一种增材制造动态铺粉系统的制作方法

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种增材制造工艺所需的铺粉系统，尤其适用于加工大尺寸复杂构件。

背景技术：

增材制造(additivemanufacturing，am)，又被称为“3d打印”，是以数字cad模型数据为基础，采用类似数学积分的叠加法制造原理，将三维实体的制造降阶为二维截面逐点逐层累制造的方法，实现了三维零件的降维成形，不受形状复杂程度的限制，能够实现任意复杂形状零件的快速、优质、高效、经济、全智能化和全柔性化制造。增材制造是先进制造业的重要组成部分，是近三十年来迅速发展起来的高端数字化制造技术，相对于传统的等材制造(制造过程中δm＝0，铸造、锻造等)，减材制造(δm<0，车铣刨磨钻等)，是一种“自下而上”的材料累加成形的制造方法，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，实现了制造方式从等材、减材到增材的重大转变，改变了传统制造的理念和模式。

金属增材制造是最前沿和最有潜力的增材制造技术，是先进制造技术的重要发展方向。金属增材制造技术中激光选区熔化(selectivelasermelting,slm)和激光近净成形技术(laserengineerednetshaping,lens)，近年来得到了快速发展。slm工艺由于粉末可以起到自支撑作用，可以成形任意复杂的金属构件，但是可成形的零件尺寸较小(一般小于500mm)。而lens工艺，光斑直径大，可以成形大型构件，但成形件的精度较低，且很难成直接成形复杂的金属构件。工艺熔融沉积制造技术(fuseddepositionmodeling,fdm)是发展最为成熟的非金属增材制造技术之一，其最大的特点在于成本低，效率高，但精度较低、成形速度相对较慢，不适合构建大尺寸复杂零件。

制造大尺寸金属构件是slm技术长期很难突破的技术瓶颈，这是由于slm逐层累计铺粉的工艺特点决定了成形缸体的尺寸一定要大于成形零件的截面尺寸，无论成形多大的零件，都需要逐层铺粉激光扫描成形。目前，德国eos、弗朗霍夫研究院、slmsolution、conceptlaser等以及国内华中科技大学、苏州西帝摩等单位，通过采用多光束拼接方式，相继开发的成形尺寸在500mm或略大的slm装备，但是对于更大尺寸的零件却束手无策。

传统的上落粉和下送粉式的结构设计，需要存储大量粉末，决定了送粉及铺粉装置尺寸较大，不但增加了功耗，而且也难免造成浪费。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有增材制造工艺中铺粉系统需要存储大量粉末导致装置体积较大等问题，提供了一种增材制造动态铺粉系统，可实现送粉及铺粉装置的小型化，且能够实现按需定量供给粉末。

本发明的技术方案如下：

该增材制造动态铺粉系统，包括粉缸、送粉管路和铺粉装置，有别于现有技术的是：还包括局部粉床防护罩和导向运动机构；

所述粉缸的截面轮廓与所需成形零件的最大截面轮廓尺寸相匹配；对应于所需成形零件截面的两侧，记粉缸的两个侧壁分别为第一侧壁和第二侧壁；则第一侧壁与第二侧壁在水平方向上最终闭合形成粉缸的截面轮廓；粉缸的第一侧壁与第二侧壁之间构成铺粉区域；

局部粉床防护罩的下端面为空，其宽度大于第一侧壁与第二侧壁的间距，满足局部粉床防护罩能够直接架设于粉缸第一侧壁和第二侧壁的上表面；

铺粉装置包括缓冲仓以及刮刀，所述缓冲仓固定于局部粉床防护罩的前侧面并靠近下端面，所述送粉管路通入缓冲仓，缓冲仓下端设置有对应于所述铺粉区域的出粉口，刮刀固定于缓冲仓的下部，刮刀的工作面与局部粉床防护罩的下端面(相当于粉缸上表面)平齐或略低于局部粉床防护罩的下端面(“略低于”，相当于铺粉形成的粉床略低于粉缸上表面，可避免“平齐”时部分粉末被刮刀扫至粉缸外部)；

