制造提供能量。第一贮粉斗 3、第二贮粉斗4、第一单向铺粉器5和第二单向铺粉器6则位于工作腔9内部， 第一贮粉斗3、第二贮粉斗4及第一单向铺粉器5、第二单向铺粉器6分别以 扫描振镜组2的中心线为参考呈镜像分布。粉末供给及扫描模块1与诸如高 精度丝杆、滑块、导轨等机构相连接，以保证粉末供给及扫描模块1内部各 部件能以相同速度沿铺粉方向协同运动。第一单向铺粉器5、第二单向铺粉 器6分别位于第一贮粉斗3、第二贮粉斗4正下方，以接收其供粉，并用于在 成形缸16表面进行双向铺粉；

如图2(a)所示，扫描振镜组2由垂直于铺粉方向呈直线排列的n个振 镜系统18₁、18₂、......、18_n组成。每个振镜系统沿垂直于铺粉方向的有效 加工覆盖直径为1，振镜系统的数量n与1的乘积应与成形缸16垂直于铺粉方 向的尺寸L相等，即满足n*1＝L。

如图2(b)所示，振镜系统18均包括安装在防尘外壳19内的扫描振镜 20、导光系统21、激光源22、f-θ组合透镜23和保护镜24；激光源22可采用 包含光纤激光器、Nd：YAG激光器及CO₂激光器在内的中高功率激光器。 激光束经激光源22发出后，进入导光系统21并完成相应准直、扩束处理， 之后进入扫描振镜20。扫描振镜20根据控制系统10所生成的加工轨迹引导 激光束进行相应偏转，偏转后的激光束再经由f-θ组合透镜23聚焦，最终穿 过保护镜24到达成型缸上表面，并根据控制系统切片提供的图形数据，选 择性扫描粉末床，实现金属零件的成形。

工作台由第一粉末回收缸7、第二粉末回收缸8和成形缸16构成，并在 工作腔9内部并静止不动。需要说明的是，这里所定义的“静止”状态是指工 作台沿铺粉方向的绝对静止。第一粉末回收缸7与第二粉末回收缸8分别位 于成形缸16两侧。第一粉末回收缸7、第二粉末回收缸8及成形缸16的上表 面共面，进而构成了工作平面，第一单向铺粉器5、第二单向铺粉器6下端 与工作平面平行，并保留一个工作间隙便于粉末流出并刮平。成形缸16自 上至下分别为成形基板14、加热系统15和升降机构17。加热系统15用于预 热成形基板14。在升降机构17的带动下，成形缸16内部的成形基板14及加 热系统15可沿所加工零部件高度方向高精度运动，升降机构17可由高精度 丝杆等定位结构组成。

气体净化模块11通过进气口和出气口与工作腔9构成封闭循环。高能束 增材制造开始前，气体净化模块11向工作腔9内部充入一定量可包含氮气、 氩气在内的惰性保护气体，使工作腔9内部水、氧含量满足工作要求。

基于图1所示的高能束增材制造设备，本发明所涉及的高能束增材制造 大型金属零部件的第一种控制方法如下：

(1)将粉末供给及扫描模块1置于工作平面左上方，其中第二单向铺 粉器6下端置于第一粉末回收缸7及成形缸16之间。根据零件的精度要求， 设计增材制造工艺过程中单层粉末厚度增量T，调节第二贮粉斗4的单次流 量，为第二单向铺粉器6一次性提供满足单层铺粉所需要重量的金属粉末；

(2)粉末供给及扫描模块1沿铺粉方向以某一速度V匀速向右运动。第 二单向铺粉器6运动至成形缸16表面后开始在成形缸16表面均匀铺设厚度 为T的金属粉末层；此时如图3所示，第二单向铺粉器6已在其左侧铺设了一 层金属粉末25，该层粉末可位于已沉积零件12或者粉末床13上方。粉末供 给及扫描模块1继续沿铺粉方向以速度V匀速向右运动，并带动扫描振镜组2 的有效加工覆盖区域26一并向右运动，直至规划扫描填充路径进入有效加 工覆盖区域26内部。此时，扫描振镜组2针对新一层金属粉末25进行选区熔 化沉积。

