本實用新型屬于增材制造技術領域，具體涉及一種金屬零件的激光增材制造裝備。

背景技術：

隨著高能束裝備質量的不斷提升與三維數據處理技術的日益發(fā)展，金屬零件3D打印技術的廣闊前景和巨大市場已成為不爭的事實，各種各樣的高能束增材制造方法與裝備也應運而生。

目前，高能束增材制造技術主要以激光束、等離子束、電子束和電弧為加工能量源。其中，激光增材制造技術因成形性能好、材料適應性廣泛等諸多優(yōu)點，成為金屬零件增材制造工藝的常用加工方法。

根據工藝特征的不同，發(fā)展較為成熟的激光增材制造技術可分為激光熔覆沉積(Laser Cladding Deposition，LCD)、激光送絲沉積(Laser Wire Deposition，LWD)和激光選區(qū)熔化技術(SelectiveLaser Melting，SLM)。其中，激光熔覆沉積與激光送絲沉積采用同步送料的工藝，在加工成形過程中利用同軸送料噴嘴將金屬粉末/金屬絲同步運送至由激光束輻照形成的動態(tài)熔池中，進而完成金屬粉末/金屬絲的熔化、凝固成形。

為保證金屬粉末/金屬絲能被動態(tài)熔池捕捉，激光熔覆沉積與激光送絲沉積技術一般采用高功率、大束斑激光束以獲得大尺寸動態(tài)熔池，故具有較高的成形效率。然而，在激光熔覆沉積與激光送絲沉積技術中，同軸送料噴嘴與工件的相對移動主要通過加速度較小、靈活性較低的傳統(tǒng)機床來實現(xiàn)，致使該技術無法成形結構復雜的金屬零件，且成形精度較差。

激光選區(qū)熔化技術采用預置鋪粉的方式，其預先使用刮刀在基板上方鋪設一層具有一定厚度的金屬粉末，再利用掃描振鏡輸出激光束，以實現(xiàn)對粉末層的選擇性熔化/凝固成形。一方面，由于金屬粉末處于靜止狀態(tài)，使用功率較低、束斑較細小的激光束即可將其捕捉；另一方面，在掃描振鏡的控制下，激光束可輕松實現(xiàn)復雜路徑的掃描。這使得激光選區(qū)熔化技術可以完成各種復雜結構金屬零件的成形。然而，由于工藝特征的限制，激光選區(qū)熔化技術必須使用成形缸來容納基板和基板上方的零件及粉末床?，F(xiàn)有激光選區(qū)熔化裝備的成形缸都是固定的，其所能成形金屬零件的最大尺寸受其成形缸大小的限制。如果需成形大尺寸零件，則必須使用具有相應尺寸成型缸的激光選區(qū)熔化裝備。當使用具有大尺寸成形缸的激光選區(qū)熔化裝備制造大尺寸金屬零件時，成形缸內承載的大量粉末會給設備中的活塞、絲桿等機械運動部件帶來巨大的負荷，裝備的制造難度與維護成本大幅度上升。

綜上所述，現(xiàn)有的激光增材制造技術仍存在應用的局限性。其中，激光熔覆沉積與激光送絲沉積技術僅適用于簡單結構金屬零件的成形制造，激光選區(qū)熔化技術則主要用于中小尺寸精密金屬零件的成形制造。

為突破現(xiàn)有技術瓶頸，發(fā)明人所在團隊曾提出一種新型的激光增材制造方法(公開號CN 103726049A)。該方法首先利用激光熔覆沉積技術(LCD)制備一層形狀與金屬零件層相適應的閉合隨形缸體；然后以隨形缸體為鋪粉基準，在其內部鋪置粉末層，并采用掃描振鏡制造金屬零件層；不斷重復隨形缸體和金屬零件層的制造過程，直至完成金屬零件層的制造。顯然，該發(fā)明突破了常規(guī)激光選區(qū)熔化裝備中尺寸固定的成型缸所帶來的各種限制，能夠實現(xiàn)大尺寸、復雜結構金屬零件的快速制造。

然而，無論利用現(xiàn)有激光選區(qū)熔化技術還是CN 103726049A提出的新型增材制造方法，所成形的金屬零件表面粗糙度仍然偏高，通常須在成形 后利用傳統(tǒng)機床對零件關鍵位置施以機械加工方可滿足工業(yè)應用的要求。若金屬零件含有內流道結構等復雜內表面，則在增材成形后對這些半封閉內表面施以機械加工的難度極高。許多情況下，即使耗費大量成本對此類零件進行后續(xù)加工，也無法使其內表面精度滿足設計需求，影響其使用效果。

因此，開發(fā)能夠成形大尺寸、高精度復雜金屬零件，且無需在成形后對零件內外表面施加后處理的新型制造方法具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有金屬零件增材制造技術的不足，本實用新型提出了一種金屬零件的激光增材制造裝備，旨在一次性地實現(xiàn)大尺寸及結構金屬零件的高精度成形。

本實用新型提供一種激光增材制造裝備，其特征在于，該裝備包括工作艙、預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件、移動機構和控制系統(tǒng)；

所述工作艙用于為金屬零件的增材制造提供惰性、無粉塵的工作環(huán)境；

所述預置鋪粉快速成形組件用于完成金屬粉末的預置和激光選區(qū)熔化；

所述隨形缸體設置與移除組件用于逐層設置形狀與金屬零件切片層相適應、可容納金屬粉末床的閉合隨形缸體；金屬零件成形后，隨形缸體設置與移除組件還用于將隨形缸體移除，以方便金屬零件的取出；

