增材制造系统、增材制造方法和计算机可读介质与流程

本发明涉及材料加工的技术领域，特别地，涉及利用诸如激光和电弧的热源进行增材制造以形成产品的增材制造方法和增材制造系统。

背景技术：

高熵合金由多种材料元素(通常5种或5种以上的材料元素)按照一定比例合金化而形成，其中每种材料元素的含量在5％至35％之间，由此高熵合金具有比传统合金的熔化熵高的混合熵。高熵合金具有一些传统合金所无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨耐腐蚀性、高热阻、高电阻等。通过改变材料元素或其比例可以改变高熵合金的性能。

在例如通过现有增材制造方法制造高熵合金产品时，先将多种材料元素按照比例混合在一起，然后打开增材制造系统对该恒定比例的混合材料元素进行加工以形成最终产品。在该现有增材制造方法中，由于混合步骤是在开始增材制造前完成的，因此在增材制造期间不能实时或精确地改变材料元素或其比例，从而只能制造出性能均一的产品，而不能制造出满足特定需求的具有功能梯度的高熵合金产品，即材料强度等特性逐渐变化的合金产品。另外，混合好但未用完的原材料也会造成浪费。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够实时和/或精确地改变粉末材料的量的增材制造方法和增材制造系统。

根据本公开的一个方面，提供一种增材制造系统。该增材制造系统包括：多个输送管道，所述多个输送管道分别联接至材料源；混料器，所述多个输送管道联接至所述混料器，所述混料器构造成在增材制造期间将经由所述多个输送管道随着气流供给的不同种类的粉末材料进行实时混合；以及喷嘴，所述混料器经由供给管道联接至所述喷嘴，所述喷嘴构造成将混合好的混合材料运送至基板上以进行增材制造，其中，所述多个输送管道中的每个输送管道构造成能够实时改变粉末材料的输送量或输送速度。

在本公开的增材制造系统中，由于多个输送管道联接至混料器并且混料器联接至喷嘴，因此可以实时地随着惰性气体供给粉末材料并实时混合。诸如氦气或氩气的惰性气体与粉末材料一起输送，并且可以通过改变惰性气体的速度来改变粉末材料的输送速度，由此改变粉末材料的供给量。如此，本公开的增材制造系统可以提供材料供给的灵活性，例如，可以实时改变供给的粉末材料或其比例，由此能够满足产品的不同部分的不同性能要求。

在增材制造系统的一些示例中，所述喷嘴具有内壁和外壁，在所述内壁和所述外壁之间形成环形空间以接收混合材料。

在增材制造系统的一些示例中，还包括用于使混合材料熔融的激光器或电弧焊装置，其中，所述喷嘴的所述内壁构造成允许所述激光器的激光或所述电弧焊装置的电极通过。

在增材制造系统的一些示例中，所述喷嘴的所述内壁和所述外壁同轴设置。该布置使得混合材料容易与热源同心，由此可以提高产品质量。

在增材制造系统的一些示例中，所述喷嘴的所述内壁和所述外壁中的每一者包括柱形部段和/或锥形部段。

在增材制造系统的一些示例中，还包括控制器，所述控制器实现对所述多个输送管道中的每个输送管道中的粉末材料的输送量或输送速度进行实时控制。

在增材制造系统的一些示例中，还包括对所述基板和/或混合材料进行加热的加热装置。

根据本公开的另一方面，提供一种增材制造方法。该增材制造方法包括：经由多个输送管道将不同种类的粉末材料从材料源分别输送至混料器；在所述混料器中将粉末材料进行实时混合；以及经由喷嘴将混合好的混合材料随着气流运送运输至基板上以进行增材制造，其中，经由所述多个输送管道输送粉末材料包括实时改变粉末材料的输送量或输送速度。

在增材制造方法的一些示例中，所述方法还包括在将粉末材料从材料源进行输送之前，将产品制造数据及控制参数加载到控制器的步骤，以根据加载的数据对粉末材料的输送量及输送速度进行控制的步骤。

在增材制造方法的一些示例中，还包括通过激光器或电弧焊装置使混合材料熔融的步骤。

在增材制造方法的一些示例中，所述方法还包括在通过电弧焊装置使混合材料熔融的过程中，为电弧焊装置的电极提供保护气体。

在增材制造方法的一些示例中，在通过激光器使混合材料熔融的情况下，所述喷嘴及激光器的光束与所述基板垂直或者相对于所述基板成预定角度，并且所述混合材料围绕激光束排放到所述基板上。

在增材制造方法的一些示例中，在通过电弧焊装置使混合材料熔融的情况下，所述喷嘴及电弧焊装置的电极与所述基板成一角度，并且所述混合材料围绕所述电极排放到所述基板上。

在增材制造方法的一些示例中，还包括在制造过程中，通过加热装置对所述基板和/或混合材料进行加热。这样，可以降低粉末材料与熔池的温度梯度，减小温度梯度，提高增材制造结构件成型质量。

