阅读说明：本技术 一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置及其工作方法和制造方法 (Anti-evaporation metal additive manufacturing device in high-vacuum environment and working method and manufacturing method thereof ) 是由 张祺 杨杰 马红林 王国玉 范树迁 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置及其工作方法和制造方法,其中装置主要包括激光器、高速机械光闸、低速机械光闸以及光开关控制器；所述激光器的激光聚焦头和金属熔融体之间设置有高速机械光闸和低速机械光闸两种闸门；脉冲激光通过高速机械光闸和低速机械光闸作用于金属材料表面将其熔化并在激光入射相反方向产生高速喷射的金属蒸汽和低速飞溅的金属液滴,在高真空环境中蒸汽和液滴先后飞向所述激光器的激光聚焦头方向,在其到达激光聚焦头表面之前两道高速机械光闸和低速机械光闸分别完全闭合从而将其截止在光闸挡板的外侧,以此达到有效保护光学器件的目的,使得金属增材制造有序地进行。(The invention relates to a high-vacuum environment anti-evaporation metal additive manufacturing device and a working method and a manufacturing method thereof, wherein the device mainly comprises a laser, a high-speed mechanical optical shutter, a low-speed mechanical optical shutter and an optical switch controller; two gates of a high-speed mechanical optical gate and a low-speed mechanical optical gate are arranged between a laser focusing head of the laser and the metal melt; the pulse laser acts on the surface of a metal material through a high-speed mechanical optical gate and a low-speed mechanical optical gate to melt the metal material and generate high-speed sprayed metal steam and low-speed splashed metal liquid drops in the direction opposite to the laser incidence direction, the steam and the liquid drops sequentially fly to the laser focusing head direction of the laser in a high vacuum environment, and the two high-speed mechanical optical gates and the low-speed mechanical optical gate are respectively and completely closed before the steam and the liquid drops reach the surface of the laser focusing head so as to be cut off at the outer side of an optical gate baffle, so that the purpose of effectively protecting an optical device is achieved, and metal additive manufacturing is orderly carried out.)

一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置及其工作方法和制 造方法

技术领域

本发明涉及极端制造技术领域，具体是一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置及其工作方法和制造方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。以激光束、电子束、等离子或离子束为热源，加热材料使之结合、直接制造零件的方法，称为高能束流快速制造，是增材制造领域的重要分支，在工业领域最为常见。

为实现空间站的即造即用后勤保障模式，满足在轨零部件制造的重大战略需求，国际上正在开展太空增材制造技术方面的研究，该研究将为实现空间站即造即用后勤保障提供关键科学基础和关键技术基础，并为满足国家在航空航天、国防军工等领域的重大战略需求提供支撑。目前国内外在太空增材制造技术研究方面采用的主要技术路线包括热熔融沉积、电子束熔丝、激光选区烧结、立体光刻固化、激光熔丝等。各种技术手段适用的材料和材料的初始形态差异较大。热熔融沉积方式适用于PEEK等低熔点非金属丝材，激光选区烧结和立体光刻固化适用于高熔点陶瓷粉末，电子束熔丝和激光熔丝适用于常用金属丝材。与电子束熔丝相比激光熔丝主要的优势在于：

(1)在获得同样有效加热功率的情况下总功耗更小；

(2)带有光纤出头的激光器设备体积更小、柔性更好，易于实验系统集成；

(3)激光器核心单元工作寿命更长，易于实验系统维护；

(4)光束扫描不受电磁场影响也不产生电磁污染，环境适应性更好。

目前，太空中做激光熔丝金属增材制造的主要问题在于制造过程中产生的金属蒸汽和金属液滴容易污染末端光学器件从而破坏光路导致制造系统失效。

发明内容

本发明提供一种适用于高真空环境防蒸镀金属增材制造装置及其工作方法和制造方法，着力解决了在制造过程中产生的金属蒸汽和金属液滴容易污染末端光学器件从而破坏光路导致制造系统失效的技术难题。为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明的技术方案之一是一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置，包括激光器、高速机械光闸、低速机械光闸和光开关控制器，所述激光器和光开关控制器连接，所述高速机械光闸和低速机械光闸依次设置在激光器后面；所述高速机械光闸由一道以上做相反方向等速率匀速旋转运动的机械快门构成；所述低速机械光闸由一道做匀速旋转运动的机械快门构成；所述光开关控制器可以控制激光器出光和关闭。

