本發(fā)明涉及一種激光增減材復(fù)合制造裝置及方法，屬于激光加工制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，將激光增材制造技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的減材制造技術(shù)相結(jié)合，以實現(xiàn)增減材制造加工，是先進(jìn)制造行業(yè)研究的熱點，加工材料主要包括鈦及其合金、鋁合金、不銹鋼、鎳基高溫合金等韌性良好的材料，經(jīng)過激光增材結(jié)合數(shù)控機(jī)床的減材制造加工，能夠提升材料的組織性能，制造出形狀復(fù)雜多樣的零件。

現(xiàn)有的激光增材制造技術(shù)，一般是于基材表面進(jìn)行大面積、全面積的連續(xù)增材制造加工，在激光快速加熱和凝固的條件下，加工材料非常容易開裂，開裂形式主要分為兩種，一種是由于基材與增材的熱物性參數(shù)不匹配而產(chǎn)生熱應(yīng)力，加工過程中，當(dāng)熱積累到一定程度時，基材與增材之間易出現(xiàn)開裂；另一種是由于增材材料自身的脆性，在激光快速加熱凝固條件下，增材有可能開裂，且增材面積越大，越容易開裂。因此，利用現(xiàn)有的激光增材制造技術(shù)制造大尺寸的復(fù)合材料，效果并不理想。

另一方面，利用數(shù)控機(jī)床等機(jī)械加工設(shè)備實現(xiàn)減材制造加工，加工不同的材料需配置不同的輔助工具(如刀具、夾具、模具等)，加工過程繁瑣，使用和設(shè)計方面非常不靈活。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于上述原因，本發(fā)明的目的在于提供一種激光增減材復(fù)合制造裝置及方法，通過激光刻蝕方法，利用高能量激光光束照射到基材表面，使材料融化、氣化，于基材表面形成凹槽結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)減材制造，于凹槽結(jié)構(gòu)中填充粉末材料，并通過激光熔化粉末材料實現(xiàn)粉末材料與基材的結(jié)合，以實現(xiàn)增材制造，復(fù)合材料綜合性能良好，加工效率高，設(shè)計靈活，使用方便。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種激光增減材復(fù)合制造裝置，包括激光刻蝕系統(tǒng)、粉末填充機(jī)構(gòu)、激光熔化系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)，

激光刻蝕系統(tǒng)，用于通過激光刻蝕于基材表面形成具有預(yù)定圖案的若干凹槽結(jié)構(gòu)；

粉末填充機(jī)構(gòu)，用于向若干凹槽結(jié)構(gòu)中填充粉末材料；

激光熔化系統(tǒng)，用于將若干凹槽結(jié)構(gòu)中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料與基材相結(jié)合；

計算機(jī)控制系統(tǒng)，用于設(shè)置預(yù)定圖案，設(shè)置激光刻蝕系統(tǒng)的激光刻蝕參數(shù)，控制激光刻蝕系統(tǒng)按照預(yù)定圖案依據(jù)激光刻蝕參數(shù)于基材表面進(jìn)行激光刻槽過程；用于控制粉末填充機(jī)構(gòu)依次向若干凹槽結(jié)構(gòu)中填充粉末材料；用于設(shè)置激光熔化系統(tǒng)的激光熔化參數(shù)，控制激光熔化系統(tǒng)依據(jù)激光熔化參數(shù)將若干凹槽結(jié)構(gòu)中的粉末材料熔化。

進(jìn)一步的

所述激光刻蝕系統(tǒng)與激光熔化系統(tǒng)是三維動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)。

所述粉末填充機(jī)構(gòu)包括用于盛裝粉末材料的容器，用于將容器內(nèi)的粉末材料填充至預(yù)定位置的填粉執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

一種激光增減材復(fù)合制造方法，包括：

s1：利用激光刻蝕系統(tǒng)于基材表面形成具有預(yù)定圖案的若干凹槽結(jié)構(gòu)；

s2：利用粉末填充機(jī)構(gòu)向若干凹槽結(jié)構(gòu)中填充粉末材料；

s3：利用激光熔化系統(tǒng)將若干凹槽結(jié)構(gòu)中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料與基材相結(jié)合。

重復(fù)步驟s1-s3，形成由多種材料復(fù)合而成的鑲嵌結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料。

