复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法及三维成型装置

摘要

一种复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法，包括：获取零件的片层信息；控制第一激光根据获取的片层信息熔融物料，形成零件薄层；控制第二激光根据获取的片层信息切割所述零件薄层；重复上述从“获取零件的片层信息”至“控制第二激光根据获取的片层信息切割所述零件薄层的边缘轮廓”的步骤直至零件成型完成。所述复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法通过第一激光进行增材制造，再配合第二激光对每层零件薄层的切割，有效提高零件的加工精度和效率，开辟了一种全新的复杂内腔、深孔、到锥孔、薄壁等特殊结构的制备方法，弥补了现有三维成型技术的加工精度相对低的缺点。本发明还提供一种三维成型装置，用于实现所述复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法。

说明书

技术领域

本发明涉及三维成型领域，尤其涉及一种复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法及三维成型装置。

背景技术

三维成型技术是融合了多种现代科学技术而发展起来的先进智能制造方法，它是通过获取零件信息，并在热源作用下通过逐层增材制造的方法成形任意复杂零件，已广泛应用于模具制造、航空航天、医疗器械、工业验证、手板制造、模型设计、艺术创作、汽车、电子及教育科研等行业领域。

但是，现有的三维成型技术制造出的工件尺寸精度及表面粗糙度往往难以满足精密零部件的加工要求，需要在增材制造成型完成后将产品转移到机械加工设备中进行再次加工，降低加工效率。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种能够提高零件加工精度的复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法和装置。

一种复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法，包括：

获取零件的片层信息；

控制第一激光根据获取的片层信息熔融物料，形成零件薄层；

控制第二激光根据获取的片层信息切割所述零件薄层的边缘轮廓；

重复上述从“获取零件的片层信息”至“控制第二激光根据获取的片层信息切割所述零件薄层的边缘轮廓”的步骤直至零件成型完成。

优选地，所述步骤“所述第二激光根据获取的片层信息切割所述零件薄层”包括：

根据获取的片层信息确定切割余量；

控制第二激光根据所述切割余量切割所述零件薄层的边缘轮廓。

优选地，所述步骤“第二激光根据所述切割余量切割所述零件薄层的边缘轮廓”包括：

根据所述切割余量和物料性能确定第二激光的切割次数；

控制第二激光按照预定规则分多次切割所述零件薄层的边缘轮廓。

优选地，所述步骤“第二激光按照预定规则分多次切割所述零件薄层的边缘轮廓”包括：

检测第二激光单次切割的实际切割量；

若所述实际切割量小于一预设范围，控制第二激光继续切割所述零件薄层的边缘轮廓；

若所述实际切割量达到所述预设范围，控制第二激光完成切割。

优选地，在所述步骤“第二激光继续切割所述零件薄层的轮廓”之前还包括步骤：

根据所述实际切割量修正第二激光的能量参数。

优选地，在步骤“控制第二激光根据获取的片层信息切割所述零件薄层的边缘轮廓”之后还包括：

判断切割后的零件薄层是否包括所述零件的上表面；若包括所述零件的上表面，则对所述上表面进行机械加工。

优选地，所述复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法在零件成型完成之后还包括步骤：

根据获取的片层信息确定与成型平台相背的零件表面；

对所述与成型平台平行的零件表面进行机械加工。

优选地，所述第一激光为连续激光，激光功率为100-1000W，扫描速度为1000-6000mm/s；所述第二激光为脉冲激光，激光功率为5-200W。

一种三维成型装置，所述三维成型装置用于实现上述任一项所述的复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法，所述三维成型装置包括：

第一激光组件，用于发射第一激光以熔融物料，形成零件薄层；

第二激光组件，用于发射第二激光以切割所述零件薄层的边缘轮廓；和

控制单元，电连接所述第一激光组件和所述第二激光组件，所述控制单元根据需要成型的零件信息切换所述第一激光和所述第二激光，并控制所述第一激光和所述第二激光的能量。

优选地，所述三维成型装置还包括：

机械加工组件，与所述控制单元电连接，所述机械加工组件用于加工零件上的与成型平台相背的表面；和

光学检测组件，与所述控制单元电连接，所述光学检测组件用于检测第二激光的实际切割量。

上述复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法和装置通过第一激光进行增材制造，再配合第二激光对每层零件薄层的切割，有效提高零件的加工精度和效率。

