CN108176856A - 硬质合金零件的3d打印装置及打印方法 - Google Patents

Abstract

一种硬质合金零件的3D打印装置及打印方法，该打印装置包括成型工作台、铺粉装置、第一激光模块、第二激光模块，以及激光控制模块，所述激光控制模块用于控制所述第一激光器扫描成型并且输出所述脉冲激光对所述打印层精密加工后，所述第二激光器对打印层进行微结构减材加工。本发明采用高稳定性的第一激光模块分别发出连续激光和脉冲激光，通过第一激光模块扫描成型并且通过所述脉冲激光对所述打印层进行精密加工后，通过第二激光模块进行微结构减材加工，可以打印两种不同材料的层状结构，满足复合结构硬质合金零件复杂结构的要求，可以不再需要对3D打印的硬质合金零件进行二次打磨处理，打印精度高，可以做到尺寸形貌完全可控。

Description

硬质合金零件的3D打印装置及打印方法

技术领域

本发明涉及一种激光3D打印技术，尤其涉及一种用于复合结构硬质合金零件的3D打印装置及其打印方法。

背景技术

选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是目前金属3D打印技术中成型精度最高的成型方法，SLM技术是利用高密度激光斑点在具有保护气氛的箱体里进行的二维图形的快速扫描，使熔化的金属粉末材料凝固成20μm-30μm的薄层，并逐层堆积打印出精密的硬质合金零件。

复合结构硬质材料零件加工方式有两种，一种是通过粉末冶金压制、烧结的方法成形出零件，另外一种是通过3D打印技术打印出零件。然而，目前的SLM3D打印设备不具备双光束协同打印成形和精密加工功能，尤其是脆硬材料的3D打印会产生较严重的扭曲和变形，直接影响打印产品的质量，导致硬质合金零件报废，限制了3D打印技术的在硬质合金零件领域的应用。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种硬质合金零件的3D打印装置及其打印方法，可满足整体复合结构、内部具有微结构的高强度、高耐磨的硬质合金零件的打印要求。

本发明首先提供了一种硬质合金零件的3D打印装置，所述硬质合金零件的3D打印装置包括：

成型工作台，设置在成型工作室内；

铺粉装置，包括铺粉缸和铺粉件，所述铺粉件将所述铺粉缸内的金属粉末和陶瓷粉末铺设于所述成型工作台；

第一激光模块，包括第一激光器和第一扫描振镜，所述第一激光器包括依次设置的连续激光种子源和脉冲激光种子源、光纤耦合器及光纤放大器，所述连续激光种子源和脉冲激光种子源输出的光束经过光纤耦合器及光纤放大器后输出连续激光或脉冲激光；所述第一扫描振镜用于将所述第一激光器输出的连续激光或脉冲激光通过第一扫描振镜聚焦在铺设在所述成型工作台上的金属粉末和陶瓷粉末；

第二激光模块，包括第二激光器和移动机构，所述移动机构设置于所述成型工作台的上方，所述第二激光器连接于所述移动机构，所述移动机构带动所述第二激光器在一水平面内沿横向或者纵向移动；

激光控制模块，分别与所述第一激光模块和第二激光模块连接，用于控制所述第一激光器输出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型形成硬质合金零件的打印层并且控制所述第一激光器输出所述脉冲激光对所述打印层进行精密加工后，所述第二激光器对所述硬质合金零件的打印层进行微结构减材加工。

进一步，还包括摄像头，

在通过所述连续激光扫描成型出平面时，通过所述摄像头获取所述平面的表面形貌，通过所述脉冲激光对所述平面进行平面轮廓精密加工。

进一步，所述第二激光器通过沿相互垂直的两个方向移动地设置于所述成型工作台的上方，所述第二激光器为皮秒或者飞秒激光器，并且所述第二激光器的焦距范围为5～100mm。

进一步，所述铺粉缸包括第一铺粉缸和第二铺粉缸，所述第一铺粉缸装载有所述金属粉末，所述第二铺粉缸装载有所述陶瓷粉末，所述铺粉件从所述第一铺粉缸将所述金属粉末铺设于所述成型工作台，以及所述铺粉件从所述第二铺粉缸将所述陶瓷粉末铺设于所述成型工作台。

进一步，还包括热处理机构，所述热处理机构用于对所述成型工作室进行热处理，所述热处理机构包括设置在所述成型工作台上的加热元件，用于对金属粉末或陶瓷粉末进行预热，和/或，

所述热处理机构包括设置在所述成型工作室内的辐射源，用于对所述第一激光器发出的连续激光的光斑的运行轨迹进行加热。

本发明还提供了一种硬质合金零件的3D打印方法，所述3D打印方法包括：

利用铺粉装置在成型工作台铺设金属粉末和陶瓷粉末；

控制所述第一激光模块的第一激光器输出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型形成硬质合金零件的打印层，并且控制所述第一激光器输出所述脉冲激光对所述打印层进行精密加工；

