本發(fā)明涉及一種激光增材制造，尤其涉及一種在太空環(huán)境中利用激光增材技術(shù)進(jìn)行桿件制造的方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、增材制造技術(shù)克服了傳統(tǒng)“去材”制造對原材料的大量浪費(fèi)，同時又具有快速成型，細(xì)化晶粒，均勻組織等優(yōu)點(diǎn)，已成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件快速成型技術(shù)的首選。

2、通常，目前大多桿件增材制造一般是基于電弧熔絲增材逐點(diǎn)（point?by?point）制造實(shí)現(xiàn)桿狀結(jié)構(gòu)的增材制造，尤其是建筑領(lǐng)域，主要采用cmt電弧增材，熱源為電弧，材料形式為絲材，焊絲過渡為短路過渡，逐點(diǎn)實(shí)現(xiàn)桿件單元的制造，同時擴(kuò)展到以桿件單元為基礎(chǔ)的復(fù)雜框架/點(diǎn)陣/桁架等結(jié)構(gòu)的空間自由成形。

3、然而，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，一方面，電弧熔絲增材逐點(diǎn)制造出來的桿件不僅內(nèi)應(yīng)力大，而且表面質(zhì)量差；另一方面，電弧熔絲增材逐點(diǎn)制造不適應(yīng)于太空環(huán)境下的桿件制造。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種桿件的激光連續(xù)液態(tài)界面增材制造方法及裝置，通過激光熔化絲材形成連續(xù)液態(tài)界面替代現(xiàn)有的逐點(diǎn)增材方式制造桿件，提高了桿件的表面精度，更適用于太空環(huán)境下的桿件制造。

2、為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、本發(fā)明的第一方面，在于提供一種桿件的激光連續(xù)液態(tài)界面增材制造方法，所述增材制造方法基于一種桿件的增材制造裝置，所述增材制造裝置包括：水平設(shè)置用于承載工件的基板，位于基板正上方用于按垂直于基板的方向供給絲材的送絲裝置，用于激發(fā)激光熔化絲材的激光激發(fā)裝置，所述增材制造裝置還包括：用于監(jiān)控絲材熔化狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)，所述監(jiān)控系統(tǒng)包括圖像采集裝置和位移傳感器；所述增材制造方法包括步驟：

4、將用于承載工件的基板水平設(shè)置，并將絲材從上方垂直于基板；調(diào)整激光激發(fā)裝置的出射角，使得發(fā)出的激光斜向照射在絲材上；

5、開啟激光激發(fā)裝置，所述激光激發(fā)裝置激發(fā)的激光功率為p；絲材以速度v1向下送絲，基板以速度v2運(yùn)動，激光照射位置保持不變，使得絲材熔化在基板或已成形桿件與絲材末端之間，以形成連續(xù)液態(tài)界面；

6、絲材保持以速度v1向下送絲，基板保持以速度v2移動，激光功率照射位置持續(xù)不變，直到桿件達(dá)到目標(biāo)長度；

7、其中，所述激光功率p為140~160w；

8、當(dāng)速度v1為4~6mm/s時，速度v2為0.3~0.6mm/s；

9、當(dāng)速度v1為6.5~8.5mm/s時，速度v2為0.7~1.2mm/s；

10、當(dāng)速度v1為9~11mm/s時，速度v2為1~2.25mm/s；

11、所述圖像采集裝置周期性或?qū)崟r地采集到圖像，發(fā)送至上位機(jī)，由上位機(jī)對所述圖像采集裝置所采集的圖像進(jìn)行圖像處理，得到液橋當(dāng)前的狀態(tài)，上位機(jī)根據(jù)液橋當(dāng)前的狀態(tài)修正送絲速度或基板的運(yùn)動速度；

12、上位機(jī)對所述圖像采集裝置所采集的圖像進(jìn)行圖像處理，得到液橋當(dāng)前的狀態(tài)，上位機(jī)根據(jù)液橋當(dāng)前的狀態(tài)修正送絲速度或基板的運(yùn)動速度的步驟，具體包括：

13、上位機(jī)進(jìn)行圖像處理，得到液橋當(dāng)前的厚度或?qū)挾龋⑵渑c上一周期得到的液橋厚度或?qū)挾?，或上一時間段內(nèi)的厚度或?qū)挾绕骄颠M(jìn)行比較；