所述导向运动机构用于根据工艺指令，在完成局部粉床防护罩处对应的局部铺粉以及局部铺粉区域的激光加工后带动局部粉床防护罩和铺粉装置按照预定的轨迹同步运行至下一局部铺粉区域。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

导向运动机构在三维方向上均安装有精密光栅尺，为导向运动提供闭环反馈，以保证运行的定位精度和重复定位精度。

为了更好地适应于复杂零件轮廓所决定的粉缸截面形态，可配置多种尺寸的刮刀，刮刀以可拆卸方式安装固定于缓冲仓的下部。

在粉缸外围还配置有粉末回收装置，用于及时将未熔化的粉末吸走。

对于激光打印来说，可在局部粉床防护罩的上端面设置对应于上方激光打印光路系统的通光区域。

可以对局部粉床防护罩内作专门的局部气氛保护，在局部粉床防护罩前、后侧的上部设置进气管和出气管，所述进气管用于向局部粉床防护罩内的铺粉区域通入惰性气体，并与出气管构成循环管路。

进一步的，局部粉床防护罩前、后侧的内壁分别设置有科恩达腔体，科恩达腔体的进气口相应设置于局部粉床防护罩前、后侧面的上部，导气细缝位于局部粉床防护罩下端面；前、后两个科恩达腔体之间的区域为局部粉床防护罩内的铺粉区域；科恩达腔体与第一侧壁和第二侧壁的外边缘保持间距以留出烟尘气流通道。

局部粉床防护罩的顶部还可设置吹气斜孔，用于通入惰性气体。

局部粉床防护罩的下部的左、右侧面设置有用于排出烟尘的通道。

进一步的，所述用于排出烟尘的通道具体为分别设置于局部粉床防护罩下部左、右侧面的多孔进气口、多孔出气口，其中多孔进气口用于通入惰性气体，多孔出气口接有抽气装置从而利用负压排出烟尘。

以上所述“前”、“后”、“左”、“右”是为了区分相对方位，以实际工作时激光打印光路系统以及局部粉床防护罩的行进方向作为“前方”，从而给出以上相对方位。

本发明具有以下有益效果：

1、通过设计与所需成形件的界面轮廓尺寸相匹配的粉缸，粉缸的第一侧壁与第二侧壁之间构成铺粉区域，局部粉床防护罩直接架设于粉缸第一侧壁和第二侧壁的上表面，沿粉缸确定的轨迹动态铺粉以备打印，实现了送粉及铺粉装置的小型化，也极大地节省了粉末用量，突破了slm制造大尺寸复杂零件的尺寸极限。

2、实现了同步送粉、铺粉。局部铺粉完成后，在局部粉床表面进行及时成形，铺粉过程不需要回收多余的粉末，可以连续随动铺粉，突破了传统的上落粉和下送粉式的结构设计，铺粉过程不需要存储大量粉末，而是可以通过实时外部送粉，极大的简化了送粉及铺粉装置的结构，降低了运行功耗，同时还可以实现对粉末的循环使用。成形所需要的金属粉末根据铺粉用量源源不断的输送到局部铺粉区域，按需定量供给。

3、粉缸的成形对工艺精度要求不高，可采用多种技术(如cmt、lens、fdm等)实现，充分发挥各种增材制造技术的优势。

4、通过对局部粉床防护罩设计局部气体保护，可避免额外设置大型的封闭腔室，一定程度上节省了成形过程所消耗的ar，节省了成本。尤其采用科恩达腔体，通过向科恩达腔体内通入气体(可以是氩气，也可以是空气)，气体沿科恩达表面导流过程中，产生负压作用，一方面将局部粉床防护罩内部产生的烟尘快速吸走，另一方面由于在科恩达导流板的作用下形成惰性“气幕”，周围的空气无法进入局部粉床防护罩，也起到了对成形过程的气氛保护作用。

5、通过在局部粉床防护罩顶部玻璃通光区域周围设置吹气斜孔，惰性保护气体经由吹气斜孔进入局部粉床防护罩过程中，可以产生涡流，防止slm成形过程中产生的烟尘在通光玻璃上沉积(对激光产生遮蔽)；同时，由于经该吹气斜孔形成的气流并不是正对着粉床表面，对铺粉过程和粉床不会产生影响。