控制所述第二激光器对所述硬质合金零件的打印层进行微结构减材加工。

进一步，所述控制所述第一激光器发出脉冲激光以对所述打印层进行精密加工的步骤包括：

在通过所述连续激光扫描成型出平面后，通过所述摄像头获取所述平面的表面形貌；

通过所述脉冲激光对所述平面进行精密加工。

进一步，所述第二激光器为皮秒或者飞秒激光器，并且所述第一激光器的焦距范围为5～100mm。

进一步，在所述控制所述第一激光模块的第一激光器输出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型形成硬质合金零件的打印层的步骤之前，还包括：对所述成型工作室进行热理处工序，所述热处理工序包括：

通过加热元件对所述金属粉末或陶瓷粉末进行加热，和/或，

通过设置在所述成型工作室内的辐射源对所述第一激光器发出的连续激光的光斑的运行轨迹进行加热。

进一步，利用铺粉装置在成型工作台铺设金属粉末和陶瓷粉末包括：利用铺粉装置在成型工作台铺设金属粉末；

在控制所述第二激光器对所述硬质合金零件的打印层进行微结构减材加工之后，还包括利用铺粉装置在成型工作台铺设陶瓷粉末，然后控制所述第一激光模块的第一激光器输出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型形成硬质合金零件的打印层。

相较于现有技术，本发明提供的硬质合金零件的3D打印装置及打印方法采用高稳定性的第一激光器分别发出连续激光和脉冲激光，通过第一激光器扫描成型形成包含两种不同材料的复合结构硬质合金零件的打印层后，通过第二激光器对打印层进行微结构减材加工，满足硬质合金零件复杂结构。通过3D打印过程中脉冲激光进行轮廓精加工后在减材加工，可以不再需要对3D打印的硬质合金零件进行二次打磨处理，一次打印成型，打印精度高，可以做到尺寸形貌完全可控。

进一步，本发明提供的硬质合金零件的3D打印装置及其打印方法还可以通过摄像头获取硬质合金零件的表面形貌，通过脉冲激光对连续激光增材加工形成的硬质合金零件的表面进行精密加工，这样，可以在增材过程中一次实现增材制造和减材的精加工，不再需要对硬质合金零件再次进行研磨。

更进一步，本发明提供的硬质合金零件的3D打印装置及其打印方法又可以通过热处理机构对打印中的硬质合金零件进行热处理，可以降低硬质合金零件在打印时激光烧结部分与激光未烧结部分的温度存在差别而导致3D打印工件存在的应力，使得打印出的硬质合金零件具有更好的微观组织，通过3D打印后直接对硬质合金零件进行热处理，使得一次3D打印成型出的硬质合金零件不变形，寿命持久，同时避免精加工后再热处理引起的再变形。

附图说明

图1是本发明第一实施方式提供的一种硬质合金零件的3D打印装置的结构图。

图2是本发明第二实施方式提供的一种硬质合金零件的3D打印装置的结构图。

图3是本发明第三实施方式提供的一种硬质合金零件的3D打印装置的结构图。

图4是本发明第四实施方式提供的一种硬质合金零件的3D打印装置的结构图。

图5是本发明第五实施方式提供的一种硬质合金零件的3D打印装置的结构图。

图6图5中A-A处的剖面结构图。

图7是本发明第五实施方式提供的一种硬质合金零件的3D打印装置的成型缸的结构图。

主要元件符号说明

3D打印装置 1000

成型工作室 1

激光入射窗 10

摄像头 11

成型工作台 2

成型缸 21

成型缸基台 210

成型缸升降杆 212

工作平台 22

铺粉装置 3

第一铺粉缸 31

第一铺粉缸基台 310

第一铺粉缸升降杆 312

铺粉件 32

第二铺粉缸 33

第二铺粉缸基台 330

第二铺粉缸升降杆 332

气体控制系统 4

气体供应装置 40

抽真空装置 41

气体循环净化装置 42

气体热交换器 43

热交换格栅 431

冷却水降温板 432

第一激光器 5

连续激光种子源 51

脉冲激光种子源 52

光纤耦合器 53

光纤放大器 54

第一扫描振镜 55

辐射源 6

水冷通道 61

温度传感器 62

加热器 63

隔热板 64

水冷保护板 65

气体喷射孔 66

第二激光器 8

激光发生器 81

聚焦镜 82

第二扫描振镜 83

横向位移机构 84

纵向位移机构 85

激光控制模块 9

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

以下所描述的系统实施方式仅仅是示意性的，所述模块或电路的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由同一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1所示，为本发明实施例的硬质合金零件的3D打印装置1000。所述3D打印装置1000包括，成型工作室1、成型工作台2、铺粉装置3、气体控制系统4、第一激光模块、第二激光模块和激光控制模块9。本申请中，所述的硬质合金零件为具有复合结构的硬质合金零件，所述的复合结构是指使用两种不同材料打印形成的硬质合金零件的结构。

所述成型工作室1为封闭密封腔，其内为真空或充盈预定浓度的惰性气体。优选地，所述成型工作室1内的氧气浓度＜100ppm，以避免对粉末或硬质合金零件的氧化损害。所述成型工作室1大致呈方形，可以理解的是，所述成型工作室1的形状也可以是其他任意适宜的形状，例如圆形等。

