基于三维异质铺粉的功能梯度零件增材制造方法与流程

本发明涉及增材制造领域，尤其是涉及一种基于三维异质铺粉的功能梯度零件增材制造方法。

背景技术：
现代水电、宇航、电子、海洋、生物医疗等技术的迅猛发展，对零件的性能提出了更高的要求，例如零件的不同部位需要呈现不同的特性，如力学性能、耐高温、腐蚀性能、抗氧化性能、外观性能等。一般的单质零件很难满足这些条件，传统的复合材料零件虽然可以综合利用单一材料的性能，但是零件内部往往存在着大量基体和增强材料不同相之间的界面，这些界面是应力分布发生突变或应力集中的区域，对于零件的整体性能产生负面影响，另外，传统复合材料往往很难制成复杂的三维零件。1984年，日本国立宇航实验室从层状平滑连续变化的贝壳壳体断面组织中得到启发，提出了功能梯度材料(FunctionallyGradientMaterials，简称FGM)的设想。这种“组分、结构和性能连续变化”的材料，最早被用于宇航器材的热防护。功能梯度材料制成的功能梯度零件，有着广泛的应用前景。如生物组织工程中应用的支架，需要匹配被替代部位的力学性能，以骨替代为例，支架由内部向外需分别匹配密质骨、松质骨、皮质骨的力学性能。再如航天发动机中使用的压气机叶片盘，在盘缘和盘芯要求较高的室温塑性、强度和低周疲劳性能，而盘缘则要有高的高温断裂韧性和蠕变抗力。以上零件不仅具有复杂的三维结构，零件内部还有着复杂的功能梯度，这为加工技术提出了新的要求。增材制造技术是采用将材料逐步累积成形三维零件的技术，与传统的材料去除加工方法相比，具有节约材料，加工速度快，灵活性高，可加工的结构度复杂度高等优点。在众多增材制造技术中，选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，简称SLS) 与选择性激光熔化技术(SelectiveLaserMelting，简称SLM)是目前被广泛应用的增材制造方法。相比其他增材制造技术，选择性激光烧结和选择性激光熔化技术具有可加工的材料范围广、不需要额外设计支撑结构、材料利用率高等优点。这两种技术的基本原理是：首先对零件的三维CAD模型进行切片，获得每一层切片的截面信息。铺粉装置在成形缸内铺一层粉末，采用激光在该层粉末上进行选择性的扫描，使得扫描区的粉末粘结或熔化，得到零件的单层形状；接着成形缸底部的活塞下降一个高度，铺粉装置在前一层粉末上再铺设一层粉末，激光则按照下一层切片的截面信息对粉末进行选择性扫描；依此逐层累加，最终获得三维的零件。近年来也出现了采用电子束代替激光，作为能量输入的选区电子束熔化技术(ElectronBeamMelting，简称EBM)，但其基本原理相同。利用传统的SLS(SLM，EBM)技术，可以加工出结构复杂的三维零件，但是难以实现零件内部复杂的功能梯度。目前常用的方法，是通过连续改变激光(电子束)的加工参数，来获得空隙率、微观组织等性能连续变化的功能梯度材料。对于通过改变材料组分的方法来实现功能梯度，也有部分人提出了一些改进方案，但都存在明显的不足。如中国专利公开号CN103480845A发明了一种3D打印方法及其送粉刷机构，送粉刷机构包括漏斗式缸体，漏斗式缸体的出粉口呈长条形，出粉口的两侧各对称设置有一块由电机驱动、且能上下运动的弹性刮板；漏斗式缸体的出粉口设置有一个由电机控制其开关的阀门；用三维软件设计零件模型，对不同材质的零件进行标识；然后切片分层处理；在粉末缸和漏斗式缸体中各自预存一种所需的粉末；控制系统根据切片的轮廓信息，控制送粉刷机构给成形缸提供粉末，激光熔化烧结粉末，这样完成一层加工，可实现复合材料零件的3D打印制造。但是该发明能够铺设的粉末种类受到漏斗缸中分隔腔数的限制，鉴于漏斗缸的体积不可能太大，因而可用粉末种类必然较少。且一个切片层内的粉末组分是固定的。即使在一个切片层内，通过开关不同出粉口阀门的方式进行单层内的异质铺粉，不同粉末也只能呈平行的带状分布，且不同粉末组分间有明显的交界面，无法实现零件内部任意位置材料组分的精确控制和连续变化。与此类似的还有中国专利公开号CN103978211A发明的铺粉装置。