一种基于螺旋分层与层间并行加工的选区熔化连续成形方法及装置与流程

本发明涉及增材制造，具体涉及一种粉末床选区熔化连续成形方法及装置，尤其涉及一种以螺旋分层以及同步旋转—平台下降复合运动实现连续成形、以不同加工层序之间的空间并行加工提高制造效率并调控层间热历史，并利用多材料分区储粉及可调铺粉机构实现多材料连续制造的选区熔化成形方法及装置。

背景技术：

1、选区熔化技术通过铺设一定厚度的粉末层，并采用激光束、电子束或其他高能束按照三维模型切片数据选择性熔化粉末材料，通过逐层累积形成三维构件。现有粉末床选区熔化设备通常采用平面层离散加工方式，每一个加工层通常依次经历铺粉、高能束扫描、平台下降等步骤。当一个完整水平层加工结束后，设备再执行下一层加工。因此，在传统选区熔化制造过程中，粉末铺设、高能束扫描以及成形平台移动在时间上具有明显的串行特征。随着构件尺寸及层数增加，大量层间铺粉、平台定位以及辅助运动会占用总制造时间。为了提高制造效率，现有设备可以通过设置多个激光器同时加工同一高度加工层的不同平面区域。但多个高能束同时作用于同一高度且空间距离较近的区域时，容易形成较高的瞬时热输入密度，并可能增加局部热积累。多个高能束的增加本质上仍然没有改变传统“完成一整个水平层之后再进行下一层”的层序串行关系。

2、另一方面，选区熔化过程中，已经熔化凝固的区域会受到后续相邻层加工热输入的再次影响。相邻层之间的加工时间间隔直接影响局部温度恢复、热扩散过程以及后续热循环。传统选区熔化方法中的层间时间主要由完整一层的扫描时间和铺粉时间被动决定，难以将层间热作用时间间隔作为独立工艺变量主动设计。因此，在建立连续成形基础之后，进一步如何利用不同加工层在空间和时间上的关系提高制造效率，并主动调节相邻层序热作用间隔，是连续选区熔化制造需要解决的另一关键问题。

3、现有选区熔化设备通常还采用固定尺寸成形缸。对于尺寸明显小于成形缸的零件，需要在整个成形截面范围内填充粉末，造成较大的粉末占用量。同时，传统单材料粉仓及铺粉系统主要用于单一粉末材料成形，对于沿平面方向具有不同材料分区的构件，难以实现不同粉末材料边界的动态调节。

4、因此，需要一种能够同时改变传统水平离散切片方式、层序串行加工方式以及固定成形空间形式的连续选区熔化制造方法及装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于螺旋分层与层间并行加工的选区熔化连续成形方法及装置。

2、通过将相互独立的水平加工层转换为沿周向和成形高度方向连续发展的螺旋加工层序，并利用内成形缸、外成形缸及环形成形平台同步旋转以及环形成形平台轴向下降所形成的复合运动，使待成形区域连续经过沿周向布置的储粉、铺粉及高能束加工区域，从而建立连续供粉、连续铺粉和连续选区熔化的几何与运动基础。

3、在此基础上，本发明进一步解决连续成形条件下制造效率和热历史调控问题。将不同加工层序按照预设循环关系分配至多个沿周向间隔设置的储粉-铺粉-高能束加工单元，使多个加工单元分别加工不同层序，而非共同加工同一层。通过不同加工单元之间的周向相位，使多个不同加工层序能够在不同周向位置同步或交错推进，并通过调节加工单元数量、周向间隔及同步旋转速度，改变同一局部区域前后加工层序之间的热作用时间，从而在提高制造效率的同时实现层间热历史主动调控。

4、进一步地，本发明通过多材料分区储粉及可调铺粉机构，根据零件材料区域边界分别调节不同粉末材料的供粉比例、总体铺粉范围及不同材料的实际铺粉交界位置，实现多材料连续选区熔化制造。