所述成型工作台2设置于所述成型工作室1内，所述成型工作台2包括成型缸21及设置在所述成型缸21上的工作平台22。所述成型缸21用于在垂直于所述工作平台22的方向推送所述工作平台22，以便能形成多层打印结构。所述工作平台22大致水平设置。所述成型缸21包括成型缸基台210及设置在所述成型缸基台210及所述工作平台22之间的成型升降杆212。在一些实施例中，所述成型缸基台210可为方形或圆形不锈钢板，所述成型缸升降杆212可为活塞。所述成型缸基台210能在所述成型缸升降杆212的驱动下沿大致垂直于所述工作平台22的方向移动。

所述铺粉装置3用于在所述工作平台22上铺设预定厚度的包含金属粉末和陶瓷粉末的混合粉末。在图1所示的实施例中，所述铺粉装置3设置在所述成型工作室1内，包括第一第一铺粉缸31及铺粉件32。所述第一铺粉缸31用于将所述粉末推送至与所述工作平台22大致平齐的位置，所述铺粉件32用于将所述粉末铺设至所述工作平台22，在一些实施例中，所述铺粉件32可为刮刀或铺粉辊。可以理解的是，所述第一铺粉缸31也可不设置在图所示的位置，只要能将所述混合粉末推送至与所述工作平台22大致平行的位置即可。例如，所述第一铺粉缸31可以设置在所述成型工作室1的旁边或上方，所述混合粉末相应地从所述成型工作室1的侧边或上方输送至与所述工作平台22大致平行的位置，再由所述铺粉件32将所述混合粉末均匀地铺设至所述工作平台22即可。所述铺粉件32的位置设置在与所述工作平台22大致平行的平台上，位置与第一铺粉缸31的位置相对应，所述第一铺粉缸31的混合粉末输出口正好位于所述铺粉件32的附近，以便于所述铺粉件32将从所述粉末输出口输出的粉末铺设至所述工作平台22。所述第一铺粉缸31结构可类似于所述成型缸21，包括第一铺粉缸基台310及设置在所述铺粉缸基台310一端的第一铺粉缸升降杆312，所述混合粉末设置于所述铺粉缸基台310远离所述成型缸基台210的一侧。所述第一铺粉缸基台310能够在所述第一铺粉缸升降杆312的驱动下沿大致垂直于所述工作平台的方向移动，以推送所述混合粉末从所述粉末输出口输出。在一些实施例中，所述第一铺粉缸基台310可为方形或圆形不锈钢板，所述第一铺粉缸升降杆312可为活塞。可以理解的是，所述成型缸21和所述第一铺粉缸31均可与一控制系统相连接，以根据打印需要精确控制所述工作平台22的高度及所述混合粉末的厚度。

所述气体控制系统4用于控制所述成型工作室1内的气体。所述气体控制系统4包括气体供应装置40、抽真空装置41及气体循环净化装置42。所述气体供应装置40用于向所述成型工作室1内充入惰性气体。所述抽真空装置41用于对所述成型工作室1进行抽真空处理。所述气体循环净化装置42用于对所述成型工作室1内的气体进行循环净化。本发明的3D打印装置1000是在封闭的氩气保护气氛中进行，通过所述气体循环净化装置42，可使所述成型工作室1内的氧浓度控制在100ppm以下。

所述第一激光模块包括第一激光器5和第一扫描振镜55。所述第一激光器5可以是光纤激光器，包括连续激光种子源51、脉冲激光种子源52、光纤耦合器53及光纤放大器54。其中所述连续激光种子源51与所述脉冲激光种子源52均与所述光纤耦合器53相连接，用于对所述连续激光种子源51和所述脉冲激光种子源52发出的激光进行光耦合。所述光纤放大器54用于对所述光纤耦合器53输出的激光进行放大处理，以输出满足预定参数条件的激光。其中所述第一激光器5输出的连续激光的波长可为1.01μm、1.02μm、1.03μm、1.04μm、1.05μm、1.06μm、1.01μm-1.08μm或其他任意适宜的波长；功率可为40W-50W、40W-60W、40W-70W、40W-80W、40W-90W、40W-100W、40W-450W、450W-2000W、40W-2000W等或其他任意适宜的功率；光斑直径可为30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、60μm-70μm、50μm-100μm、50μm-200μm或其他任意适宜的值。所述第一激光器5输出的脉冲激光的脉冲宽度为200ps-1ps，脉冲峰值功率大于或等于100KW，脉冲峰值功率大于100KW，光斑直径可为30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、60μm-70μm、50μm-100μm。在一些实施例中，在所述第一激光器5的光路中可增设光束直径调节器，用于对输出的激光的光斑尺寸进行调节，以使得输出的光斑大小更加符合预期。所述第一扫描振镜55用于将所述第一激光器5输出的激光反射聚焦在所述工作平台22上，通过所述第一扫描振镜55的扫描，使得所述第一激光器5输出的激光以预定路径投射在所述工作平台22上，从而在所述工作平台22的粉末层上打印出预设的图案。在本实施例中，所述第一扫描振镜55的扫描速度为0～10000mm/s，例如200mm/s、300mm/s、400mm/s、500mm/s、600mm/s、700mm/s、800mm/s、900mm/s、1000mm/s、2000mm/s、3000mm/s、4000mm/s、5000mm/s，可以理解的是，所述第一扫描振镜55的扫描速度也不限于上所述的范围，还可以是其他任意适宜的值，所述第一扫描振镜55的扫描速度可根据打印具体需求进行适当设置。所述第一扫描振镜55的扫描间距为40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、或40μm-70μm，或其他任意适宜的间距值，所述第一扫描振镜55的扫描间距可根据打印具体需求进行适当设置。

