GB/T 42621-2023 增材制造 定向能量沉积-铣削复合增材制造工艺规范

　　ICS 25 . 030 CCS J 39

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 42621—2023

　　增材制造 定向能量沉积-铣削复合增材

　　制造工艺规范

　　Additive manufacturing—Specification for hybrid additive manufacturing with

　　directed energy deposition and milling process

　　2023-05-23 发布 2023-05-23 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 42621—2023

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 一般要求 2

　　5 工艺过程 3

　　参考文献 8

　　I

　　GB/T 42621—2023

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国机械工业联合会提出 。

　　本文件由全国增材制造标准化技术委员会(SAC/TC562)归口 。

　　本文件起草单位:华南理工大学 、广州雷佳增材科技有限公司 、中机生产力促进中心有限公司 、巨轮智能装备股份有限公司 、广东省智能制造研究所 、西北工业大学 、武汉天昱智能制造有限公司 、西安增材制造国家研究院有限公司 、上海材料研究所 、山东雷石智能制造股份有限公司 、中机研标准技术研究院 (北京)有限公司 、中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司 、南京中科煜宸激光技术有限公司 、中国机械制造工艺协会 、中机新材料研究院(郑州)有限公司 、青岛理工大学 、广东汉邦激光科技有限公司 、南京航空航天大学 、武汉大学 。

　　本文件主要起草人:杨永强 、王迪 、薛莲 、洪福 、毕贵军 、林鑫 、李润声 、薛飞 、杨启云 、侯帅 、李海斌 、焦宗戈 、夏振宇 、周恒 、战丽 、王淼辉 、朱晓阳 、戚文军 、顾冬冬 、李辉 、温娅玲 。

　　Ⅲ

　　GB/T 42621—2023

　　增材制造 定向能量沉积-铣削复合增材

　　制造工艺规范

　　1 范围

　　本文件规定了定向能量沉积-铣削复合增材制造工艺的一般要求和工艺过程 。

　　本文件适用于定向能量沉积与机械铣削加工复合的增材制造工艺 , 定向能量沉积与其他铣削加工复合的增材制造工艺参考使用 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用构成本文件必不可少的条款 。 其中 , 注 日期的引用文件 , 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件 , 其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 14896 . 7 特种加工机床 术语 第 7 部分:增材制造机床

　　GB/T 35351 增材制造 术语

　　GB/T 37698 增材制造 设计 要求 、指南和建议

　　GB/T 39247 增材制造 金属制件热处理工艺规范

　　GB/T 39251 增材制造 金属粉末性能表征方法

　　GB/T 39253—2020 增材制造 金属材料定向能量沉积工艺规范

　　3 术语和定义

　　GB/T 14896 . 7 、GB/T 35351 界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。

　　3.1

　　定向能量沉积-铣削复合增材制造 hybrid additive manufacturing with directed energy deposition and milling

　　采用复合增材制造设备 , 通过定向能量沉积增材和铣削减材实现工件一体成形的工艺 。 3.2

　　能量源 energy source

　　在定向能量沉积过程中提供高能量以熔融金属的高能束 。

　　注 : 常见用于定向能量沉积的能量源包括激光束 、电子束 、等离子弧 、电弧 。

　　3.3

　　铣削头 milling head

　　安装在多轴运动机构上夹持刀具 , 并为刀具提供回转运动对沉积成形层内 、外轮廓进行加工的部件 。

　　3.4

　　沉积头 deposition head

　　将能量和原材料输送到熔池的装置 。

　　1

　　GB/T 42621—2023

　　4 一般要求

　　4 . 1 人员

　　工艺人员应具有定向能量沉积-铣削复合增材制造工艺基础知识 , 熟悉定向能量沉积-铣削复合增材制造设备(以下简称“设备”)操作 , 掌握完整生产工艺操作流程 。

　　设备操作人员应经过专业培训 , 考核合格后方可上岗 。培训由设备厂商或已接受培训并合格的人员实施 。

　　注 : 培训内容包括但不限于设备的操作 、维护 、校准 、软件使用 、安全防护 、材料处理 、后处理 、数据处理 、异常情况处理等 。

　　4 . 2 设备

　　4 . 2 . 1 概述

　　设备主要由能量源 、沉积头 、铣削头 、原材料输送系统 、气氛控制系统 、运动控制系统 、除尘系统 、循环过滤系统 、冷却系统 、过程监控系统等部分组成 。根据不同能量源与铣削头的组合进行分类 , 包括:

　　— 以激光为能量源与铣削头组合的复合增材制造设备 ;

　　— 以电子束为能量源与铣削头组合的复合增材制造设备 ;

　　— 以电弧为能量源与铣削头组合的复合增材制造设备 ;

　　— 以等离子束为能量源与铣削头组合的复合增材制造设备 。

　　4 . 2 . 2 基本要求

　　4 . 2 . 2 . 1 设备的检验 、验收应符合设备厂商或相关标准要求 。

　　4 . 2 . 2 . 2 设备交付前应有合格证明文件 , 且各项技术指标参数符合工艺相关要求 。

　　4 . 2 . 2 . 3 设备使用说明文件应包含定期检查的项 目 、周期和准则 。

　　4 . 2 . 2 . 4 用于定向能量沉积-铣削复合增材制造工艺过程的仪器仪表应定期进行计量检定 、校准 。

　　4 . 2 . 3 工艺参数

　　推荐使用设备出厂自带的工艺参数或通过试验得出的工艺参数 。

　　4 . 3 原材料

　　4 . 3 . 1 概述

　　定向能量沉积-铣削复合增材制造工艺的材料种类主要包括金属粉末和金属丝材 。

　　4 . 3 . 2 金属粉末

　　金属粉末的主要性能指标包括:化学成分 、粒度及粒度分布 、流动性 、球形率 、松装密度等 。金属粉末的牌号和化学成分应符合相关标准要求 , 或者在制造前由供需双方协商确定 。金属粉末检验指标应根据工艺要求确定 , 其他特殊要求由供需双方协商确定 。 除供需双方协商确定外 , 检验方法应按照GB/T 39251 的规定执行 。

　　4 . 3 . 3 金属丝材

　　金属丝材的主要性能指标包括:直径 、化学成分 、表面质量 、力学性能等 。金属丝材的牌号和化学成分应符合相关标准要求 , 或者在制造前由供需双方协商确定 。金属丝材检验指标应根据工艺要求确

　　2

　　GB/T 42621—2023

　　定 , 其他特殊要求由供需双方协商确定。 检验方法可参照 GB/T 29713 、GB/T 10858 、GB/T 15620 的规定执行。

　　4 . 3 . 4 其他要求

　　原材料的污染防护 、交付及贮存应符合 GB/T 39253—2020 中 5 . 3 . 4 和 5 . 3 . 5 的规定。

　　4 . 4 环境

　　设备运行环境及周围工作环境应符合 GB/T 39253—2020 中 5 . 4 的规定。

　　4 . 5 安全及防护

　　安全及防护应符合 GB/T 39253—2020 中 5 . 5 和 5 . 6 的规定。

　　设备在定向能量沉积工艺和铣削工艺间切换或独立使用时 , 应采取相应措施防止干扰。

　　5 工艺过程

　　5 . 1 工艺原理

　　工艺原理见图 1 。沉积头在运动控制系统的驱动下 , 按照给定的速度沿着规划的填充路径运动。运动过程中 , 金属粉末或金属丝材在能量源的作用下迅速熔化凝固并产生冶金结合。 在基板上沉积若干层后 , 获取工件尺寸并与设计尺寸进行对比。 基于对比结果 , 进行沉积补偿或直接进入铣削流程。 如此重复 , 直至通过定向能量沉积和铣削减材实现零件一体成形。

　　标引序号说明 :

　　1 — 沉积头 ;

　　2 — 能量源 ;

　　3 — 金属粉末或金属丝材 ;

　　4 — 基板 ;

　　5 — 铣削头 ;