值得注意的是：第一，扫描振镜组2中心线与第一单向铺粉器5、第二 单向铺粉器6的距离S应大于扫描振镜组2有效加工覆盖区域26的半径，以保 证粉末床铺设与激光扫描过程互不影响；第二，由于扫描振镜组2在“飞行” 状态下工作，为保证粉末熔化及避免扫描轨迹失真，控制系统10需对扫描 振镜组2的扫描轨迹进行与速度V所匹配的运动补偿；第三，粉末供给及扫 描模块1的运动速度V需结合有效加工覆盖区域26内部扫描填充面积予以调 节，以保证扫描轨迹始终位于扫描振镜组2有效加工覆盖区域26内部；

(3)粉末供给及扫描模块1继续沿铺粉方向以速度V匀速向右运动，并 且在铺设金属粉末层的同时由激光束对其进行选区熔化沉积。之后，粉末 供给及扫描模块1驶离成形缸16表面，金属粉末层25的铺设及选区熔化沉积 结束；

(4)粉末供给及扫描模块1继续沿铺粉方向以速度V匀速向右运动，第 二单向铺粉器6将可能剩余的金属粉末送入第二粉末回收缸8；

(5)粉末供给及扫描模块1继续沿铺粉方向以速度V匀速向右运动，直 至第一单向铺粉器5下端运动至第二粉末回收缸8及成形缸16之间。此后， 根据增材制造工艺过程中单层粉末厚度增量T，调节第一贮粉斗3的单次流 量，为第一单向铺粉器5一次性提供满足单层铺粉所需要重量的金属粉末； 成形基板14下降与沉积厚度T相同的距离；

(6)粉末供给及扫描模块1沿铺粉方向以速度V匀速向左运动，第一单 向铺粉器5运动至成形缸16表面后，开始在成形缸16表面均匀铺设厚度为T 的新一层金属粉末。粉末供给及扫描模块1继续沿铺粉方向以速度V匀速向 左运动，并且在铺设新一层金属粉末的同时由激光束对其进行选区熔化沉 积。之后，粉末供给及扫描模块1驶离成形缸16表面，新一层金属粉末铺设 及选区熔化沉积结束。粉末供给及扫描模块1继续沿铺粉方向以速度V匀速 向左运动，第一单向铺粉器5将可能剩余的金属粉末送入第一粉末回收缸7。 粉末供给及扫描模块1继续沿铺粉方向以速度V匀速向左运动，直至第二单 向铺粉器6下端运动至第一粉末回收缸7及成形缸16之间。成形基板14下降 与沉积厚度T相同的距离；

(7)重复步骤(1)～(6)，直至完成金属零部件的最终成形。

实施例2

在本发明所涉及的高能束增材制造设备的第一种具体实施方式的基础 上加以改进，即可得到本发明所涉及的高能束增材制造设备的第二种具体 实施方式，如图4所示。该实施例中，粉末供给及扫描模块1仍由扫描振镜 组2、第一贮粉斗3、第二贮粉斗4、第一单向铺粉器5、第二单向铺粉器6组 成，粉末供给及扫描模块1内部各部件间的排布方式也与高能束增材制造设 备的第一种具体实施方式一致。区别在于，扫描振镜组2与第一贮粉斗3、 第二贮粉斗4、第一单向铺粉器5、第二单向铺粉器6分别固定于工作腔9中 部上方内外两侧静止不动，需要说明的是，这里所定义的“静止”状态是指粉 末供给及扫描模块1沿铺粉方向的绝对静止。

工作台仍由第一粉末回收缸7、第二粉末回收缸8及成形缸16共同构成， 工作台各部件的排布方式亦与高能束增材制造设备的第一种具体实施方式 一致。区别在于，通过在其下方加装工作台传动机构28与工作台传动机构 动力源29，工作台改进为移动式工作台27。其中，工作台传动机构28可由 高精度丝杆、高精度皮带轮等高精度定位机构组成，工作台传动机构动力 源29则为工作台传动机构28的运动提供驱动力，并带动移动式工作台27沿 铺粉方向高精度往复运动。第一单向铺粉器5、第二单向铺粉器6下端仍与 第一粉末回收缸7、第二粉末回收缸8及成形缸16上表面所构成的工作平面 平行，并保留一个工作间隙便于粉末流出并刮平。

