CN106541135B - 一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置及方法，包括壳体部分和装在其内部的工作台、颗粒泡沫模板输送系统、粉料输送系统、集成式激光系统，及计算机控制系统和惰性保护气系统，计算机根据输入的复合材料模型通过激光控制器来控制激光器发射，将送入工作缸内的原料粉末进行烧结，控制驱动器将含有颗粒的塑料泡沫模板送入到工作岗位的相应区域，在激光烧结过程中塑料泡沫高温下分解剩余的颗粒与原料粉末被烧结在一起，这样逐层加工最终便可得到与计算机中模型结构一样的金属基复合材料。本发明通过控制塑料泡沫中颗粒的间隔、大小、形状从而来控制复合材料中颗粒的分布参数和结构尺寸，加工的颗粒增强复合材料结合强度优。

Description

一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置及方法

技术领域

本发明涉及到一种颗粒规律分布的金属基复合材料加工装置和方法，采用激光逐层加工的技术加工出特殊结构的金属基颗粒增强复合材料。

背景技术

随着国家航空、航天、汽车、军事等精尖领域的蓬勃发展，材料的性能严重影响着机械及其构件的性能。金属基颗粒增强复合材料不仅具有高比强度、高比刚度、低密度和可控膨胀性的优良特性，同时它还具有摩擦性能优良，降振，自润滑等特点。颗粒增强复合材料越来越多的被应用在各个领域。颗粒的结构参数和在基体中的分布参数严重影响着复合材料的综合力学性能，目前金属基颗粒增强复合材料的制造方法主要有挤压复合法、搅拌铸造法、喷射沉积复合法、自蔓延高温合成法、粉末冶金法等，上述集中加制造方法都存在着一些缺陷。其中，挤压复合法不能连续制造，效率较低；搅拌铸造法存在搅拌不均匀，易混入气体造成孔洞的缺陷，同时铸造模具增加了制造成本；喷射沉积复合法会使得带坯的厚度不均匀，过程复杂，成本较高；自蔓延高温合成法反应剧烈难以控制，内部颗粒易形成团簇，分布不均匀；粉末冶金法在没有批量的情况下要考虑零件的大小，此外它的模具成本较高。上述的这些制造方法加工的颗粒增强复合材料中颗粒大多是以随机分布为主，无法控制颗粒在基体材料中的分布规律。

近年来3D打印技术在制造业中快速崛起，它具有成型速度快、成型件的精度高、无污染等优点，已被广泛的应用于医疗用品、航空航天、汽车、建筑设计等领域，打印用的材料也丰富多样，3D打印可对金属、高分子、石蜡、陶瓷粉等原材料进行加工。其优良的加工性能也受到了金属基颗粒增强复合材料加工的青睐。

其中，中国专利申请CN201310694934.5公布了一种铝基碳化硅颗粒增强复合材料及其构件的成型装置及方法，其将铝粉和碳化硅粉末均匀混合后，再通过3D打印技术，使铝基碳化硅颗粒增强复合材料及其构件的快速成型。而中国专利申请CN201620223815.0公布了一种利用3D打印技术制备内置夹杂金属式样的工作台，用来制备出合格的含内置夹杂物的金属试样。

但是，现有的这些3D打印技术不能控制颗粒或夹杂物的空间分布参数和分布规律。针对颗粒规律分布的金属基颗粒增强复合材料及其构件的直接成型技术，提出本发明。为今后特殊结构的金属基颗粒增强复合材料的研究工作提供了有效的实验基础，并具有很好的商业发展前景。

发明内容

本发明针对现有的技术问题，提供一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置及方法，目的是针对现有金属基颗粒增强复合材料内部颗粒随机分布、成型工艺复杂、效率低、二次加工难困难等问题，拟解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其包括壳体部分和装在其内部的工作台、颗粒泡沫模板输送系统、粉料输送系统、集成式激光系统，以及计算机控制系统和辅助用的惰性保护气系统，工作台固定在侧壁（13）上，所述的壳体部分上部设置有顶盖；