14、若變小，通過所述位移傳感器獲取當(dāng)前的送絲速度和基板移動速度，并判斷送絲速度和基板移動速度是否在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)，若不在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)，調(diào)整送絲速度和/或基板移動速度至預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)；

15、若變大，減小送絲速度或增大基板的移動速度，使其在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)；

16、所述送絲速度的預(yù)設(shè)閾值范圍為4~6mm/s時，所述基板移動速度的預(yù)設(shè)閾值范圍為0.3~0.6mm/s；或者，所述送絲速度的預(yù)設(shè)閾值范圍為6.5~8.5mm/s時，所述基板移動速度的預(yù)設(shè)閾值范圍為0.7~1.2mm/s；所述送絲速度的預(yù)設(shè)閾值范圍為9~11mm/s時，所述基板移動速度的預(yù)設(shè)閾值范圍為1~2.25mm/s。

17、優(yōu)選地，激光和絲材之間的夾角為20°-60°，和/或，所述絲材為tc4鈦合金，其直徑為0.4~1.2mm。

18、優(yōu)選地，所述激光激發(fā)裝置激發(fā)的激光為環(huán)列式激光束，所述絲材位于環(huán)列式激光束正中。

19、優(yōu)選地，所述圖像采集裝置為高速攝像機(jī)；所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括紅外熱像儀。

20、本發(fā)明的第二方面，在于提供一種桿件的激光連續(xù)液態(tài)界面增材制造裝置，其包括水平設(shè)置用于承載桿件的基板、位于基板正上方用于按垂直于基板的方向供給絲材的送絲裝置、用于激發(fā)激光熔化絲材的激光激發(fā)裝置，以及用于驅(qū)動所述基板上下運(yùn)動的豎直驅(qū)動機(jī)構(gòu)；

21、所述豎直驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括絲杠，所述絲杠上設(shè)置有與絲杠螺紋配合的小車，所述基板固定在小車上；還包括為小車導(dǎo)向的導(dǎo)向桿，所述絲杠由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)；

22、還包括上位機(jī)，以及用于監(jiān)控絲材熔化狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)，所述監(jiān)控系統(tǒng)包括圖像采集裝置和位移傳感器；

23、所述上位機(jī)用于對所述圖像采集裝置所采集的圖像進(jìn)行圖像處理，得到液橋當(dāng)前的狀態(tài)，并根據(jù)液橋當(dāng)前的狀態(tài)修正送絲速度或基板的運(yùn)動速度；具體地上位機(jī)進(jìn)行圖像處理，得到液橋當(dāng)前的厚度或?qū)挾?，并將其與上一周期得到的液橋厚度或?qū)挾?，或上一時間段內(nèi)的厚度或?qū)挾绕骄颠M(jìn)行比較；若變小，通過所述位移傳感器獲取當(dāng)前的送絲速度和基板移動速度，并判斷送絲速度和基板移動速度是否在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)，若不在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)，調(diào)整送絲速度和/或基板移動速度至預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)；若變大，減小送絲速度或增大基板的移動速度，使其在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)；所述送絲速度的預(yù)設(shè)閾值范圍為4~6mm/s時，所述基板移動速度的預(yù)設(shè)閾值范圍為0.3~0.6mm/s；或者，所述送絲速度的預(yù)設(shè)閾值范圍為6.5~8.5mm/s時，所述基板移動速度的預(yù)設(shè)閾值范圍為0.7~1.2mm/s；所述送絲速度的預(yù)設(shè)閾值范圍為9~11mm/s時，所述基板移動速度的預(yù)設(shè)閾值范圍為1~2.25mm/s。

24、優(yōu)選地，所述送絲裝置包括用于收納絲材的絞盤，所述絞盤下方并排設(shè)置有一對送絲輥輪；所述送絲輥輪下方豎直設(shè)置有導(dǎo)絲管。

25、優(yōu)選地，所述絞盤與送絲輥輪之間設(shè)置有矯直器。

26、優(yōu)選地，所述送絲輥輪由直流電機(jī)帶動，所述直流電機(jī)由pid控制器控制。

27、優(yōu)選地，所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括紅外熱像儀。

28、優(yōu)選地，所述基板和送絲裝置與上位機(jī)連接，由上位機(jī)控制運(yùn)動速度和送絲速度。

29、本發(fā)明的有益之處在于：本發(fā)明通過激光熔絲形成連續(xù)液態(tài)界面進(jìn)行增材制造桿件，相對于現(xiàn)有的逐點(diǎn)增材的桿件制造方法，其成品表面精度高，強(qiáng)度高，并且更適用于太空環(huán)境中的桿件制造，尤其是太空環(huán)境中直桿件的增材制造。