所述機械加工組件用于在金屬零件制造過程中對已形成的零件片層進行機械加工；

所述移動機構用于協(xié)助預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件按照各自的加工軌跡運行；

所述控制系統(tǒng)用于處理金屬零件CAD模型，生成所述預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件的加工軌跡，并驅動裝 備各部分協(xié)同運轉。

所述隨形缸體具體可采用激光熔覆沉積、激光送絲沉積、逐層鋪置閉合薄片材料和上升預置于基板下方的環(huán)形缸體等方式獲得。

本實用新型包括一種新型的兼具激光增材制造與減材制造特征的金屬零件制造裝備，具體而言，本實用新型具有以下技術效果：

(1)本實用新型在金屬零件的激光增材制造過程中重復“隨形缸體切片層設置-鋪粉-金屬零件切片層激光選區(qū)熔化”這一過程，并可根據精度需求，在下一隨形缸體切片層設置前，使用機械加工組件對當前已成形的金屬零件片層進行機械加工，不但繼承了激光選區(qū)熔化技術能夠成形各種復雜結構的優(yōu)點，還突破了常規(guī)激光選區(qū)熔化設備中尺寸固定成型缸對零部件尺寸的限制，同時避免了現(xiàn)有激光增材制造中零件內表面精度難以達標的問題，可一次性地制造各種尺寸及結構的高精度金屬零件；

(2)本實用新型實現(xiàn)方式較為靈活，隨形缸體的設置既可通過激光熔覆沉積或激光送絲沉積技術，又可通過逐層鋪置閉合薄片材料；若待成形金屬零件的切片外輪廓沿成形方向變化較小，亦可將環(huán)形缸體提前預置于基板下方，并在金屬零件的激光選區(qū)熔化過程中通過基板上預留的閉合通槽逐步上升；多樣化的實現(xiàn)方式使得本實用新型適用于不同背景與需求的金屬零件制造者；

(3)由于隨形缸體可根據金屬零件的切片輪廓逐層變化以緊貼零件，需填入隨形缸體的金屬粉末比使用傳統(tǒng)SLM設備固定“成型缸”時要明顯較少，可以大幅度減少金屬粉末用量，降低零件制造成本；

(4)當激光增材制造裝備包含同軸送料噴嘴時，可根據金屬零件特征，同時或交替使用掃描振鏡和同軸送料噴嘴完成金屬零件的制造，進一步提高加工效率；

(5)激光增材制造裝備中隨形缸體設置與移除組件、預置鋪粉快速成 形組件、機械加工組件的數量可靈活擴展，以實現(xiàn)大批量金屬零件的同批次制造。

附圖說明

圖1(a)、1(b)為激光增材制造裝備的第一種實施方式，其中，1(a)為裝備整體示意圖，1(b)為工作艙體內部細節(jié)示意圖；

圖2(a)、2(b)為激光增材制造裝備的第二種實施方式，其中，2(a)為裝備整體示意圖，2(b)為工作艙體內部細節(jié)示意圖；

圖3(a)、3(b)為激光增材制造裝備的第三種實施方式，其中，3(a)為裝備整體示意圖，3(b)為工作艙體內部細節(jié)示意圖；

圖4(a)、4(b)為激光增材制造裝備的第四種實施方式，其中，4(a)為裝備整體示意圖，4(b)為工作艙體內部細節(jié)示意圖；

圖5(a)、5(b)為激光增材制造裝備的第五種實施方式，其中，5(a)為裝備整體示意圖，5(b)為工作艙體內部細節(jié)示意圖；

圖6(a)、6(b)、6(c)分別為實施例6中金屬零件的CAD模型的正視示意圖、俯視示意圖和A-A剖面示意圖。

圖中，激光源1，選區(qū)熔化用激光傳導光纖2，送料軟管3，切割用激光束傳導光纖4，輔助氣流傳輸軟管5，沉積用激光束傳導光纖6，吊臂7，激光沉積與切割主機8，保護氣源9，工作艙體10，第一、第二、每三伸縮式保護罩11、12、13，手套箱接頭14，艙門15、除塵系統(tǒng)16、龍門式框架17、水平基座18、移動導軌19，基板20，粉末存儲腔21，鋪粉器22，刮刀23，水平框架24，可伸縮立柱25，側向導軌26，懸臂27，激光切割頭28，旋轉基座29，同軸送料噴嘴30，機械加工夾具31，刀具32，掃描振鏡33，防塵罩34，擴束鏡35，第一至和三多關節(jié)智能機器臂36、37、38，激光切割主機39，第四多關節(jié)智能機器臂40，自動送料機構41，閉合薄片材料42，工作臺43，閉合通槽44，隨形缸體45，活塞46，定位圓柱 47，絲桿48，掃描振鏡框架49。

具體實施方式

下面通過借助實施例及附圖更加詳細地說明本實用新型，但下列實施例及附圖僅是說明性的，本實用新型的保護范圍并不受這些實施例的限制。此外，下面所描述的各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

本實用新型提供的一種激光增材制造裝備，其特征在于，該裝備包括工作艙、預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件、移動機構和控制系統(tǒng)；

所述工作艙用于為金屬零件的增材制造提供惰性、無粉塵的工作環(huán)境；

所述預置鋪粉快速成形組件用于完成金屬粉末的預置和激光選區(qū)熔化；

所述隨形缸體設置與移除組件用于逐層設置形狀與金屬零件切片層相適應、可容納金屬粉末床的閉合隨形缸體；金屬零件成形后，隨形缸體設置與移除組件還用于將隨形缸體移除，以方便金屬零件的取出；