6、还可采用“动态粉缸”的模式，即粉缸本身逐层打印成形，基于每一层粉缸，沿粉缸确定的轨迹依次对若干个区域进行局部铺粉、打印，完成一层的全部区域得到零件切片，直至最后一层粉缸以及相应的零件切片，最终得到整个零件。

7、本发明不仅可应用于slm工艺成形零件，还可适用于其他涉及铺粉的增材制造工艺。

8、本发明尤其在增材制造长宽比较大的零件(包括环形、长条形、不规则弯曲等零件)时具有显著的优势。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的工作示意图。

图2为激光打印成形涉及的主要设备简化示意图。

图3为基于图2的局部剖视详图。

图4为科恩达腔体截面的示意图。

图5为本发明应用科恩达腔体的原理图。

图6为基于本发明设计的一种多能场(fdm、slm以及铣削工艺)系统架构设备示意图。

图7为图6的y向侧视图。

图8为图6的俯视图。

附图标号说明：

1-回转工作台；2-x方向水平导轨系统(丝杠导轨平移台)；3-y方向水平导轨系统；4-z方向升降导轨系统；5-激光打印光路系统；6-fdm打印系统；7-铣削减材加工系统；8-局部粉床防护罩；9、铺粉及送粉装置；10-粉缸；11-成型件；12-粉末；

101-第一侧壁；102-第二侧壁；

501-振镜；502-f-θ场镜；503-qbh接头及准直扩束模块；

801-通光玻璃；802-位于下部的多孔进气口；803-位于下部的多孔出气口；804-位于上部的进气管；805-位于上部的出气管；806-吹气斜孔；807-科恩达腔体；8071-科恩达腔体导气细缝；

901-送粉管路；902-缓冲仓；903-刮刀。

具体实施方式

如图1所示，粉缸由第一侧壁和第二侧壁组成，其整体形状和尺寸根据所需加工零件的外形特征决定，粉缸的尺寸略大于所需成形的零件的最大截面尺寸(第一侧壁和第二侧壁以及作为底面的成形基板构成零件成形区域)。

如图1、图3所示，局部粉床防护罩沿粉缸周向方向的底部安装有局部铺粉装置，其底部安装有刮刀，刮刀为柔性刮刀或硬质刮刀。刮刀位于粉缸第一侧壁和第二侧壁之间，可略低于局部粉床防护罩的下端面(第一侧壁和第二侧壁留有一定的间隙，防止刮蹭)。刮刀可以在运行过程中更换。局部铺粉装置可通过送粉管道与送粉装置相连，送粉装置将成形所需要的粉末根据铺粉用量源源不断的输送到局部铺粉装置内，按需定量供给，改变传统粉末大量储存的问题，也避免了局部铺粉装置带动大量粉末运动造成的运动和功耗；激光打印光路系统沿水平导轨系统运动过程中带动局部粉床防护罩和局部铺粉装置运动，配合可回转工作台的运行，可以实现局部铺粉装置在粉缸表面按粉缸截面轮廓轨迹方向进行铺粉，局部铺粉装置的运动轨迹与粉缸的截面轮廓形貌相一致(局部铺粉装置在运动过程中始终处于粉缸上表面的第一侧壁和第二侧壁之间)，不会产生多余的粉末溢出粉缸外面，同时，由于局部铺粉装置沿粉缸表面连续按照粉缸截面轮廓轨迹运动，节省了传统slm铺粉过程需要回收多余粉末的过程，简化了结构。

以激光打印成形为例，如图2、3所示，为了使铺粉和激光打印成形过程始终处于惰性气氛保护环境，局部粉床防护罩固定设置于激光打印光路系统下方，跟随铺粉、激光打印同步行进。局部粉床防护罩上方设置有玻璃通光孔，玻璃通光孔上安装有石英玻璃，石英玻璃可以保证1064nm的激光顺利通光，石英玻璃与局部粉床防护罩之间完全密封。