30、由于太空中重力、溫度等等環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致打印方式和地面有所區(qū)別，并且成型難度更大，一方面，由于需要攜帶到太空環(huán)境，其要求設(shè)備盡量結(jié)構(gòu)簡單輕便，因此，本技術(shù)采用激光器（優(yōu)選波長為808nm的半導(dǎo)體激光器）來進(jìn)行桿件的增材制造，由于該激光器自身體積小重量輕，從而使得增材制造裝置整體體積小重量輕；另一方面，在太空環(huán)境下利用激光進(jìn)行桿件的增材制造，其難點(diǎn)在于送絲速度和基板移動速度的配合，若送絲速度過慢或基板移動速度過快，則絲材末端與已成形桿件之間的液橋非常容易斷裂，若送絲速度過快或基板移動速度過慢，則容易發(fā)生扎絲現(xiàn)象（例如，對于直桿件或螺旋狀等非直桿件的增材制造，垂直向下送絲的速度太快會導(dǎo)致出現(xiàn)扎絲），因此，通常認(rèn)為送絲速度不得小于13mm/s，基板移動速度不得小于3mm/s；另一方面，絲材的種類和直徑也將影響送絲速度和基板移動速度。tc4鈦合金非常適合用于制作航天航空器件，經(jīng)過大量創(chuàng)造性的勞動，出乎意料地發(fā)現(xiàn)：針對0.4-1.2mm（針對太空中的某一類直桿件或某一類桁架來說）的tc4鈦合金絲材，激光總功率為140-160w（由于在太空等微重力環(huán)境中，熱量主要以熱輻射的形式散熱，因此，激光功率不能夠太大，否則產(chǎn)生較大熱量無法及時散熱將大大影響裝置的使用壽命，若通過設(shè)置散熱片的方式又將大大增加設(shè)備的成本和自身體積和重量，當(dāng)然，激光總功率也不能夠太小，否則絲材熔化不充分，從而導(dǎo)致液橋極易斷裂或扎絲，因此，針對該特定直徑的鈦合金絲材，經(jīng)過創(chuàng)造性勞動找到最佳激光總功率），且送絲速度為4-6mm/s時，若基板移動速度大于0.6mm/s，由于微重力環(huán)境下，在表面張力的作用下，被熔化的絲材形成液滴，從而使得絲材末端與熔池之間形成的液橋極易斷裂，進(jìn)而無法繼續(xù)進(jìn)行桿件制造，若基板移動速度小于0.3mm/s，出現(xiàn)扎絲；而當(dāng)送絲速度為6.5-8.5mm/s時，若基板移動速度大于1.2mm/s，由于微重力環(huán)境下，在表面張力的作用下，被熔化的絲材形成液滴，從而使得絲材末端與熔池之間形成的液橋極易斷裂，進(jìn)而無法繼續(xù)進(jìn)行桿件制造，若基板移動速度小于0.7mm/s，出現(xiàn)扎絲；而當(dāng)送絲速度為9-11mm/s時，若基板移動速度大于2.25mm/s，由于微重力環(huán)境下，在表面張力的作用下，被熔化的絲材形成液滴，從而使得絲材末端與熔池之間形成的液橋極易斷裂，進(jìn)而無法繼續(xù)進(jìn)行桿件制造，若基板移動速度小于1mm/s，出現(xiàn)扎絲；而當(dāng)送絲速度大于11mm/s時，絲材無法及時熔化，且絲材末端將頂在基板上發(fā)生變形，無法穩(wěn)定成型；而當(dāng)送絲速度小于4mm/s時，絲材末端無法與熔池形成穩(wěn)定的連接，從而使得絲材末端與熔池之間的液橋極易斷裂，這就使得絲材末端被熔化后形成液滴，而在微重力環(huán)境下，由于表面張力的作用，絲材末端的小液滴將逐漸變成大液滴或液球，進(jìn)而使得桿件成形過程中斷。