5、一种螺旋分层与层间并行加工的选区熔化连续成形方法，包括以下步骤：

6、步骤1、获取待制造零件信息并确定环形成形布局

7、获取待制造零件的三维模型信息、材料信息、零件数量、尺寸信息以及制造性能要求，根据待制造零件的几何尺寸、截面形状及数量确定其在环形成形区域中的布置方式。

8、进一步地，对于圆筒形、圆环形或其他与环形成形区域相匹配的待制造零件，根据零件内外轮廓尺寸直接确定相应的环形成形区域。对于矩形、叶片形或其他非环形截面的待制造零件，根据环形成形区域的内径、外径及有效宽度，将一个或多个待制造零件绕成形平台旋转中心进行圆周阵列布置或分区布置，使多个待制造零件共同形成适于连续旋转加工的总体环形布局。根据所述环形成形布局进一步确定内成形缸11、外成形缸12以及环形成形平台14的尺寸范围，使内成形缸11与外成形缸12之间形成与待制造零件布局相匹配的环形成形空间。

9、步骤2、根据制造效率和热历史要求建立并优选层间并行工艺组

10、根据待制造材料的热物性、目标热输入、目标热循环、制造效率以及设备加工能力，进一步建立多个候选层间并行工艺组。将以下参数中的两种或多种作为协同工艺设计变量：高能束功率p、扫描速度v、有效加工层厚h；参与层间并行加工的储粉-铺粉-高能束加工单元数量n、不同加工单元之间的周向夹角δθ、同步旋转角速度ω、环形成形平台轴向下降速度(v_z)、螺旋螺距

p、相邻层序热作用时间间隔δt、以及不同加工单元之间的加工时序。其中，并行加工数量 n 用于确定后续螺旋切片中的螺旋面数量，螺旋螺距

p 用于确定各螺旋面沿轴向发展的几何周期，周向相位参数用于确定不同螺旋面之间的空间相位关系。通过改变上述参数形成多个候选层间并行工艺方案。

11、对各候选方案进行可实施性筛选，筛选条件包括粉末正常铺设、高能束稳定熔化、目标层厚形成、旋转—下降运动同步、加工单元空间干涉、高能束作用区域安全间隔以及设备加工能力中的一种或多种。对于满足可实施性条件的候选方案，根据制造时间、单位时间熔化面积或熔化体积、热积累程度、层间热扩散时间、峰值温度、温度梯度、熔池稳定性、成形质量以及设备利用率中的至少两项进行综合评价。根据评价结果确定目标层间并行工艺组，并获得对应的并行加工单元数量n、周向相位关系、同步旋转速度、轴向下降速度、高能束参数及目标层间时间间隔。

12、步骤3、对待制造零件进行螺旋分层并生成连续加工轨迹数控代码

13、根据步骤2确定的并行工艺组工艺参数，将待成形零件模型进行螺旋分层。所述螺旋分层包括单螺旋分层、多螺旋分层以及由多个连续螺旋区段组合形成的分层方式中的一种或多种。其中，根据目标层间并行工艺组确定的并行加工数量n确定螺旋面数量，根据目标螺旋螺距p确定各螺旋面沿成形高度方向的发展关系，并根据目标周向相位参数确定不同螺旋面之间的空间相位关系。

14、针对每一条螺旋面，根据其与待制造零件模型之间的空间交集关系，获得对应加工位置处的零件截面信息，并进一步生成相应的铺粉区域、高能束选区熔化区域、高能束扫描路径以及加工层序信息。

15、将上述螺旋分层数据进一步转换为数控加工代码或者控制系统能够执行的加工指令，所述加工指令至少包括成形缸旋转位置、环形成形平台轴向位置、铺粉区域、高能束扫描区域、扫描路径、加工单元编号、高能束参数以及加工启停信息中的一种或多种。

16、步骤4、目标层间并行工艺组加工层序分配和并行加工单元空间位置确定

17、根据步骤2确定的目标层间并行工艺组，将步骤3生成的连续螺旋加工层序按照循环间隔方式分配至n个储粉-铺粉-高能束加工单元。第i加工单元承担的加工层序满足：[l{i+kn}]，其中：i为加工单元编号；n为参与层间并行加工的储粉-铺粉-高能束加工单元数量；k为非负整数。

18、进一步地，根据并行加工单元的周向相位和螺旋面螺距确定空间位置。从而使同一局部区域每经过一个后续储粉-铺粉-高能束加工单元时，均具有形成下一加工层序所需的一个有效层厚，使同一局部区域由一个加工单元运动至后续加工单元时具备执行下一加工层序所要求的几何条件。因而不同加工单元并非共同加工同一个水平层，而是分别承担不同高度层序，使多个加工层序在环形成形区域的不同周向位置同时推进。由此，层间并行不仅提高单位时间加工能力，还能够主动调控局部区域的层间热历史。