所述預(yù)定圖案由離散分布的若干封閉圖形組成。

所述凹槽結(jié)構(gòu)是直槽、斜槽、臺階槽，槽的深度為0.1～5mm。

所述基材包括鋁、鈦、鎳、銅、鐵等金屬及其合金材料；粉末材料包括金屬、陶瓷及金屬基陶瓷復(fù)合材料。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1、本發(fā)明的裝置及方法，是通過激光刻蝕方法于基材表面形成若干離散化的凹槽結(jié)構(gòu)，再向離散化的凹槽結(jié)構(gòu)中填充粉末材料，利用激光熔化方法依次將凹槽結(jié)構(gòu)中的粉末材料熔化使其與基材相結(jié)合，上述離散化的激光加工過程，能夠避免大面積的熱積累，從而避免加工過程中材料出現(xiàn)開裂情況，在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明能夠制造出大面積、多種材料復(fù)合的鑲嵌結(jié)構(gòu)式高性能復(fù)合材料，提升材料表層的綜合性能；

2、本發(fā)明的裝置及方法，通過激光刻蝕方法于基材表面形成若干離散化的凹槽結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)減材制造加工，與機(jī)械式減材制造設(shè)備相比，加工圖案可設(shè)計性強(qiáng)，加工快速高效，精度高；

3、本發(fā)明的裝置及方法，可通過激光刻蝕方法實現(xiàn)減材制造，通過激光熔化方法實現(xiàn)增材制造，兩種激光加工方法的有效結(jié)合實現(xiàn)了基材表層的性能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和快速制造加工，且激光加工速度快、過程熱輸入少，基材受激光的熱作用小，組織性能不會發(fā)生改變，切熱應(yīng)力小、變形少，對基材的性能影響非常小；

4、本發(fā)明的裝置及方法，能夠制備出強(qiáng)度、耐磨損等綜合性能較高的材料，且設(shè)計靈活多樣，在刀具、模具、摩擦副、裝飾、藝術(shù)設(shè)計等方面均具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明的加工流程圖。

圖3a、3b、3c是利用本發(fā)明的裝置及方法加工出的復(fù)合材料零件的側(cè)視圖。

圖4a、4b、4c是利用本發(fā)明的裝置及方法加工出的復(fù)合材料零件的平面結(jié)構(gòu)圖。

圖5是本發(fā)明的加工流程圖，加工過程中于凹槽結(jié)構(gòu)中填充兩種材料。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1所示，本發(fā)明公開的激光增減材復(fù)合制造裝置包括激光刻蝕系統(tǒng)、粉末填充機(jī)構(gòu)、激光熔化系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)，

激光刻蝕系統(tǒng)，用于通過激光刻蝕于基材表面形成具有預(yù)定圖案的若干凹槽結(jié)構(gòu)；

粉末填充機(jī)構(gòu)，用于向基材表面形成的凹槽結(jié)構(gòu)中填充粉末材料；

激光熔化系統(tǒng)，用于將凹槽結(jié)構(gòu)中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料與基材相結(jié)合；

計算機(jī)控制系統(tǒng)，用于設(shè)置預(yù)定圖案，設(shè)置激光刻蝕系統(tǒng)的激光刻蝕參數(shù)，控制激光刻蝕系統(tǒng)按照預(yù)定圖案依據(jù)激光刻蝕參數(shù)于基材表面進(jìn)行激光刻蝕加工過程；用于控制粉末填充機(jī)構(gòu)依次向基材表面的凹槽結(jié)構(gòu)中填充粉末材料；用于設(shè)置激光熔化系統(tǒng)的激光熔化參數(shù)，控制激光熔化系統(tǒng)依據(jù)激光熔化參數(shù)依次將凹槽結(jié)構(gòu)中的粉末材料熔化，使得熔化的粉末材料與基材相結(jié)合。

上述的激光刻蝕系統(tǒng)與激光熔化系統(tǒng)均為三維動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)(包括圖1所示激光器及激光聚焦掃描系統(tǒng))，該三維動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)包括動態(tài)聚焦鏡組、x軸振鏡、y軸振鏡、振鏡控制單元，動態(tài)聚焦鏡組包括z軸振鏡、兩片聚焦鏡；z軸振鏡、兩片聚焦鏡、x軸振鏡、y軸振鏡順序設(shè)置于激光器發(fā)出的激光光路上；振鏡控制單元分別與x軸振鏡、y軸振鏡、z軸振鏡的伺服電機(jī)相連接，用于通過控制伺服電機(jī)動作而調(diào)整x軸振鏡、y軸振鏡及z軸振鏡的鏡片的位置，使得激光光束聚焦于物體表面的不同位置上。三維動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理均為現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明不作詳細(xì)的說明。

為提高加工效率，避免設(shè)備交叉使用，激光刻蝕系統(tǒng)與激光熔化系統(tǒng)可以是獨(dú)立的兩部三維動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)，激光刻蝕系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的激光刻蝕參數(shù)對基材表面進(jìn)行刻槽加工過程，激光熔化系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的激光熔化參數(shù)對凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)的粉末材料進(jìn)行熔化加工過程；激光刻蝕系統(tǒng)與激光熔化系統(tǒng)也可以是同一部三維動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)，加工過程中，分別按照激光刻蝕參數(shù)、激光熔化參數(shù)在基材表面進(jìn)行刻槽、熔化粉末材料的加工過程。對于激光刻蝕系統(tǒng)，光源需采用脈沖激光，如納秒、皮秒或者飛秒激光。激光刻蝕參數(shù)按照激光刻蝕工藝的原理及要求設(shè)置，激光熔化參數(shù)按照激光熔化工藝的原理及要求設(shè)置。