所述的工作台包括工作缸、两个粉料缸、、三个推杆电机、三个推杆，所述的工作缸位于两个粉料缸中间，工作缸和两个粉料缸的下方均设有使各缸底板相对于缸体做上下往复运动的推杆电机，所述的推杆电机与所述的推杆连接；

颗粒泡沫模板输送系统包括颗粒泡沫模板输送系统驱动器和推送架，所述的颗粒泡沫模板输送系统驱动器和推送架均安装在工作台上，工作缸为扇形，颗粒泡沫模板输送系统驱动器和推送架均安装在工作台靠近扇形圆心的位置，驱动器轴线、推送架对称轴和扇形工作缸的对称轴三线重合，推送架与颗粒泡沫模板输送系统驱动器相连；

粉料输送系统包括摆动电动机、传动轴、Z型摆杆、铺粉辊筒，摆动电动机安装在底座上，传动轴将摆动电动机输入的运动传递给Z型摆杆，铺粉辊筒安装在Z型摆杆的末端；

所述的集成式激光系统包括集成式激光控制器、激光器和精密XY坐标移动架，其中精密XY坐标移动架安装在顶盖上，集成式激光控制器安装在精密XY坐标移动架上，激光器安装在集成式激光控制器上；

计算机控制系统通过数据线与集成式激光控制器、粉料输送系统的摆动电动机、颗粒泡沫模板输送系统驱动器、推杆电机相连；

惰性保护气系统包括惰性保护气瓶和真空泵，其中惰性保护气瓶安放在侧壁上，工作腔上端与惰性保护气瓶相通，下端与真空泵相通。

进一步，作为优选，所述集成式激光控制器内有激光器控制卡和驱动装置，驱动装置可使得激光器随着激光控制器在精密XY坐标移动架上沿X、Y方向自由移动。

进一步，作为优选，所述的激光器为多纤耦合激光器其输出功率为500W—1000W，其扫描速度为100mm/s-1000mm/s。

进一步，作为优选，所述的Z型摆杆在摆动电动机的带动下周期的往复摆动，其摆动区域覆盖了两个粉料缸和位于它们中间的工作缸，摆动电动机的摆角为70度，摆动频率由计算机控制。

进一步，作为优选，工作缸和两个粉料缸上表面位于同一平面，推杆二一端与工作缸下底板相连接，另一端与推杆电机一相连，推杆一、推杆三的一端分别与粉料缸一、粉料缸二的下底板相连，推杆一、推杆三的另一端则分别与推杆电机一、推杆电机三相连，所述推杆电机为有刷直流电动机，推杆的步进量由计算机控制。

进一步，作为优选，所述的推送架在颗粒泡沫模板输送系统驱动器8的作用下在平行于工作台的平面内做径向的直线往复运动，所述的推送架的托台平面略高于工作缸的平面，以便于将颗粒泡沫模板顺利的送入到工作缸内的相应区域。

进一步，作为优选，所述的颗粒泡沫模板由两块塑料泡沫模板粘合而成，其中一块塑料泡沫模板上制有规律排列的凹坑，每一个凹坑内都填充有相应规格的增强颗粒，两块塑料泡沫模板粘合在一起将增强颗粒固定在塑料泡沫模板中，所述的塑料泡沫模板在高温下会自动分解。

进一步，作为优选，所述的惰性保护气瓶为氩气瓶。

此外，本发明提供了使用所述加工装置制备颗粒规律分布的金属基复合材料的方法，所述的方法包括以下步骤：

（1）加工出所需规格的塑料泡沫模板的凹模和盖板，将增强颗粒放入凹模中并用盖板覆盖粘结成颗粒泡沫模板，将其放入在推送架上；

（2）将基体粉料分别放入到粉料缸中；

（3）将颗粒规律分布的金属基增强复合材料的立体STL模型导入到计算机的3D打印控制系统中；

（4）打开真空泵将加工装置内的空气抽出直至真空状态，关闭真空泵后打开惰性保护气瓶；

（5）在计算机的激光成型控制系统的作用下，集成式激光系统、粉料输送系统、工作台、颗粒泡沫模板输送系统协同工作，在规定的位置，颗粒泡沫模板会被送入激光加工区域，工作缸的底板缓慢下降，工作缸表面的粉料材料逐层铺设后则被激光烧结成型制成与计算机中三维数字模型结构一致的复合材料制品；

