CN101328067B

CN101328067B - 一种非均质功能构件的制造方法与装置

Info

Publication number: CN101328067B
Application number: CN2008100538555A
Authority: CN
Inventors: 徐安平; 朱东彬; 曲云霞; 郭艳华
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2028-07-16
Also published as: CN101328067A

Abstract

本发明涉及一种非均质功能构件的制造方法与装置，该制造方法包括：1)配制设计要求的金属盐溶液，并作为打印墨水，直接灌注进打印机墨盒中；所述金属盐溶液包括无机盐的水溶液、乙醇溶液或丙酮溶液，浓度控制在其饱和度以下；2)把打印喷头与激光头组合在一起，且使两者的工作范围一致；工作时，在计算机控制下，打印喷头喷出打印墨水后，激光头在激光头与打印喷头随动系统作用下随即对其进行同位扫描，实现当前层面上打印墨水反应固化；3)打印喷头逐层喷墨打印；激光头随即匹配扫描，逐层反应固化，直至完成，即制造出所述的非均质功能构件。该制造装置适用于本发明制造方法，其特征在于打印喷头与激光头为组合头结构，计算机控制系统包括激光头与打印喷头随动系统。

Description

一种非均质功能构件的制造方法与装置

技术领域

本发明涉及快速成形制造技术，具体为一种基于集微喷堆积成形与激光扫描烧结成形技术于一体的特别是复杂形状的非均质功能构件的制造方法与装置，国际专利主分类号拟为Int.C1.B05B13/00(2006.01)I。

背景技术

科学的发展、技术的进步，对各类零件的性能从多方面提出了更高的要求，通常以单一(均匀)材料构成的零件不能满足各类近乎苛刻的使用条件。日本科学技术厅航空宇宙研究所于1987年提出了功能梯度材料(Functionally Graded Materials，FGMs)的概念，即多种材料的组分或结构连续过渡，可同时具备几种不同材料的优良性能。而传统的材料制备方法只能形成梯度方向分布单一、形状简单的实体，比如：沉积成形、气相沉积、离心浇注等。快速成形(Rapid Prototyping)技术的出现，实现了制造科学上制造理论的突破，根本有别于传统的制造方法，比如去除成形、受迫成形，而是基于离散/堆积原理，将三维CAD模型沿一定方向分解、一定厚度分解成不连续的层片，得到一系列的截面数据。根据各种工艺各自的工艺要求，通过合理的工艺规划，生成控制成形的运动轨迹。在堆积过程中，成形工具在运动轨迹的控制下，加工出层片，并将新生成的层片与已成形部分堆积、连接，层片生成与堆积连接过程循环往复，直至整个构件加工完成。此技术有望实现具有复杂形状及复杂组分分布的非均质(包括不同材料组分的渐变和突变)功能构件的制造，比如：

1.分层实体制造(LOM)技术。该技术虽然很难用于非均质构件的制造，但张等人的《快速成形和燃烧合成结合制造TiC/Ni功能梯度材料》(Y.Zhang，J.Han，X.Zhang，X.He，Z.Li，and S.Du，‘RapidPrototyping and Combustion Synthesis of TiC/Ni FunctionallyGradient Materials，’Mater.Sci.Eng.，A299，218-24(2001).)文献中介绍了采用LOM工艺与燃烧合成技术结合的方法，来满足单层材料组分均一、不同层材料组分呈连续变化的设计要求，然后经过层层叠加构成梯度材料。该方法只能在厚度方向，也就是在一维方向形成梯度，不能实现材料在三维方向上的梯度分布。

2.基于激光烧结(SLS)的快速成形技术。此技术通过激光融化金属或陶瓷粉末来制造三维实体，比如Jepson等人的《激光选择烧结制造功能梯度材料》(L.Jepson，J.J.Beaman，D.L.Bourell，and K.L.Wood，‘SLS Processing of Functionally Gradient Materials，’pp.67-79，in the Proceedings of the 8^th Annual SFF Symposium，Edited by D.L.Bourell.The University of Texas，Austin，1997.)文献介绍了一种多材料选择性烧结技术(M²SLS)。该技术存在梯度过渡不连续的问题；Fessler等人的《形状沉积法制造金属功能梯度材料》(J.Fessler，A.Nickel，G.Link，and F.Prinz，‘Functional Gradient MetallicPrototypes Through Shape Deposition Manufacturing，’pp.521-8inthe Proceedings of the 8th Annual SFF Symposium，Edited by D.L.Bourell.The University of Texas，Austin，1997.)文献介绍了的形状沉积制造方法(Shape Deposition Manufacturing)，和Morvan等人的《通过透镜制造非均质调速轮》(S.Morvan，G.M.Fadel，J.Love，and D.Keicher，‘Manufacturing of a Heterogeneous Flywheel on a LENSApparatus，’pp.553-60in the Proceedings of the 12th Annual SFFSymposium，Edited by D.L.Bourell.The University of Texas，Austin，2001.)文献介绍了激光工程净成形(Laser Engineered NetShaping)等技术。该技术虽可实现一种材料到另一种材料的连续过渡，但精度较低，距离实际要求有很大差距。

3.基于喷/挤口的快速成形技术。该技术可分为单口快速成形和多口快速成形。单口快速成形可在材料喷/挤出之前形成不同比例的混合以形成梯度材料。此方法材料的混合滞后性严重，且效率偏低；多口快速成形可由不同的喷嘴/口分别挤出不同的材料以形成梯度分布，但该技术仍受到喷嘴/口个数的限制，成形效率并不能得到明显提高。