控制系统10及气体净化模块11的排布方式仍与高能束增材制造设备的 第一种具体实施方式一致。区别在于，控制系统10同时调控粉末供给及扫 描模块1、移动式工作台27、工作平台传动机构动力源29、工作平台传动机 构28及气体净化模块11的协同工作。

基于图4所示的高能束增材制造设备，本发明所涉及的高能束增材制造 大型金属零部件的第二种控制方法如下：

(1)将移动式工作台27置于粉末供给及扫描模块1右下方，其中第二 单向铺粉器6下端应位于第一粉末回收缸7及成形缸16之间。根据零件的精 度要求，设计增材制造工艺过程中单层粉末厚度增量T，调节第二贮粉斗4 的单次流量，为第二单向铺粉器6一次性提供满足单层铺粉所需要重量的金 属粉末；

(2)移动式工作台27沿铺粉方向以某一速度V匀速向左运动，成形缸 16运动至第二单向铺粉器6下方后，第二单向铺粉器6开始在成形缸16表面 均匀铺设厚度为T的金属粉末层；移动式工作台27继续沿铺粉方向以速度V 匀速向左运动，直至规划扫描填充路径进入扫描振镜组2有效加工覆盖区域 26内部，此时扫描振镜组2针对已铺设的金属粉末层进行选区熔化沉积。值 得注意的是：第一，扫描振镜组2中心线与第一单向铺粉器5、第二单向铺 粉器6的距离S应大于扫描振镜组2有效加工覆盖区域26的半径，以保证粉末 床铺设与激光扫描过程互不影响；第二，由于扫描振镜组2在“飞行”状态下 工作，为保证粉末熔化及避免扫描轨迹失真，控制系统10需对扫描振镜组2 的扫描轨迹进行与速度V所匹配的运动补偿；第三，移动式工作台27的运动 速度V需结合有效加工覆盖区域26内部扫描填充面积予以调节，以保证扫描 轨迹始终位于扫描振镜组2有效加工覆盖区域26内部；

(3)移动式工作台27继续沿铺粉方向以速度V匀速向左运动，并且在 铺设金属粉末层的同时由激光束对其进行选区熔化沉积。之后，成形缸16 相继驶离第二单向铺粉器6与扫描振镜组2下方，金属粉末层铺设及选区熔 化沉积结束；

(4)移动式工作台27继续沿铺粉方向以速度V匀速向左运动，第二单 向铺粉器6将可能剩余的金属粉末送入第二粉末回收缸8；

(5)移动式工作台27继续沿铺粉方向以速度V匀速向左运动，直至第 二粉末回收缸8及成形缸16分别位于第一单向铺粉器5下端两侧。此后，根 据增材制造工艺过程中单层粉末厚度增量T，调节第一贮粉斗3的单次流量， 为第一单向铺粉器5一次性提供满足单层铺粉所需要重量的金属粉末；成形 基板14下降与沉积厚度T相同的距离；

(6)移动式工作台27沿铺粉方向以速度V匀速向右运动，成形缸16运 动至第一单向铺粉器5下方后，第一单向铺粉器5开始在成形缸16表面均匀 铺设厚度为T的新的金属粉末层。移动式工作台27继续沿铺粉方向以速度V 匀速向右运动，并且在铺设新一层金属粉末的同时由激光束对其选区熔化 沉积。之后，成形缸16驶离第一单向铺粉器5与扫描振镜组2下方，新一层 金属粉末铺设及选区熔化沉积结束。移动式工作台27继续沿铺粉方向以速 度V匀速向右运动，第一单向铺粉器5将可能剩余的金属粉末送入第一粉末 回收缸7。移动式工作台27继续沿铺粉方向以速度V匀速向右运动，直至第 一粉末回收缸7及成形缸16分别位于第二单向铺粉器6下端两侧。成形基板 14下降与沉积厚度T相同的距离；