所述第一激光器5及所述第一扫描振镜55设置在所述成型工作室1的上方，在所述成型工作室1上对应于所述第一扫描振镜55的扫描范围处设置有激光入射窗10，所述激光入射窗10处可由透明材质覆盖，例如透明玻璃等。

所述第二激光模块包括第二激光器8和移动机构。所述第二激光器8通过沿相互垂直的两个方向移动地设置于所述成型工作台2的上方。所述移动机构包括安装在成型工作室1内的横向位移机构84和纵向位移机构85，其中，横向位移机构84和纵向位移机构85优选相互垂直，使得第二激光器8可以在水平面内移动。本实施方式中，所述的横向位移机构84和纵向位移机构85用于带动第二激光器8横向移动和纵向移动，本领域技术人员可以采用多种方式实现上述的功能，例如导轨滑块结构，滚珠丝杠结构等，本发明对此不做限制。所述的第二激光器8为皮秒或者飞秒激光器，包括激光发生器81、聚焦镜82和第二扫描振镜83。激光发生器81产生的激光依次经聚焦镜82聚焦后，通过第二扫描振镜83聚焦后的激光反射聚焦在工作平台上，通过所述第二扫描振镜83的扫描，使得聚焦后的激光以预定路径投射在所述工作平台22上，从而在所述第一激光器5对所述铺设粉末的成型工作台2扫描成型，形成硬质合金零件的打印层后，所述第二激光器8对所述硬质合金零件的打印层进行减材加工。本实施方式中，所述第二激光器8的焦距范围为5～100mm，光斑直径可为8μm-10μm、8μm-20μm、8μm-30μm、8μm-40μm、10μm-20μm、10μm-30μm、10μm-40μm，可以加工为几微米～几十微米的微结构。

所述激光控制模块9分别与所述第一激光模块和第二激光模块连接，用于控制所述第一激光模块和第二激光模块，以使得所述第一激光器5输出满足预定参数的激光对所述硬质合金零件进行增材加工后，控制所述第二激光器8对所述硬质合金零件进行微结构减材加工。

利用本实施方式的所述硬质合金零件的3D打印装置1000进行3D打印的方法步骤如下：

首先，将硬质合金零件的三维模型进行二维离散，形成片层数据，按照已生成的片层数据规划成型的激光扫描路径，所述激光扫描路径包括层数、每层的厚度、每层的横截面层状数据及各层扫描路径。

接着，将所述成型工作室1通过所述抽真空装置41抽真空处理，然后通过所述气体供应装置40充入预定浓度的惰性气体，以使得所述成型工作室1内的氧气浓度小于100ppm。

接着，利用所述铺粉装置3在所述工作平台22上铺设预定厚度的粉末，所述粉末的厚度可为20μm-30μm、20μm-40μm、20μm-50μm、20μm-60μm、20μm-70μm、20μm-80μm或其他任意适宜的厚度。可以理解的是，所述粉末的厚度可根据所述每层的厚度进行具体设置。其中，铺设的粉末是金属粉末和陶瓷粉末的混合粉末。

再接着，控制所述第一激光器5输出的满足预订参数条件的连续激光(波长1.06μm,功率40W-2000W，光斑直径30μm-200μm)，所述第一扫描振镜55以预设的工作参数(扫描速度200-5000mm/s，扫描间距40μm-70μm)将所述激光扫描反射至所述工作平台22，按照预定的打印程序，完成硬质合金零件的三维模型一层横截面的打印，形成打印层。

然后，再控制所述第一激光器5输出满足预定参数条件的皮秒级脉冲激光(脉冲宽度200ps-0.4ps，光斑尺寸30μm-100μm，脉冲峰值功率大于或等于100KW)，所述第一扫描振镜55以预设的打印程序将所述脉冲激光投射至所述工作平台22，完成已生成的打印层的轮廓边缘的精密微加工，提高轮廓边缘的精密度。

接着，通过第二激光器8对硬质合金零件的打印层进行气化，以达到减材加工的目的。第二激光器8的焦距可以是5～100mm，对硬质合金零件的打印层进行减材加工，实现对3D增材打印后的硬质合金零件进行修正，提高了3D打印的硬质合金零件的打印精度。

最后，完成一打印层精密微加工后，所述工作平台22在所述成型缸升降杆212的作用下下降一个薄层厚度，接着进行下一层三维模型横截面的打印，输出连续激光对所述铺设在所述打印层上的粉末扫描成型，得到硬质合金零件。重复上述步骤直至生成实体的硬质合金零件。所述三维模型的每一层的打印层的厚度可为20μm-30μm、20μm-40μm、20μm-50μm、20μm-60μm、20μm-70μm、20μm-80μm或其他任意适宜的厚度。