19、步骤5、根据材料类型配置单材料或多材料储粉及铺粉结构

20、当待制造零件采用单一材料时，每个加工单元均采用单一粉末供给模式。

21、当待制造零件包括两种或两种以上材料时，根据三维模型提取不同材料区域的空间位置、材料边界以及不同高度层中的材料分布，并据此建立多材料铺粉控制信息。

22、粉末供给机构包括储粉筒21。储粉筒21内设置至少一个可移动储粉筒隔板22，将储粉筒21划分为两个或者两个以上分别容纳不同粉末材料的储粉区域。所述储粉筒隔板22能够沿粉末分区方向移动，通过改变储粉筒隔板22的位置，改变不同粉末材料在储粉筒中的比例。储粉筒21的粉末出口通过柔性连接23与下方铺粉机构连通。所述柔性连接23用于在储粉机构与铺粉机构之间建立连续的粉末输送通道，并补偿储粉机构和铺粉机构之间的位置变化。

23、铺粉机构设置于铺粉支架24上，铺粉支架24上设置铺粉隔板导轨25以及用于展开粉末的刮刀26。在铺粉区域两端分别设置可移动的两端隔板27，在两个端部隔板27之间设置至少一个可移动中间隔板28。两端隔板27和中间隔板28均能够沿铺粉隔板导轨25调节位置。其中，两端隔板27用于确定实际铺粉区域的两个外侧边界，从而调节总铺粉宽度，以适应不同尺寸的成形缸；两个端部隔板27的位置根据步骤1确定的内成形缸11、外成形缸12以及环形成形空间径向宽度在制造开始前进行调整；当内成形缸11和外成形缸12的规格确定以后，两个端部隔板27的位置在当前制造任务过程中保持固定。与储粉筒隔板22和端部隔板27不同，中间隔板28用于响应待制造零件材料区域边界随周向位置及成形高度的变化，并能够在连续成形过程中沿铺粉隔板导轨25动态移动，以改变相邻不同材料之间的实际铺粉交界位置。

24、由此，储粉筒隔板22主要用于调节粉末进入铺粉机构之前的不同材料供粉比例，而两端隔板27和中间隔板28用于调节粉末进入实际成形区域后的铺粉范围和材料交界边界。对于具有多个材料区域的零件，可以增加储粉筒隔板22及中间隔板28和柔性连接23的数量，使多个不同材料区域分别对应相应储粉区域和铺粉子区域。

25、进一步地，在储粉、柔性连接23、铺粉支架24、刮刀26或者其邻近区域设置超声波发生器29，通过对粉末供给和/或铺粉区域施加振动，改善连续铺粉状态下粉末的流动性及铺设稳定性。

26、因此，多材料分区储粉及可调铺粉结构构成本发明在连续旋转和层间并行条件下实现多材料打印的供粉保证。

27、步骤6、循环执行同步旋转、平台下降、连续铺粉及层间并行选区熔化

28、完成步骤1～步骤5的工艺规划及装置配置后，将待成形粉末分别填充至对应粉仓，将螺旋分层轨迹、加工层序分配关系、高能束加工参数、平台运动参数以及多材料铺粉参数导入控制系统，启动成形装置。

29、制造过程中，内成形缸11和外成形缸12在成形缸安装平台15带动下绕共同中心轴同步旋转；环形成形平台14随内成形缸11和外成形缸12同步旋转，同时在独立升降驱动机构作用下按照预定轴向下降速度沿成形高度方向下降。沿内、外成形缸的旋转方向，各储粉-铺粉-高能束加工单元在不同周向位置设置。

30、待加工区域到达相应加工单元时，首先由储粉机构按照当前材料分区进行供粉，并通过柔性连接23将粉末输送至铺粉区域。刮刀26在由两端隔板27和中间隔板28限定的目标铺粉范围内完成粉末铺设。完成铺粉以后，相应区域继续发生周向相对运动并进入高能束加工区域，由高能束按照当前加工层序对应的数控加工代码选择性熔化目标粉末区域。