进一步，所述高速机械光闸和低速机械光闸在聚焦光路上的相对前后位置可以调换。

进一步，所述装置还包括机械传动结构，所述机械传动结构可以使高速机械光闸的开关频率为低速机械光闸的整数倍，保证两者在同一时刻完全打开。

进一步，所述激光器的脉冲频率可以与低速光闸开关频率一致和/或采用其整数倍分频。

优选的，所述高真空环境防蒸镀金属增材制造装置可以采用光电传感器加分频电路来实现激光器的脉冲频率为低速光闸开关频率的整数倍分频。

进一步，所述激光器射出的脉冲激光束通过高速和低速两种机械光闸以后到达金属材料表面并将其熔化，与此同时在金属熔融体表面产生高速喷射的金属蒸汽和相对低速飞溅的金属液滴。

进一步，所述金属蒸汽沿出射激光束反方向到达激光聚焦头表面之前被高速机械光闸截断。

进一步，所述金属液滴沿出射激光束反方向到达激光聚焦头表面之前被低速机械光闸截断。

本发明的技术方案之二是提供一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：t₀时刻，高速机械光闸的两道高速闸门和低速机械光闸的一道低速光闸同时完全打开；

步骤2：激光器随即受控开始出光并持续时间dt后关闭，dt满足

dt<<t₁-t₀；

其中，t₁时刻，两道高速闸门已经完全关闭，但低速闸门还未产生明显的关闭动作，此时刻有大量金属蒸汽在熔融体表面产生并向激光聚焦头方向高速喷射过去且金属蒸汽即将到达高速光闸的外侧表面；

需要说明的是，dt还有一层含义是激光器所发射的激光的脉冲宽度，通常是指激光功率维持在一定值时所持续的时间。

步骤3：t₂时刻，金属蒸汽开始撞击两道高速旋转的闸门外表面并沉积在上面，该过程持续时长为t₃-t₂，并且t₃-t₂≤dt；

步骤4：t₄时刻，两道高速闸门再次完全打开，低速闸门处于半开状态，此时，t₄和t₅满足以下关系：

t₄-t₀<<t₅-t₀；

其中，t₅时刻，低速闸门已经完全关闭，金属液滴即将到达低速光闸的外侧表面；

步骤5：t₆时刻，金属液滴开始陆续撞击低速旋转的低速闸门外表面并沉积在上面，该过程持续时长度约为t₇-t₆；其中t₇时刻，飞溅到低速闸门外侧的金属液滴已经完全被拦截；

步骤6：t₈时刻，两道高速闸门和一道低速闸门再次同时完全打开，整个制造装置经历了一个完整的工作周期，激光器准备再次出光，重复步骤1～5。

所述高速闸门的开关频率是低速闸门开关频率的整数倍，以保证两者在同一时刻完全打开。

所述激光器的脉冲频率与低速光闸开关频率一致。

本发明的技术方案之四是如上所述的工作方法再太空环境或实验室高真空环境中实现可持续工作的金属激光增材制造任务的应用。

本发明的技术方案之五是一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤(1)：根据光束聚焦器件的极限能力和聚焦光斑尺寸大小的要求选择激光聚焦头到金属熔融体的最大距离L_0max和激光聚焦头的最小出光口径d_0min，高速光闸最小通光口径 d_1min和低速光闸最小通光口径d_2min的大小相等，按照下式进行选取：

d_1min＝d_2min＝d_0minL₁/L_0max；

其中，L₁是最接近金属熔融体的光闸到金属熔融体的距离，实际上既可能高速光闸，也可能是低速光闸；

聚焦光斑尺寸大小＝1.83λf/d_0min；

其中λ是激光波长，f是光束聚焦器件的焦距，激光聚焦头到金属熔融体的最大距离L_0max约等于f；

步骤(2)：根据转盘光闸零件的材料和高速光闸存在的最高转速Φ_max计算并选取高速光闸最大转盘直径D_1max，取低速光闸最大转盘直径D_2max与D_1max相等；