　　6 — 成形零件。

　　图 1 定向能量沉积-铣削复合增材制造工艺原理图

　　3

　　GB/T 42621—2023

　　5 . 2 流程图

　　典型的定向能量沉积-铣削复合增材制造工艺流程如图 2 所示 。

　　图 2 典型定向能量沉积-铣削复合增材制造工艺流程图

　　5 . 3 模型设计

　　5 . 3 . 1 对实体进行扫描并输入三维建模软件实现模型建立或直接通过三维建模软件建立零件模型 。

　　4

　　GB/T 42621—2023

　　模型设计时应包含加工余量 , 同时宜包含随炉样品 、直接取样的取样位置等 , 并考虑可加工性 。定向能量沉积不同能量源的加工余量推荐值见表 1 。

　　5 . 3 . 2 零件模型文件应能够转换为定向能量沉积系统配套的路径规划软件可读取的格式 。

　　5 . 3 . 3 零件的模型设计应符合 GB/T 37698 的有关规定 。

　　表 1 加工余量推荐值

　　单位为毫米

　　能量源

　　加工余量

　　激光束

　　0 . 3~0 . 8

　　电子束

　　0 . 3~0 . 8

　　电弧

　　2~5

　　等离子弧

　　2~5

　　5 . 4 模型分割与路径规划

　　5 . 4 . 1 根据模型的结构 、设备的特点分割模型 , 以确定定向能量沉积与铣削加工的工艺顺序 , 避免沉积头和铣削头与工件及工装夹具等产生干涉碰撞 , 并确保铣削刀具的可达性 。

　　5 . 4 . 2 根据模型分割后的模型特征选择切片方式 , 选择切片方式时 , 根据定向能量沉积工艺选取相应的切片厚度 , 并做具体路径规划 。

　　5 . 5 加工运动仿真

　　已获取的路径规划应通过仿真软件进行模拟校核 , 确认是否满足模型设计和设备加工要求 , 避免沉积头或铣削头与工件或工装产生碰撞或铣削头不可达 。

　　5 . 6 成形准备

　　5 . 6 . 1 原材料准备

　　5 . 6 . 1 . 1 -般要求

　　原材料添加前应将复合增材制造设备及烘干设备内的金属粉末或金属丝材清理干净 , 避免不同牌号或批次的原材料混合造成污染 。

　　5 . 6 . 1 . 2 金属粉末准备

　　用于定向能量沉积的金属粉末材料应符合 4 . 3 . 2 的要求 。

　　在每次添加金属粉末时 , 应核对金属粉末质量证明文件 , 对金属粉末牌号 、批号 、金属粉末使用和保存状态及相关检测指标的检测结果进行记录 。

　　为保证金属粉末流动性 , 可对金属粉末进行烘干等操作 , 确认符合制造工艺要求 。

　　5 . 6 . 1 . 3 金属丝材准备

　　用于成形制造的金属丝材应符合 4 . 3 . 3 的要求 。

　　在每次更换金属丝材时 , 应核对金属丝材质量证明文件 , 对金属丝材牌号 、批号及相关检测指标的检测结果进行记录 , 并检查金属丝材表面 , 表面应无杂质且光滑 , 无毛刺 , 划痕 、凹坑等缺陷 。