所述機械加工組件用于在金屬零件制造過程中對已形成的零件片層進行機械加工；

所述移動機構用于協(xié)助預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件按照各自的加工軌跡運行；

所述控制系統(tǒng)用于處理金屬零件CAD模型，生成預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件的加工軌跡，并驅動裝備各部分協(xié)同運轉。

所述隨形缸體具體可采用激光熔覆沉積、激光送絲沉積、逐層鋪置閉合薄片材料和上升預置于基板下方的環(huán)形缸體等方式獲得。

使用該裝備制造金屬零件的方法可概括為以下步驟：

(1)控制系統(tǒng)處理金屬零件CAD模型，根據模型切片輪廓信息生成預 置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件和機械加工組件的加工軌跡；若隨形缸體是通過逐層鋪置閉合薄片材料這種方式設置，則還需在工作艙內預置形狀與切片輪廓相適應、數量與切片層數相同的閉合薄片材料；若隨形缸體是通過逐層上升預置于基板下方的環(huán)形缸體這種方式設置，則還需在工作艙內預置形狀與切片輪廓相適應的環(huán)形缸體；

(2)在工作艙內安裝、調平基板；

(3)工作艙為金屬零件的增材制造建立惰性、無粉塵的工作環(huán)境；

(4)隨形缸體設置與移除組件設置隨形缸體的第一切片層；

(5)預置鋪粉快速成形組件在隨形缸體第一切片層所圍區(qū)域內部預置一層金屬粉末，并對該層粉末進行激光選區(qū)熔化，成形金屬零件的第一切片層；根據精度需求，機械加工組件可對已成形的金屬零件片層進行機械加工；

(6)重復“隨形缸體切片層設置-鋪粉-金屬零件切片層激光選區(qū)熔化成形”這一過程，并可根據精度需求，在下一隨形缸體切片層設置前，使用機械加工組件對當前已成形的金屬零件片層進行機械加工，直至完成金屬零件的制造；

(7)使用隨形缸體設置與移除組件將隨形缸體從基板表面移除，制得所需的金屬零件。

實例：

實施例1

如圖1所示，本實用新型實例提供的一種激光增材制造裝備，包括工作艙、預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件、移動機構和控制系統(tǒng)。

所述工作艙包含工作艙體10、保護氣源9與除塵系統(tǒng)16；工作艙體10底部設有水平基座18，側面設有艙門15和手套箱接頭14；保護氣源9與除塵系 統(tǒng)16位于工作艙體10外部；其中，保護氣源9負責向工作艙體10內部提供保護氣體；除塵系統(tǒng)16內部安裝有多級濾芯及循環(huán)風機，用于凈化工作艙體10內部因高能束輻照和機械加工產生的粉塵。

預置鋪粉快速成形組件包含激光源1、選區(qū)熔化用激光傳導光纖2、基板20、粉末存儲腔21、鋪粉器22、刮刀23、掃描振鏡33、防塵罩34和擴束鏡35；其中，激光源1位于工作艙體10外部，基板20、粉末存儲腔21、鋪粉器22、刮刀23、掃描振鏡33、防塵罩34、擴束鏡35則位于工作艙體10內部；基板20安裝在水平基座18上表面；鋪粉器22位于基板20上方，用于接收位于工作艙體10上部的粉末存儲腔21所提供的金屬粉末，其下方安裝有刮刀23；激光源1可通過選區(qū)熔化用激光傳導光纖2將激光束傳輸至擴束鏡35；擴束鏡35負責對入射激光束進行準直，然后將其傳輸至安裝在防塵罩34內部的掃描振鏡33；掃描振鏡33可根據預設的掃描路徑輸出激光束，后者經安裝在防塵罩34下部的動態(tài)聚焦鏡聚焦后，選擇性地熔化金屬粉末床。

隨形缸體設置與移除組件包含送料軟管3、切割用激光束傳導光纖4、輔助氣流傳輸軟管5、沉積用激光束傳導光纖6、激光沉積與切割主機8、激光切割頭28、同軸送料噴嘴30；激光沉積與切割主機8位于工作艙體10之外，其內部具有高功率激光源、送料機構和輔助氣源；高功率激光源可輸出高功率激光束；送料機構可選用現(xiàn)有激光熔覆沉積裝備或激光送絲沉積裝備中的送粉裝置或送絲裝置；輔助氣源可輸出用于激光切割的高壓保護氣流；同軸送料噴嘴30與激光切割頭28位于工作艙體10內部，兩者分別用于隨形缸體的制造與切除；同軸送料噴嘴30與現(xiàn)有激光熔覆沉積裝備或激光送絲沉積裝備中的同軸送料噴嘴結構相同；激光沉積與切割主機8通過沉積用激光束傳導光纖6、送料軟管3為同軸送料噴嘴30提供激光熔覆沉積或激光送絲沉積所需的激光束與金屬粉末或絲材；激光沉積與切割主機8通過切割用激光束傳導光纖4、輔助氣流傳輸軟管5為激光切割頭28提供切割所需的激 光束與高壓保護氣流。

機械加工組件位于工作艙體10內部，包含機械加工夾具31與刀具32；其中，機械加工夾具31用于安裝刀具32；刀具32可根據實際需要選用相應型號的銑刀、車刀等，并可在零件成形過程中通過手套箱接頭14快速更換。