其中，最高转速Φmax由选定的驱动机构在实际工况中的运行情况决定，Φmax确定以后根据选定的转盘光闸零件的材料极限强度选取高速光闸最大转盘直径D_1max；

步骤(3)：根据材料的理化特性和加工工艺并结合聚焦光斑尺寸大小估算连续成形时需要输入的最小单脉冲激光能量dP_min及其对应的最高重复频率Φ/n₁n₂，在此基础上进行脉冲激光金属增材实验确认dP_min和Φ/n₁n₂计算值的合理性，选出最小脉冲激光宽度dt_min；

步骤(4)：根据喷射金属蒸汽持续最长时间t₃-t₂不会超过脉冲激光宽度dt这个基本原理，选取高速光闸通光口数量N_1min＝2，且满足以下约束关系：

D_1max≥d_1min×(1+csc(π/(2N₁)))；

所有通光口在转盘上最外侧呈中心对称排列；

步骤(5)：选用高速光闸存在的最高转速Φ_max开始进行脉冲激光金属增材实验，观察并验证金属蒸汽的抑制情况；

当满足

d_1min/(D_1maxΦ_max)≤t₂-t₀时，

金属蒸汽会得到明显抑制；

当抑制效果不明显时，逐渐降低高速光闸转速并继续观察，排除因为选取的初始转速Φ_max过高带来的误判；

最终选用能够产生明显金属蒸汽抑制效果的最低转速Φ_min作为高速光闸的工作转速；

步骤(6)：根据飞溅金属液滴持续最长时间t₇-t₆不易预知的基本特点，选取低速光闸通光口数量N₂＝2，且两个通光口在转盘上最外侧呈中心对称排列；

步骤(7)：通过实验观测获取液滴到达延迟时间t₆-t₀，根据以下关系确认低速光闸的最高转速Φ/n_1min：

Φ/n_1min＝d_2min/(D_2maxΦ_min/n₁)≤t₆-t₀；

步骤(8)：根据步骤(3)获得的脉冲激光最高重复频率Φ/n₁n₂和步骤(7)获得的低速光闸最高转速Φ/n_1min综合判断参数n₂的合理取值。

根据下式获取n₂的合理取值：

n₂＝(Φ/n_1min)/(Φ/n₁n₂)。

需要说明的是，在高真空环境防蒸镀金属增材制造装置的制造方法当中所提到的t₃、t₂以及t₆等各个时刻值，其所表示的含义与上面所提到的工作方法当中的含义一致。

有益效果在于：

本发明能够根据各种金属材料的蒸汽喷射和液滴飞溅速度特性差异主动调整机械光闸关闭响应时间，有效控制末端光学器件的污染从而使制造过程得以持续稳定进行。

附图说明

图1为一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置原理图；

图2a为一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置优选工作方法图；

图2b为一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置优选工作时序图；

图3为一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置优选设计方法流程图。

附图各部件标记如下：

1、第一高速闸门；2、第二高速闸门；3、低速闸门；4、金属熔融体；5、底板；6、激光聚焦头；

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1：高真空环境防蒸镀金属增材制造装置

本发明实施例，请参考图1所示的，是一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置，所述装置包括激光聚焦头6、高速机械光闸、低速机械光闸、金属熔融体4、工作台和光开关控制器等要素；激光聚焦头6和金属熔融体4之间设置有高速机械光闸和低速机械光闸两种闸门；高速机械光闸包含两道做等速率相反方向运动的闸门，分别为第一高速闸门1和第二高速闸门2，低速机械光闸包含一道低速闸门3；机械光闸由周期性的旋转运动实现，两种光闸同时打开时光开关控制器发出开光使能信号，高速光闸即将关闭前光开关控制器发出关光使能信号；光开关控制器向激光器发送的连续脉冲控制信号使激光束输出为脉冲方式，脉冲激光作用于金属材料表面将其熔化并在激光入射相反方向产生高速喷射的金属蒸汽和低速飞溅的金属液滴，在高真空环境中蒸汽和液滴先后飞向激光聚焦头表面，在其到达激光聚焦头表面之前两道高速机械光闸和低速机械光闸分别完全闭合从而将其截止在光闸挡板的外侧；上述脉冲激光可持续熔化金属材料最终实现金属增材制造。

