[發(fā)明專利]液浮粉末床增材制造設(shè)備和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910185600.2
• 申請日: 2019-03-12
• 公開（公告）號: CN110523977B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林峰;張磊;王東方
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y30/00
• 代理公司: 北京景聞知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11742
• 代理人: 李芳

本發(fā)明公開了一種液浮粉末床增材制造設(shè)備和方法，液浮粉末床增材制造設(shè)備包括：成形室；工作臺裝置，工作臺裝置設(shè)于成形室且具有成形區(qū)域，工作臺裝置至少包括一個成形缸，成形缸被構(gòu)造成適于盛裝浮液；粉末供給裝置，粉末供給裝置被構(gòu)造成適于將成形粉末鋪展于浮液的表面，成形粉末在浮力的作用下浮于浮液表面以形成覆蓋成形區(qū)域的粉末床；至少一個高能束發(fā)射聚焦掃描裝置，高能束發(fā)射聚焦掃描裝置被構(gòu)造成發(fā)射高能束對粉末床進行成形處理，以使成形粉末逐層沉積而形成三維零件。根據(jù)本發(fā)明實施例的液浮粉末床增材制造設(shè)備能夠減少成形粉末的用量、提高成形粉末的利用率、降低三維零件的熱應(yīng)力，且滿足多種形式的復(fù)合加工制造和在線檢驗的需要。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種液浮粉末床增材制造設(shè)備和一種液浮粉末床增材制造方法。

背景技術(shù)

基于高能束（如激光、電子束等）選區(qū)熔化的粉末床熔融（powder bed fusion，PBF）和激光/電子束的熔覆沉積制造（cladding deposition manufacturing，CDM）是兩種典型的增材制造工藝，相對于將材料（粉末或絲材）直接送入熔池的CDM技術(shù)，PBF技術(shù)雖然成形效率較低、成形尺寸較小，但在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和特殊材料的三維成形方面具有很大的優(yōu)勢。

相關(guān)技術(shù)中的PBF成形工藝，其過程為用激光或電子束掃描預(yù)先鋪設(shè)好的粉末床，逐層燒結(jié)或熔化粉末材料，使材料逐層堆積成形，而三維零件則逐層地被埋入粉末床。因此粉末床的深度，必須大于三維零件最終的高度尺寸，而粉末床的水平尺寸則與成形缸的平面尺寸相當(dāng)。然而，隨著粉末床熔融工藝的不斷成熟和需求的增長，成形零件的尺寸越來越大，成形缸的尺寸也隨之增大，粉末床的容積則隨之成指數(shù)倍的增長。

對于一定規(guī)格或型號的粉末床熔融設(shè)備而言，其成形缸必須按其成形零件的極限尺寸設(shè)置，以便容納其參數(shù)指標(biāo)中所承諾的最大成形零件。而在設(shè)備的實際使用過程中，成形零件的尺寸或體積時大時小，但現(xiàn)有的工藝要求成形缸必須始終被填滿粉末，才能保證粉末床熔融工藝的正常運行。

鑒于此，一方面造成PBF增材制造設(shè)備必要按成形缸的最大容量設(shè)計粉末供給系統(tǒng)，無形中增大了設(shè)備的體積和重量；另一方面也使設(shè)備用戶必須采購遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所要制造零件的體積或重量的粉末材料，以填充成形缸。雖然成形后未燒結(jié)或未熔化的粉末可以被循環(huán)再使用，但研究和實踐表明，超過一定次數(shù)（約10次）循環(huán)使用后，因氧化和流動性下降，粉末不能再使用，必須更換新粉末，因此造成極大的浪費，這使得增材制造技術(shù)所具有的近凈成形及材料利用率高的優(yōu)勢受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)和質(zhì)疑。由于粉末價格較高（是同等重量塊材價格的10-20倍），對于致力于將增材制造技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的企業(yè)，需要投入和消耗大量資金，購買填充粉末床的粉末，這將嚴(yán)重影響企業(yè)的經(jīng)濟效益和資金循環(huán)。

對于基于激光的粉末床熔融增材制造技術(shù)（SLM），還存在粉末床溫度較低（一般不高于200℃）、導(dǎo)致三維零件熱應(yīng)力大、易開裂、無法成形塑性較差的材料等不足。雖然可以通過底板加熱，但只能對接近底板的低層粉末有加熱作用，改善高度較低零件的熱應(yīng)力情況，而無法加熱高層粉末。隨著零件成形高度的增加，上層粉末的溫度會越來越低，熱應(yīng)力改善的效果會越來越弱，因此無法徹底解決SLM工藝熱應(yīng)力大的問題。

此外，粉末床在受到擾動時無法保證平整性，因此三維零件在成形過程中進行升降或平移會破壞粉末床的完整性，這樣導(dǎo)致在粉末床熔融工藝過程中三維零件無法脫離粉末床而進行其它形式的加工，不能滿足多種形式的復(fù)合加工制造和在線檢驗的需要。

中國專利CN201410011190.7、CN201721401509.2和CN201711025216.3公開了一種與成形零件同步地逐層制作隨形成形缸的裝置及工藝。這種工藝不需要設(shè)置固定尺寸的成形缸，而是在PBF增材制造過程中利用激光熔覆沉積或激光選區(qū)熔化等方法同步制作隨形成形缸，并通過能夠自動適應(yīng)隨形成形缸頂面形狀的鋪粉裝置進行鋪粉。中國專利CN201611194738.1公開了一種具有這種功能的鋪粉裝置。在成形完成后，要破壞隨形成形缸，以取出成形的零件。