4.基于微滴喷射的快速成形技术。由于采用了微纳制造技术，因此可使微滴喷射的每个喷头上的喷孔数量大大增多，效率和精度都得到明显改善。不过该技术仍存在一定的局限性，比如：美国专利US5204055号公开的一种粉末材料选择性粘结技术(3D Printing)，所打印的介质为结合剂，如果松散在打印台上的成形粉末只有一种，那么它只能制备多孔材料，而不能实现一种材料到另一种材料的过渡；美国专利US6165406号提出了一种彩色三维喷墨打印快速成形技术。该技术使用一种能在一定条件下固化的液态成形材料液滴成形三维零件，材料中包括一种基体材料和各种不同的着色剂，着色剂可以在基体材料液滴沉积之前、同时或之后加入到基体材料中。通过应用半色调技术和色彩合成技术实现彩色零件的成形。这种技术可以实现三维模型在颜色上的复杂梯度分布，但并不能实现真正意义上的非均质功能构件的制造。如果将陶瓷或金属粉末等制成墨水，将彩色喷墨技术与快速成形技术相结合(三维彩色打印成形技术)，则可制造三维方向且梯度分布复杂的实体，突破了功能梯度实体难于制造的瓶颈，也是迄今为止复杂非均质功能构件的最佳制造方法。但该项技术存在墨水难配制、喷头易堵塞、坯体干燥慢、容易塌陷、材料服役性能差等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，设计一种非均质功能构件的制造方法与装置。该制造方法适于生产三维非均质功能构件，具有墨水容易配制，一次成形、无需后处理，制造精度高，工件强度均一等特点。该制造装置适用于本发明制造方法，具有结构简单、成形快速、使用方便、制造高效等特点。

本发明解决所述制造方法技术问题的技术方案是：设计一种非均质功能构件的制造方法，该制造方法基于打印机微喷堆积与激光扫描烧结相结合的快速成形方法，包括如下步骤：

(1)根据非均质功能构件的设计要求配制金属盐溶液，并将其作为打印墨水，直接灌注进打印机墨盒中；所述金属盐溶液包括无机盐的水溶液、乙醇溶液或丙酮溶液，浓度控制在其饱和度以下；所述的打印墨水为一种组分材料或一种以上的组分材料，其物理和化学性能符合打印喷头所需打印墨水的标准要求；

(2)把打印机的打印喷头与激光头组合在一起，并使打印喷头中的喷孔与激光头中的光纤孔一一对应，两者的工作范围一致；工作时，根据非均质功能构件的三维CAD模型分层数据，在计算机控制系统的控制下，所述打印喷头喷出一种组分材料或一种以上组分材料的打印墨水后，所述激光头在激光头与打印喷头随动系统作用下随即以该一种组分材料或一种以上组分材料的墨水反应固化所需的相应功率对其进行同位扫描，实现当前层面上所述组分材料的反应固化；所述激光头与打印喷头随动系统主要包括激光头扫描执行滞后时间控制系统；

(3)打印喷头依据所述的分层数据，逐层喷墨打印；激光头在激光头与打印喷头随动系统作用下随即匹配扫描，逐层反应固化，直至完成，即可制造出所述的非均质功能构件。

本发明解决所述制造装置技术问题的技术方案是：设计一种非均质功能构件的制造装置，该装置适用于本发明所述的非均质功能构件的制造方法，包括三维运动平台、打印喷头、激光头和计算机控制系统，其特征在于所述的打印喷头与激光头为组合头结构，所述组合头结构包括分离式、捆绑式和一体化制造组合头结构；组合头的组合排列方式包括打印喷头-激光头并排组合的并列式结构和激光头-打印喷头-激光头并排组合的夹芯式结构；所述的计算机控制系统包括激光头与打印喷头随动系统，所述随动系统主要为激光头扫描执行滞后时间控制系统。

与现有技术相比，本发明制造方法和装置集微喷堆积成形与激光扫描烧结技术于一体，可实现具有复杂形状结构及组分分布的三维非均质功能构件的制造，一次成形，无需后处理；通过物理化学反应，可形成纳米级沉积层，因此具有制造精度高，工件强度均一等特点，而且打印墨水容易配置，彻底解决了喷墨系统的易堵塞、坯体干燥慢和容易塌陷等问题。

附图说明

图1为本发明非均质功能构件的制造方法和装置一种实施例的非均质功能构件打印/激光烧结成形过程流程图；

图2为本发明非均质功能构件的制造方法和装置一种实施例的非均质功能构件的制造装置总体结构示意图；

图3为本发明非均质功能构件的制造方法和装置采用的打印喷头中喷孔与不同墨水的对应示意图：其中，图3(a)为单头单列；图3(b)为多头多列；图3(c)为单头多列；

图4为本发明非均质功能构件的制造方法和装置激光头中不同功率激光束(与相应墨水对应)的分布示意图：其中图4(a)为单头单列；其中图4(b)为多头多列；其中，图4(c)为单头多列；

图5为本发明非均质功能构件的制造方法和装置一种实施例的打印喷头和激光头的组合排列方式示意图：其中，图5(a)为并列式排列，用于单向扫描；图5(b)为夹芯式排列，用于双向扫描；

图6为图3a所述单头单列式打印喷头中每种墨水的喷孔与图4a所述单头单列式激光头中相应功率光纤孔的对应情况示意图。其中每种墨水与相应光束组对应，打印喷头中喷孔与激光头中相应光纤孔对应；

