一种基于粉末床熔融增材制造技术的增减材复合制造及尺寸在线检测装置的制作方法

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于粉末床熔融增材制造技术的增减材复合制造及尺寸在线检测装置。

背景技术：

选区熔化成形技术，通过聚焦精细光源照射预先铺展好的金属粉末，逐层堆积成三维金属零件。选区熔化成形具有能够获得快速凝固的非平衡组织，内部晶粒细小，综合力学性能优异、可成形结构复杂的零部件等诸多优点。

目前由于粉末粒径、快速加热冷却过程产生的变形等因素的影响，选区熔化成形尺寸精度在20-50μm，表面粗糙度在20-50μm，这种表面质量能够满足一般产品的要求。但是对内形结构复杂且表面要求质量高的零部件(如异曲面内流道)，成形精度和表面粗糙度达不到要求(成形精度要求3-10μm，表面粗糙度要求1-3μm、)，且这种内形复杂的构件在增材制造成形后又很难或无法通过后续的机加工工艺(如铣削、抛光等)改善，由此限制了选区熔化技术在精密构件成形上进一步应用。

增材制造与减材制造技术具有各自的优点，将增材与减材结合的增减材复合制造技术融合了两者的综合优点。而目前国内外关注的增减材复合制造技术主要集中在基于送粉的激光熔化沉积(lasermeltingdeposition)增材制造与数控加工的复合，且已经有相关的专利装置和成功应用案例，该工艺能够顺利发展的主要原因之一是复合制造过程不存在粉末对减材加工刀具影响以及切削碎屑对下一层送粉成形的影响。但是基于粉末床熔融的选区熔化技术不同于基于送粉的熔化沉积增材制造技术，其需要在成形腔一层层铺满粉末，且成形件被粉末包围，因此就需要考虑成形腔中的粉末对减材加工的影响以及减材加工产生的碎屑对下一层成形过程的影响。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种基于粉末床熔融增材制造技术的增减材复合制造及尺寸在线检测装置，以解决如何实时测定增减材复合制造后的尺寸精度和表面粗糙度的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于粉末床熔融增材制造技术的增减材复合制造及尺寸在线检测装置；该装置包括控制中心、增材制造系统、碎屑及粉末收集系统、减材加工及接触测量系统和辅助送粉系统；

控制中心，用于控制各个系统的协调工作；

增材制造系统，用于通过增材制造方法打印零件；

碎屑及粉末收集系统，用于在减材加工前清理零件成形体附近粉末，以及在减材加工完成后收集成形体周围产生的碎屑；

减材加工及接触测量系统，用于对成形体进行减材加工，以及对成形体的尺寸精度和粗糙度进行测量；

辅助送粉系统，用于对成形体附近采用区域送粉，将减材加工及碎屑清理后在成形体附近形成的缺粉区域填平，达到同周围区域相近，保证下一道铺粉过程后，整层粉末高度一致，保证选区成形的正常进行。

进一步地，增材制造系统包括增材制造系统：包括供粉缸、刮刀、激光系统、收粉缸、过滤回收系统和成形缸；其中，供粉缸用于装载成形需要的金属粉末；成形缸用于零件的成形；收粉缸用于铺粉过程多余粉末的收集；激光系统用于提供增材制造过程中的光源；刮刀用于将供粉缸中的金属粉末平整铺展在成形缸上用于零件成形；过滤回收系统，用于将收集的残余金属粉末和加工碎屑过滤回收。

进一步地，减材加工及接触测量系统，根据测定的数据和真实零件尺寸轮廓数据进行对比分析，获取零件的减材过程机加补偿值，构成零件减材过程的机加补偿量数据库。

进一步地，辅助送粉系统包括辅助送粉控制器和辅助送粉装置；送粉控制器控制辅助送粉装置，对成形体附近进行区域送粉。

进一步地，辅助送粉装置包括辅助送粉控制开关、辅助送粉台以及机械运动系统；其中，机械运动系统用于对辅助送粉台进行定位，辅助送粉控制开关用于根据辅助送粉台的运动位置进行实时送粉，补充成形件附近缺少的粉末。

进一步地，接触测量系统包括三维工作台、接触测量装置和反馈系统，三维工作台用于接触测量装置和反馈系统的定位，接触测量装置用于沿零件轮廓进行尺寸精度测量和粗糙度测量，同时反馈系统将测定的结果反馈到控制中心，与理论尺寸及粗糙度进行匹配。