在一些实施例中，所述打印方法还包括：在上述打印过程中，每隔预定时段检测所述成型工作室1内的氧浓度，当氧浓度达到或超过预设值时补充惰性气体以控制氧浓度低于所述预设值(例如100ppm)。

在一些实施例中，所述打印方法还包括：在上述打印过程中，每隔预定时段利用所述气体循环净化装置42对所述成型工作室1内的气体进行循环净化处理。

可以理解的是，上述打印方法的实施例中，是每个打印层都要先采用连续激光打印，然后用脉冲激光进行精密加工。在其他实施例中，也可以是两个或多个打印层分别采用连续激光打印，然后再采用脉冲激光对已成型的包括该多个横截面的轮廓进行精加工。由于第二激光器8对每个打印层均能够进行微结构减材加工，在下一层的打印过程中，第一激光器5再次做增材加工，因而可以方便地加工出各种内部的内部流道和排气孔。加工的粉末可以是金属粉末与陶瓷粉末的混合体。

本发明的3D打印装置1000及其打印方法利用连续激光进行SLM逐层打印，利用脉冲激光对成型的薄层轮廓进行精密加工。由于皮秒级脉冲激光的光束斑点小(可小于10)加工割口光滑(Ra_＜1.0μm)，可大幅提高硬质合金零件打印精度，扩大增材制造的应用范围。另外，采用本发明的3D打印方法可大幅度提高打印硬质合金零件的表面精密度至0.005mm。而且打印系统简单，可靠性高，稳定性好，两束激光交替扫描完成成型打印和精密加工。

而且，本实施方式提供的硬质合金零件的3D打印装置及打印方法采用高稳定性的第一激光器5分别发出连续激光和脉冲激光，通过第一激光器5扫描成型形成硬质合金零件的打印层后，通过第二激光器8对打印层进行微结构减材加工，满足硬质合金零件复杂结构的要求。通过3D打印过程中脉冲激光进行轮廓精密加工后在减材加工，可以不再需要对3D打印的硬质合金零件进行二次打磨处理，一次打印成型，打印精度高，可以做到尺寸形貌完全可控。

图2是本发明第二实施方式提供的一种硬质合金零件的3D打印装置的结构图。所述的第二实施方式与第一实施方式的主要区别在于，第二实施方式的铺粉装置包括第一铺粉缸和第二铺粉缸。需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，适用于第一实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于第二实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

如图2所示，所述铺粉装置3设置在所述成型工作室1内，包括第一第一铺粉缸31、第二铺粉缸33及铺粉件32。本实施方式中，所述第一铺粉缸31装载有金属粉末，所述第二铺粉缸33装载有陶瓷粉末，所述第一铺粉缸31和第二铺粉缸33可以将所述盛装的粉末推送至与所述工作平台22大致平齐的位置，所述铺粉件32用于将所述粉末铺设至所述工作平台22，在一些实施例中，所述铺粉件32可为刮刀或铺粉辊。可以理解的是，所述第一铺粉缸31和第二铺粉缸33也可不设置在图所示的位置，只要能将所述金属粉末和陶瓷粉末推送至与所述工作平台22大致平行的位置即可。例如，所述第一铺粉缸31和第二铺粉缸33可以设置在所述成型工作室1的旁边或上方，所述金属粉末和陶瓷粉末相应地从所述成型工作室1的侧边或上方输送至与所述工作平台22大致平行的位置，再由所述铺粉件32将所述金属粉末和陶瓷粉末均匀地铺设至所述工作平台22即可。所述铺粉件32的位置设置在与所述工作平台22大致平行的平台上，位置与第一铺粉缸31和第二铺粉缸33的位置相对应，所述第一铺粉缸31和第二铺粉缸33的粉末输出口正好位于所述铺粉件32的附近，以便于所述铺粉件32将从所述粉末输出口输出的粉末铺设至所述工作平台22。所述第一铺粉缸31结构可类似于所述成型缸21，包括第一铺粉缸基台310及设置在所述第一铺粉缸基台310一端的第一铺粉缸升降杆312，所述金属粉末设置于所述第一铺粉缸基台310远离所述成型缸基台210的一侧。所述第一铺粉缸基台310能够在所述第一铺粉缸升降杆312的驱动下沿大致垂直于所述工作平台的方向移动，以推送所述金属粉末从所述粉末输出口输出。在一些实施例中，所述第一铺粉缸基台310可为方形或圆形不锈钢板，所述第一铺粉缸升降杆312可为活塞。所述第二铺粉缸33结构可类似于所述成型缸21，包括第二铺粉缸基台310及设置在所述第二铺粉缸基台330一端的第二铺粉缸升降杆332，所述陶瓷粉末设置于所述第二铺粉缸基台330远离所述成型缸基台210的一侧。所述第二铺粉缸基台330能够在所述第二铺粉缸升降杆332的驱动下沿大致垂直于所述工作平台的方向移动，以推送所述金属粉末从所述粉末输出口输出。在一些实施例中，所述第二铺粉缸基台330可为方形或圆形不锈钢板，所述第二铺粉缸升降杆332可为活塞。可以理解的是，所述成型缸21和所述第一铺粉缸31和第二铺粉缸33均可与一控制系统相连接，以根据打印需要精确控制所述工作平台22的高度及所述粉末的厚度。