图7为本发明非均质功能构件的制造方法和装置一种实施例的打印激光一体头的整体结构示意图；

图8为图7所述实施例的打印激光一体头的整体爆炸结构示意图；

图9为本发明非均质功能构件的制造方法和装置另一种实施例的打印激光一体头的整体结构示意图；

图10为图9所述实施例的打印激光一体头的整体爆炸结构示意图；

图11本发明非均质功能构件的制造方法和装置的激光头扫描执行滞后时间程序处理流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程。但本发明权利要求的保护范围不限于下述的实施例。

本发明设计的非均质功能构件的制造方法(简称制造方法，参见图1、3、4)，该制造方法基于打印机微喷堆积与激光扫描烧结相结合的快速成形方法，包括以下步骤：

1配装打印墨水

根据非均质功能构件的设计要求，先配制不同的金属盐溶液，然后将其作为打印墨水，直接灌注进不同的打印机墨盒中，其中每个墨盒与打印喷头的相应喷孔相连，喷射不同墨水的喷孔在打印喷头中的分布方式包括：单头单列、多头多列和单头多列；所述金属盐溶液包括无机盐的水溶液、乙醇溶液或丙酮溶液，所述的金属盐溶液优选盐酸根、硫酸根、硝酸根和醋酸根中的任意一种与金属铝、锆、铈和银中的任意一种离子构成的水溶液或乙醇溶液；但不排除其他适用的金属盐溶液，浓度控制在其饱和度以下；所述的打印墨水为一种组分材料或一种以上的组分材料，其物理和化学性能符合打印喷头所需打印墨水的标准要求。

本发明制造方法将适当的金属盐溶液直接作为打印墨水，相对于悬浮液墨水而言其配制更容易，但本发明并不排除悬浮液墨水的适用性，如果采用悬浮液墨水，其中的颗粒物粒径应小于5微米。本发明要求金属盐溶液浓度控制在其饱和度以下，可彻底解决现有技术陶瓷等悬浮液墨水易堵塞打印喷头的问题，从而明显提高了非均质功能构件的成形精度和工作效率。对于组成最简单的金属盐水溶液来说，当其受高能短脉冲激光辐照后，则会产生各种初级产物，其中的还原性产物如水合电子可还原金属离子成原子。金属盐溶液如果在氧化环境下经过瞬时激光辐照，金属离子氧化成金属氧化物；在还原环境下，经过瞬时激光辐照，金属离子还原为金属单质；在惰性环境下，溶液中的氧化剂可氧化金属离子为金属氧化物，溶液中的还原剂可还原金属离子为金属原子。因此这种打印墨水既可以形成金属氧化物，又可以形成金属单质，因此为复杂形状、结构和功能要求的非均质功能构件快速成形制造提供了可能。

2.设置随动激光扫描

把打印机的打印喷头与激光发射器的激光头组合在一起，并使打印喷头中的喷孔与激光头中的光纤孔一一对应，两者的工作范围一致。工作时，根据非均质功能构件的三维CAD模型分层数据，在计算机控制系统的控制下，所述打印喷头的喷孔喷出所述一种组分材料或一种以上的组分材料的打印墨水后，所述激光头在激光头与打印喷头随动系统作用下随即以该一种组分材料或一种以上组分材料的墨水反应固化所需的相应功率对其进行同位扫描，也即激光扫描范围与打印喷头喷出的单个液滴的铺展范围相匹配，实现当前层面上所述组分材料的反应固化；所述激光头中的不同功率光纤束组与所述打印喷头喷出的相应固化温度要求的墨水相对应，不同功率光纤束组的分布方式包括单头单列、多头多列和单头多列(参见图4(a)、(b)和(c))；所述激光头中各个光纤束组的功率按照所述打印墨水对固化温度的要求设置；所述激光头与打印喷头随动系统匹配组合方式包括单向扫描排列和双向扫描排列；所述打印喷头的工作模式包括连续喷墨和按需喷墨；所述激光头的激光发射方式有连续式和脉冲式，扫描速度为0.001-10m/s，激光扫描波长为20-5000nm，激光扫描功率为0.1-2000W；激光扫描光斑范围(直径)为0.1-500μm，并且应与打印喷头喷出的单个液滴的铺展范围(直径)相匹配。

所述的计算机控制系统包括三维运动平台控制系统、打印喷头控制系统和激光头扫描控制系统；所述的三维运动平台控制系统包括X轴控制系统、Y轴控制系统和Z轴控制系统；所述的打印喷头控制系统包括非均质实体模型的分层切片系统、切片文件的材料组分分离系统、半色调抖动处理系统、二值化材料组分的排布系统和打印喷头执行系统；所述的激光头扫描控制系统包括非均质功能构件的层片文件应用材料组分分离系统、三维半色调材料组分的二值化排布系统、二值化图像处理系统和激光头执行系统，以及激光头扫描执行滞后时间控制系统。这些系统中，三维运动平台控制系统、打印喷头控制系统为现有技术；激光头扫描控制系统中非均质功能构件的层片文件的材料组分分离系统、三维半色调材料组分的二值化排布系统、二值化图像处理系统和激光头执行系统为现有技术在本发明中的新应用，而激光头扫描执行滞后时间控制系统为本发明的创新设计。

所述的激光头扫描执行滞后时间控制系统程序处理过程如下(参见图11)：首先判断组合头的结构：如果是分离式结构，则记录打印喷头和激光头的起始扫描时间，计算时间差，并根据各自的扫描速度换算成激光头的扫描滞后时间；如果是捆绑式结构或一体头结构，则根据打印头的喷孔与激光头中光纤孔之间的距离以及组合头的扫描速度，计算激光头的扫描滞后时间。