本发明实施例具体实施时，从激光聚焦头6射出的脉冲激光束通过高速和低速两种机械光闸以后到达金属材料表面并将其熔化，与此同时在金属熔融体4表面产生高速喷射的金属蒸汽和相对低速飞溅的金属液滴。

本发明实施例中，高速机械光闸由两道做等速率相反方向运动的机械快门构成，两道机械快门均做高速匀速旋转运动，在上述金属蒸汽沿出射激光束反方向到达激光聚焦头表面之前截断光路，防止金属蒸汽污染光学表面。

本发明实施例中，低速机械光闸由一道机械快门构成，该机械快门做低速匀速旋转运动，在上述金属液滴沿出射激光束反方向到达激光聚焦头表面之前截断光路，防止金属液滴污染光学表面，有效控制末端光学器件的污染从而使制造过程得以持续稳定进行。

本发明实施例中，当两种机械光闸完全同时打开时光开关控制器可以发出激光开光使能信号，当本时刻(当前工作周期)的高速光闸即将完全关闭前光开关控制器立即发出激光关光使能信号，上述脉冲激光束的脉宽可以在使能信号单次开关两时刻差值之间选取。

最终，上述脉冲激光可持续熔化金属材料最终实现金属增材制造。

在使用本装置的过程中，定期清洁机械光闸外表面附着的金属粉尘颗粒可以维持制造装置的良好工况。

实施例2：一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置优选工作方法和时序

本发明实施例是基于实施例1的装置基础上的一种优选工作方法，运用本发明实施例中的方法进行金属增材制造，可以有效避免金属液滴污染光学元件，保证金属增材制造的高效有序进行。

本发明实施例中所述的工作方法，详细介绍了一个周期的金属增材制造过程。

具体的，请如图2a和图2b所示，t₀时刻两道高速光闸和一道低速光闸同时完全打开；紧接着激光器受控开始出光并持续时间dt(激光脉冲宽度)后关闭，此时通过设计可以满足关系：dt<<t₁-t₀，值得注意的是此时已经有大量金属蒸汽在熔融体表面产生并向激光聚焦头方向高速喷射过去；t₁时刻高速光闸已经完全关闭，但低速光闸还未产生明显的关闭动作，此时金属蒸汽已经几乎到达了高速光闸的外侧表面；t₂时刻金属蒸汽开始撞击两道高速旋转的光闸外表面并沉积在上面，该过程持续时长度约为t₃-t₂并且t₃-t₂≤dt，值得注意的是此后即将有金属液滴在熔融体表面产生并向激光聚焦头方向低速飞溅过去；t₄时刻两道高速光闸再次完全打开，但低速光闸仍然处于半开的状态，此时通过设计可以满足关系：t₄-t₀<<t₅-t₀； t₅时刻低速光闸已经完全关闭，此前高速光闸已经反复开关了很多次并且此刻高速光闸的状态根据既定的设计参数有可能处于任何状态，此时金属液滴已经快到达低速光闸的外侧表面；t₆时刻金属液滴开始陆续撞击低速旋转的光闸外表面并沉积在上面，该过程持续时长度约为t₇-t₆；t₇时刻飞溅到低速光闸外侧的金属液滴已经完全被拦截；t₈时刻两道高速光闸和一道低速光闸再次同时完全打开，整个制造装置经历了一个完整的工作周期，激光器准备再次出光。

由上述优选工作方法和时序分析可见高速光闸的开关频率需要设计为低速光闸开关频率的整数倍才能够保证两者在同一时刻完全打开，这个功能要求可以由机械传动结构设计来保障；激光器的脉冲频率可以与低速光闸开关频率一致，也可以采用其整数倍分频，这个功能要求可以由光电传感器触发外加分频电路来完成。