(7)重复步骤(1)～(6)，直至完成金属零部件的快速成形。

作为针对上述高能束增材制造大型金属零部件的设备第一种与第二种 具体实施方式的改进，为了进一步提高成形效率，并避免单层粉末厚度增 量T较大时，第一单向铺粉器5及第二单向铺粉器6前方过多的金属粉末对单 向铺粉器与工作平面相对运动的阻碍，可做如下改进：如图1、图4所示， 令第一贮粉斗3与第二贮粉斗4分别在粉末供给及扫描模块1与工作平面发 生相对运动的过程中连续供给粉末原料，第一贮粉斗3与第二贮粉斗4的给 料速度可根据实际情况调节，能够满足特定厚度金属粉末层的均匀铺设即 可。

实施例3

在图1所示设备的基础上，去除第一单向铺粉器5与第二单向铺粉器6， 并增设双向铺粉器30，从而形成本发明所涉及的高能束增材制造大型金属 零部件的第三种具体实施方式，如图5所示。

工作台仍由第一粉末回收缸7、第二粉末回收缸8及成形缸16构成，并 在工作腔9内部保持静止。需要说明的是，这里所定义的“静止”状态是指工 作台内部各部件沿铺粉方向的绝对静止。第一粉末回收缸7与第二粉末回收 缸8仍分别位于成形缸16两侧。第一粉末回收缸7、第二粉末回收缸8及成形 缸16的上表面仍共面，并构成工作平面。第一贮粉斗3、第二贮粉斗4位于 工作平面上方且固定在工作腔9内部，第一贮粉斗3下端处于第一粉末回收 缸7及成形缸16之间，第二贮粉斗4下端处于第二粉末回收缸8及成形缸16之 间。双向铺粉器30位于第一贮粉斗3、第二贮粉斗4下方，以接收其供粉， 并用于在成形缸16表面进行双向铺粉。双向铺粉器30下端与工作平面平行， 并保留一个工作间隙便于粉末流出并刮平。在高精度丝杆、滑块等结构辅 助下，双向铺粉器30可沿铺粉方向往复运动。

扫描振镜组2位于工作腔9上方，亦可在高精度丝杆、滑块等结构辅助 下沿铺粉方向往复运动。控制系统10及气体净化模块11的排布方式仍与高 能束增材制造设备的第一种具体实施方式一致。控制系统10用于调控扫描 振镜组2、双向铺粉器30、第一贮粉斗3、第二贮粉斗4、工作台及气体净化 模块11协同工作。

使用高能束增材制造设备的第三种具体实施方式制造大尺寸金属零部 件方法的控制方法为：

(1)将双向铺粉器30置于第一贮粉斗3下方，根据零件的精度要求， 设计增材制造工艺过程中单层粉末厚度增量T，调节第一贮粉斗3的单次流 量，为双向铺粉器30一次性提供满足单层铺粉所需要重量的金属粉末；

(2)双向铺粉器30沿铺粉方向以某一速度V匀速向右运动，运动至成 形缸16表面后开始在成形缸16表面均匀铺设厚度为T的金属粉末层；双向铺 粉器30运动某一时间t后，扫描振镜组2自双向铺粉器30左上方，开始以同一 速度V沿铺粉方向匀速向右运动。此时如图6所示，双向铺粉器30已在其左 侧铺设了一层厚度为T的金属粉末层25，该层粉末可位于已沉积零件12上 方，也可位于粉末床13上方。双向铺粉器30与扫描振镜组2继续沿铺粉方向 以速度V向右运动，并带动扫描振镜组2的有效加工覆盖区域26一并向右运 动，直至规划扫描填充路径进入有效加工覆盖区域26内部，此时扫描振镜 组2针对金属粉末层25进行选区熔化沉积。值得注意的是：第一，扫描时， 扫描振镜组2中心线与双向铺粉器30的距离S应保持大于扫描振镜组2有效 加工覆盖区域26的半径，以保证粉末床铺设与激光扫描过程互不影响；第 二，由于扫描振镜组2在“飞行”状态下工作，为保证粉末熔化及避免扫描轨 迹失真，控制系统10需对扫描振镜组2的扫描轨迹进行与速度V所匹配的运 动补偿；第三，双向铺粉器30与扫描振镜组2的运动速度V需结合具体扫描 填充面积予以调节，以保证扫描轨迹始终位于扫描振镜组22有效加工覆盖 区域26内部；