利用本实施方式的所述硬质合金零件的3D打印装置1000进行3D打印时，在利用所述铺粉装置3在所述工作平台22上铺设预定厚度的粉末的步骤包括：

利用所述铺粉装置3在所述工作平台22上铺设预定厚度的粉末，所述粉末的厚度可为20μm-30μm、20μm-40μm、20μm-50μm、20μm-60μm、20μm-70μm、20μm-80μm或其他任意适宜的厚度。可以理解的是，所述粉末的厚度可根据所述每层的厚度进行具体设置。本实施方式中，第一铺粉缸和第二铺粉缸交替在所述工作平台22上铺设预定厚度的粉末，也可以是连续若干打印层均通过所述第一铺粉缸31所述工作平台22上铺设预定厚度的金属粉末来打印后，然后连续若干层通过所述第二铺粉缸33所述工作平台22上铺设预定厚度的陶瓷粉末来打印。即该硬质合金零件的打印层可以是金属粉末打印的打印层和陶瓷粉末的打印层交替设置，也可以是连续若干层均为金属粉末实现的打印层，然后连续若干层的陶瓷粉末实现的打印层，本领域技术人员可以根据需要设置硬质零件各层的打印材料为金属材料或者陶瓷材料，本发明对此不做限制。

其他步骤与第一实施方式涉及的3D打印方法相同，此处不再进行赘述。

本实施方式提供的硬质合金零件的3D打印装置及打印方法采用高稳定性的第一激光器分别发出连续激光和脉冲激光，通过第一激光器扫描成型形成两种不同材料夹层结构硬质合金零件的打印层，实现高强度、高耐磨的硬质合金零件。

图3是本发明第三实施方式提供的一种硬质合金零件的3D打印装置的结构图。所述的第三实施方式与第一实施方式的主要区别在于，第三实施方式还包括一摄像头11。需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，适用于第一实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于第三实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

如图3所示，该3D打印装置1000在成型工作室1内设有摄像头11。该摄像头11可以是高清摄像机或者高速扫描仪，用于抓取硬质合金零件的表面形貌。在第一激光器通过连续激光对铺设在成型工作台2上的粉末扫描成型，完成一层增材加工后通过第一激光器5的脉冲激光，对硬质合金零件的平面轮廓进行激光精密加工。本实施方式中，可以设定脉冲激光每次加工的消除量，通过多次加工以实现精确加工。更进一步的，在通过所述连续激光扫描成型出平面时，通过所述摄像头11获取所述平面的表面形貌，在对平面的轮廓进行精密加工。精密加工时，脉冲激光的焦距为100-600mm，聚焦光斑直径为30-100微米直径，可以根据需要变化光斑直径。

利用本实施方式的所述硬质合金零件的3D打印装置1000进行3D打印时，在所述控制所述第一激光器发出脉冲激光以对所述打印层进行精密加工的步骤包括：

首先，在通过所述连续激光扫描成型出平面后，通过所述摄像头获取所述平面的表面形貌；

然后，通过所述脉冲激光对所述平面进行精密加工。

其他步骤与第一实施方式涉及的3D打印方法相同，此处不再进行赘述。

本实施方式提供的3D打印装置1000除了具有第一实施方式提供的3D打印装置1000的技术效果还可以通过脉冲激光在增材加工过程中对打印的硬质合金零件的表面进行精密加工，使得一次打印成型后的硬质合金零件的表面具有良好的粗糙度，不再需要对硬质合金零件再次进行研磨。

图4是本发明第四实施方式提供的一种硬质合金零件的3D打印装置的结构图。所述的第四实施方式与第一实施方式的主要区别在于，第四实施方式还包括热处理机构。需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，适用于第一实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于第四实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

如图4所示，该3D打印装置1000还包括热处理机构，所述热处理机构用于对所述成型工作室1进行热处理。由于打印时激光烧结部分与激光未烧结部分的温度存在一定的差别，进行导致3D打印工件存在一定的应力，并且硬质合金零件的内部微观组织未达到最完美或有一定缺陷，因此，为减少上述的应力，及得到更佳微观组织的产品，可实现在3D打印中对整个成型工作室1进行热处理，特别是进行预热处理。热处理机构可以是多种方式实现，如下是两种可能的实现方式：

1)所述热处理机构包括设置在所述成型工作台2上的加热元件，用于对粉末进行预热，通过设置于基台、基板上的加热元件，对粉末进行预热或加热。

2)所述热处理机构包括设置在所述成型工作室1内的辐射源6，用于对所述第一激光器5发出的连续激光的光斑的运行轨迹进行加热。辐射源6为范围可控的光源，例如红外、半导体激光等对部分区域(其辐射区域的大小可通过控制照射光斑来进行调节)进行加热或预热，也可以做快速加温和冷却，例如，在通过辐射方式时，通过分析增材打印时激光运行的轨迹，可控制红外等在运行轨迹上进行预热、固熔、时效处理。