31、在层间并行加工状态下，不同储粉-铺粉-高能束加工单元在同一加工时段分别执行环形成形区域中不同周向位置、不同螺旋面或者不同加工层序对应的加工任务。

32、对于多材料零件，在制造开始前，根据预设材料供粉比例确定储粉筒隔板22的位置，根据内成形缸11和外成形缸12所确定的环形成形空间径向宽度确定两个端部隔板27的位置；在当前制造任务开始以后，储粉筒隔板22和两个端部隔板27保持固定。连续成形过程中，控制系统根据当前同步旋转角度、环形成形平台14的轴向位置、当前加工层序以及目标材料区域边界动态调整中间隔板28的位置，使不同材料之间的实际铺粉交界位置随待制造零件材料区域边界变化。

33、对于任一具体局部区域，其不同加工层序仍按照由低层至高层的顺序依次形成；但从整个环形成形区域观察，多个不同加工层序能够在不同周向位置同时执行，从而形成层间并行连续成形。

34、重复执行内、外成形缸同步旋转、环形成形平台下降、粉末供给、铺粉以及层间并行选区熔化过程，直至完成待制造零件全部区域的制造。

35、本发明还提供一种基于螺旋分层与层间并行加工的选区熔化连续成形装置。

36、装置包括环形成形模块、同步旋转—平台下降复合运动模块、多个储粉-铺粉-高能束加工单元、加工单元位置调节机构、多材料分区储粉及可调铺粉机构和连续成形协同控制系统。

37、特征1：可调环形成形模块

38、所述环形成形模块包括同轴设置的内成形缸11、外成形缸12以及位于所述内成形缸11和外成形缸12之间的环形成形空间。环形成形平台14设置于所述环形成形空间内，环形成形平台14上方、内成形缸11与外成形缸12之间形成用于容纳粉末13及完成零件选区熔化成形的环形粉末床空间。

39、所述内成形缸11和/或外成形缸12采用可更换结构、径向可调结构或者由多个不同直径规格成形缸组成的模块化结构，通过选择不同直径规格的内成形缸11和外成形缸12改变环形成形空间的内径、外径以及径向宽度，使环形成形空间能够根据待制造零件尺寸及环形成形布局进行调整。内成形缸11和外成形缸12通过成形缸固定支架16安装于成形缸安装平台15，并与成形缸安装平台15共同形成能够绕中心轴旋转的成形缸组件。由此能够针对不同尺寸待制造零件选择与之相匹配的实际环形成形区域，降低非必要成形区域的粉末占用量。

40、特征2：旋转—升降复合成形平台

41、内成形缸11、外成形缸12及环形成形平台14绕共同中心轴保持同步旋转。旋转驱动机构与成形缸安装平台15连接，用于驱动成形缸安装平台15旋转，并使内成形缸11、外成形缸12及环形成形平台14具有相同的周向旋转运动。环形成形平台14同时与轴向升降驱动机构连接。所述轴向升降驱动机构用于在环形成形平台14保持同步旋转的同时，驱动环形成形平台14相对于内成形缸11和外成形缸12沿轴向下降。

42、环形成形平台14与旋转驱动机构之间设置同步传动结构，所述同步传动结构能够向环形成形平台14传递周向转矩，同时允许环形成形平台14相对于内成形缸11和外成形缸12沿轴向移动。所述同步传动结构可以采用花键—滑套、键槽—滑套、导向柱—滑套或者其他能够实现周向同步传动和轴向相对移动的结构。

43、特征3：多个储粉-铺粉-高能束加工单元

44、所述装置包括两个或两个以上能够独立执行储粉、铺粉和选区熔化任务的储粉-铺粉-高能束加工单元。各加工单元沿环形成形空间周向间隔设置，每一个加工单元包括储粉-铺粉机构31和与其对应的高能束加工机构32。沿环形成形区域的旋转方向，储粉-铺粉机构31位于对应高能束加工机构32之前。因此，待加工区域先经过储粉-铺粉机构31形成目标粉末层，再进入高能束加工机构32完成当前加工层序的选区熔化。

45、至少部分加工单元能够沿径向和/或周向移动。径向调整用于适应不同径向宽度的环形成形空间。周向调整用于改变加工单元之间的周向夹角δθ和相邻加工层序热作用时间。

46、特征4：多材料分区储粉、铺粉机构

47、多材料分区储粉、铺粉机构包括储粉筒21、可移动储粉筒隔板22、柔性连接23、铺粉支架24、铺粉隔板导轨25、刮刀26、两个端部隔板27、至少一个中间隔板28以及超声波发生器29。