(3)双向铺粉器30与扫描振镜组2继续沿铺粉方向以速度V匀速向右运 动，并且在铺设金属粉末层25的同时由激光束对其选区熔化沉积。之后， 双向铺粉器30与扫描振镜组2相继驶离成形缸16表面，金属粉末层25的铺设 及选区熔化沉积结束；

(4)扫描振镜组2运动停止，双向铺粉器30继续沿铺粉方向以速度V匀 速向右运动，并将可能剩余的金属粉末送入第二粉末回收缸8；

(5)双向铺粉器30沿铺粉方向以速度V匀速向左运动至第二贮粉斗4 下方，根据增材制造工艺过程中单层粉末厚度增量T，调节第二贮粉斗4的 单次流量，为双向铺粉器30一次性提供满足单层铺粉所需要重量的金属粉 末；成形基板14下降与沉积厚度T相同的距离；

(6)双向铺粉器30沿铺粉方向以速度V匀速向左运动，并在运动至成 形缸16表面后开始在成形缸16表面均匀铺设厚度为T的新的金属粉末层。双 向铺粉器30运动某一时间t后，扫描振镜组2自双向铺粉器30右上方，开始沿 铺粉方向以同一速度V匀速向左运动，并且在双向铺粉器30铺设新一层金属 粉末的同时对其选区熔化沉积。之后，双向铺粉器30与扫描振镜组2相继驶 离成形缸16表面，新一层金属粉末铺设及选区熔化沉积结束。扫描振镜组2 运动停止，双向铺粉器30继续沿铺粉方向以速度V匀速向左运动，并将可能 剩余的金属粉末送入第一粉末回收缸7。成形基板14下降与沉积厚度T相同 的距离；

(7)重复步骤(1)～(6)，直至完成金属零部件的快速成形。

实施例1至3所采用的高能束均为激光束。如果所采用的高能束不是激 光束而是电子束，则上述实施例所涉及的设备中的扫描振镜组2将由带磁场 的电子束偏转器组31所替代，并作为高能束扫描发生器为高能束增材制造 提供能量。如图7所示，电子束偏转器组31由垂直于铺粉方向呈直线排列的 m个磁偏转系统33₁、33₂、......、33_m组成。磁偏转系统33由磁偏转装置及 电子枪组成。每个磁偏转系统沿垂直于铺粉方向的有效加工覆盖直径为k， 磁偏转系统的数量m与k的乘积应与成形缸16垂直于铺粉方向的尺寸L相等， 即满足m*k＝L。采用电子束作为加工能量源时，气体净化模块11仍与工作 腔9构成密闭空间，并在高能束增材制造开始前针对工作腔9内部进行抽真 空处理，以使工作腔9内部真空度满足电子束工作要求。