根据本申请的增材制造方法可以具有与上述增材制造系统相同或相似的技术效果。

根据本公开的又一个方面，提供一种计算机可读介质。所述计算机可读介质上存储有程序，所述程序被控制单元的处理器执行时实现如上所述的增材制造方法。

本发明的其他优点和特征将在以下非限制性详细描述中将变得清楚。

附图说明

通过以下参照附图的描述，本发明的一个或多个实施方式的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是根据本公开实施方式的增材制造系统的结构示意图；

图2是根据本公开另一实施方式的增材制造系统的结构示意图；以及

图3是根据本公开实施方式的增材制造方法的流程示意图。

在所有附图中，相对应的附图标记表示相对应的零部件。

具体实施方式

下面参照附图、借助示例性实施方式对本发明进行详细描述。对本发明的以下详细描述仅仅是出于说明目的，而绝不是对本发明及其应用或用途的限制。

图1是根据本公开实施方式的增材制造系统10的结构示意图。图1中的增材制造系统10以激光作为热源，因此在本文中也可称为激光增材制造系统。如图1所示，增材制造系统10包括多个用于输送原料的输送管道pf1至pf6、混料器110、供给管道112、喷嘴120、激光器130、光学装置132、基板s以及加热器h1和h2。

多个输送管道pf1至pf6将材料源(未示出)联接至混料器110以便将材料源中的材料供给至混料器110中。根据需要，输送管道pf1至pf6可以联接至不同的材料源，或者输送管道pf1至pf6中的一些输送管道可以联接至相同的材料源(例如，含量需求较大的材料源以满足所需的量)。输送管道pf1至pf6可以用于输送金属的粉末材料。

可以在粉末材料的输送管道pf1至pf6处设置供气装置，以向粉末材料中供给惰性气体，例如，氦气或氩气，使得惰性气体将粉末材料载送至混料器110中。

多个输送管道pf1至pf6中的每个输送管道可以构造成在增材制造期间能够实时改变材料的输送量或输送速度。例如，可以通过改变惰性气体的流速来改变粉末材料的输送速度，由此改变粉末材料的输送量。或者，可以在输送管道pf1至pf6中设置阀以控制输送管道的打开或关闭，或者打开程度以控制输送速度。在另外的实施方式中，可以通过控制安装在输送管道中的螺杆推进器的旋转速度来实时改变材料输送速度。

材料的供给速率可以在例如0g/min至20g/min的范围内。材料的供给速率可以根据待加工的产品的模型数据进行实时调节以制造功能梯度高熵合金产品。

混料器110经由供给管道112联接至喷嘴120。在增材制造期间，经由输送管道pf1至pf6输送的各种材料在混料器110中进行实时混合。在混料器110中混合的材料mm经由供给管道112被供给至喷嘴120中。混料器可以实施为各种现有的混合装置，例如螺旋搅拌混料装置等。

喷嘴120构造成将在混料器110中混合且经由供给管道112供给的混合材料mm排出至相对于喷嘴移动的基板s上以进行增材制造，参见图中的材料层ml。

在图1所示的增材制造系统10可以在增加制造期间实时地供给和混合材料、实时地改变材料成分或其比例，因此能够满足产品的不同部分的不同性能要求。材料供给可以根据实际需要而实时改变，因此具有很大的灵活性。

在图1的示例中，喷嘴120具有内壁124和外壁122。在内壁124和外壁122之间形成环形空间以接收混合材料mm。由内壁124限定的内部空间可以允许激光束134穿过。外壁122的下端可以设置有开口121以便将环形空间内的混合材料mm铺设在基板s上。从开口121出来的混合材料mm围绕在激光束134的周围以使得混合材料mm能够均匀受热熔融。换言之，从开口121出来的混合材料mm能够准确地落入有效热源区域中。

喷嘴120的内壁124和外壁122可以同轴设置，即，内壁124的中心轴线与外壁122的中心轴线重合。在图1的示例中，喷嘴120的内壁124大体呈锥形。外壁122具有柱形部段122a和锥形部段122b。锥形部段122b的下端形成开口121。锥形部段122b可以收缩激光等离子体，收缩粉末束流，收缩保护气的范围，从而提高热源能量密度。应理解的是，喷嘴120的形状不局限于图示的具体示例，而是可以根据具体需要而改变。

激光器130产生的激光束134在经过光学装置132和内壁124内的内部空间之后照射到材料层ml上，在照射位置处熔融混合材料以形成熔池mp。

增材制造系统10还可以包括保护气体供给装置(未示出)以将保护气体pg供给至内壁124与外壁122之间的环形空间中。例如，保护气体可以以5ml/min至300ml/min、可选地5ml/min至200ml/min的速率流动通过喷嘴120。

在增材制造之前或期间，可以通过加热器h1对供给的混合材料进行加热和/或将温度保持在预定范围内，例如50℃至250℃。加热器h1可以设置在供给管道112上以在混合材料通过供给管道112时被加热。通过设置加热器h1可以减小混合材料与其熔融温度之间的温度梯度，由此改善成型产品的质量。

