一种基于金属3D打印的多材料成型装置的制作方法

本实用新型涉及增材制造领域，尤其涉及一种基于金属3D打印的多材料成型装置。

背景技术：

目前金属增材制造的成型材料主要是粉末材料。根据不同的送粉模式，金属增材制造方法可以分为预置式送粉模式和同轴喷粉模式两种，其中激光选区熔化和电子束选区熔化是预置式送粉模式的代表技术，激光近净成型是同轴喷粉模式的代表技术。这类粉末材料的金属增材制造技术能够成型结构致密、冶金结合的金属零件，而且能够成型一些传统切削方式无法成型的复杂形状零件。

其中，激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是一种能直接成型高致密、高精属零件的3D打印技术，其工作原理为激光束选择性地熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。激光束开始扫描前，铺粉装置先把金属粉末平推到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末,加工出当前层的轮廓,如此层层加工,直到整个零件成型完毕。

该技术是一种基于粉末床的加工工艺，现有的工艺只能成型单一材质，而实际使用过程中，多材料零件能够满足不同工况的要求，例如，喷气发动机的某些部件可以用几种不同的金属材料整体打印，有些部分因为要直接与热源接触，可以使用比较耐高温的金属合金；而该部分的另一面侧可以使用更易散热的金属材料，但要更轻、更强和密度较低，以削减重量。传统加工中，常用焊接和粉末冶金方式制备多材料复合零件，但是其成型外型有较多的约束，无法满足实际应用中复杂形状的要求。因此，基于金属3D打印的多材料复合制造才能体成型所需的复杂零件，是目前制造业和增材制造技术需要迫切发展的一个重大方向。

美国公司Digital Alloys推出金属3D打印机利用挤出金属线的方法实现多材料制造，但是此成型方式基于线型材料，导致成型零件精度较低、表面粗糙。基于粉末床的成型方式精度高，但是加工后的混合粉末难以有效分离，重复利用，造成材料的浪费；多种材料的特性不同，在现有的铺覆方式中难以保证粉末的均匀；同时，不同材料粉末的流动性和松装密度差异较大，需要提供有效的装置来适应不同粉末的铺覆，实现材料的多样性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于金属3D打印的多材料成型装置。本实用新型提供了良好的粉末床环境选择性熔化成型，实现多种粉末的高效利用和快速铺覆，成型高精度的多材料复合零件。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种基于金属3D打印的多材料成型装置，包括用于控制金属3D打印机运行的控制系统、用于对金属粉末选区熔化的激光装置6、成型室4、成型缸、粉末储存装置、铺粉装置2；其特征在于：

所述铺粉装置2包括铺粉条24、由Y轴电机22驱动的Y轴丝杆导轨23、由X轴电机21驱动的X轴丝杆导轨26；所述铺粉条24通过固定板25安装在Y轴丝杆导轨23上，由Y轴电机22驱动其沿Y轴丝杆导轨23的轨迹在工作台5上往复移动；

所述粉末储存装置采用漏粉输送方式的漏粉装置1；该漏粉装置1包括漏粉嘴15和多个储存不同材质粉末的漏粉罐12；所述漏粉罐12设置在成型室上方，各漏粉罐12分别通过漏粉管13将不同材质的粉末连接汇集至漏粉嘴15，并在各漏粉管13与漏粉嘴15的入口槽14处设置阀门16，通过控制阀门16的开度，可选择性地让所需材质的粉末进入漏粉嘴15内；

所述漏粉嘴15安装在X轴丝杆导轨26上，漏粉嘴15在工作台5的X轴方向移动轨迹由X轴电机21驱动，漏粉嘴15在工作台5的Y轴方向移动轨迹由Y轴电机22驱动。

所述漏粉嘴15内部成锥形漏斗结构。

所述漏粉罐12通过带有开关的气管11连接保护气源，该开关用于调节气源的气压大小，以适应不用材质粉末对气压要求。

在成型缸的左侧设有粉末收集罐3。

固定板25与铺粉条24为可拆卸式连接，可方便固定硅胶条、柔性铁片等多种不同材料的铺粉条24。

本实用新型基于金属3D打印的多材料成型装置的运行方法，可通过如下步骤实现：

步骤一：根据所制三维模型切片数据生成材料切换程序、漏粉路径和激光扫描路径；

将目标三维模型数据导入控制系统中，根据每层所需材质的粉末，控制对应漏粉罐12中气管开关以及漏粉嘴15的入口槽14处的阀门16，使漏粉嘴15只接收来自选定的漏粉罐12中的粉末；同时，根据模型生成某个平面平行于加工平面的最小外接长方体，计算机根据所述长方体的每个切片层数据，向外偏移一个漏粉宽度，进而生成漏粉路径；同时，计算机得到零件每个切片层的截面数据，根据该切片层的外部轮廓和内部轮廓数据生成激光扫描路径；

步骤二：切片数据导入控制系统；

步骤三：控制系统根据材料切换程序提取对应材料数据，调整对应激光参数，在漏粉装置1中打开指定的漏粉罐12中气管开关并保持气压，同时打开漏粉嘴15对应的入口槽14的阀门16，使所需材质的粉末通过漏粉嘴15按照规划路径漏至工作台5的指定位置；

步骤四：在粉末从漏粉嘴15按照规划路径漏出至工作台5指定位置后，X轴电机21、Y轴电机22根据漏粉路径控制漏粉嘴15的运动轨迹，在工作台5上快速铺覆指定方形范围的粉床；待漏粉嘴15走完指定路径之后漏粉槽14的阀门16关闭，同时气管11的开关关闭，停止通入气体；