下面给出上述实施例当中高能束扫描发生器的另外一种结构的实施方 式。

如图8所示，高能束扫描发生器仍由一系列振镜系统18(磁偏转系统33) 组成，其中振镜系统18(磁偏转系统33)的结构与前述实施例相同。振镜系统 (磁偏转系统)垂直于铺粉方向呈直 线排列，并构成第1列能量源。振镜系统(磁偏转系统 )垂直于铺粉方向呈直线排列，并构成第2列能量源。第2 列能量源置于第1列能量源右侧，并与第1列能量源共同构成双排扫描振镜 组2(双排电子束偏转器组31)。对于每一列能量源，振镜系统18(磁偏转系 统33)的数量h与其沿垂直于铺粉方向的有效加工覆盖直径f的乘积应与成形 缸16垂直于铺粉方向的尺寸L相等，即满足h*f＝L。按照所述排列方式，根 据零部件尺寸及加工效率要求，还可以进一步在第2列能量源右侧添加第3 列能量源乃至第g列能量源，从而构成多排扫描振镜组2(多排电子束偏转 器组31)。应用双排/多排扫描振镜组2(双排/多排电子束偏转器组31)进 行大型零部件的高能束增材制造时，伴随着双排/多排扫描振镜组2(双排/ 多排电子束偏转器组31)与工作台的相对运动，各振镜系统 (磁偏转系统)保持相对静止，并按照 规划扫描填充路径同时对各自有效加工覆盖范围内的粉末床进行选区熔化 沉积。值得注意的是：第一，第一单向铺粉器5、第二单向铺粉器6或双向 铺粉器30与双排/多排扫描振镜组2(双排/多排电子束偏转器组31)中心线 的距离应满足第一单向铺粉器5、第二单向铺粉器6及双向铺粉器30不处于 各振镜系统(磁偏转系统)的有效加工 覆盖区域内，以保证粉末床铺设与高能束扫描过程互不影响；第二，当双 排/多排扫描振镜组2(双排/多排电子束偏转器组31)在“飞行”状态下工作 时，为保证粉末熔化及避免扫描轨迹失真，控制系统需对振镜系统 (磁偏转系统)的扫描轨迹进行与速度V 所匹配的运动补偿；第三，双排/多排扫描振镜组2(双排/多排电子束偏转 器组31)与工作平面的相对运动速度V需结合具体扫描填充面积予以调节， 以保证每一个振镜系统(磁偏转系统) 的扫描轨迹始终位于其有效加工覆盖区域内。

作为对上述诸多实施例的补充，为进一步提高高能束增材制造的成形 效率，在使用上述实施例中所涉及到的高能束增材制造设备制造大尺寸金 属零部件时，可采用一种连续调节工作台与高能束扫描发生器之间相对速 度V的控制方法，如图9所示。

控制系统根据金属零部件CAD模型进行切片，获得当前加工层扫描填 充轨迹，该填充区域可根据面积大小沿铺粉方向分为多个区域，例如S₁、 S₂、S₃三个区域。在不失一般性的条件下，假设三个区域面积大小关系为 S₁<S₂<S₃。根据三个区域填充面积及实际高能束扫描参数，在保证扫描轨迹 始终位于高能束扫描发生器有效加工覆盖范围内的前提下，可分别针对S₁、 S₂、S₃三个区域设定不同的工作台与高能束扫描发生器的相对速度，即V₁、 V₂、V₃，且使V₁、V₂、V₃大小关系满足V₁>V₂>V₃。

上述所有实施例当中，高能束扫描发生器均是在与工作台相对运动的 “飞行”状态下进行高能束的输出与选择性扫描，为保证粉末熔化及避免扫描 轨迹失真，控制系统需对高能束扫描发生器的扫描轨迹进行运动补偿，这 显然提高了对控制系统数据处理能力的要求，从而在一定程度上提高了高 能束增材制造设备的成本。因此，为了兼顾高能束增材制造效率与成本， 还可以采用一种步进式高能束扫描方法。此时，基于实施例1、2所涉及的 高能束增材制造设备的具体控制流程如下：

(1)将粉末供给及扫描模块1置于工作平面左上方，其中第二单向铺 粉器6下端置于第一粉末回收缸7及成形缸16之间。根据零件的精度要求， 设计增材制造工艺过程中单层粉末厚度增量T，调节第二贮粉斗4的单次流 量，为第二单向铺粉器6提供满足单层铺粉所需要重量的金属粉末；

(2)粉末供给及扫描模块1沿铺粉方向相对工作平面向右运动。第二 单向铺粉器6相对运动至成形缸16表面后开始在成形缸16表面均匀铺设厚 度为T的金属粉末层；粉末供给及扫描模块1继续沿铺粉方向相对工作平面 向右运动，并带动高能束扫描发生器的有效加工覆盖区域一并向右相对运 动，直至有效加工覆盖区域完全进入成形缸16上方后停止。此时，如图10 (a)所示，高能束扫描发生器的有效加工覆盖区域26左侧边界恰好与成型 缸16左侧边界重合，第一单向铺粉器5、第二单向铺粉器6则对称分布于有 效加工覆盖区域26两侧，以保证粉末床铺设与高能束扫描过程互不影响。 高能束扫描发生器根据控制系统切片提供的图形数据，选择性扫描有效加 工覆盖区域26内部的粉末床；