3.快速成形制造

打印喷头依据所述的分层数据，逐层喷墨打印；激光头在激光头与打印喷头随动系统作用下随即匹配扫描，逐层反应固化，层层叠加，直至完成，即制造出所述的非均质功能构件。

本发明制造方法创新设计了以金属盐溶液直接作为打印墨水来用于快速成形制造。为解决金属盐溶液的成形问题，本发明采用若干个功率可调的激光器与光纤耦合组成激光头，且激光束与打印喷孔相匹配，再通过微透镜阵列对激光器输出的光束进行准直或会聚，在工作面上形成与喷头喷出组分的成形温度相匹配的激光点束。各个激光器可以独立驱动(由程序设定地址)，由计算机控制激光器选区编码工作并控制线阵在工作面上平移，就可以实现复杂图形的选区烧结。扫描遇到孔或曲线轮廓等一类不需要烧结的部位时，关闭对应该位置的激光器。控制激光器选区编码的信号来自三维CAD模型的层片信息。也就是说，打印喷头与激光头构成的组合头，激光束(功率)与打印喷孔(组分)随动匹配，根据非均质功能构件的三维CAD模型分层数据，在计算机的控制下，打印机喷头喷出不同组分材料的墨水，激光头随即以相应的功率对其进行扫描，并满足不同性能材料组分对固化温度的要求，从而实现当前层面上不同组分材料的反应固化成形。先喷墨打印，后激光扫描，逐层同步进行，逐层固化叠加，最后形成具有复杂形状及复杂组分分布的非均质功能构件。本发明制造方法的激光照射是采用逐层照射的方法，因此可解决现有技术使用陶瓷、金属等悬浮液墨水中存在的成形坯体干燥慢、坯体易塌陷、材料服役性能差等问题。

本发明打印喷头的控制系统的解决方案是：利用彩色喷墨打印技术的彩色图像成像原理，对非均质实体模型的层片文件应用材料组分分离技术和三维半色调技术，从而完成实体局部材料组分的控制。由于原理相同，在这里，对不同材料组分进行分离后，用灰度图像的半色调技术来处理某一材料组分的二值化排布问题，然后将不同材料的二值化信息按照一定的格式保存为二值化图像，并将此图像信息提供给相应的打印喷头来完成喷射堆积。

本发明激光头的控制系统的解决方案是：对非均质实体模型的层片文件中不同材料组分进行分离，用灰度图像的半色调技术来处理某一材料组分的二值化排布问题，然后将不同材料的二值化信息按照一定的格式保存为二值化图像，并将此图像信息提供给相应的激光头来完成扫描照射烧结。激光头与打印喷头所执行的二值化图像信息内容相同，但激光头执行时间略滞后于打印喷头。换言之，打印喷头执行完喷射堆积后，激光头再立即执行相应的扫描照射烧结。两者存在先后顺序。所述激光头执行滞后时间依据光纤与相应组分喷孔之间的距离确定，或者根据打印喷头和激光头的组合头结构确定，例如捆绑式和一体化制造组合头即要根据喷孔与激光孔之间的距离；分离式组合头则可考虑喷完一层后再照射一层。

本发明打印喷头中喷孔与不同材料组分的墨水的对应情况包括三种情况：单头单列、多头多列和单头多列(参见图3(a)、(b)和(c))。每组喷孔单一喷射一种材料组分的墨水，n种材料组分的墨水就需要n组喷孔来实现喷射。激光头中不同功率激光束的分布情况与打印喷头中相应墨水的喷孔的分布情况一致，且功率与相应材料组分墨水的反应固化温度相匹配(参见图4)。不同功率激光的光斑直径与相应材料组分墨水的单个液滴在打印基体上的铺展直径相匹配。打印喷头与激光头组合排列方式有两种：一种为打印喷头与激光头并列式；另一种为激光头、打印喷头、激光头的夹芯式(参见图5)。前者可进行单向扫描；后者可进行双向扫描。

常见的三色墨盒打印机通常就是采用性质比较稳定的青色、红紫色、黄色来混合以形成不同的所需颜色。而四色打印机，通常就加上一种黑色，用于纯黑色的打印，目的是节省彩墨。彩色打印机墨盒中不同比例的原色墨滴喷射到一个单元中，该单元便可根据喷入的各原色不同的比例显示出不同的所需颜色。这就是彩喷打印机的基本原理。

本发明巧妙利用三维彩色打印成形技术，将彩色墨水置换成不同的金属盐溶液打印墨水，通过三维运动平台，即可实现非均质功能构件的快速成形制造。所述的非均质不单单指材料组分的变化，还包括其形状结构的变化，并且包括渐变(梯度)和突变。不同材料组分的成核、生长、结晶的温度不同，即使是同一种组分，在不同的温度下也可形成同质异构体。比如ZrO₂相变转化为：

打印机无论是喷射盐溶液还是悬浮液墨水，对于成形来说，所要求的热处理温度不尽相同。温度过高或过低，均不能达到设计要求。

本发明制造方法旨在通过三维彩色喷墨打印成形技术与激光扫描烧结技术相结合，直接喷射金属盐溶液，来彻底解决悬浮液墨水易堵塞喷头等问题。同时通过功率可调的激光照射，来满足不同性能材料组分对成形温度的要求，制造具有复杂形状及复杂组分分布的非均质(包括不同材料组分的渐变和突变)功能构件。本发明不但解决了现有技术墨水难配制、喷头易堵塞、坯体干燥慢、坯体易塌陷等问题，还可直接形成纳米级喷层，非均质功能构件的制造成形精度和材料性能都能得到大幅度提高。