（6）从工作缸中取出加工成型后的颗粒规律分布的金属基复合材料并对其表面进行清理；

进一步，作为优选，所述的步骤（1）中的增强颗粒可为任意形状，其等效粒径分布为0.04mm—0.08mm，颗粒泡沫模板的厚度为0.1mm—0.3mm；步骤（2）中的基体粉料为球型颗粒粉料，其粒径大小为0.02mm—0.05mm；步骤（5）中逐层铺粉的厚度为0.02mm—0.2mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明可以加工特殊结构的金属基颗粒增强复合材料，将模型输入计算机后直接，由计算机控制系统自动协调装置各部分的动作，自动加工成型，操作简单，而且精度较高。

2.本发明利用泡沫模板封装增强颗粒，在高温下泡沫分解对熔融区产生局部搅拌，使得复合材料内部组织更加致密均匀。

3. 本发明的铺粉系统的Z型摆杆每摆动一次就完成一次铺粉，剩余粉料直接进入另一侧的粉料缸，粉料无浪费，加工效率高。

4.本发明不仅可以加工出颗粒规律分布的式样材料而且还可以加工结构较为复杂的构件，避开了金属基颗粒增强材料二次加工的问题。

附图说明

图1是本发明提供的颗粒规律分布的金属基颗粒增强复合材料的加工装置的结构示意图。

图2是本发明提供的所述加工装置的工作腔的结构示意图。

图中：1.惰性保护气瓶（氩气瓶）；2.铺粉辊筒；3.Z型摆杆；4. 精密XY坐标移动架；5.顶盖；6.激光器；7.集成式激光控制器；8. 颗粒泡沫模板输送系统驱动器；9.颗粒泡沫模板；10.推送架；11.工作腔；12.计算机；13.侧壁；14.底座；15推杆电机；16.推杆；17.推杆电机二；18推杆二；19.摆动电动机；20.推杆电机三；21.推杆三；22.真空泵；23.传动轴；24.粉料缸一；25.工作缸；26.粉料缸二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其结构如图1、图2所示，包括壳体部分和装在其内部的工作台、颗粒泡沫模板输送系统、粉料输送系统、集成式激光系统，以及计算机控制系统和辅助用的惰性保护气系统，

所述的工作台，如图1和图2所示，放置在工作腔11的中间部位，其被固定在侧壁13上，它包括工作缸25、两个粉料缸粉料缸一24、粉料缸二26、三个推杆电机推杆电机一15、推杆电机二17、推杆电机三20，三个推杆推杆一16、推杆二18、推杆三21，其中工作台正中间装有一个工作缸25，工作缸25两边对称的布置着两个粉料缸粉料缸一24、粉料缸二26，它们上端位于同一个平面内。粉料缸粉料缸一24、粉料缸二26和工作缸25的下底板分别与推杆一16、推杆三21、推杆二18的一端相连接，推杆一16、推杆三21、推杆二18的另一端则分别与推杆电机推杆电机一15、推杆电机三20、推杆电机二17相连。

所述的颗粒泡沫模板输送系统，如图1和图2所示，包括颗粒泡沫模板输送系统驱动器8和推送架10，它们均安放在工作台上，其中颗粒泡沫模板输送系统驱动器8的轴线、推送架10的对称轴以及工作缸25的对称轴相互重合，推送架10在颗粒泡沫模板输送系统驱动器8的作用下，可沿其对称轴方向做往复直线运动，即将颗粒泡沫模板9送到指定位置后它便归位到初始位置，当Z型摆杆3送粉完成后，它便开始下一次的输送动作，并且推送架10托台的高度稍微高出工作缸25上端口，便于颗粒泡沫模板9的输送。