如图2、图3、图5所示，可在局部粉床防护罩前、后侧内壁分别设置科恩达腔体，从上部通入科恩达腔体的气体(图中未示意进气口)受压沿着科恩达腔体底部的导气表面，沿着粉缸第一侧壁和第二侧壁表面形成气幕，防止周围环境中的空气进入到局部粉床防护罩中，对slm成形的高温粉末产生氧化；同时由于科恩达效应引导局部粉床防护罩中产生的烟尘快速排出。需要说明的是，图4、图5中所示科恩达腔体仅为示意(旨在简化表达其工作原理)，实际产品可根据局部粉床防护罩和粉缸截面的尺寸作相应的匹配。

局部粉床防护罩前、后侧的上部设置有进气管和出气管，贯穿科恩达腔体与铺粉区域连通，进气管用于通入惰性气体，并与出气管构成循环管路。

由于惰性气体(通常采用氩气)密度高于空气，将局部粉床防护罩中的空气压缩到局部粉床防护罩底部，一部分经由局部粉床防护罩沿径向方向的两侧的抽气装置排出局部粉床防护罩外部，另一部分由于科恩达效应的负压作用向两侧科恩达腔体底部科恩达导气表面流动，排出到局部粉床防护罩的外部。通过调节经由吹气斜孔进入的惰性气体、经由局部粉床防护罩上部进气管和出气管循环的惰性气体、经由局部粉床防护罩下部进气口和出气口循环的惰性气体、以及通入科恩达腔体内的气体流量和压力，实现局部粉床防护罩内部的气压平衡和较低的氧含量，为slm成形过程提供稳定的惰性气体保护的环境，防止成形过程中粉末被氧化。

除此之外，也可以直接对回转工作台设置提供惰性气氛的封闭腔室内(甚至将整套设备置于封闭腔室内)。

局部粉床防护罩沿粉缸径向方向的两侧靠近底部分别设置有多孔进气口、多孔出气口(可构成循环气路)，用来将slm成形过程中产的烟尘及时排除，同时保证局部粉床防护罩内部的压力和气流平衡。

玻璃通光孔四周开设有吹气斜孔，吹气斜孔位于固定通光玻璃的法兰盘上，法兰盘固定在局部粉床防护罩定位，并保证密封。氩气经由玻璃通光孔四周的吹气斜孔进入局部粉床防护罩中，在局部粉床防护罩中形成惰性气氛环境，防止激光slm成形过程中粉末在高温下氧化。吹气斜孔的倾角以5-25°为佳，一方面，惰性保护气体经由吹气斜孔进入局部粉床防护罩过程中，可以产生涡流，防止slm成形过程中产生的烟尘在玻璃通光孔上沉积，防止对激光产生遮蔽作用；另一方面，采用倾角为5-25°的吹气斜孔，可以避免气流正对粉床表面对铺粉过程和粉床带来不利影响。

以下通过一个最佳应用示例(动态粉缸)，对本发明作进一步详细说明。

本发明的具体工作过程为：

1)首先，设计好所需要加工的大尺寸环形零件的三维模型，进行数据处理，生成包括切片、支撑、扫描路径、工艺参数、扫描策略等的slm成形工艺文件，将工艺文件数据、设备参数、材料参数等信息导入到工艺过程数值模拟软件中，对整个成形工艺过程进行数值仿真，获得成形过程中的变形和应力翘曲变形等结果，通过添加防止应力变形、热传导辅助支撑和支撑结构优化，生成slm成形过程的反变形预测模型，对获得的反变形预测模型重新生成slm成形工艺文件；同时，按照所需成形大型零件的界面轮廓形状，设计动态粉缸的三维模型，生成包括切片、支撑、扫描路径、工艺参数、扫描策略等的fdm成形工艺文件；将优化后的slm成形工艺文件和fdm成形工艺文件数据同时导入到slm成形装备中准备打印。