48、优选地，储粉筒21下部采用倒梯形、楔形、锥形或者其他沿粉末排出方向逐渐收缩的结构，以利用粉末自身重力向粉末出口输送。

49、储粉筒隔板22能够沿粉末分区方向移动，以改变不同材料储粉区域及供粉比例。

50、柔性连接23设置于储粉筒21与铺粉机构之间。对于多材料制造，不同材料优选由相互隔离的柔性输送通道输送至对应铺粉子区域。

51、端部隔板27和中间隔板28均能够沿铺粉隔板导轨25移动。其中，端部隔板27用于调整总体铺粉范围，中间隔板28用于调整总体铺粉范围内部不同材料之间的实际铺粉交界位置。

52、超声波发生器29用于改善粉末输送及铺粉稳定性。

53、特征5：连续成形协同控制系统

54、连续成形协同控制系统分别与同步旋转驱动机构、环形成形平台升降驱动机构、储粉-铺粉机构31、高能束加工机构32、加工单元位置调节机构、多材料储粉及可调铺粉机构以及超声波发生器29连接。

55、控制系统根据待制造零件模型、材料信息、制造效率及目标热历史确定或者读取目标层间并行工艺组。并根据所述目标层间并行工艺组确定并行加工数量n、螺旋螺距p、有效加工层厚h、不同铺粉-高能束加工单元之间的周向相位关系、内成形缸11和外成形缸12的旋转速度、环形成形平台14的轴向下降速度以及各铺粉-高能束加工单元对应的高能束加工参数。

56、由此形成目标层间并行工艺组确定→螺旋分层→数控代码生成→加工单元/螺旋路径/层序映射→同步旋转+平台下降→多层序并行加工→层间热历史调控→多材料动态铺粉控制的连续成形协同控制体系。

57、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

58、（1）实现连续选区熔化成形。

59、通过将传统彼此独立的水平层转换为沿周向和高度方向连续发展的螺旋加工层序，并利用同步旋转和环形成形平台下降建立连续运动关系，使粉末床区域能够连续经过铺粉和高能束加工位置，减少传统逐层制造中的重复启停过程。

60、（2）实现不同加工层序之间的并行加工。

61、不同于多个高能束共同加工同一水平层的同层并行方式，本发明将不同加工层序分配至不同周向加工单元，使多个不同高度层序能够在不同空间位置同时推进，提高单位时间加工能力。

62、（3）能够主动调控层间热历史。

63、通过加工单元周向夹角、同步旋转速度及并行加工数量调节同一局部区域相邻层序之间的热作用时间，使层间时间由传统加工过程中的被动结果转化为可设计的工艺参数，有利于调控热积累、峰值温度及温度梯度。

64、（4）能够进行多材料连续制造。

65、通过储粉筒隔板22在制造前预设不同材料的储粉及供粉比例，通过端部隔板27根据环形成形空间尺寸预设总体铺粉范围，并在制造过程中通过中间隔板28动态调节不同材料之间的实际铺粉交界位置，使不同材料区域的空间边界能够随周向位置及成形高度变化。

66、（5）提高设备尺寸适应性和粉末利用率。

67、通过可更换或者可调节的内成形缸11及外成形缸12改变实际环形成形空间，使粉末床尺寸能够与不同零件尺寸相匹配，减少非加工区域的粉末占用。

68、（6）扩大加工单元等效覆盖范围并降低大尺寸成形设备的系统复杂度。

69、通过环形成形平台14与内成形缸11、外成形缸12同步旋转，使环形成形区域主动经过各储粉-铺粉-高能束加工单元，从而将传统由加工机构在大范围成形平面内进行二维移动或大幅面扫描的加工方式，转换为加工单元在局部作用区域工作、环形成形区域通过旋转连续进入加工位置的加工方式。由此，单个加工单元的有限加工窗口能够沿环形成形区域周向形成更大的等效加工覆盖范围，在扩大可加工构件周向尺寸的同时，减少对大幅面扫描光学系统、大行程高精度运动机构及大尺寸加工机构的依赖，有利于降低设备结构复杂度、制造成本及扩展大尺寸成形空间时的设备增量成本。

70、因此，本发明能够兼顾选区熔化增材制造的成形效率、热历史调控能力、多材料制造能力、设备适应性及成形稳定性。