另外，中国专利公开号CN103480843A发明了一种基于三缸成形机的复合材料零件的3D打印方法，包括如下步骤：用三维软件设计零件模型；在三维模型的基础上，对不同材质的零件进行标识，同一材质的零件，使用同一种标识，不同材质的零件采用不同的标识；然后三维模型进行 切片分层处理；在3D打印机的粉末缸中分别预存所需的一种粉末材料，控制3D打印机的系统根据三维模型切片的轮廓信息，并控制两个送粉缸给成形缸供粉，激光熔化烧结粉末，这样完成一层加工；控制成形缸下降一个层厚，重复铺粉的步骤，层与层堆积，一次直接完成复合材料的3D打印制造。但是该发明只能使用预存的两种粉末，种类较少，且两种预存粉末的配比不可变，同一切片层内只能使用同一种粉末，无法实现零件内部任意位置材料组分的精确控制和连续变化。另外，实用新型专利授权公告号CN201109649Y发明了一种用于选区激光熔化成形的金属粉末铺粉装置。其通过漏嘴的形式，利用螺杆与漏嘴下端的间隙配合，实现落粉。但是该方法的粉末是预存在漏嘴的腔体，因此粉末原料配比不可变。当粉末原料种类较多时，需要预置很多的漏嘴，结构十分复杂，且无法实现粉末组分的连续变化。

技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于三维异质铺粉的功能梯度零件增材制造方法，适用于快速制造结构及其内部功能的梯度都十分复杂的零件。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于三维异质铺粉的功能梯度零件增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设计出零件的三维结构，根据零件三维结构和内部材料分布的要求，对零件进行分层切片，得到各层切片的厚度及截面形状，接着对每一层切片进行点离散处理，并记录切片内每一点的材料组分信息；(2)确定铺粉工艺参数，以及烧结或熔化工艺参数；(3)在独立于成形室之外的供粉系统中，向不同的并列式储粉器内预存入不同的粉末原料；(4)所述供粉系统根据供粉时序表，控制粉末阀的开度，实时配制相应组分的粉末，通过粉末传输装置送入成形室内的料仓中，所述料仓对送来的粉末进行缓冲收容并按序堆叠；(5)当料仓内的粉末缓存量达到设定值时，成形缸活塞下降与当前待加工切片层厚度相对应的高度，料仓及其下方的铺粉嘴在导轨的带动下，沿相应的铺粉路径对成形缸顶面进行逐点扫描，将料仓内堆叠的粉末按序铺入成形缸内，当铺粉嘴 完成当前铺粉路径的扫描时，当前待加工切片层的粉末材料铺设完毕；(6)光源在振镜系统的驱动下，依照与当前切片层相对应的烧结或熔化参数，沿相应的扫描路径对成形缸顶面的粉末进行扫描，被扫描区域的粉末烧结或熔化凝固，至此完成一层切片的加工；(7)计算机读取与下一层切片相对应的层厚、铺粉工艺参数、烧结或熔化工艺参数信息，重复步骤(3)至(6)，直到完成所有切片的加工后，通过逐层堆叠，获得完整的三维零件。所述的供粉系统包括至少2个的储粉器，与储粉器数量相等的粉末阀、粉末混合器、送粉器和粉末输送装置，按照供粉时序表，供粉系统实时控制各个粉末阀的开度，以实现粉末配比的实时变化和控制，粉末混合器将粉末快速混合并送入送粉器，送粉器将混合后的粉末送入粉末输送装置。每个储粉器存储组分不同的粉末原料。所述的料仓接收来自粉末输送装置的粉末材料，进行缓冲后按序堆叠，再供给铺粉嘴。所述的料仓上设有泄粉口，通过抽吸的方式将料仓内的多余粉末经泄粉口排去。所述的烧结或熔化加工在环境控制箱内进行。加工时对加工环境进行惰性气体保护及对粉末进行预热。所述的光源为激光或电子束。所述的铺粉工艺参数包括铺粉嘴的铺粉路径、铺粉速度以及供粉系统的供粉时序表，所述的烧结或熔化工艺参数包括光源功率、扫描间距、扫描速度和扫描路径。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1)通过计算机的控制，使得粉末阀、送粉器、导轨、铺粉嘴协同工作，依据对零件内各个切片层的供粉时序表，实时调节粉末的配比，可以实现单一切片层内的粉末组分精确控制以及可连续变化的特点；通过所有切片层的纵向累积，实现零件内部的三维异质铺粉，从而实现零件内部复杂的功能梯度，大大提高了零件的功能梯度在三维空间中的复杂程度。