附图说明

图1为复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法在一实施例中的流程图。

图2为复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法在另一实施例中的流程图。

图3为需要三维成型的零件在一实施例中的结构示意图。

图4为三维成型装置在一实施例中的结构框图。

主要元件符号说明：

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1和图3，需要成型的零件2是在具有气体保护和循环净化烟尘的成型室内按照预设的参数进行逐层成型的。进行三维成型使用的物料优选为粉末材料，可以是金属粉末。金属粉末包括不锈钢、模具钢、钛合金、铝合金、贵金属等材料。零件的复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法包括下述步骤：

步骤S1，获取零件的片层信息。

具体地，将需要成型的零件三维模型导入到一三维成型控制系统中，依靠系统程序获取零件的片层信息，用于后续的逐层成型工作。需要成型的零件可以具有异形内腔、薄壁、倒锥孔、深孔等普通机械加工难以制造的特殊结构。

步骤S2，第一激光根据获取的片层信息熔融物料，形成零件薄层。

具体地，三维成型控制系统根据获取的片层信息在铺设对应的物料粉末，然后使用第一激光根据获取的片层信息熔融铺设好的物料粉末，形成零件薄层。其中，当所述零件薄层为第一层零件薄层时，所述零件薄层形成在成型平台上；当所述零件薄层不是第一层零件薄层时，所述零件薄层形成在前一层零件薄层上。零件薄层的厚度根据物料的材料性能和第一激光的工艺参数决定，并且零件薄层的厚度参数包括在零件的片层信息中。第一激光为连续激光，激光功率为100-1000W，扫描速度为1000-6000mm/s，光斑直径控制在60-150μm之间。

步骤S3，第二激光根据获取的片层信息切割所述零件薄层的边缘轮廓。

具体地，单层零件薄层完成制造后，三维成型系统迅速切换光源，将第一激光切换为第二激光，第二激光用于切割所述零件薄层的边缘轮廓，对零件薄层的轮廓进行微加工，保证每层零件薄层的外轮廓质量。整个零件2的外表面22，除了平行于成型平台的表面，都是由多层零件薄层的边缘轮廓组成的，保证每层零件薄层的外轮廓质量，能够提高整个零件2的外表面22的加工精度，避免因为零件薄层的误差积累导致零件表面的加工精度不达标。将每层零件薄层的边缘轮廓尺寸通过第二激光切割控制在要求的精度范围内，多层零件薄层切割后的边缘累积叠加形成的表面就是符合精度要求的表面，无需再进行其他机械精加工。零件薄层的边缘轮廓可以是多种形状，故而切割后的边缘累积叠加形成的表面也可以是复杂内腔、薄壁、倒锥孔、深孔等多种结构的表面，第二激光切割零件薄层的边缘轮廓的方式降低了制造具有复杂内腔、薄壁、倒锥孔、深孔等多种复杂结构零件的难度。

第二激光为脉冲激光，激光功率为5-200W，脉冲宽度可以选择纳秒、皮秒、飞秒等。第二激光的脉冲宽度根据零件表面的质量要求进行选择，在一定范围内，第二激光的脉冲宽度越小，切割质量越高，加工精度能够控制在10μm以内。对于具有薄壁结构的零件，可加工的薄壁厚度低至80μm。

第二激光对零件薄层的切割可以一次完成，也可以分多次完成，为了避免切割失误，本实施例优选为多次切割。三维成型系统根据获取的片层信息和切割所需的工艺参数确定出零件薄层的切割余量，再根据切割余量和物料粉末的材料性能确定出第二激光的切割次数，第二激光按照预定规则分多次切割所述零件薄层的边缘轮廓，不断逼近实际所需的尺寸精度和表面质量要求。

由于不同材料对激光的吸收率不一样，零件薄层的厚度也会对切割加工有不同要求，三维成型系统中可以建立并存储一个成型材料的切割工艺参数库，针对不同的成型材料从参数库中调用特定的工艺参数以定制第二激光的切割规则。切割工艺参数包括脉冲激光功率、激光频率、激光脉宽、扫描速度、单次切割进给量等。