粉末填充機(jī)構(gòu)包括用于盛裝一種或多種粉末材料的容器，及用于將容器內(nèi)的粉末材料填充至預(yù)定位置的填粉執(zhí)行機(jī)構(gòu)。填粉執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以是輥筒、刮板、噴粉器、冷噴涂設(shè)備、噴槍等，利用輥筒或刮板帶動粉末材料于基材表面作平鋪運(yùn)動，將粉末材料填充至凹槽結(jié)構(gòu)中；或是利用噴粉器通過噴涂方式將粉末材料填充至凹槽結(jié)構(gòu)中；或是利用冷噴涂設(shè)備，通過高壓氣流將粉末以比較致密的方式填充至凹槽結(jié)構(gòu)中，也可以先用有機(jī)溶劑將粉末材料調(diào)配成漿狀，利用噴槍噴入凹槽結(jié)構(gòu)。粉末填充機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)已屬現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明中不作詳細(xì)說明。

如圖2所示，本發(fā)明公開的激光增減材復(fù)合制造方法，包括：

s1：利用激光刻蝕系統(tǒng)于基材表面形成具有預(yù)定圖案的若干凹槽結(jié)構(gòu)；

如圖3a、3b、3c、4a、4b、4c所示，預(yù)定圖案是由離散分布的若干圓形、多邊形等多種封閉圖形組成，凹槽結(jié)構(gòu)2可以是直槽、斜槽也可以是臺階槽等多種槽形式，凹槽的深度在0.1～5mm。

s2：利用粉末填充機(jī)構(gòu)向基材表面形成的凹槽結(jié)構(gòu)中填充粉末材料；

基材1一般為韌性良好的材料，例如鋁、鈦、鎳、銅、鐵等金屬及其合金材料。粉末材料3一般為硬度高、強(qiáng)度大、脆性大的材料，包括金屬、陶瓷及金屬基陶瓷復(fù)合材料，金屬基陶瓷復(fù)合材料例如為鐵、鎳、鈷等金屬粉末，碳化物、硅化物、硼化物等陶瓷粉末，以及鐵包碳化物、鎳包碳化物等復(fù)合材料粉末。粉末材料的粒徑通常在100μm以下。

s3：利用激光熔化系統(tǒng)將凹槽結(jié)構(gòu)中填充的粉末材料熔化，使得填充的粉末材料與基材相結(jié)合。

粉末材料熔化燒結(jié)后組織致密，熔化后的粉末材料4與基材形成冶金結(jié)合。

通過上述步驟可于基材表面形成具有預(yù)定圖案的鑲嵌結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

如圖5所示，根據(jù)設(shè)計及使用需要，可按照上述步驟s1-s3，在基材11表面按照預(yù)定圖案進(jìn)行刻槽加工，在加工出第一凹槽結(jié)構(gòu)12，在第一凹槽結(jié)構(gòu)12中填充第一種粉末材料13，將第一種粉末材料13熔化、凝固；然后，重復(fù)步驟s1-s3，在基材11表面加工出第二凹槽結(jié)構(gòu)14，在第二凹槽結(jié)構(gòu)14中填充第二種粉末材料15，將第二種粉末材料15熔化、凝固使之與基材相結(jié)合形成具有鑲嵌結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。如此反復(fù)刻槽-填粉-熔化的加工過程，可形成由多種材料復(fù)合而成的鑲嵌結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料。

本發(fā)明的激光增減材復(fù)合制造裝置及方法，通過激光刻蝕方法于基材表面形成若干離散化的凹槽結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)減材制造，向離散化的凹槽結(jié)構(gòu)中填充粉末材料，利用激光熔化方法依次將若干凹槽結(jié)構(gòu)中的粉末材料熔化使其與基材相結(jié)合，實現(xiàn)增材制造，離散化的激光加工過程，可避免大面積加工造成的熱積累，從而避免加工過程中材料出現(xiàn)開裂情況，且激光加工對基材的性能影響非常小。由此，本發(fā)明能夠制造出大面積、多種材料復(fù)合的鑲嵌結(jié)構(gòu)式高性能復(fù)合材料，提升材料表層的綜合性能，且設(shè)計靈活，加工快速高效，精度高。

以上所述是本發(fā)明的較佳實施例及其所運(yùn)用的技術(shù)原理，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。