2)由于粉末是通过外部的供粉系统进入环境控制箱保护的成形室内的，所以省去了供粉缸或者落料斗的空间。使得环境控制箱内的结构更加紧凑，降低加工成本。附图说明图1为用于实现本发明的系统布局示意图；图2为成形缸室的放大图；图3为功能梯度零件的内部组分变化示意图。其中1.送粉器，2.混合器，3.粉末阀，4.并列式储粉器，5.成形缸活塞，6.未烧结粉末，7.已烧结粉末，8.铺粉嘴，9.料仓，10.导轨，11.粉末传输装置，12.环境控制箱，13.振镜系统，14.激光光源，15.保护镜，16.泄粉口。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例粉末阀可以采用开度可控的电磁阀。混合器可以采用螺旋锥形混合机。送粉方式可以是依据粉体力学设计的连续流动输送机，也可以是依据颗粒流体力学设计的气流输送机。若选择连续流动输送机，则粉末传输装置为引导粉末的封闭式送料槽，若选择气流输送机，则粉末传输装置则为粉末输送管。料仓内安装有多孔隔板(例如采用陶瓷多孔板材料)，将粉末和气体分离，气体通过料仓顶端的排气孔排除，粉末则沉降至料仓底部。铺粉嘴可采用螺旋挤出式或者齿轮挤出式。激光光源可是二氧化碳激光器(适合于烧结聚合物)，也可以是光纤激光(适合于烧结金属)。如采用电子束作为烧结(熔化)能源，则振镜系统改为电子束聚焦引导系统。如图2所示，为一种简明的功能梯度零件示意图，其长为L，宽为W，高为H，材料由粉末1、粉末2、粉末3组成，其变化规律可用零件内各点的坐标位置表示为：组分1(％)＝80+10y/L组分2(％)＝(20-10y/L)×[0.5+0.125(x/W+z/H)]组分3(％)＝(20-10y/L)×[0.5-0.125(x/W+z/H)]其中，x∈[0,W],y∈[0,L],z∈[0,H]首先，利用CAD三维设计软件设计出零件的三维结构，并依据上述公式给三维零件中的每一点标志材料组分信息。然后对三维零件进行切片，在获得每一层切片形状的同时，得到切片内每一点的材料组分信息。通过算法，确定铺粉嘴的铺粉 路径、铺粉速度、供粉系统的供粉时序表等铺粉工艺参数，计算激光的扫描间距、扫描路径、激光功率等烧结(熔化)工艺参数。在1号储粉缸内存入纯粉末1，在2号储粉缸内存入纯粉末2，在3号储粉缸内存入纯粉末3。成形缸活塞下降一个层厚h，铺粉嘴在导轨的带动下向成形缸移动，准备进行铺粉。同时，供粉系统根据与当前层相应的供粉时序表，向料仓供粉。当料仓内有足够粉末缓存时，开始铺粉。当供粉系统在为坐标(0，0，0)的点供粉时，与1号储粉缸对应的1号粉末阀的开度为80％，与2号储粉缸对应的2号粉末阀开度为10％，与3号储粉缸对应的3号粉末阀开度为10％。在铺粉嘴沿x轴从(0,0,0)点铺粉至(L,0,0)点的过程中，1号粉末阀保持80％的开度，2号粉末阀的开度由10％线性增加至12.5％，3号粉粉末阀的开度由10％减少到7.5％。粉末在料仓内按序堆叠，再由铺粉嘴送入成形缸进行铺设。依照上述原理，铺粉嘴完成当前待加工切片层的铺粉工作，在导轨的带动下，回到起始位置。激光在振镜系统的驱动下，采用对应的烧结(熔化)工艺参数，沿相应的扫描路径对成形缸内的粉末进行扫描，被扫描部分烧结(熔化凝固)。至此完成第一层切片的烧结(熔化)加工。计算机获取与下一层切片相对应的层厚、铺粉工艺参数、烧结(熔化)工艺参数等信息，仍依照上述过程进行下一切片层的铺粉和选择性烧结(熔化)成形。通过循环上述步骤，逐层累加，直至完成三维零件的成形过程。成形过程所在的成形室，如有需要，可以进行抽真空及惰性气体保护的功能。成形缸内的粉末，如有需要，可以进行预热。如需要基板，则成形缸活塞上可安装基板。料仓及铺粉嘴内的粉末，可以通过泄粉口被排出，以应对供粉出错或者其他故障导致加工中断时，重置料仓内的粉末缓存。本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。