本发明非均质功能构件打印/激光烧结成形过程如下(参见图1)：(1).对非均质实体模型添加支撑结构，将其经过Z向离散化后，获得层片信息并确定分层数量，赋值N＝1；(2).在计算机控制系统程序作用下，对分层后的层片信息进行处理后，分离材料信息，并经过数字半色调处理，来获得当前工作层面上具体的打印和烧结信息；(3).当快速成型机完成当前层面的打印和烧结后，程序询问是否是最后一层？如果“否”，则返回步骤(2)；如果“是”，则工作完成。所述步骤(2)中的计算机控制系统程序处理过程如下：层片信息中的材料组分信息分离，并保存在不同的文件中；然后对分离后的层片数据进行半色调处理，这一步骤确定了喷头的喷射打印位置；最后将经过处理的层片数据保存为打印喷头所能执行的二值化文件格式，并与XY轴运动平台配合，使打印喷头完成当前工作层面的喷射堆积。激光头所执行的二值化文件与打印喷头所能执行的二值化文件内容上完全一致，但执行时间滞后于打印喷头。

本发明制造方法的创新点之一是在某种程度上可称作非均质照射的技术，适用于非均质材料构件的快速成形制造，但显然也适用于均质材料构件的制造。传统技术的悬浮液墨水，比如陶瓷颗粒、金属颗粒墨水，不但需要首先制备陶瓷或金属颗粒，还需要满足打印头对墨水喷射性能的要求，这就要求墨水具有一定的流动性，喷射后势必容易引起坏体塌陷的问题，并且坯体打印完成后，还需干燥、烧结，此过程耗时、耗能，背离了快速成形技术所体现的快速、低成本的目的。本发明制造方法将金属盐溶液直接作为打印墨水使用，利用非均质照射技术，实现非均质构件的制造，构件一次成形(不仅仅是坯体的一次成形)，无需或仅需少量的后处理，制造节省时间、成形速度快、工作能耗低，避免了传统采用悬浮液墨水存在的坯体干燥慢、容易塌陷等问题。需要说明的是，本发明所述的非均质照射技术不但适用于金属盐溶液墨水，而且也适用于传统的悬浮液墨水或其他需要热处理固化的墨水，具有普适性。

本发明设计的非均质功能构件的制造装置(简称制造装置，参见图2、7-10)适用于本发明所述的非均质功能构件的制造方法，它包括三维运动平台1(包括成形平台11、Z向导轨12和伺服电机13)、打印喷头2、激光头3和计算机控制系统，其特征在于所述的打印喷头2与激光头3为组合头结构，包括分离式、捆绑式和一体化制造结构；组合头组合排列方式包括打印喷头-激光头并排组合的并列式结构和激光头-打印喷头-激光头并排组合的夹芯式结构；所述并列式结构组合头或组合排列方式适用于激光单向扫描；夹芯式组结构合头或组合排列方式适用于激光双向扫描。工作顺序为先喷墨打印，随即激光扫描照射。

本发明制造装置所述的三维运动平台1为现有产品，包括成形平台11、Z向导轨12和伺服电机13；所述的打印喷头2本身为现有技术产品，包括压电式和气泡式，其中压电式又包括压电管式、压电隔膜式和压电薄片式；所述的激光头3本身也为现有技术产品，包括激光器38、耦合器37、光纤32、微透镜33、光纤座310和激光头电路系统39，所述计算机或微机控制系统基本是现有技术。本发明制造装置的创新之处在于激光头与打印喷头构成的组合头结构及其工作控制程序。本发明所述组合头或一体头由常规的激光头与打印喷头组合构成。其结构或组合方式有三种：分离式、捆绑式和一体化制造。分离式(激光头与打印喷头各自独立存在)和捆绑式(把激光头与打印喷头简单的物理连接)组合头可以直接采用市售现有的激光头和打印喷头产品，结构简单，费用低廉。所述的工作控制程序适用于本发明制造方法所述的激光头与打印喷头随动系统和所述的激光头扫描执行滞后时间控制系统程序(参见图11)。本领域的技术人员根据所述的原理和该流程图不难给出具体执行工作控制程序。