进一步地，接触测量装置在端部具有感应测头，通过触碰零件轮廓表层快速获取测量点，实现整个零件全区域的尺寸精度与粗糙度测量。

进一步地，粉末床熔融增材制造包括选区激光熔化和选区激光烧结成形。

进一步地，粉末的尺度为15-50μm。

进一步地，粉末包括金属材料粉末、陶瓷材料粉末、聚合物粉末、覆膜砂粉末中的一种或几种。

(三)有益效果

本发明提出的基于粉末床熔融增材制造技术的增减材复合制造及尺寸在线检测装置，包括控制中心、增材制造系统、碎屑及粉末收集系统、减材加工及接触测量系统和辅助送粉系统。其中，控制中心，用于控制各个系统的协调工作；增材制造系统，用于通过增材制造方法打印零件；碎屑及粉末收集系统，用于在减材加工前清理零件成形体附近粉末，以及在减材加工完成后收集成形体周围产生的碎屑；减材加工及接触测量系统，用于对成形体进行减材加工，以及对成形体的尺寸精度和粗糙度进行测量；辅助送粉系统，用于对成形体附近采用区域送粉，将减材加工及碎屑清理后在成形体附近形成的缺粉区域填平，达到同周围区域相近，保证下一道铺粉过程后，整层粉末高度一致，保证选区成形的正常进行。本发明可以实现增减材复合制造过程，同时实现零件尺寸及精度的实时检测反馈，解决了复杂结构件精密成形中的表面质量及尺寸检测难题。

附图说明

图1为本发明实施例的增减材复合制造及尺寸在线检测装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例提出一种基于粉末床熔融增材制造技术的增减材复合制造及尺寸在线检测装置，其结构如图1所示。该装置包括控制中心1、增材制造系统、碎屑及粉末收集系统和辅助送粉系统、减材加工及接触测量系统。

其中，控制中心1用于控制各个系统的协调工作。

增材制造系统，包括增材制造系统：包括供粉缸2、刮刀3、激光系统6、收粉缸11、过滤回收系统12和成形缸13。其中，供粉缸2用于装载成形需要的金属粉末；成形缸13用于零件的成形；收粉缸11用于铺粉过程多余粉末的收集；激光系统6用于提供增材制造过程中的光源；刮刀3用于将供粉缸2中的金属粉末平整铺展在成形缸13上用于零件成形；过滤回收系统12，用于将收集的残余金属粉末和加工碎屑过滤回收。

碎屑及粉末收集系统，包括碎屑收集控制器7。进行减材加工前，为保证切削加工过程的加工精度、加工效率，同时降低粉末粒子导致刀具磨损、粉末崩刀等现象发生(尤其对于倒锥形状区域的加工)，需要将成形体附近的粉末进行清理，露出减材加工侧表面。同时，完成减材加工后在成形体附近留下诸多碎屑，其相对金属粉末(15-5μm)尺寸大，再进行下一层沉积之前，需要将减材加工留下的碎屑清理掉，防止碎屑残留无法清理。因此，通过碎屑及粉末收集系统在减材加工前进行零件成形体附近粉末清理，在减材加工完成后将零件成形体周围产生的碎屑收集掉。

减材加工及接触测量系统，包括三维工作台8、加工刀具9和接触测量装置10。其中，所述三维工作台用于控制加工刀具9和接触测量装置10进行三维运动。加工刀具9主要用于减材加工，在清除零件成形体周围粉末后，通过控制减材加工及接触测量系统，该系统附加不同规格的刀具库，可以通过控制自动更换刀头。将减材刀头旋转到工作部位，然后根据该部位实体的切片轮廓及该轮廓位置的三角形外法矢方向，获得该位置的多轴联动精密加工系统的切削头的工作位置参数及轮廓机加轨迹，以生成轮廓的减材加工路径，此处可以根据不同的轮廓形貌及尺寸要求选用不同的刀头。