2)将成形基板安装在可回转工作台上调平，保证表面平整，平面度误差小于20μm。采用fdm工艺打印初始的动态粉缸第一侧壁和第二侧壁，安装好局部粉床防护罩和铺粉装置，调整好刮刀与粉缸之间的位置，并做好密封；通过同步送粉装置将slm成形所需要的金属粉末根据铺粉用量源源不断的输送到局部铺粉装置内，按需定量供给；铺粉装置根据所需加工的大型零件的动态粉缸的截面轮廓形状，按照动态粉缸截面轮廓轨迹在动态粉缸第一侧壁和第二侧壁之间进行局部铺粉(局部粉床防护罩区域内铺粉)；然后铺粉装置和局部粉床防护罩停止运动，激光打印光路系统启动，按照预先导入的工艺文件扫描轨迹、工艺参数对粉床表面的粉末进行选择性熔化；整个成形过程扫描区域的粉末处于惰性气体保护环境中，保持局部保护气体装置内部气压平衡和较低的氧气含量。局部粉床防护罩下方覆盖区域扫描完成后，局部粉床防护罩和铺粉装置继续按照动态粉缸截面轮廓轨迹进行运动铺粉，铺好一个区域即扫描打印，然后再移动、铺粉、扫描打印，重复操作，直至完整一层动态粉缸区域扫描完成后，铺粉装置和局部粉床防护罩整体沿导向柱向上移动一个铺粉层厚的距离。

3)第一层成形后，铣削减材加工系统对slm成形后的零件侧面进行精加工，同时对fdm成形的动态粉缸的第一侧壁和第二侧壁上表面进行铣削加工，使得表面平整，保证第二次铺粉能够顺利均匀；然后开始打印第二层粉缸，重复步骤2)的相关操作，直到整体零件成形完成。

4)整个零件成形结束后，关闭气体循环系统，启动粉末循环回收系统，将动态粉缸中多余的粉末进行自动清理、筛粉、循环，最后利用线切割将零件从基板上切割下来，完成整个零件的加工过程。

激光扫描打印过程中，可采用大小光斑可调技术，可以实现大光斑扫描预热，小光斑聚焦成形，也可用大光斑填充扫描，小光斑轮廓扫描，提高slm成形的效率和精度；通过大小光斑配合使用，实现对成形件的实时在线预热-扫描-热处理；通过调控不同扫描区域、不同粉层的扫描工艺参数和扫描策略，极大的降低成形过程中的残余应力和应力变形。

动态粉缸的成形可以有多种实现方式，下面以fdm技术打印动态粉缸+slm打印成形零件为例，介绍可配置的相关硬件设备。如图6、图7和图8所示，基础架构包括回转工作台、x方向水平导轨系统(丝杠导轨平移台)、y方向水平导轨系统、z方向升降导轨系统、激光打印光路系统、fdm打印系统、铣削减材加工系统。

回转工作台安装在丝杠导轨平移台上，回转工作台可沿着丝杠导轨平移台左右(x方向)移动，其自身也可以在360°范围内任意角度转动。

丝杠导轨平移台两侧安装有升降导轨系统(z方向)，升降导轨系统上安装有多套水平导轨系统(y方向)，y方向的水平导轨系统上安装有多套fdm打印系统和铣削减材加工系统、以及多套激光打印光路系统。

多套水平导轨系统带动多套fdm打印系统和铣削减材加工系统、以及多套激光打印光路系统，可以整体沿着升降导轨系统上下运动。

x方向水平导轨系统、多套z方向升降导轨系统、多套y方向水平导轨系统上均安装有精密光栅尺，为运动提供闭环反馈，保证其运行的定位精度和重复定位精度。

fdm打印系统用于成形过程中在可回转工作台上打印与所需成形零件对应的随打随用的动态粉缸。铣削减材加工系统用于对fdm打印系统的动态粉缸第一侧壁和第二侧壁上表面的铣削加工，保证动态粉缸表面平整光滑，便于slm成形过程中刮刀铺粉，铣削减材加工系统中包括有刀库，可以根据不同的加工需求更换锁需要的铣刀；铣削减材加工系统还可对激光打印光路系统slm成形的零件表面进行精加工，提高表面质量；铣削减材加工系统和fdm打印系统安装在同一套水平导轨系统上，铣削减材加工系统安装在fdm打印系统的后方位置，便于fdm打印后及时对动态粉缸上表面进行铣削加工。

fdm打印系统和铣削减材加工系统可以沿着升降导轨系统上下运动，以便在打印和铣削动态粉缸过程中调整其余动态粉缸上表面的距离，保证打印精度和切削精度；fdm打印系统和铣削减材安装在水平导轨系统上，可以安装多套，以提高打印动态粉缸和铣削动态粉缸的效率。可设置铣削减材加工系统的铣刀旋转方向沿动态粉缸表面向外，使得加工过程中产生的切削能够及时了向外排出，而不影响slm的成形过程。

