大幅面高效率高精度激光选区熔化成形设备与方法

本发明属于先进制造，更具体地，涉及一种大幅面高效率高精度激光选区熔化成形设备与方法。

背景技术：

1、激光选区熔化(selective lasep melting,slm)是最具发展前景的金属零件3d打印技术之一，它采用振镜驱动激光束逐层熔化金属粉末层，无需借助任何模具和工装，仅凭金属零件的三维数字化模型，就可实现几乎任意复杂金属零件的高性能、结构功能一体化成形。但是，slm技术的成形效率低、成形幅面小，严重制约其大规模工业应用。

2、为解决slm技术的上述瓶颈问题，国内外研究机构主要提出了两条技术路线：

3、第一条技术路线是将金属粉末层划分为若干个子区域，采用多个振镜分别对这些子区域进行同步的激光熔化成形；该类方案不仅能够提高成形效率，还可通过增加振镜数量来扩展成形幅面。

4、第二条技术路线是采用千瓦级高功率激光取代slm技术惯用的百瓦级低功率激光，从而在保证金属粉末层充分熔化的前提下增大激光扫描速度、激光扫描间距和粉末层厚，进而提升成形效率。由于slm成形的金属零件是由激光熔覆道逐道逐层堆叠而成，激光扫描间距和粉末层厚的增大势必会导致成形精度下降。针对这一问题，国内外研究者进一步提出了高/低功率激光协同slm成形方法。该方法将金属零件的数字化模型分为两个部分：一是对成形精度要求较高的部分，采用slm技术惯用的百瓦级低功率激光实现高精度成形；二是对成形效率要求较高的区域，采用千瓦级高功率激光实现高效率成形。应用该方法成形金属零部件时，根据零件数字化模型的分区情况，交替采用高、低功率激光成形，进而在一定程度上兼顾成形效率和成形精度。

5、截止目前，将上述两条技术路线相结合，即把金属粉末层划分为若干个子区域，每个子区域均采用1组高/低功率激光协同成形，已经成为了工业级slm设备的最新发展方向。但是，对于任意一个子区域而言，其成形过程只能通过1组高/低功率激光完成，成形效率的提升幅度仍不足以满足大尺寸金属零件的规模化、低成本制造需求。因此，亟需探索使slm技术的成形效率取得进一步提升的新方法。

6、综上所述，针对激光选区熔化(slm)技术现存的种种问题，发明一种大幅面、高效率、高精度slm成形设备与方法，对于slm技术的规模化推广应用具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种大幅面高效率高精度激光选区熔化成形设备与方法，旨在解决现有技术中激光选区熔化的成形效率低以及难以满足大尺寸金属零件低成本、规模化制造的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种大幅面高效率高精度激光选区熔化成形设备，包括有成形缸和激光加工单元组件，其中：

3、所述成形缸用于逐层铺设金属粉末层；

4、所述激光加工单元组件用于金属粉末层的slm成形，其位于所述成形缸上方，所述激光加工单元组件的数量为m个，m≥1，且能够沿金属粉末层长度方向往复运动，每个所述激光加工单元组件包含n个沿金属粉末层宽度方向阵列的激光加工单元，n≥2，每个所述激光加工单元的成形幅面也沿金属粉末层宽度方向阵列并且相互拼合，使各所述激光加工单元拼合的成形幅面沿金属粉末层宽度方向覆盖金属粉末层；

5、每个所述激光加工单元均包含p个加工模块，p≥2，每个所述加工模块均外接有光斑模式可调光纤激光器，所述光斑模式可调光纤激光器能够输出千瓦级高功率激光/百瓦级低功率激光；所述千瓦级高功率激光/百瓦级低功率激光的扫描范围都能够覆盖对应激光加工单元的整个成形幅面。

6、更进一步地，每个所述加工模块包含1个准直镜和1个动态聚焦振镜；所述准直镜通过qbh标准接口与1台光斑模式可调光纤激光器的光纤头连接，所述光斑模式可调光纤激光器的最高输出激光功率大于等于1kw，所述准直镜用于对所述光斑模式可调光纤激光器输出的激光束进行准直扩束，并将准直扩束后的激光束输入至所述动态聚焦振镜；所述动态聚焦振镜用于驱动准直扩束后的激光束按照预设的扫描轨迹选择性地熔化金属粉末层，并用于动态调整激光束在金属粉末层表面的光斑直径。