需要说明的是，高速光闸和低速光闸在聚焦光路上的相对前后位置可以调换，并不会影响其功能实现。

另外，高速光闸也可以由一道闸门而不是两道闸门来实现。

实施例3：一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置优选设计方法

本发明所提出的一种高真空环境防蒸镀金属增材制造装置，其关键设计参数包括激光聚焦头到金属熔融体的距离L₀，光闸到金属熔融体的距离L₁，激光聚焦头的出光口径d₀，高速光闸通光口径d₁，低速光闸通光口径d₂，高速光闸转盘直径D₁，高速光闸通光口数量N₁，低速光闸转盘直径D₂，低速光闸通光口数量N₂，高速光闸转速Φ，低速光闸转速Φ/n₁，脉冲激光重复频率Φ/n₁n₂，脉冲激光宽度dt，单脉冲激光能量dP，蒸汽到达延迟时间t₂-t₀，蒸汽持续时间t₃-t₂，液滴到达延迟时间t₆-t₀，液滴到达延迟时间t₇-t₆。

设计该装置首先需要选定待加工金属材料的种类以及对应的增材加工工艺(粉末床、熔丝等)，材料的理化特性和初始状态将在很大程度上决定喷射金属蒸汽和飞溅金属液滴到达光闸的延迟时间和持续时间，因此改变材料或其加工工艺两者之中的任意一种以后都需要按照如图3所示步骤对整套装置及其配套工艺参数进行完整的重新设计：

(1)根据光束聚焦器件的极限能力和聚焦光斑尺寸大小的要求选择激光聚焦头到金属熔融体的最大距离L_0max和激光聚焦头的最小出光口径d_0min，随后可以选取高速光闸最小通光口径d_1min和低速光闸最小通光口径d_2min的大小均为d_0minL₁/L_0max；

(2)根据转盘光闸零件的材料和高速光闸可能存在的最高转速Φ_max计算并选取高速光闸最大转盘直径D_1max，取低速光闸最大转盘直径D_2max与其相等；

(3)根据材料的理化特性和加工工艺并结合上述聚焦光斑尺寸大小估算连续成形时需要输入的最小单脉冲激光能量dP_min及其对应的最高重复频率Φ/n₁n₂，在此基础上进行脉冲激光金属增材实验确认dP_min和Φ/n₁n₂计算值的合理性，进一步优选出最小脉冲激光宽度dt_min；

(4)根据喷射金属蒸汽持续最长时间t₃-t₂不会超过脉冲激光宽度dt这个基本原理可以选取高速光闸通光口数量N_1min＝2，且满足约束关系D_1max≥d_1min×(1+csc(π/(2N₁)))，所有通光口在转盘上最外侧呈中心对称排列；

(5)选用高速光闸可能存在的最高转速Φ_max开始进行脉冲激光金属增材实验，观察并验证金属蒸汽的抑制情况。当满足d_1min/(D_1maxΦ_max)≤t₂-t₀时，金属蒸汽会得到明显抑制。当抑制效果不明显时可以逐渐降低高速光闸转速并继续观察，排除因为选取的初始转速Φ_max过高带来的误判。最终选用能够产生明显金属蒸汽抑制效果的最低转速Φ_min作为高速光闸的工作转速；

(6)根据飞溅金属液滴持续最长时间t₇-t₆不易预知的基本特点，选取低速光闸通光口数量N₂＝2，且两个通光口在转盘上最外侧呈中心对称排列；

(7)通过其它观测方法或研究手段获取液滴到达延迟时间t₆-t₀，根据关系 d_2min/(D_2maxΦ_min/n₁)≤t₆-t₀确认低速光闸的最高转速Φ/n_1min；

(8)根据上述(3)获得的脉冲激光最高重复频率Φ/n₁n₂和上述(7)获得的低速光闸最高转速Φ/n_1min综合判断参数n₂的合理取值。

由上述优选设计方法可见机械光闸在聚焦光路上的位置即可以靠近激光聚焦头一侧也可以靠近金属熔融体一侧。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。