水平导轨系统上安装有多套激光打印光路系统，如图3所示，激光打印光路系统由qbh接头、准直扩束模块、振镜、f-θ场镜/动态聚焦镜组成，通过光纤与激光器相连，激光打印光路系统用于实现slm成形过程对粉床表面的轨迹扫描；激光打印光路系统可以沿水平导轨系统前后(y方向)运行，沿水平导轨系统上安装有精密光栅尺，保证激光打印光路系统运动的定位精度和重复定位精度；激光打印光路系统整体密封在光学系统防护罩中，防止成形过程中产的烟尘和金属粉末金属到激光光路系统中，对激光的传输造成不良影响。

零件slm成形过程中，通过水平导轨系统(y方向)上安装的fdm打印系统和可回转工作台的运动，fdm打印系统在可回转工作台上按照所需加工零件的轮廓截面形状打印出动态粉缸的第一侧壁和第二侧壁；铣削减材加工系统将动态粉缸的第一侧壁和第二侧壁上表面铣削加工平整，可保证铺粉平面与动态粉缸上表面在同一平面内；局部铺粉装置沿动态粉缸上表面运动，将同步送粉装置经由送粉管送入局部铺粉装置的金属粉末沿零件轮廓轨迹铺到动态粉缸第一侧壁与第二侧壁之间的空腔中；局部铺粉装置铺好粉末后，停止运动，激光打印光路系统开始工作，通过控制激光束扫描的工艺参数、扫描策略，按照所需加工零件的轮廓截面形状，将动态粉缸表面的金属粉末熔化凝固成所需成形零件的截面形状；整个成形过程在惰性气体的保护下进行；完整一层扫描结束后，fdm打印系统、铣削减材加工系统、激光打印光路系统整体沿导向立柱向上移动一个铺粉层厚的距离(20-100μm)，层厚根据模型切面数据确定；fdm打印系统在先前铣削加工的动态粉缸第一侧壁和第二侧壁上表面，继续按照所需加工零件的轮廓截面形状打印动态粉缸第一侧壁和第二侧壁；然后依次按照铣削加工、局部铺粉，激光打印成形的次序成形零件，反复循环，制造出最终所需要的零件；粉缸周围安装有粉末回收装置(防爆吸尘机将未熔化的粉末吸走)，用于收集成形后环形粉缸内多余的粉末，粉末回收装置可以对粉末进行自动回收、筛粉，循环进入送粉器，实现粉末的循环使用。

局部粉床防护罩的侧面可设置多个观测窗口，以便于实时观察slm成形过程。局部粉床防护罩上可安装摄像头，通过摄像头对实时铺粉过程进行智能监测，通过数据分析可以多次铺粉；通过监测光路系统电流和电压的波动情况，可以实现对激光功率稳定性的实时监测；通过压力传感器、流量传感器、水氧含量监测传感器和温度传感器，对成形过程的参数进行智能监测；采用红外热像仪等对成形过程熔池的温度场进行实时在线监测；采用app或微信小程序远程监控，故障智能分析提示，不需要有人时刻在现场盯管；通过对成形过程所有数据的在线实时获取、挖掘和分析，为保证长时间零件成形质量和后续工艺优化提供大数据样本支持。

可以在动态粉缸周围设置水冷、电涡流加热装置、电磁系统、超声系统等，改变成形过程熔池的传热传质特性、熔体流动特性、温度场、冷却速度，改变组织的凝固特征，实现晶粒细化，通过工艺研究，通过调整工艺参数和外部接入手段，为成形件定制所需的组织和力学性能。