移動機構包含龍門式框架17、移動導軌19、吊臂7、第一伸縮式保護罩11、第二伸縮式保護罩12、每三伸縮式保護罩13、水平框架24、可伸縮立柱25、側向導軌26、懸臂27和旋轉基座29；其中，移動導軌19位于工作艙體10與水平基座18兩側；龍門式框架17橫跨工作艙體10與水平基座18，并可在移動導軌19帶動下沿工作艙體10長度方向往復移動；龍門式框架17的橫梁安裝有絲桿，可帶動吊臂7沿工作艙體10寬度方向往復移動；吊臂7上半部位于工作艙體10上方，下半部則位于工作艙體10內部；第一伸縮式保護罩11、第二伸縮式保護罩12、每三伸縮式保護罩13用于保證工作艙體10的氣密性和吊臂7的正常移動；其中，第二伸縮式保護罩12位于吊臂7與工作艙體10相連的位置及其四周，可沿工作艙體10寬度方向伸縮；第一、第三伸縮式保護罩11、13位于第二伸縮式保護罩12兩側，可沿工作艙體10長度方向伸縮；吊臂7位于工作艙體10之內的部分可伸縮，并帶動與其相連的懸臂27、機械加工組件沿工作艙體10高度方向往復移動；懸臂27上安裝有旋轉基座29、擴束鏡35、防塵罩34、同軸送料噴嘴30；激光切割頭28安裝在旋轉基座29下方，后者可帶動前者水平旋轉；可伸縮立柱25安裝在基板20四周，其上方與水平框架24相連，并帶動后者沿工作艙體10高度方向往復移動；側向導軌26位于水平框架24兩側，可帶動與之相連的鋪粉器22沿工作艙體10長度方向往復移動。

控制系統(tǒng)與裝備其余部分通過電信號相連，用于處理待成形金屬零件CAD模型，生成掃描振鏡33、同軸送料噴嘴30、激光切割頭28、刀具32的加工軌跡，并驅動裝備各部分的運行。

利用圖1所示的激光增材制造裝備制造金屬零件的方法可分為以下步驟：

(1)控制系統(tǒng)將金屬零件CAD模型切片以生成掃描振鏡33的掃描軌跡；

(2)根據金屬零件CAD模型，控制系統(tǒng)生成與之相適應的隨形缸體CAD模型，并將其切片以生成同軸送料噴嘴30的掃描軌跡；隨形缸體切片層數應與金屬零件切片層數相同；隨形缸體每個切片層的輪廓都必須將與之對應的金屬零件切片層包圍；

(3)控制系統(tǒng)識別金屬零件須施加機械加工的切片層，并生成刀具32的加工軌跡；金屬零件須施加機械加工的切片層包含但不限于：具有內表面的切片層、對外表面粗糙度有一定要求的切片層；

(4)根據隨形缸體CAD模型，控制系統(tǒng)生成激光切割頭28的加工軌跡，以便在零件制造結束后切除隨形缸體；

(5)控制系統(tǒng)對掃描振鏡33、同軸送料噴嘴30、激光切割頭28、刀具32的加工軌跡進行CAE模擬及優(yōu)化，以避免工作艙體10內部各部件出現(xiàn)運動干涉；

(6)安裝、調平基板20，并在工作艙體10內部建立保護氣氛；

(7)以激光沉積與切割主機8輸出的高功率激光束為能量源，使用同軸送料噴嘴30在基板20表面成形隨形缸體的第一切片層；

(8)粉末存儲腔21向鋪粉器22提供適量金屬粉末；鋪粉器22帶動刮刀23，并以隨形缸體已成形部分的上表面為定位基準，在其所圍區(qū)域內部鋪設一層具有一定厚度金屬粉末；

(9)以激光源1輸出的激光束為能量源，使用掃描振鏡33在粉末床表面成形金屬零件第一切片層；

(10)若金屬零件已成形的切片層無需機械加工，則以激光沉積與切割主機8輸出的高功率激光束為能量源，使用同軸送料噴嘴30成形隨形缸體 的下一切片層；若金屬零件已成形的切片層需要機械加工，則首先使用刀具32對其加工，再以激光沉積與切割主機8輸出的高功率激光束為能量源，使用同軸送料噴嘴30成形隨形缸體的下一切片層；

(11)以隨形缸體已成形部分的上表面為定位基準，在其所圍區(qū)域內部鋪設一層具有一定厚度金屬粉末；以激光源1輸出的激光束為能量源，使用掃描振鏡33在粉末床表面成形金屬零件下一切片層；

(12)重復步驟(10)～(11)，直至完成金屬零件的成形；

(13)使用激光切割頭28切除隨形缸體。

實施例2

如圖2所示，本實用新型實例提供的一種激光增材制造裝備，包括工作艙、預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件、移動機構和控制系統(tǒng)。

所述工作艙、預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件的組成及所含部件的結構、功能與實施例1中相同；其中，激光沉積與切割主機8、激光源1、保護氣源9與除塵系統(tǒng)16仍位于工作艙體10外部，基板20、粉末存儲腔21、鋪粉器22、刮刀23、激光切割頭28、同軸送料噴嘴30、機械加工夾具31、刀具32、掃描振鏡33、防塵罩34、擴束鏡35仍位于工作艙體10內部。