　　为保证成形质量 , 必要时可根据制造工艺要求 , 对金属丝材进行烘干操作 。

　　5

　　GB/T 42621—2023

　　5 . 6 . 2 设备准备

　　5 . 6 . 2 . 1 设备状态确认

　　对设备的能量源 、原材料输送 、运动控制 、冷却等各系统状态和水 、电 、气进行确认 , 保证设备状态符合加工需求 。

　　5 . 6 . 2 . 2 基材准备

　　基材的准备应符合 GB/T 39253—2020 中 6 . 4 . 2 . 2 的规定 。

　　5 . 6 . 2 . 3 程序检查

　　设置设备工作原点 , 运行加工程序进行空程检查 , 确保沉积头与铣削头的运行轨迹在基材幅面范围 , 且不与夹具发生碰撞 。

　　5 . 6 . 2 . 4 气氛控制

　　成形过程宜在氩气等保护气氛或真空环境下进行 , 可根据材料特性或客户要求控制成形过程的气氛 。

　　5 . 7 参数设定

　　5 . 7 . 1 -般要求

　　应记录加工过程中的各工艺参数 , 形成可追溯性文件 。推荐记录主要工艺参数如表 2 所示 。

　　表 2 推荐记录主要工艺参数

　　成形过程

　　能量源

　　主要工艺参数

　　定向能量沉积

　　激光束

　　激光功率 、光斑尺寸 、扫描速率 、送粉/送丝速率 、搭接率 、沉积层高度 、预热温度

　　电子束

　　加速电压 、成形室真空度 、扫描速率 、送粉/送丝速率 、搭接率 、沉积层高度 、预热温度

　　电弧

　　电压 、电流 、扫描速率 、送丝速率 、搭接率 、沉积层高度 、预热温度

　　等离子弧

　　电压 、电流 、扫描速率 、送粉/送丝速率 、搭接率 、沉积层高度 、等离子气流量

　　铣削

　　—

　　刀具规格 、主轴转速 、进给速率 、进给量 、铣削宽度 、铣削深度

　　5 . 7 . 2 定向能量沉积参数设定

　　定向能量沉积参数设定应符合 GB/T 39253—2020 中 6 . 5 的规定 。

　　5 . 7 . 3 铣削参数设定

　　应根据设备特征及客户要求设定铣削参数 , 包括主轴转速 、进给速率 、进给量 、铣削宽度 、铣削深度 、刀具规格等 。

　　5 . 8 定向能量沉积成形

　　定向能量沉积过程应符合 GB/T 39253—2020 中 6 . 6 的规定 。

　　5 . 9 形面测量

　　几何精度测量可通过设备所配置的接触式或非接触式测头打点测量 。

　　6

　　GB/T 42621—2023

　　定向能量沉积至预设尺寸时 , 开始铣削;成形未达到预设尺寸时 , 继续定向能量沉积 。

　　5 . 10 铣削

　　铣削过程以干切或气冷为主 , 铣削宜采用小切深的精加工方式进行 。

　　5 . 1 1 清理

　　成形完成后 , 宜将零件在保护气氛或真空环境下冷却到环境温度或者特定温度下再进行清理 。

　　金属粉末 、切削屑的清理可采用防静电毛刷 、防爆吸尘器 、高压气等进行清理 。 清理过程中不应损坏零件 。

　　清理操作过程中的安全及人身防护应符合 4 . 5 的要求 。

　　5 . 12 初步检验

　　成形完成后对零件进行初步检验 , 包括但不限于外观缺陷 、外形尺寸等检验 。

　　在不影响客户预期使用要求情况下 , 可以通过对零件采用修补 、变形校正 、机械加工等补救方式满足要求 。

　　5 . 13 后处理

　　5 . 13 . 1 概述

　　后处理通常有热处理 、零件移除等 , 供方根据需方的要求选择合适的后处理方法 。

　　5 . 13 . 2 热处理

　　5 . 13 . 2 . 1 加工完成后的零件可根据使用要求或供需双方的技术协议采用相应的热处理方式 。

　　5 . 13 . 2 . 2 随炉样品应与零件同炉热处理 。

　　5 . 13 . 2 . 3 热处理在不影响零件加工精度的前提下 , 应符合 GB/T 39247 的规定 。

　　5 . 13 . 3 零件移除

　　从基材上移除零件时不应破坏零件和影响零件性能 。 常用的零件移除方法有电火花加工 、机械加工 、手工去除等 。

　　5 . 14 质量检验

　　零件交付前应进行必要的质量检验 , 由供需双方协商确定抽检方式 、检测项目以及技术指标作为交付和验收条件 。检验方法及复检要求应符合 GB/T 39253—2020 中第 7 章的规定 。

　　7

　　GB/T 42621—2023

　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 10858 铝及铝合金焊丝

　　[2] GB/T 15620 镍及镍合金焊丝

　　[3] GB/T 29713 不锈钢焊丝和焊带

　　8