本发明所述打印喷头和激光头组合头的组合方式除所述的分离式、简单的“捆绑式”外，还可采用一体化制造。一体化制造的打印喷头和激光头，可称为打印激光一体头。

本发明所述一体化制造组合头(一体头)采用一体化方式设计和制造，以适应小型化、高精度等功能需要。根据激光器体积大小的不同，本发明打印激光一体头(一体头)的实施例包括尾纤型一体头和一体型一体头两种类型。所述一体型一体头(参见图9、10)适用于较小体积的激光器(如半导体激光器，包括InGaAsP/InP系半导体激光器：1100-1600um；InGaAs/GaAs系半导体激光器：890-1100nm；Al(In)GaAs/GaAs系半导体激光器：780-870nm；GaInP/GaAs系半导体激光器等)。其特征结构是包括打印喷头2、激光头3和把这两者组合为一体的夹具23；打印喷头2采用压电薄片式打印喷头，包括进墨口22、出墨口24、打印喷头电路接口25、喷孔板26、固定座27、压电晶体28和液体腔29等。所述打印头2的固定座27中嵌入设计数量的压电晶体28，压电晶体28与压电晶体28之间的间隙构成液体腔24，液体腔24的前端与喷孔板26上的喷孔21相通，液体腔24后端与进墨口22和出墨口24相通，并且压电晶体28与打印喷头尾部的电路接口25相连，所述夹具23安装下固定座27的下面，并将打印喷头2与激光头3组配为一体，并使打印喷头2中的喷孔与激光头3中的光纤孔一一对应；所述激光头3包括光纤32、微透镜33、透镜支架34、矩形盖板36、半导体激光器38、耦合器37、激光头电器接口39和光纤座310，所述光纤32、半导体激光器38、耦合器37和激光头电器接口39都集成在由矩形盖板36和光纤座310组成的盒体中，矩形盖板36覆盖在光纤座310上，所述微透镜33固定在透镜支架34上，并紧挨光纤32的输出端，即透镜支架34安装在光纤座310的前端(也可固化在光纤座310之中间位置，参见图7、8)，微透镜33对光纤32输出的激光束进行准直或会聚，并能够在工作面上形成一维或二维的光斑阵列；所述激光头电器接口39安装在半导体激光器38后面，耦合器37安装在半导体激光器38的前面，耦合器37的输出端与光纤32的输入端连接；所述光纤的内直径为0.5-600μm。

所述尾纤型一体头(参见图7、8)适用于较大体积激光器。其特征结构是它包括一体头本体和与之光纤连接的附属部件两个部分，所述一体头本体包括打印喷头2、激光头3和把这两者组合为一体的夹具23；打印喷头2采用压电薄片式打印喷头，包括进墨口22、出墨口24、打印喷头电路接口25、喷孔板26、固定座27、压电晶体28和液体腔29等，所述打印头2的固定座27中嵌入设计数量的压电晶体28，压电晶体28与压电晶体28之间的间隙构成液体腔24，液体腔24的前端与喷孔板26上的喷孔21相通，液体腔24的后端与进墨口22和出墨口24相通，并且压电晶体28与尾部的打印喷头电路接口25相连，所述夹具23安装在固定座27的下面，并将打印喷头2与激光头3组配为一体，并使打印喷头2中的喷孔与激光头3中的光纤孔一一对应；所述激光头3包括光纤32、微透镜33、透镜支架34、条形盖板35、矩形盖板36和光纤座310，所述光纤32的输出端固化在由矩形盖板36和光纤座310组成的盒体中，矩形盖板36覆盖在光纤座310上，所述微透镜33固定在透镜支架34上，透镜支架34安装在光纤座310之中间位置上，或者安装在光纤座310的前端位置上(参见图9、10)，微透镜33对光纤32输出的激光束进行准直或会聚，并能够在工作面上形成一维或二维的光斑阵列；所述光纤的内直径为0.5-600μm。

本发明所述的尾纤型一体头适用于较大体积的激光器。所述体积较大的激光器包括气体激光器(包括He-Ne激光器：543nm、632.8nm、1150nm、3390nm；CO₂激光器：10600nm；Ar激光器：488nm、514.5nm；N₂激光器：337.1nm、357.7nm、315.9nm；He激光器：2600-3000nm等)、液体激光器(包括波长连续可调的燃料激光器等)和固体激光器(包括Er激光器：YAG 2940nm；Ho激光器：YAG 2070nm；Nd激光器：YAG 1064nm；Ti激光器：Sapphire 660-1180nm等)。很显然，体积较大的激光器不便与激光头的其他部件集成在一起，因此在尾纤型一体头的本体内并不包括激光器38、耦合器37和激光头电器接口39等部件，而是把它们安装在尾纤型一体头的本体之外，构成一体头的附属部分(参见图7、8)；但附属部分的组成与连接方式与所述一体型一体头的对应部分完全一致，即它也包括耦合器37、激光器38和激光头电器接口39等零件，所述激光头电器接口39安装在激光器38的后面，耦合器37安装在激光器38的前面，耦合器37的输出端与所述光纤32的输入端连接，光纤32的输出端连入尾纤型一体头的本体(参见图9、10)。虽然所述的尾纤型一体头的结构设计适用于较大体积的激光器，但其结构同样也适用于较小体积的激光器。

本发明所述一体化制造组合头的激光头包括设计要求个数的激光器，排列方式和位置与打印喷头一致，并要保证在扫描过程中相应打印喷头喷孔和激光头中光纤孔处在一条直线上。激光头的功率要与打印喷头喷出的所述组分材料的成形温度相匹配(参见图6。图6所示为单头单列式打印喷头和激光头中每种墨水的喷孔与相应功率光纤孔的对应情况；多头多列式和单头多列式打印喷头和激光头中每种墨水的喷孔与相应功率光纤孔的对应情况以此类推)。

本发明在非均质功能构件的制造过程中，因直接采用金属溶液作为墨水，不但省去了传统墨水中颗粒物的制备过程，还可固化形成＜100nm的喷层，在喷层内部可形成5-90nm范围的纳米晶，因此制造精度和工件强度都得到大幅度提高。非均质功能构件成形后，不需再加工或仅需少量再加工，因此也是一种崭新的近净成形技术。

需要补充说明的是，本发明结构所述的“前、后”、“上、下”等零部件的安装方位词是依据实施例图示的位置而言，只具有相对性，或者仅是为了清楚叙述方便，不代表该安装位置的唯一性和必须性。本发明装置的实施例完全可以根据需要做非本质的适当地调整和变化。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面根据本发明的技术方案给出具体实施例。本发明权利要求不受实施例的限制。