所述的粉料输送系统，如图1和图2所示，包括摆动电动机19、传动轴23、Z型摆杆3、铺粉辊筒2，摆动电动机19安装在底座14上，其传动轴23的轴线与扇形工作台所在圆的圆心重合，传动轴 23的另一端与Z型摆杆3相连接，铺粉辊筒2则安装在Z型摆杆3的末端，摆动电动机19带动Z型摆杆3末端的铺粉辊筒2在工作台上做往复的摆动进行铺粉。

所述的集成式激光系统，如图1所示，包括集成式激光控制器7、激光器6和精密XY坐标移动架4。

所述的计算机控制系统，如图1所示，主要部分为计算机12，它通过数据线分别与集成式激光控制器7、摆动电动机19、颗粒泡沫模板输送系统驱动器8、推杆电机一15、推杆电机二17、推杆电机三20相连。

所述的惰性保护气系统，如图1所示，包括惰性保护气瓶1和真空泵22，其中惰性保护气为氩气，工作腔11上端与安装在侧壁13上的惰性保护气瓶1相通，下端则与真空泵22相连接。

本发明还提供了使用所述加工装置的制造颗粒规律分布的金属基复合材料及其构件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）加工出所需规格的颗粒泡沫模板的凹模和盖板，将增强颗粒放入凹模中并用盖板覆盖粘连在一起，将其放入在推送架上，增强颗粒可为任意形状，其粒径分布为0.07mm—0.1mm，颗粒泡沫模板（9）的厚度为0.2mm—0.4mm；

（2）将基体粉料分别放入到工作缸两侧的粉料缸中，其中，基体粉料为球型颗粒粉料，其粒径大小为0.02mm—0.05mm；

（3）将颗粒规律分布的金属基复合材料的立体STL模型导入到计算机的3D打印控制系统中；

（4）打开真空泵将装置内的空气抽出直至真空状态，关闭真空泵后打开惰性保护气瓶；

（5）在计算机激光成型控制系统的作用下，集成式激光系统、粉料输送系统、工作台、颗粒泡沫模板输送系统协同工作，颗粒泡沫模板会被送入在指定的激光加工位置，铺粉后经激光器烧结，每烧结一次，工作缸的底板就会下移一定距离，粉料缸的底板则会上升一段距离，直至加工出与计算机中三维数字模型结构一致的复合材料，逐层铺粉的厚度为0.02mm—0.5mm；Z型摆杆每摆动一次就进行一次铺粉加工过程并将多余的粉料推送到另一个粉料缸中，等待工作缸中的粉料烧结完成后就，Z型摆杆就从摆回起始位置同时完成第二次铺粉，这样有效的提升了加工效率；

（6）从工作缸中取出加工成型后的颗粒规律分布的金属基复合材料并对其表面进行清理。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其特征在于，其包括壳体部分和装在其内部的工作台、颗粒泡沫模板输送系统、粉料输送系统、集成式激光系统，以及计算机控制系统和辅助用的惰性保护气系统，工作台固定在侧壁上，壳体部分上部设置有顶盖；

所述的工作台包括工作缸、两个粉料缸、三个推杆电机、三个推杆，所述的工作缸位于两个粉料缸中间，工作缸为扇形，工作缸和两个粉料缸的下方均设有使各缸底板相对于缸体做上下往复运动的推杆电机，所述的推杆电机与所述的推杆连接；

颗粒泡沫模板输送系统包括颗粒泡沫模板输送系统驱动器和推送架，所述的颗粒泡沫模板输送系统驱动器和推送架均安装在工作台上，颗粒泡沫模板输送系统驱动器和推送架均安装在工作台靠近扇形圆心的位置，驱动器轴线、推送架对称轴和扇形工作缸的对称轴三线重合，推送架与颗粒泡沫模板输送系统驱动器相连；

粉料输送系统包括摆动电动机、传动轴、Z型摆杆、铺粉辊筒，摆动电动机安装在底座上，传动轴将摆动电动机输入的运动传递给Z型摆杆，铺粉辊筒安装在Z型摆杆的末端；

所述的集成式激光系统包括集成式激光控制器、激光器和精密XY坐标移动架，其中精密XY坐标移动架安装在顶盖上，集成式激光控制器安装在精密XY坐标移动架上，激光器安装在集成式激光控制器上；