在增材制造之前、期间或之后，可以通过加热器h2对基板s进行加热。进而，基板s可以对材料层ml进行加热和/或将温度保持在预定范围内，例如100℃至300℃。加热器h2可以设置在基板s的一侧(图中为下侧)。通过设置加热器h2可以减小高熵合金产品的应力变形等。

加热器h1和加热器h2构成了本文中所述的加热装置。加热装置可以是电阻加热装置或电磁加热装置。应理解的是，加热装置也可以是其他任何合适的加热装置，例如，电子束。

增材制造系统10包括控制器(未示出)。产品的模型数据存储在控制器的存储单元中。在增材制造期间，控制器可以根据存储的模型数据对各个部分进行控制，特别是实时地改变材料成分或其比例，协同完成产品的加工。

图2是根据本公开另一实施方式的增材制造系统20的结构示意图。增材制造系统20以电弧作为热源，因此在本文中也可称为电弧增材制造系统。图2的增材制造系统20与图1的增材制造系统10相同的部分由相同的附图标记表示，且省去其详细描述。下面，将详细描述图2的增材制造系统20与图1的增材制造系统10不同的部分。

图2的增材制造系统20与图1的增材制造系统10不同的部分在于以电弧作为热源、喷嘴的取向以及喷嘴的内壁形状。参见图2，增材制造系统20包括电焊机230和喷嘴220。电焊机230例如可以是钨极氩弧焊接机。喷嘴220具有大体呈柱形的内壁224，电焊机230的电极容置在内壁224的内部空间中。增材制造系统20还可以包括保护气体供给装置(未示出)以将保护气体pg供给至内壁224的内部空间中。例如，保护气体可以以5ml/min至300ml/min、可选地5ml/min至200ml/min的速率流动通过喷嘴220。

图1的增材制造系统10的喷嘴120定位成使得激光束134大致垂直于材料层ml，而图2的增材制造系统20的喷嘴220相对于材料层ml成一定锐角，成角度的设置便于钨极形成电弧，同时避免电弧对钨极及喷嘴的过度烧损。应理解的是，喷嘴的取向可以根据具体增材制造方法而改变。

图2的增材制造系统20具有与图1的增材制造系统10相似的技术效果，因此不再赘述。此外，应理解的是，本发明不局限于以激光和电弧作为热源的增材制造系统，而是可以适用于任何合适热源的增材制造系统。

下面，参见图3来描述由根据本申请的增材制造系统实施的增材制造方法。如图3所示，先将待制造的产品的模型数据和/或控制参数存储或加载到控制器的存储单元中(步骤s10)。步骤s10可以在将材料从材料源进行输送之前进行，以根据加载的数据对材料的输送量及输送速度进行控制。启动加热器h2以对基板s进行预加热(步骤s20)。经由输送管道pf1至pf6输送各种材料并在混料器110中混合各种材料以形成所需的混合材料(步骤s30)。启动加热器h1以对经由供给管道112供给的混合材料进行加热(步骤s40)，例如，加热至50℃至250℃。在热源为电焊机的情况下，打开保护气体装置使保护气体以一定速率通过喷嘴(步骤s50)。启动热源(例如，激光器130或电焊机230)以进行增材制造(步骤s60)。热源的参数(例如，对于激光而言，这些参数包括激光功率、光斑尺寸、扫描速度等)可以根据存储的产品的模型数据预先设定，或者可以根据模型数据实时调节。在增材制造期间，根据模型数据实时地调节材料或其供给量以制造所需的功能梯度的高熵合金产品(步骤s70)。在增材制造完成之后，可以停止材料的输送和供给，关闭热源、保护气体装置和加热装置等。加热器h2可以在基板s的温度降至100℃以下时关闭，由此减小高熵合金产品的应力变形。

图3仅示出了根据本申请的增材制造方法的一个示例。应理解的是，本发明不局限于图3所示的具体示例。在方法步骤不矛盾的情况下，一些步骤的实施顺序可以改变，或者某个步骤可以省去，或者可以增加其他步骤。例如，加热步骤s20和s40可以持续整个增材制造过程，或者仅在需要时间断地执行。根据不同的热源，提供保护气体的步骤s50可以省去。

本发明中的控制器可以实施为计算机中的处理器。可以通过由计算机处理器执行的一个或更多个计算机程序来实现本文中描述的增材制造的方法。计算机程序包括存储在非暂态有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括存储的数据。非暂态有形计算机可读介质的非限制性示例为非易失性存储器、磁存储装置以及光存储装置。

术语计算机可读介质不包括通过介质(例如在载波上)传播的暂态电信号或电磁信号；术语计算机可读介质因此可以被视为有形且非暂态的。非暂态有形计算机可读介质的非限制性示例为非易失性存储器(例如闪存、可擦除可编程只读存储器或者掩模只读存储器)、易失性存储器(例如静态随机存取存储器电路或者动态随机存取存储器)、磁存储介质(例如模拟磁带或数字磁带或者硬盘驱动器)、以及光学存储介质(例如cd、dvd或者蓝光光盘)。

虽然已经参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式/示例，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对示例性实施方式做出各种改变。