(3)如图10(b)所示，有效加工覆盖区域26内部的粉末床扫描完成 后，粉末供给及扫描模块1再次沿铺粉方向相对工作平面向右运动，并带动 高能束扫描发生器的有效加工覆盖区域26沿铺粉方向相对工作平面向右运 动一个相当于有效加工覆盖区域26直径D的距离后停止，高能束扫描发生器 再次根据控制系统切片提供的图形数据，选择性扫描有效加工覆盖区域26 内部的粉末床；

(4)之后，粉末供给及扫描模块1按照前述方式，继续沿铺粉方向相 对工作平面向右做步进距离等于一个有效加工覆盖区域26直径D的步进运 动，每运动一个步进距离后，高能束扫描发生器根据控制系统切片提供的 图形数据，选择性扫描有效加工覆盖区域26内部的粉末床，直至完成当前 加工层所有图形数据的扫描；粉末供给及扫描模块1继续沿铺粉方向相对工 作平面向右运动，第二单向铺粉器6将可能剩余的金属粉末送入第二粉末回 收缸8；

(5)粉末供给及扫描模块1继续沿铺粉方向相对工作平面向右运动， 直至第一单向铺粉器5下端运动至第二粉末回收缸8及成形缸16之间。此后， 根据增材制造工艺过程中单层粉末厚度增量T，调节第一贮粉斗3的单次流 量，为第一单向铺粉器5一次性提供满足单层铺粉所需要重量的金属粉末； 成形基板14下降与沉积厚度T相同的距离；

(6)粉末供给及扫描模块1沿铺粉方向相对工作平面向左运动。第一 单向铺粉器5运动至成形缸16表面后，开始在成形缸16表面均匀铺设厚度为 T的新一层金属粉末。粉末供给及扫描模块1继续沿铺粉方向相对工作平面 向左运动，并带动高能束扫描发生器的有效加工覆盖区域一并向左相对运 动，直至高能束扫描发生器的有效加工覆盖区域26右侧边界恰好与成型缸 16右侧边界重合后停止，第一单向铺粉器5、第二单向铺粉器6仍对称分布 于有效加工覆盖区域26两侧，以保证粉末床铺设与高能束扫描过程互不影 响。高能束扫描发生器据控制系统切片提供的图形数据，选择性扫描有效 加工覆盖区域26内部的粉末床；

(7)粉末供给及扫描模块1继续沿铺粉方向相对工作平面向左做步进 距离等于一个有效加工覆盖区域26直径D的步进运动，每运动一个步进距离 后，高能束扫描发生器根据控制系统切片提供的图形数据，选择性扫描有 效加工覆盖区域26内部的粉末床，直至完成当前加工层所有图形数据的扫 描；然后，粉末供给及扫描模块1继续沿铺粉方向相对工作平面向左运动， 第一单向铺粉器5将可能剩余的金属粉末送入第一粉末回收缸7。粉末供给 及扫描模块1继续沿铺粉方向相对工作平面向左运动，直至第二单向铺粉器 6下端运动至第一粉末回收缸7及成形缸16之间。成形基板14下降与沉积厚 度T相同的距离；

(8)重复步骤(1)～(7)，直至完成金属零部件的最终成形。

采用步进式高能束扫描方法，一方面，能够避免高能束扫描发生器在 “飞行”状态下进行高能束的输出与选择性扫描，降低设备成本，进一步保证 零部件精度及表面质量；另一方面，粉末床的铺设与高能束扫描发生器的 运动依然同步，仍能够极大缩短采用常规高能束增材制造设备进行加工时 因预置粉末床而造成的“等待时间”，从而保证了高能束增材制造的效率。显 然，步进式高能束扫描方法也可应用于实施例3所涉及的高能束增材制造设 备，此时，具体控制流程如下：