实施例1：

采用本发明所述的制造方法和装置制造一种氧化锆增韧氧化铝的三维非均质功能构件。其工艺过程如下：

1.配置打印墨水

根据构件要求，配置两种墨水，一种设计为硝酸铝水溶液，浓度为15vol％；另一种设计为硫酸锆水溶液，浓度为20vol％。

2.设置随动激光扫描

采用功率为0.1-1W和0.1-5W的两组InGaAsP/InP系半导体激光器，与内直径120μm的光纤耦合配合组成激光头，激光束的分布设计为单头单列(参见图4(a))；打印喷头中喷孔的分布也设计为单头单列(参见图3(a))；打印喷头和激光头经一体化制造为适于较小体积激光器使用的一体型的打印激光一体头(参见图8、9)，排列方式采用适于单向扫描的并列式(参见图5(a))，扫描速度设计为0.001-1m/s，反应固化环境为常温常压的大气环境。

3.快速成形制造

采用双向扫描方法，先打印，后激光随动扫描照射固化(参见图5(b)所示)，扫描照射滞后时间为0.01s，逐层固化叠加，即制造出氧化锆增韧氧化铝的尺寸为1cm×2cm×2cm的三维非均质功能构件。

经测试，纯氧化铝的抗弯强度为203.18MPa，对应的断裂韧性为1.05MPa·m^1/2，采用本发明技术制造氧化锆增韧氧化铝的构件的抗弯强度为280.52MPa，对应的断裂韧性可达1.55MPa·m^1/2，比纯氧化铝分别提高了38.1％、47.6％。

实施例2：

采用本发明所述的制造方法和装置制造一种氧化铈增韧氧化铝的三维非均质功能构件。其工艺过程如下：

1.配置打印墨水

根据构件要求，配置两种打印墨水，一种设计为氯化铝水溶液，浓度为19vol％；另一种设计为硝酸铈乙醇溶液，浓度为17vol％。

2.设置随动激光扫描

采用功率为0.1-3W和0.1-10W的两组CO₂激光器，与内直径50μm的光纤耦合配合组成激光头，激光束的分布设计为多头多列(参见图4(b))；打印喷头中喷孔的分布也设计为多头多列(参见图3(b))；打印喷头和激光头经一体化制造为适于较大体积激光器使用的尾纤型的打印激光一体头(参见图6、7)，排列方式采用适于双向扫描的夹芯式(参见图5(b))，扫描速度设计为0.001-6m/s，反应固化环境为氧化环境。

3.快速成形制造

采用双向扫描方法，先打印，后激光随动扫描照射固化(参见图5b所示)，扫描照射滞后时间为0.01s，逐层固化叠加，即制造出氧化铈增韧氧化铝尺寸为1cm×2cm×2cm的三维非均质功能构件。

经测试，纯氧化铝的抗弯强度为203.18MPa，对应的断裂韧性为1.05MPa·m^1/2，采用本发明技术制造氧化铈增韧氧化铝的构件的抗弯强度为271.52MPa，对应的断裂韧性可达1.65MPa·m^1/2，比纯氧化铝分别提高了33.6％、57.1％。

实施例3：

采用本发明所述的制造方法和装置制造一种氧化锆和氧化铈共同增韧氧化铝的三维非均质功能构件。其工艺过程如下：

1.配置打印墨水

根据构件要求，配置三种打印墨水，一种设计为氯化铝水溶液，浓度为19vol％；第二种设计为醋酸铈水溶液，浓度为17vol％；第三种设计为硫酸锆水溶液，浓度为16vol％。

2.设置随动激光扫描

采用功率为0.1-2W、0.1-3W和0.1-10W的三组Nd:YAG激光器，与内直径80μm的光纤耦合配合组成激光头，激光束的分布设计为多头多列(参见图4(b))；打印喷头中喷孔的分布也设计为多头多列(参见图3(b))；打印喷头和激光头组合方式采用简单的捆绑式，排列方式采用适于双向扫描的夹芯式(参见图5(b))，扫描速度设计为0.001-10m/s，反应固化环境为氧化环境。

3.快速成形制造

采用双向扫描方法，先打印，后激光随动扫描照射固化(参见图5b所示)，扫描照射滞后时间为0.02s，逐层固化叠加，即制造出氧化锆和氧化铈共同增韧氧化铝的尺寸为3cm×3cm×3cm的三维非均质功能构件。

经测试，纯氧化铝的抗弯强度为203.18MPa，对应的断裂韧性为1.05MPa·m^1/2，采用本发明技术制造的氧化锆和氧化铈共同增韧氧化铝的构件的抗弯强度为301.52MPa，对应的断裂韧性可达1.85MPa·m^1/2，比纯氧化铝分别提高了48.4％、76.2％。

实施例4：

采用本发明所述的制造方法和装置制造一种金属银增韧氧化铝的三维非均质功能构件。工艺过程如下：

1.配置打印墨水

根据构件要求，配置二种打印墨水，一种设计为金属银乙醇悬浮溶液，悬浮液中颗粒物粒径小于5微米，浓度为19vol％；另一种设计为硝酸铝水溶液，浓度为18vol％。

2.设置随动激光扫描

采用功率为0.1^-3W和0.1^-10W的两组CO₂激光器，与内直径120μm的光纤耦合配合组成激光头，激光束的分布设计为单头多列(参见图4(c))；打印喷头中喷孔的分布也设计为单头多列(参见图3(b))；打印喷头和激光头组合方式采用简单的分离式，排列方式采用适于双向扫描的夹芯式(参见图5(b))，扫描速度设计为0.001-8m/s，反应固化环境为惰性环境。