计算机控制系统通过数据线与集成式激光控制器、粉料输送系统的摆动电动机、颗粒泡沫模板输送系统驱动器、推杆电机相连；

惰性保护气系统包括惰性保护气瓶和真空泵，其中惰性保护气瓶安放在侧壁上，工作腔上端与惰性保护气瓶相通，下端与真空泵相通。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其特征在于：所述集成式激光控制器内有激光器控制卡和驱动装置，驱动装置可使得激光器随着激光控制器在精密XY坐标移动架上沿X放向或Y方向自由移动。

3.根据权利要求1所述的一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其特征在于：所述的激光器为多纤耦合激光器，其输出功率为500W—1000W，其扫描速度为100mm/s—1000mm/s。

4.根据权利要求1所述的一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其特征在于：所述的Z型摆杆在摆动电动机的带动下周期的往复摆动，其摆动区域覆盖了粉料缸一、粉料缸二和位于它们中间的工作缸。

5.根据权利要求1所述的一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其特征在于：工作缸和粉料缸一、粉料缸二上表面位于同一平面，推杆二一端与工作缸下底板相连接，另一端与推杆电机二相连，推杆一的一端与粉料缸一的下底板相连，推杆三的一端和粉料缸二的下底板相连，推杆一的另一端则与推杆电机一相连，推杆三的另一端与推杆电机三相连，推杆电机均为有刷直流电动机，推杆的步进量均由计算机控制。

6.根据权利要求1所述的颗粒规律分布的金属基复合材料加工装置，其特征在于，所述的推送架在颗粒泡沫模板输送系统驱动器的作用下在平行于工作台的平面内做径向的直线往复运动，所述的推送架的托台平面略高于工作缸的平面，以便于将颗粒泡沫模板顺利的送入到工作缸内的相应区域。

7.根据权利要求6所述的颗粒规律分布的金属基复合材料加工装置，其特征在于，所述的颗粒泡沫模板由两块塑料泡沫模板粘合而成，其中一块塑料泡沫模板上制有规律排列的凹坑，每一个凹坑内都填充有相应规格的增强颗粒，两块塑料泡沫板粘合在一起将增强颗粒固定在塑料泡沫模板中，所述的塑料泡沫板在高温下会自动分解。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的颗粒规律分布的金属基复合材料加工装置，其特征在于，所述的惰性保护气瓶为氩气瓶。

9.根据权利要求1-8任意一项所述加工装置制备颗粒规律分布的金属基复合材料的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

（1）加工出所需规格的塑料泡沫模板的凹模和盖板，将增强颗粒放入凹模中并用盖板覆盖粘结成颗粒泡沫模板，将其放入在推送架上；

（2）将基体粉料分别放入到粉料缸一和粉料缸二中；

（3）将颗粒规律分布的金属基复合材料的立体STL模型导入到计算机（12）的3D打印控制系统中；

（4）打开真空泵将装置内的空气抽出直至真空状态，关闭真空泵后打开惰性保护气瓶；

（5）在计算机的激光成型控制系统的作用下，集成式激光系统、粉料输送系统、工作台、颗粒泡沫模板输送系统协同工作，在规定的位置，颗粒泡沫模板会被送入激光加工区域，工作缸的底板缓慢下降，工作缸表面的粉料材料逐层铺设后则被激光烧结成型制成与计算机中三维数字模型结构一致的颗粒规律分布的金属基复合材料；

（6）从工作缸中取出加工成型后的颗粒规律分布的金属基复合材料并对其表面进行清理。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的步骤（1）中的增强颗粒可为任意形状，其等效粒径分布为0.04mm—0.08mm，颗粒泡沫模板（9）的厚度为0.1mm—0.3mm；步骤（2）中的基体粉料为球形颗粒粉料，其粒径大小为0.02mm—0.05mm；步骤（5）中逐层铺粉的厚度为0.02mm—0.2mm。