(1)将双向铺粉器30置于第一贮粉斗3下方，根据零件的精度要求， 设计增材制造工艺过程中单层粉末厚度增量T，调节第一贮粉斗3的单次流 量，为双向铺粉器30一次性提供满足单层铺粉所需要重量的金属粉末；

(2)双向铺粉器30沿铺粉方向匀速向右运动，运动至成形缸16表面后 开始在成形缸16表面均匀铺设厚度为T的金属粉末层；双向铺粉器30运动某 一时间t后，高能束扫描发生器自双向铺粉器30左上方，开始以同一速度沿 铺粉方向向右运动，并带动高能束扫描发生器的有效加工覆盖区域26一并 向右运动。当有效加工覆盖区域26左侧边界恰好与成型缸16左侧边界重合 后，双向铺粉器30与高能束扫描发生器运动停止。双向铺粉器30位于有效 加工覆盖区域26右侧，以保证粉末床铺设与高能束扫描过程互不影响。高 能束扫描发生器根据控制系统切片提供的图形数据，选择性扫描有效加工 覆盖区域26内部的粉末床；

(3)有效加工覆盖区域26内部的粉末床扫描完成后，双向铺粉器30与 高能束扫描发生器继续以同一速度沿铺粉方向向右运动一个相当于有效加 工覆盖区域26直径D的距离后停止，高能束扫描发生器再次根据控制系统切 片提供的图形数据，选择性扫描有效加工覆盖区域26内部的粉末床；

(4)之后，双向铺粉器30与高能束扫描发生器按照前述方式，以同一 速度继续沿铺粉方向向右做步进距离等于一个有效加工覆盖区域26直径D 的步进运动，每运动一个步进距离后，高能束扫描发生器根据控制系统切 片提供的图形数据，选择性扫描有效加工覆盖区域26内部的粉末床，直至 完成当前加工层所有图形数据的扫描；

(5)高能束扫描发生器运动停止，双向铺粉器30继续沿铺粉方向向右 运动，并将可能剩余的金属粉末送入第二粉末回收缸8；

(6)双向铺粉器30沿铺粉方向向左运动至第二贮粉斗4下方，根据增 材制造工艺过程中单层粉末厚度增量T，调节第二贮粉斗4的单次流量，为 双向铺粉器30一次性提供满足单层铺粉所需要重量的金属粉末；成形基板 14下降与沉积厚度T相同的距离；

(7)双向铺粉器30沿铺粉方向匀速向左运动，并在运动至成形缸16表 面后开始在成形缸16表面均匀铺设厚度为T的新的金属粉末层。双向铺粉器 30运动某一时间t后，高能束扫描发生器自双向铺粉器30右上方，开始沿铺 粉方向以同一速度匀速向左运动，并带动高能束扫描发生器的有效加工覆 盖区域一并向左运动，直至高能束扫描发生器的有效加工覆盖区域26右侧 边界恰好与成型缸16右侧边界重合后停止。此时，双向铺粉器30位于于有 效加工覆盖区域26左侧，以保证粉末床铺设与高能束扫描过程互不影响。 高能束扫描发生器根据控制系统切片提供的图形数据，选择性扫描有效加 工覆盖区域26内部的粉末床；

(8)之后，双向铺粉器30与高能束扫描发生器继续按照前述方式，以 同一速度沿铺粉方向向左做步进距离等于一个有效加工覆盖区域26直径D 的步进运动，每运动一个步进距离后，高能束扫描发生器根据控制系统切 片提供的图形数据，选择性扫描有效加工覆盖区域26内部的粉末床，直至 完成当前加工层所有图形数据的扫描；

(9)高能束扫描发生器运动停止，双向铺粉器30继续沿铺粉方向向左 运动，并将可能剩余的金属粉末送入第一粉末回收缸7。成形基板14下降与 沉积厚度T相同的距离；

(10)重复步骤(1)～(9)，直至完成金属零部件的快速成形。

以上所述仅为本发明的较佳实例，但本发明不应该局限于上述实例和 附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改， 仍应视为本发明保护范围之内。