利用本实施方式的所述硬质合金零件的3D打印装置1000进行3D打印时，在所述控制所述第一激光模块的第一激光器输出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型形成硬质合金零件的打印层的步骤之前，还包括：对所述成型工作室进行热理处工序，所述热处理工序包括：

通过加热元件对所述粉末进行加热，和/或，

通过设置在所述成型工作室内的辐射源6对所述第一激光器5发出的连续激光的光斑的运行轨迹进行加热。

其他步骤与第一实施方式提供的3D打印方法相同，此处不再赘述。

本实施方式提供的3D打印装置除了具有第二实施方式提供的3D打印装置的技术效果外，还通过热处理机构对硬质合金零件进行热处理，可以降低硬质合金零件在打印时激光烧结部分与激光未烧结部分的温度存在差别而导致3D打印的硬质合金零件存在的应力，使得打印出的硬质合金零件具有更好的微观组织。

图5是本发明第五实施方式提供的一种硬质合金零件的3D打印装置的结构图。所述的第五实施方式与第一实施方式的主要区别在于，第五实施方式还包括温度调节装置。需要说明的是，在本发明的精神或基本特征的范围内，适用于第一实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于第五实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

如图5所示，由于成型工作室1温度过高情况下可能会造成3D打印装置1000的损害，本实施方式中，该3D打印装置1000还包括温度控制装置，所述温度控制装置包括冷却机构、隔热板64、加热器63和温度传感器62。其中，所述的冷却机构包括气冷机构和水冷机构，所述气冷机构包括设置在气体循环净化装置42的管道上的气体热交换器43和气体喷射孔66，通过热交换器对抽入的气体进行降温，之后再将降温后的气体经所述气体喷射孔66喷入实现降温的目的。图6是图5中A-A处的剖面结构图。如图6所示，所述气体热交换器43包括一热交换格栅431和冷却水降温板432。所述热交换格栅431为铜、铝等金属制作，所述热交换格栅431与所述气体热交换器43连通，并且所述热交换格栅431具有若干喷气孔，所述热交换格栅431的喷气孔可以快速打开并快速清洁，以释放从成型工作室1输出的带有烟尘的气体。所述冷却水降温板432设置于所述热交换格栅431的下方，并且与所述热交换格栅431接触。所述冷却水降温板432具有冷却水入口和冷却水出口，冷却水从所述冷却水入口进入，从所述冷却水出口流出，以带走所述热交换格栅431的热量，帮助热交换格栅431迅速降低所述热交换格栅431的温度。

所述水冷机构包括相互连通的冷却通道61，所述水冷通道61具有水冷入口和水冷出口，所述水冷入口和水冷出口分别连接一水冷散热器，所述水冷出口流出的冷却液经所述水冷散热器冷却后，经所述水冷入口进入所述水冷通道61，冷却液在所述水冷通道61内吸收热量后，经所述水冷出口再次流入所述水冷散热器。

所述温度控制装置可以设置在成型工作室1和成型缸21处。下面详细描述温度控制装置在所述成型工作室1的设置方式。

本实施方式中，所述水冷机构的冷却通道可以设置于所述成型工作室1的侧壁内，所述水冷出口流出的冷却液经所述水冷散热器冷却后，经所述水冷入口进入所述水冷通道61，冷却液在所述水冷通道61内吸收所述成型工作室1传导的热量后，经所述水冷出口再次流入所述水冷散热器，从而可以为成型工作室1散热。

所述气冷机构在成型工作室1内设有若干气体喷射孔66，经所述气体喷射孔66将冷却后的气体喷入成型工作室1内实现降温。此外，所述气体喷射孔66还可以设置在第一扫描振镜55处分别设置一个或多个气体喷射孔66，用于向所述第一扫描振镜55喷射冷却气体，帮助第一扫描振镜55降温。在第二扫描振镜83处也可以设置一个或多个气体喷射孔66，用于向所述第二扫描振镜83喷射冷却气体，帮助第二扫描振镜83降温。在激光入射创窗处也可以设置一个或者多个气体喷射孔66，。用于对激光入射窗10喷射冷却气体，帮助激光入射窗10降温。然而，本领域技术人员还可以根据需要设置不同位置和喷射方向的气体喷射孔66，以对特定的零部件实现降温。

为较精准地进行温度控制(如根据特定的温度曲线来进行相应的控制)，所述温度传感器62可以是一个或者多个，设置于所述成型工作室1的内壁，用于对所述成型工作室1内的温度进行检测以调整所述加热元件或者所述辐射源6的加热功率。

所述隔热板64设置在所述成型工作室1侧壁，用于防止外界热量传入成型工作室1内，同时，也可以防止成型工作室1过高的温度烫伤作业人员，提高了作业人员的安全性。

下面详细描述温度控制装置在所述成型缸21的设置方式。

图7是本发明第五实施方式提供的一种硬质合金零件的3D打印装置的成型缸21的结构图。如图7所示，所述水冷通道61可以设于所述成型缸21的侧壁内，用于对成型缸21进行散热。所述水冷出口流出的冷却液经所述水冷散热器冷却后，经所述水冷入口进入所述水冷通道61，冷却液在所述水冷通道61内吸收所述成型缸21传导的热量后，经所述水冷出口再次流入所述水冷散热器，从而可以为成型缸21散热。