移動機構包含水平框架24、可伸縮立柱25、側向導軌26、第一多關節(jié)智能機器臂36、第二多關節(jié)智能機器臂37和第三多關節(jié)智能機器臂38；其中，水平框架24、可伸縮立柱25、側向導軌26的安裝位置、結構、功能與實施例1中相同；第一多關節(jié)智能機器臂36可帶動掃描振鏡33、防塵罩34與擴束鏡35在工作艙體10內部任意移動；第二多關節(jié)智能機器臂37可帶動機械加工組件在工作艙體10內部任意移動；第三多關節(jié)智能機器臂38可帶動同軸送料噴嘴30與激光切割頭28在工作艙體10內部任意移動。

控制系統(tǒng)與裝備其余部分通過電信號相連，其作用與實施例1中相同。

利用圖2所示的激光增材制造裝備制造金屬零件的方法與實施例1中所提方法相同。

實施例3

如圖3所示，本實用新型實例提供的一種激光增材制造裝備，包括工作艙、預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件、移動機構和控制系統(tǒng)。

所述工作艙、預置鋪粉快速成形組件、機械加工組件的組成及所含部件的結構、功能與實施例1中相同；其中，激光源1、保護氣源9與除塵系統(tǒng)16仍位于工作艙體10外部，基板20、粉末存儲腔21、鋪粉器22、刮刀23、機械加工夾具31、刀具32、掃描振鏡33、防塵罩34、擴束鏡35仍位于工作艙體10內部。

隨形缸體設置與移除組件包含激光切割主機39、切割用激光束傳導光纖4、輔助氣流傳輸軟管5、激光切割頭28、自動送料機構41與閉合薄片材料42；其中，激光切割主機39位于工作艙體10之外，其內部具有高功率激光源與輔助氣源；高功率激光源可輸出高功率激光束；輔助氣源可輸出用于激光束切割的高壓保護氣流；自動送料機構41、閉合薄片材料42與激光切割頭28位于工作艙體10內部，前兩者用于隨形缸體的制造，后者則用于隨形缸體的切除；閉合薄片材料42的數量應與金屬零件切片層數相同；每個閉合薄片材料42的輪廓都必須將與之對應的金屬零件切片層包圍；閉合薄片材料42可選用既能與基板20粘合、又能相互間粘合的紙片、金屬箔、塑料等；自動送料機構41用以將閉合薄片材料42逐層放置于基板20表面合適位置以形成隨形缸體；激光切割主機39通過切割用激光束傳導光纖4、輔助氣流傳輸軟管5為激光切割頭28提供切割所需的高能束與高壓保護氣流。

移動機構包含龍門式框架17、移動導軌19、吊臂7、第一伸縮式保護罩 11、第二伸縮式保護罩12、每三伸縮式保護罩13、水平框架24、可伸縮立柱25、側向導軌26、懸臂27、旋轉基座29和第四多關節(jié)智能機器臂40；其中，龍門式框架17、移動導軌19、吊臂7、第一伸縮式保護罩11、第二伸縮式保護罩12、每三伸縮式保護罩13、水平框架24、可伸縮立柱25、側向導軌26的安裝位置、結構、功能與實施例1中相同；懸臂27與吊臂7相連，懸臂27上安裝有旋轉基座29、擴束鏡35、防塵罩34；旋轉基座29可帶動激光切割頭28水平旋轉；第四多關節(jié)智能機器臂40可帶動自動送料機構41在工作艙體10內部任意移動。

控制系統(tǒng)與裝備其余部分通過電信號相連，用于處理待成形金屬零件CAD模型，生成掃描振鏡33、刀具32、激光切割頭28的加工軌跡以及自動送料機構41的運動軌跡，并驅動設備各部分的運行。

利用圖3所示的激光增材制造裝備制造金屬零件的方法可分為以下步驟：

(1)控制系統(tǒng)將金屬零件CAD模型切片以生成掃描振鏡33的掃描軌跡；

(2)根據金屬零件CAD模型，控制系統(tǒng)生成與之相適應的隨形缸體CAD模型，并將其切片；根據隨形缸體切片模型，在工作艙體10內部提前存儲若干閉合薄片材料42；閉合薄片材料42的數量應與金屬零件切片層數相同；每個閉合薄片材料42的輪廓都必須將與之對應的金屬零件切片層包圍；

(3)控制系統(tǒng)識別金屬零件須施加機械加工的切片層，并生成刀具32的加工軌跡；金屬零件須施加機械加工的切片層包含但不限于：具有內表面的切片層、對外表面粗糙度有一定要求的切片層；

(4)根據隨形缸體CAD模型，控制系統(tǒng)生成激光切割頭28的加工軌跡，以便在零件制造結束后切除隨形缸體；

(5)控制系統(tǒng)對掃描振鏡33、刀具32、激光切割頭28的加工軌跡以及 自動送料機構41的運動軌跡進行CAE模擬及優(yōu)化，以避免工作艙體10內部各部件出現(xiàn)運動干涉；

(6)安裝、調平基板20，并在工作艙體10內部建立保護氣氛；

(7)利用自動送料機構41在基板20表面預置一層閉合薄片材料42，以形成隨形缸體的第一層；

(8)粉末存儲腔21向鋪粉器22提供適量金屬粉末；鋪粉器22帶動刮刀23，并以隨形缸體的上表面為定位基準，在其所圍區(qū)域內部鋪設一層具有一定厚度金屬粉末；

(9)以激光源1輸出的激光束為能量源，使用掃描振鏡33在粉末床表面成形金屬零件第一切片層；

(10)若金屬零件已成形的切片層無需機械加工，則繼續(xù)利用自動送料機構41預置一層閉合薄片材料42，以形成隨形缸體的下一層；若金屬零件已成形的切片層需要機械加工，則首先使用刀具32對其加工，再利用自動送料機構41預置一層閉合薄片材料42，以形成隨形缸體的下一層；