Y轴电机22带动铺粉条24在Y轴方向往回运动，将指定方形范围的粉床进行二次铺覆，起到平整和压实的作用，铺粉路径规划完成；

步骤五：铺粉路径规划完成后，激光装置6根据激光扫描路径对该层粉床进行选区熔化；该层选区熔化作业完成后，成型缸下降一个成型层高度，重复铺粉路径规划步骤，直至零件完全成型为止。

本实用新型相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

1.本实用新型实现多种材料的复合制造。所述漏粉装置中可以放置四个及以上的漏粉罐，以储蓄不同材料粉末，并且在漏粉处可控制多个漏粉口开闭，实现每层不同材料粉末的铺覆。

2.本实用新型有效提高粉末的利用率。不同于传统的整层铺覆，利用漏粉嘴根据漏粉路径漏粉，减少每次加工所需预铺粉量。而且在多材料粉末铺覆中，粉末难以回收利用，因此从送粉方式上减少了加工过程的粉末浪费。本实用新型漏粉装置与铺粉装置的有机整合，既兼顾了铺粉又兼顾了粉末的路径规划，大大提高了粉末的利用率及多材料适用性，为3D打印技术领域提供了一种全新的关于铺粉与多材料漏粉相结合的技术方案。

3.本实用新型利用气压辅助送粉。各种材料粉末的流动性具有较大差异，因此需要在漏粉罐上连接气管，根据不同材料特性通入气体调节罐内相应气压，使粉末达到稳定的流速均匀漏粉。

4.本实用新型根据粉末堆积特征规划漏粉路径。本实用新型的粉床铺覆方式是选择性漏粉，这会形成粉床部分无粉区域，粉末不直接与缸壁作用而产生堆积特征。因此本实用新型漏粉路径根据零件最小外接长方体的截面进行规划，所述最小外接长方体必定有一个平面与加工平面平行。

附图说明

图1是本实用新型基于金属3D打印的多材料成型装置整体结构示意图；

图2是本实用新型漏粉装置结构示意图；

图3是图2中漏粉嘴局部放大结构示意图；

图4是本实用新型的铺粉装置结构示意图；

图5是本实用新型铺粉及漏粉工艺流程原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述。

实施例

如图1-5所示。本实用新型公开了一种基于金属3D打印的多材料成型装置，包括用于控制金属3D打印机运行的控制系统、用于对金属粉末选区熔化的激光装置6、成型室4、成型缸、粉末储存装置、铺粉装置2；其特征在于：

所述铺粉装置2包括铺粉条24、由Y轴电机22驱动的Y轴丝杆导轨23、由X轴电机21驱动的X轴丝杆导轨26；所述铺粉条24通过固定板25安装在Y轴丝杆导轨23上，由Y轴电机22驱动其沿Y轴丝杆导轨23的轨迹在工作台5上往复移动；

所述粉末储存装置采用漏粉输送方式的漏粉装置1；该漏粉装置1包括漏粉嘴15和多个储存不同材质粉末的漏粉罐12；所述漏粉罐12设置在成型室上方，各漏粉罐12分别通过漏粉管13将不同材质的粉末连接汇集至漏粉嘴15，并在各漏粉管13与漏粉嘴15的入口槽14处设置阀门16，通过控制阀门16的开度，可选择性地让所需材质的粉末进入漏粉嘴15内；

所述漏粉嘴15安装在X轴丝杆导轨26上，漏粉嘴15在工作台5的X轴方向移动轨迹由X轴电机21驱动，漏粉嘴15在工作台5的Y轴方向移动轨迹由Y轴电机22驱动。

所述漏粉嘴15内部成锥形漏斗结构。

所述漏粉罐12通过带有开关的气管11连接保护气源。

在成型缸的左侧设有粉末收集罐3。

一种基于金属3D打印的多材料成型装置的运行方法，包括如下步骤：

步骤一：根据所制三维模型切片数据生成材料切换程序、漏粉路径和激光扫描路径；

将目标三维模型数据导入控制系统中，根据每层所需材质的粉末，控制对应漏粉罐12中气管开关以及漏粉嘴15的入口槽14处的阀门16，使漏粉嘴15只接收来自选定的漏粉罐12中的粉末；同时，根据模型生成某个平面平行于加工平面的最小外接长方体，计算机根据所述长方体的每个切片层数据，向外偏移一个漏粉宽度，所述漏粉宽度根据不同粉末的流动性来确定，进而生成漏粉路径；同时，计算机得到零件每个切片层的截面数据，根据该切片层的外部轮廓和内部轮廓数据生成激光扫描路径；

步骤二：切片数据导入控制系统；

步骤三：控制系统根据材料切换程序提取对应材料数据，调整对应激光参数，在漏粉装置1中打开指定的漏粉罐12中气管开关并保持气压，同时打开漏粉嘴15对应的入口槽14的阀门16，使所需材质的粉末通过漏粉嘴15按照规划路径漏至工作台5的指定位置；

步骤四：在粉末从漏粉嘴15按照规划路径漏出至工作台5指定位置后，X轴电机21、Y轴电机22根据漏粉路径控制漏粉嘴15的运动轨迹，在工作台5上快速铺覆指定方形范围的粉床；待漏粉嘴15走完指定路径之后漏粉槽14的阀门16关闭，同时气管11的开关关闭，停止通入气体；

Y轴电机22带动铺粉条24在Y轴方向往回运动，将指定方形范围的粉床进行二次铺覆，起到平整和压实的作用，铺粉路径规划完成；

步骤五：铺粉路径规划完成后，激光装置6根据激光扫描路径对该层粉床进行选区熔化；该层选区熔化作业完成后，成型缸下降一个成型层高度，重复铺粉路径规划步骤，直至零件完全成型为止。

如上所述，便可较好地实现本实用新型。

本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。