某些复杂内腔结构零件成形完成后无法测定尺寸精度和表面粗糙度。通过接触测量装置10，可以实现零件尺寸精度和粗糙度测量，消除测量瓶颈，同时利用信息采集装置实时反馈测定零件尺寸和表面粗糙度信息，为制造过程控制和产品检验提供重要数据。在减材加工系统上添加接触测量装置10，接触测量装置在端部具有感应测头，可以通过触碰零件轮廓表层快速获取测量点，实现整个零件成形体全区域的尺寸精度测量，同时在扫描的过程中通过速度控制和移动测量点结合提高效率和精度。在扫描完成后通过数据采集系统传送至工作站，然后将采集的数据信息与理论轮廓信息以及零件成形完成后的实际尺寸信息进行分析对比，获取零件成形体内部的粗糙度数据以及特定材料零件尺寸精度数据。由于成形完成后的不同材料的零件可能存在不同程度的变形，通过接触测量装置测定的数据和真实零件尺寸轮廓数据的对比分析，获取该材料的零件减材过程机加补偿值，构成零件减材过程机加补偿量数据库，为制备更加精细的复杂结构件提供数据支持。

辅助送粉系统：主要包括辅助送粉控制器4和辅助送粉装置5。在切削加工及碎屑清理完成后，成形体附近会形成相对较大的缺粉区域，如果按照下一步正常增材工艺程序进行铺粉，成形体附近必然仍会存在缺粉现象，如果直接进行成形，必然导致该缺粉区域轮廓形状尺寸无法保证。通过辅助送粉系统，在切削加工完成后，由送粉控制器4控制辅助送粉装置5，对成形体附近采用区域送粉，将缺粉区域填平，达到同周围区域相近，保证下一道铺粉过程后，整层粉末高度一致，保证选区成形的正常进行。

该装置在使用时的具体实施过程包括如下步骤：

1、增材过程

将供粉缸2向上平移70μm，将成形缸13下降30μm，然后通过刮刀3将供粉缸2的粉末均匀平铺在成形缸13上，多余的粉末落入收粉缸11，随后进入过滤回收系统12。根据切片模型，选择合适的成形路径，开启激光系统6进行当前层的成形。重复上述过程，当沉积10层后，制备进行表面减材及尺寸精度检测。

2、碎屑及粉末收集

在进行减材加工前，先利用碎屑及粉末收集系统，将零件附近的粉末清理，防止干涉刀具。此时关闭辅助送粉控制器4，开启碎屑收集控制器7，控制中心1利用该沉积层轮廓形貌以及必要切削补偿进行轮廓边缘减材加工，在减材加工选用刀具时根据该沉积厚度的形貌选用不同刀具。最终保证进行减材加工前零件附近留有一定量的空间保证机加进行。完成粉末收集后，将该装置移动到左侧区域。

3、减材加工

根据尺寸精度，从刀具库中选择合适的加工刀具3，将该刀具旋转到工作位置。通过零件轮廓形貌及切削补偿等确定减材切削加工的路径及加工方案。控制中心根据减材加工路径进行加工。完成减材加工，将该装置移动到设备右侧区域。

4、碎屑及粉末收集

在进接触测量之前，先利用碎屑及粉末收集系统，将零件附近的切削碎屑清理，一方面防止影响接触测量的精度，另一方面防止碎屑残留在零部件内部，导致最终零件无法使用。此时关闭辅助送粉控制器4，开启碎屑收集控制器7，控制中心1分析形成收集路径。最终保证进行接触测量以及下一层正常铺粉。完成粉末收集后，将该装置移动到左侧区域。

5、接触测量

为实时反馈零件尺寸精度以及粗糙度，接触测量装置在端部具有感应测头，通过触碰零件轮廓表层快速获取测量点，实现整个零件全区域的尺寸精度测量。

将接触测量装置10转到工作状态，根据零件轮廓状态，利用控制技术，使接触时扫描测针沿着零件轮廓进行连续的测量，获取零件内部的粗糙度数据以及特定材料零件尺寸精度数据。将获取的粗糙度及零件壁厚等尺寸数据同理论模型要求进行对比，实时反馈成形过程尺寸及粗糙度变化。

6、辅助送粉

由于在前面进行碎屑及粉末收集过程中，在成形体附近会形成相对较大的缺粉区域。此时开启控制辅助送粉装置5，在辅助送粉控制器4的控制下，根据零件定位信息，辅助送粉装置5对零件周围区域进行补粉。

7、重复上述1-6过程，直至整个零件成形完成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。