(11)以隨形缸體的上表面為定位基準，在其所圍區(qū)域內部鋪設一層具有一定厚度金屬粉末；以激光源1輸出的激光束為能量源，使用掃描振鏡33在粉末床表面成形金屬零件下一切片層；

(12)重復步驟(10)～(11)，直至完成金屬零件的成形；

(13)使用激光切割頭28切除隨形缸體。

實施例4

實施例1～3所提供的激光增材制造裝備適用于成形各種尺寸、結構的高精度金屬零件。當待加工零件切片外輪廓沿高度方向不變或變化較小時，還可采用本實施例所提供的裝備。

如圖4所示，本實施例提供的一種激光增材制造裝備，包括工作艙、預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件、移動機 構和控制系統(tǒng)。

所述工作艙、機械加工組件的組成及所含部件的結構、功能與實施例1中相同；其中，保護氣源9與除塵系統(tǒng)16仍位于工作艙體10外部，機械加工夾具31、刀具32仍位于工作艙體10內部。

預置鋪粉快速成形組件包含激光源1、選區(qū)熔化用激光傳導光纖2、基板20、粉末存儲腔21、鋪粉器22、刮刀23、掃描振鏡33、防塵罩34和擴束鏡35；其中，激光源1、選區(qū)熔化用激光傳導光纖2、粉末存儲腔21、鋪粉器22、刮刀23、掃描振鏡33、防塵罩34、擴束鏡35的功能與實施例1相同；激光源1位于工作艙體10外部，基板20、粉末存儲腔21、鋪粉器22、刮刀23、掃描振鏡33、防塵罩34、擴束鏡35位于工作艙體10內部。

隨形缸體設置與移除組件包含工作臺43、閉合通槽44、隨形缸體45和定位圓柱47；其中，工作臺43通過定位圓柱47固定于水平基座18上方；基板20安裝在工作臺43上表面；鋪粉器22位于基板20上方，其下方安裝有刮刀23；粉末存儲腔21位于工作艙體10上部；工作臺43與基板20開設有沿基板20上表面法向方向重疊的兩個豎直閉合通槽44；閉合通槽44可將金屬零件最大切片輪廓包圍。隨形缸體45預置于工作臺43下方，其形狀與閉合通槽44相適應。

移動機構包含龍門式框架17、移動導軌19、吊臂7、第一伸縮式保護罩11、第二伸縮式保護罩12、每三伸縮式保護罩13、水平框架24、可伸縮立柱25、側向導軌26、懸臂27和絲桿46；其中，移動導軌19、龍門式框架17、吊臂7、第一伸縮式保護罩11、第二伸縮式保護罩12、每三伸縮式保護罩13的安裝位置、結構、功能與實施例1中相同；懸臂27與吊臂7相連，懸臂27上安裝有擴束鏡35、防塵罩34；可伸縮立柱25安裝在工作臺43上表面，其上方與水平框架24相連，并帶動后者沿工作艙體10高度方向往復移動；側向導軌26安裝于水平框架24兩側，可帶動與之相連的鋪粉器22沿工作艙體 10長度方向往復移動；絲桿46安裝于水平基座18上表面，可帶動與之相連的隨形缸體45穿過工作臺43與基板20升降。

控制系統(tǒng)與裝備其余部分通過電信號相連，用于處理待成形金屬零件CAD模型，生成掃描振鏡33、刀具32的加工軌跡和隨形缸體45的移動軌跡，并驅動設備各部分的運行。

在本實施例中，隨形缸體45是預先制備并放置在工作臺43以下的，也可稱之為“環(huán)形缸體”；閉合通槽44是預設在工作臺43與基板20上的，其作用是使隨形缸體45能夠在零件制造過程中穿過工作臺43與基板20不斷上升；為避免粉末泄漏，隨形缸體45側面與閉合通槽44側面均安裝有羊毛氈。

利用圖4所示的激光增材制造裝備制造金屬零件的方法可分為以下步驟：

(1)控制系統(tǒng)將金屬零件CAD模型切片以生成掃描振鏡33的掃描軌跡；

(2)控制系統(tǒng)識別金屬零件須施加機械加工的切片層，并生成刀具32的加工軌跡；金屬零件須施加機械加工的切片層包含但不限于：具有內表面的切片層、對外表面粗糙度有一定要求的切片層；

(3)控制系統(tǒng)對掃描振鏡33、刀具32的加工軌跡和隨形缸體45的移動軌跡進行CAE模擬及優(yōu)化，以避免工作艙體10內部各部件出現(xiàn)運動干涉；

(4)安裝、調平基板20，并在工作艙體10內部建立保護氣氛；

(5)上升隨形缸體45使其上表面高于基板20上表面一定距離；

(6)粉末存儲腔21向鋪粉器22提供適量金屬粉末；鋪粉器22帶動刮刀23，并以隨形缸體45的上表面為定位基準，在其所圍區(qū)域內部鋪設一層具有一定厚度金屬粉末；

(7)以激光源1輸出的激光束為能量源，使用掃描振鏡33在粉末床表面成形金屬零件第一切片層；

(8)若金屬零件已成形切片層無需機械加工，則繼續(xù)上升隨形缸體45 使其上表面高于金屬零件已成形切片層一定距離；若金屬零件已成形切片層需要機械加工，則首先使用刀具32對其加工，再上升隨形缸體45使其上表面高于金屬零件已成形切片層一定距離；