7、更进一步地，p个所述加工模块沿金属粉末层宽度方向的包络尺寸k小于等于该激光加工单元的成形幅面沿金属粉末层宽度方向的包络尺寸l。

8、更进一步地，每个激光加工单元所含加工模块的数量为2个，沿金属粉末层宽度方向阵列为1列；或者，每个激光加工单元所含加工模块的数量为4个，沿金属粉末层宽度方向阵列为2列，且这2列加工模块对称排布。

9、更进一步地，所述激光加工单元组件的数量m满足：1≤m≤5；每个所述激光加工单元组件所含激光加工单元的数量n满足：2≤n≤5。

10、更进一步地，所述光斑模式可调光纤激光器的最高输出功率大于等于2kw，可以实现高斯模式激光束、环形模式激光束、高斯/环形组合模式激光束的交替输出。

11、本发明还提供一种大尺寸金属零件slm成形的方法，该方法包括如下步骤：

12、s1、将金属零件的三维数字化模型根据加工精度划分为高精度成形部分和高效率成形部分，并分别对两部分作分层切片处理；

13、s2、根据激光加工单元组件的数量m，以及每个激光加工单元组件所含的激光加工单元的数量n和成形幅面，将金属粉末层划分为包含q×n个子区域的子区域阵列，q≥m+1；其中，子区域阵列沿金属粉末层宽度方向共有n行，沿金属粉末层长度方向共有q列；每个子区域沿金属粉末层宽度方向的尺寸等于激光加工单元的成形幅面沿金属粉末层宽度方向的包络尺寸l；每个子区域沿金属粉末层长度方向的尺寸小于等于激光加工单元的成形幅面沿金属粉末层长度方向的包络尺寸；

14、s3、为每个子区域分配slm成形所用的激光加工单元：每个激光加工单元组件均至少负责1列子区域阵列的成形，所有激光加工单元组件负责全部q列子区域阵列的成形；每1列子区域阵列所含的n个子区域，与相应的激光加工单元组件的激光加工单元一一对应，即每个子区域由对应的1个激光加工单元负责成形；

15、s4、对百瓦级低功率激光扫描轨迹和千瓦级高功率激光扫描轨迹进行规划：

16、所述百瓦级低功率激光扫描轨迹按下述方式进行规划：根据金属零件三维数字化模型的高精度成形部分的划分方案与分层切片数据，以及金属粉末层的子区域划分方案与激光加工单元分配方案，为每个子区域规划百瓦级低功率激光扫描轨迹：

17、首先，将每个子区域均分为x×p个高精度成形分区，x为大于等于1的整数；然后，将每个子区域的第i、第(p+i)、…、第[(x-1)p+i]个高精度成形分区，1≤i≤p，分配给对应的激光加工单元的第i个加工模块成形；进一步地，根据金属零件三维数字化模型的高精度成形部分的分层切片数据，以及每个子区域的高精度成形分区的位置分布，生成每个高精度成形分区对应的加工模块的百瓦级低功率激光扫描轨迹；

18、所述千瓦级高功率激光扫描轨迹按下述方式进行规划：根据金属零件三维数字化模型的和高效率成形部分的划分方案与分层切片数据，以及金属粉末层的子区域划分方案与激光加工单元分配方案，为每个子区域规划千瓦级高功率激光扫描轨迹：

19、首先，将每个子区域均分为y×p个高效率成形分区，y为大于等于1的整数；然后，将每个子区域的第i、第(p+i)、…、第[(y-1)p+i](p≥i≥1)个高效率成形分区，分配给对应的激光加工单元的第i个加工模块成形；进一步地，根据金属零件三维数字化模型的高效率成形部分的分层切片数据，以及每个子区域的高效率成形分区的位置分布，生成每个高效率成形分区对应的加工模块的千瓦级高功率激光扫描轨迹；

20、s5、在成形缸内铺设第一层金属粉末层，将设备的m个激光加工单元组件，分别移动至与其对应的某一列子区域阵列的上方；

21、s6、根据步骤s4中生成的每个加工模块的百瓦级低功率激光扫描轨迹，采用设备中m×n个激光加工单元，对这m×n个激光加工单元当前位置所对应的m×n个子区域同步开展高精度slm成形；其中，每一个激光加工单元在成形其负责的子区域时，该激光加工单元所含的p个加工模块均同时成形该子区域中对应的高精度成形分区；其中，第i个加工模块，依次成形第i、第p+i、…、第[(x-1)p+i]个高精度成形分区；