在另一实施例中，第二激光进行切割时，三维成型系统可以检测第二激光单次或多次切割的实际切割量。若检测的实际切割量小于一预设范围，则三维成型系统控制第二激光继续切割当层零件薄层，并根据检测的实际切割量实时调整第二激光的能量或工艺参数，避免切割量过大。若检测的实际切割量达到所述预设范围，则可以判定第二激光完成对当层零件薄层的切割，可以进行下一步骤。

步骤S4，判断切割后的零件薄层是否具有零件2的上表面21。所述零件的上表面是与成型平台相背的零件表面。若根据获取的片层信息判定切割后的零件薄层是零件的上表面，则所述切割后的零件薄层上不需要形成新的零件薄层，进入步骤S5，机械加工零件薄层的表面。三维成型系统的机械加工组件利用当前的位置参数直接对所述切割后的零件薄层表面进行机械加工，无需将成型的零件移动到其他机械加工设备中进行机械加工。机械加工包括铣削、磨、精雕、刨等加工方式。机械加工完成后回到步骤S1，继续进行成型工作直到整个零件完成成型工作。

若判定所述切割后的零件薄层不是零件的上表面，则所述切割后的零件薄层上需要形成新的零件薄层，回到步骤S1，继续进行零件的成型工作。

实施例二

请参阅图2，实施例二的复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法与实施例一大致相同，区别在于，当步骤S3完成后，即第二激光完成对零件薄层的切割后，进入步骤S4’，判断零件的成型工作是否完成。若三维成型系统判定零件的成型工作完成，即所有的零件薄层都逐层制造和切割完毕，三维成型系统根据获取的片层信息或零件的三维模型确定出所有与成型平台相背的零件表面，进入步骤S5’，利用机械加工组件对所述与成型平台相背的零件表面逐一进行机械加工，从而完成零件的制备过程。

若判定零件的成型工作未完成，则回到步骤S1，继续进行零件的成型工作。

请参阅图4，本发明还提供一种三维成型装置3，用于实现上述任一项所述的复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法。所述三维成型装置3包括控制单元31、第一激光组件32、第二激光组件33、机械加工组件34、光学检测组件35和物料供给组件36。所述控制单元31分别与所述第一激光组件32、第二激光组件33、机械加工组件34、光学检测组件35和物料供给组件36电连接，执行复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法的程序或系统存储在所述控制单元31的存储器中，并由所述控制单元31的处理器来执行相关命令。

物料供给组件36根据零件2的成型信息在成型平台1上铺设相应的物料，所述第一激光组件32在所述控制单元31的控制下发射第一激光以熔融物料，在成型平台1上形成零件薄层。随后控制单元31根据零件2的成型信息切换光源，控制所述第二激光组件33发射第二激光以切割所述第一激光形成的零件薄层。所述控制单元31还用于根据不同材料性能选择和控制第一激光和第二激光的能量或工艺参数。所述机械加工组件34用于加工零件上的与成型平台平行的表面。所述光学检测组件用于检测第二激光的实际切割量和观测零件2的实际成型情况。所述光学检测组件包括相机、显微镜等光学检测器件。

本发明复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法和装置通过第二激光对每层零件薄层的切割，保证每层零件薄层的外轮廓质量，能够提高整个零件2的外表面22的加工精度，大幅度降低零件表面的粗糙度，避免因为零件薄层的误差积累导致零件表面的加工精度不达标。同时，在不移动三维成型零件的情况下，本发明的三维成型装置3还利用机械加工组件34对零件的上表面进行机械加工，无需使用额外的机械加工设备，快速实现一步到位生产各种精密零件，有效提高零件的加工效率。对于具有复杂内腔、深孔、倒锥孔、薄壁等特殊结构的零件，或在传统机械加工方式上难以加工甚至无法加工的零件，本发明的复杂内腔或精密薄壁零件的制备方法和装置能够快速、高效的完成加工，同时保证产品的精度需求，弥补了现有的增材制造技术的加工精度相对低的缺点，属于增材制造的一个新的技术突破。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。