(9)以隨形缸體45的上表面為定位基準，在其所圍區(qū)域內部鋪設一層具有一定厚度金屬粉末；以激光源1輸出的激光束為能量源，使用掃描振鏡33在粉末床表面成形金屬零件下一切片層；

(10)重復步驟(8)～(9)，直至完成金屬零件的成形；

(11)下降隨形缸體45直至其上表面低于基板20的上表面，獲得所需金屬零件。

實施例5

如圖5(a)所示，本實用新型實例提供的一種激光增材制造裝備，包括工作艙、預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件、移動機構和控制系統(tǒng)。

所述工作艙、隨形缸體設置與移除組件、機械加工組件的組成及所含部件的結構、功能與實施例1中相同；其中，激光沉積與切割主機8、保護氣源9與除塵系統(tǒng)16仍位于工作艙體10外部，激光切割頭28、同軸送料噴嘴30、機械加工夾具31、刀具32仍位于工作艙體10內部。

預置鋪粉快速成形組件包含基板20、鋪粉器22、刮刀23、兩個粉末存儲腔21、K個激光源1、K根選區(qū)熔化用激光傳導光纖2、K個掃描振鏡33、K個防塵罩34和K個擴束鏡35(K≥2)；其中，所有激光源1均位于工作艙體10外部，基板20、鋪粉器22、刮刀23、所有粉末存儲腔21、所有掃描振鏡33、所有防塵罩34、所有擴束鏡35則位于工作艙體10內部；基板20安裝在水平基座18上表面；鋪粉器22位于基板20上方，其下方安裝有刮刀23；兩個粉末存儲腔21分居工作艙體10上部兩側，可向鋪粉器22提供金屬粉末；每個激光源1均可通過選區(qū)熔化用激光傳導光纖2將激光束傳輸至與其對應 的擴束鏡35；擴束鏡35負責對入射激光束進行準直，然后將其傳輸至對應的防塵罩34內部的掃描振鏡33；掃描振鏡33可根據預設的掃描路徑輸出激光束，后者經安裝在防塵罩34下部的動態(tài)聚焦鏡聚焦后，選擇性地熔化金屬粉末床。

移動機構包含龍門式框架17、移動導軌19、吊臂7、第一伸縮式保護罩11、第二伸縮式保護罩12、每三伸縮式保護罩13、水平框架24、可伸縮立柱25、側向導軌26、懸臂27、旋轉基座29、絲桿48和掃描振鏡框架49；其中，移動導軌19、龍門式框架17、吊臂7、第一伸縮式保護罩11、第二伸縮式保護罩12、每三伸縮式保護罩13、可伸縮立柱25的安裝位置、結構、功能與實施例1中相同；懸臂27與吊臂7相連，懸臂27上安裝有同軸送料噴嘴30、旋轉基座29；旋轉基座29可帶動激光切割頭28水平旋轉；可伸縮立柱25安裝在水平基座18上表面，水平框架24與可伸縮立柱25相連，可沿工作艙體10高度方向往復移動；側向導軌26安裝于水平框架24兩側，可帶動與之相連的鋪粉器22沿工作艙體10長度方向往復移動；高精度絲桿48分置于水平框架24上方兩側，其與掃描振鏡框架49相連，并帶動掃描振鏡框架49沿工作艙體10長度方向往復移動；所有掃描振鏡33、防塵罩34及擴束鏡35均安裝在掃描振鏡框架49上。

控制系統(tǒng)與裝備其余部分通過電信號相連，其作用與實施例1中相同。

利用圖5所示的激光增材制造裝備制造金屬零件的方法可分為以下步驟：

(1)控制系統(tǒng)將金屬零件CAD模型切片，根據切片輪廓，為每個掃描振鏡33生成掃描軌跡；所有掃描振鏡33的掃描軌跡之和須恰好包含零件全部切片輪廓信息；

(2)根據金屬零件CAD模型，控制系統(tǒng)生成與之相適應的隨形缸體CAD模型，并將其切片以生成同軸送料噴嘴30的掃描軌跡；隨形缸體切片 層數應與金屬零件切片層數相同；隨形缸體每個切片層的輪廓都必須將與之對應的金屬零件切片層包圍；

(3)控制系統(tǒng)識別金屬零件須施加機械加工的切片層，并生成刀具32的加工軌跡；金屬零件須施加機械加工的切片層包含但不限于：具有內表面的切片層、對外表面粗糙度有一定要求的切片層；

(4)根據隨形缸體CAD模型，控制系統(tǒng)生成激光切割頭28的加工軌跡，以便在零件制造結束后切除隨形缸體；

(5)控制系統(tǒng)對掃描振鏡33、同軸送料噴嘴30、激光切割頭28、刀具32的加工軌跡進行CAE模擬及優(yōu)化，以避免工作艙體10內部各部件出現(xiàn)運動干涉；

(6)安裝、調平基板20，并在工作艙體10內部建立保護氣氛；

(7)以激光沉積與切割主機8輸出的高功率激光束為能量源，使用同軸送料噴嘴30在基板20表面成形隨形缸體的第一切片層；

(8)位于工作艙體10一側的粉末存儲腔21向鋪粉器22提供適量金屬粉末；鋪粉器22帶動刮刀23，并以隨形缸體已成形部分的上表面為定位基準，在其所圍區(qū)域內部鋪設一層具有一定厚度金屬粉末；