22、s7、根据步骤s4中生成的千瓦级高功率激光扫描轨迹，对这m×n个激光加工单元当前位置所对应的m×n个子区域同步开展高效率slm成形；其中，每一个激光加工单元在成形其负责的子区域时，该激光加工单元所含的p个加工模块均同时成形该子区域中对应的高效率成形分区；其中，第i个加工模块，依次成形第i、第p+i、…、第[(y-1)p+i]个高效率成形分区；

23、s8、将设备的m个激光加工单元组件，分别移动至与其对应的且尚未成形的子区域列上方，并参照步骤s7、s8完成这些子区域列的成形，从而完成第一层金属粉末层的成形；

24、s9、参照步骤s5、s6、s7和s8，依次完成后续金属粉末层的铺设与slm成形，从而完成大尺寸金属零件的slm成形。

25、更进一步地，在步骤s6和s7中，当第i个加工模块依次完成了第i、第(p+i)、…、第[(x-1)p+i]个高精度成形分区的成形后，不等待其他加工模块完成相应的高精度成形分区的成形，该加工模块即依次进行第i、第(p+i)、…、第[(y-1)p+i]个高效率成形分区的成形。

26、更进一步地，在步骤s6中，通过控制光斑模式可调光纤激光器的激光模式和激光输出功率，以及动态聚焦振镜的聚焦参数，使高精度成形分区成形时所采用的百瓦级低功率激光的激光功率≤500w，且光斑模式为高斯模式，在金属粉末层表面的光斑直径≤100μm。

27、更进一步地，在步骤s7中，通过控制光斑模式可调光纤激光器激光模式和激光输出功率，以及动态聚焦振镜的聚焦参数，使高效率成形分区成形时所采用的千瓦级高功率激光的激光功率≥2kw，光斑模式为环形模式或高斯/环形组合模式，在金属粉末层表面的光斑直径≥200μm。

28、更进一步地，在步骤s4中，x的取值为2≤x≤5，y的取值为2≤y≤5；高精度成形分区和高效率成形分区的形状均为矩形。

29、更进一步地，在步骤s4以及s6的所述高精度成形中，每个子区域的x×p个高精度成形分区根据各自的百瓦级低功率激光扫描轨迹的总长度排序；具体地，百瓦级低功率激光扫描轨迹总长度越大的高精度成形分区，在编号时的排序越靠前；在步骤s4以及s7的所述高效率成形中，每个子区域的y×p个高效率成形分区的根据各自的千瓦级高功率激光扫描轨迹的总长度排序；具体地，千瓦级高功率激光扫描轨迹总长度越大的高效率成形分区，在编号时的排序越靠前。

30、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

31、1、本发明通过对slm设备的激光加工单元组件开展优化设计，特别是利用动态聚焦振镜成形幅面大、可动态调整光斑直径的特点，以及光斑模式可调光纤激光器输出方式灵活的优势，使金属粉末层的每一个子区域均能够同时采用多组千瓦级高功率激光/百瓦级低功率激光协同成形，突破了现有slm技术中金属粉末层每一个子区域只能采用1组千瓦级高功率激光/百瓦级低功率激光协同成形的技术瓶颈，从而在确保成形精度的前提下实现了slm成形效率的变革性提升。在此基础上，通过激光加工单元的合理阵列及分工位加工，实现了成形幅面的大幅扩展，为大尺寸金属零件的规模化、低成本slm成形提供了有效解决方案；

32、2、本发明通过将金属粉末层的每个子区域进一步划分为若干高精度成形分区和高效率成形分区，并分配对应的加工模块，制定相应的成形顺序，不仅能够在避免激光干涉的前提下，对同一个子区域开展多束百瓦级激光的同步成形或者多束千瓦级高功率激光的同步成形，还可在避免激光干涉的前提下，对同一个子区域同时开展多束百瓦级低功率激光的成形与多束千瓦级高功率激光的成形，从而在保证成形质量的前提下进一步提升了成形效率；

33、3、本发明在大量实践的基础上，对激光加工单元组件的数量、每个激光加工单元组件所含激光加工单元的数量、每个激光加工单元所含加工模块的数量和排布形式、金属粉末层每个子区域所含的高精度成形分区与高效率成形分区的数量和它们与加工模块的匹配关系，以及它们的成形顺序和成形参数进行了优化，从而进一步提升了成形效率和成形精度。