3.快速成形制造

采用双向扫描方法，先打印，后激光随动扫描照射(参见图5b所示)，滞后时间为0.03s，逐层固化叠加，即制造出形状复杂(孔隙率为50％)的金属银增韧氧化铝的三维非均质功能构件，尺寸大小为3cm×3cm×3cm。

经测试，纯氧化铝的抗弯强度为203.18MPa，对应的断裂韧性为1.05MPa·m^1/2，采用本发明技术制造的金属银增韧氧化铝的构件的抗弯强度为331.52MPa，对应的断裂韧性可达1.88MPa·m^1/2，比纯氧化铝分别提高了63.2％、31.4％。

Claims

1.一种非均质功能构件的制造方法，该制造方法基于打印机微喷堆积与激光扫描烧结相结合的快速成形方法，包括如下步骤：

(3)打印喷头依据所述的分层数据，逐层喷墨打印；激光头在激光头与打印喷头随动系统作用下随即匹配扫描，逐层反应固化，直至完成，即制造出所述的非均质功能构件。

2.根据权利要求1所述的非均质功能构件的制造方法，其特征在于在所述的金属盐溶液为盐酸根、硫酸根、硝酸根和醋酸根中的任意一种与金属铝、锆、金、铜、铈和银中的任意一种离子构成的水溶液或乙醇溶液；所述激光头与打印喷头随动系统匹配组合方式包括单向扫描排列或双向扫描排列，所述打印喷头的喷孔与所述喷出组分材料种类相对应，对应方式包括单头单列、多头多列或单头多列；所述打印喷头的工作模式包括连续喷墨或按需喷墨；所述激光头的激光发射方式有连续式或脉冲式，扫描速度为0.001-10m/s，激光扫描波长为20-5000nm，激光扫描功率为0.1-2000W；激光扫描光斑直径为0.1-500μm。

3.一种非均质功能构件的制造装置，该装置适用于权利要求1所述的非均质功能构件的制造方法，包括三维运动平台、打印喷头、激光头和计算机控制系统，其特征在于所述的打印喷头与激光头为组合头结构，所述组合头结构包括分离式、捆绑式或一体化制造组合头结构；组合头的组合排列方式包括打印喷头-激光头并排组合的并列式结构或激光头-打印喷头一激光头并排组合的夹芯式结构；所述的计算机控制系统包括激光头与打印喷头随动系统，所述随动系统主要为激光头扫描执行滞后时间控制系统。

4.根据权利要求3所述的非均质功能构件的制造装置，其特征在于所述的一体化制造组合头为一体型一体头，它包括打印喷头、激光头和把这两者组合为一体的夹具；所述打印喷头采用压电薄片式打印喷头，包括进墨口、出墨口、打印喷头电路接口、喷孔板、固定座、压电晶体和液体腔，所述的压电晶体按设计数量配装，并嵌入打印喷头的固定座中，压电晶体与压电晶体之间的间隙构成液体腔，液体腔的前端与喷孔板上的喷孔相通，液体腔的后端与进墨口和出墨口相通，并且压电晶体与打印喷头尾部的电路接口相连，所述夹具安装在固定座的下面，并将打印喷头与激光头组配为一体，并且打印喷头中的喷孔与激光头中的光纤孔一一对应；所述的激光头包括光纤、微透镜、透镜支架、矩形盖板、半导体激光器、耦合器、激光头电器接口和光纤座，所述光纤、半导体激光器、耦合器和激光头电器接口都集成在由矩形盖板和光纤座组成的盒体中，矩形盖板覆盖在光纤座上，所述微透镜固定在透镜支架上，并紧靠光纤的输出端，微透镜对光纤输出的激光束进行会聚，并能够在工作面上形成一维或二维的光斑阵列；所述激光头电器接口安装在半导体激光器的后面，耦合器安装在半导体激光器的前面，耦合器的输出端与光纤的输入端连接；所述光纤的内直径为0.5-600μm。

5.根据权利要求3所述的非均质功能构件的制造装置，其特征在于所述的一体化制造组合头为尾纤型一体头，它包括一体头本体和与之光纤连接的附属部件，所述一体头本体包括打印喷头、激光头和把这两者组合为一体的夹具；所述打印喷头采用压电薄片式打印喷头，包括进墨口、出墨口、打印喷头电路接口、喷孔板、固定座、压电晶体和液体腔，所述压电晶体按设计数量配装，并嵌入打印头的固定座中，压电晶体与压电晶体之间的间隙构成液体腔，液体腔的前端与喷孔板上的喷孔相通，液体腔的后端与进墨口和出墨口相通，并且压电晶体与打印喷头尾部的电路接口相连，所述夹具安装在固定座的下面，并将打印喷头与激光头组配为一体，并且打印喷头中的喷孔与激光头中的光纤孔一一对应；所述激光头包括光纤、微透镜、透镜支架、条形盖板、矩形盖板和光纤座，所述光纤的输出端固化在由矩形盖板和光纤座组成的盒体中，矩形盖板覆盖在光纤座上，所述微透镜固定在透镜支架上，透镜支架安装在光纤座的中间位置上，或者安装在光纤座的前端位置上，微透镜对光纤输出的激光束进行会聚，并能够在工作面上形成一维或二维的光斑阵列；所述的附属部件包括激光器、耦合器和激光头电器接口，所述激光头电器接口安装在激光器的后面，耦合器安装在激光器的前面，耦合器的输出端与所述光纤的输入端连接；所述的激光器包括气体激光器、液体激光器或固体激光器；所述光纤的内直径为0.5-600μm。