(9)以多個激光源1輸出的激光束為能量源，使用多個掃描振鏡33在粉末床表面同步掃描，成形金屬零件第一切片層；

(10)若金屬零件已成形的切片層無需機械加工，則以激光沉積與切割主機8輸出的高功率激光束為能量源，使用同軸送料噴嘴30成形隨形缸體的下一切片層；若金屬零件已成形的切片層需要機械加工，則首先使用刀具32對其加工，再以激光沉積與切割主機8輸出的高功率激光束為能量源，使用同軸送料噴嘴30成形隨形缸體的下一切片層；

(11)位于工作艙體10另一側的粉末存儲腔21向鋪粉器22提供適量金屬粉末；鋪粉器22帶動刮刀23，并以隨形缸體已成形部分的上表面為定位 基準，在其所圍區(qū)域內部鋪設一層具有一定厚度金屬粉末；以多個激光源1輸出的激光束為能量源，使用多個掃描振鏡33在粉末床表面同步掃描，成形金屬零件的下一切片層；

(12)重復步驟(10)～(11)，直至完成金屬零件的成形；

(13)使用激光切割頭28切除隨形缸體。

由于本實施例運用了雙向鋪粉與多掃描振鏡同步掃描的方式，零件的成形效率大幅度提高。

實施例6

在實施例1～5中，金屬零件僅通過掃描振鏡選區(qū)熔化成形。然而，當激光增材制造裝備包含同軸送料噴嘴時，金屬零件部分位置的成形亦可利用同軸送料噴嘴完成，以進一步提高零件成形效率。以圖6(a)、6(b)、6(c)所示金屬零件為例，該零件由圓柱形主體和與其相連接的懸臂構成，其中，圓柱形主體中部包含有較為復雜的螺旋形內流道結構，懸臂中部則包含一個定位圓孔。顯然，當使用實施例1所公布的激光增材制造裝備對其進行制造時，可利用掃描振鏡成形圓柱形主體，再利用同步送料噴嘴成形懸臂結構，具體方法如下：

(1)控制系統(tǒng)將金屬零件CAD模型M劃分為M1與M2兩個子模型，其中M1包含圓柱形主體三維數據，M2包含懸臂三維數據；控制系統(tǒng)將子模型M1切片，生成掃描振鏡33的掃描軌跡；根據子模型M1，控制系統(tǒng)生成與之相適應的隨形缸體CAD模型N；控制系統(tǒng)將子模型M2與模型N切片，生成同軸送料噴嘴30的加工軌跡；其中，模型N切片層數應與子模型M1切片層數相同；模型N每個切片層的輪廓都必須將與之對應的子模型M1切片層包圍；

(2)控制系統(tǒng)塊識別子模型M1、M2須施加機械加工的切片層，并生成刀具32的加工軌跡；在本實施例中，子模型M1須施加機械加工的切片層 為包含螺旋內流道結構的切片層，子模型M12須施加機械加工的切片層為包含定位圓孔的切片層；

(3)根據隨形缸體CAD模型N，控制系統(tǒng)生成激光切割頭28的加工軌跡，以便在零件子模型M1制造結束后切除隨形缸體；

(4)控制系統(tǒng)對掃描振鏡33、同軸送料噴嘴30、刀具32、激光切割頭28的加工軌跡進行CAE模擬及優(yōu)化，以避免工作艙體10內部各部件出現(xiàn)運動干涉；

(5)安裝、調平基20，并在工作艙體10內部建立保護氣氛；

(6)重復“模型N切片層激光熔覆沉積或激光送絲沉積-鋪粉-子模型M1切片層激光選區(qū)熔化”這一過程，直至子模型M1待選區(qū)熔化的切片層開始包含螺旋內流道結構；

(7)重復“子模型M1切片層機械加工-模型N切片層激光熔覆沉積或激光送絲沉積-鋪粉-子模型M1切片層激光選區(qū)熔化”這一過程，直至子模型M1待選區(qū)熔化的切片層不再包含螺旋內流道結構；

(8)重復“模型N切片層激光熔覆沉積或激光送絲沉積-鋪粉-子模型M1切片層激光選區(qū)熔化”這一過程，直至完成子模型M1最后一層切片的成形；

(9)使用激光切割頭28去除隨形缸體，利用同軸送料噴嘴30在已成形的圓柱形主體側面逐層成形子模型M2，直至待成形切片層開始包含定位圓孔結構；

(10)重復“子模型M2切片層激光熔覆沉積或激光送絲沉積-子模型M2切片層機械加工”這一過程，直至待成形切片層不再包含定位圓孔結構；

(11)繼續(xù)子模型M2剩余切片層的激光熔覆沉積或激光送絲沉積成形，進而實現(xiàn)整個金屬零件的快速制造。

上述各實例中預置鋪粉快速成形組件、隨形缸體設置與移除組件和移 動機構具體實現(xiàn)形式可以互換，相互組合。

以上所述僅為本實用新型的較佳實例，基于本實用新型的思路還可設計多種激光增材制造裝備。例如，可在實施例1～5所公布的裝備中裝配多個隨形缸體設置與移除組件、預置鋪粉快速成形組件與機械加工組件，以實現(xiàn)多個金屬零件的同批次快速制造；掃描振鏡亦可與同軸送料噴嘴、高能束切割頭共用一個激光源；此外，當零件包含需要施以機械加工的連續(xù)切片層時，也可以先利用掃描振鏡連續(xù)成形多個切片層，再統(tǒng)一對這些切片層進行機械加工?？傊緦嵱眯滦筒粦摼窒抻谏鲜鰧嵗透綀D所公開的內容。凡是不脫離本實用新型所公開的精神下完成的等效或修改，仍應視為本實用新型保護范圍之內。