为较精准地进行温度控制(如根据特定的温度曲线来进行相应的控制)，所述温度传感器62可以设置在所述成型缸21内的成型缸基台210的底部，其数量可以是一个或者多个，用于检测所述成型缸基台210的温度，以实时调节成型缸基台210的温度。所述加热器63设置于所述成型缸基台210的下方，用于对所述成型缸基台210加热。所述隔热板64设置在所述成型缸基台210的下方，并且所述隔热板64边缘与所述成型缸基台210连接，从而与所述成型缸基台210形成一密闭空间，所述加热器63位于该密闭空间内。所述隔热板64的下方还设有一水冷保护板65，所述水冷保护板65内设有若干水冷通道61，所述水冷保护板65内的水冷通道61与成型工作室1侧壁内的水冷通道61连通，用于对成型缸21进行散热。

本实施方式提供的3D打印装置除了具有第四实施方式提供的3D打印装置的技术效果外，还通过温度调节机构对成型工作室1和成型缸21的温度进行调节和控制，可以避免温度过高对打印装置造成损坏。

另外，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种硬质合金零件的3D打印装置，其特征在于，所述硬质合金零件为具有复合结构的硬质合金零件，所述3D打印装置包括：

成型工作台，设置在成型工作室内；

铺粉装置，包括铺粉缸和铺粉件，所述铺粉件将所述铺粉缸内的金属粉末和陶瓷粉末铺设于所述成型工作台；

第一激光模块，包括第一激光器和第一扫描振镜，所述第一激光器包括依次设置的连续激光种子源和脉冲激光种子源、光纤耦合器及光纤放大器，所述连续激光种子源和脉冲激光种子源输出的光束经过光纤耦合器及光纤放大器后输出连续激光或脉冲激光；所述第一扫描振镜用于将所述第一激光器输出的连续激光或脉冲激光通过第一扫描振镜聚焦在铺设在所述成型工作台上的金属粉末和陶瓷粉末；

第二激光模块，包括第二激光器和移动机构，所述移动机构设置于所述成型工作台的上方，所述第二激光器连接于所述移动机构，所述移动机构带动所述第二激光器在一水平面内沿横向或者纵向移动；

激光控制模块，分别与所述第一激光模块和第二激光模块连接，用于控制所述第一激光器输出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型形成硬质合金零件的打印层并且控制所述第一激光器输出所述脉冲激光对所述打印层进行精密加工后，所述第二激光器对所述硬质合金零件的打印层进行微结构减材加工。

2.如权利要求1所述硬质合金零件的3D打印装置，其特征在于，还包括摄像头，

在通过所述连续激光扫描成型出平面时，通过所述摄像头获取所述平面的表面形貌，通过所述脉冲激光对所述平面进行精密加工。

3.如权利要求1所述硬质合金零件的3D打印装置，其特征在于，所述第二激光器通过沿相互垂直的两个方向移动地设置于所述成型工作台的上方，所述第二激光器为皮秒或者飞秒激光器，并且所述第二激光器的焦距范围为5～100mm。

4.如权利要求1所述硬质合金零件的3D打印装置，其特征在于，所述铺粉缸包括第一铺粉缸和第二铺粉缸，所述第一铺粉缸装载有所述金属粉末，所述第二铺粉缸装载有所述陶瓷粉末，所述铺粉件从所述第一铺粉缸将所述金属粉末铺设于所述成型工作台，以及所述铺粉件从所述第二铺粉缸将所述陶瓷粉末铺设于所述成型工作台。

5.如权利要求1所述硬质合金零件的3D打印装置，其特征在于，还包括热处理机构，所述热处理机构用于对所述成型工作室进行热处理，所述热处理机构包括设置在所述成型工作台上的加热元件，用于对金属粉末或陶瓷粉末进行预热，和/或，

所述热处理机构包括设置在所述成型工作室内的辐射源，用于对所述第一激光器发出的连续激光的光斑的运行轨迹进行加热。

6.一种硬质合金零件的3D打印方法，其特征在于，所述3D打印方法包括：

利用铺粉装置在成型工作台铺设金属粉末和陶瓷粉末；

控制所述第一激光模块的第一激光器输出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型形成硬质合金零件的打印层，并且控制所述第一激光器输出所述脉冲激光对所述打印层进行精密加工；

控制所述第二激光器对所述硬质合金零件的打印层进行微结构减材加工。

7.如权利要求6所述的硬质合金零件的3D打印方法，其特征在于，所述控制所述第一激光器发出脉冲激光以对所述打印层进行精密加工的步骤包括：

在通过所述连续激光扫描成型出平面后，通过所述摄像头获取所述平面的表面形貌；

通过所述脉冲激光对所述平面进行精密加工。

8.如权利要求7所述的硬质合金零件的3D打印方法，其特征在于，

所述第二激光器为皮秒或者飞秒激光器，并且所述第一激光器的焦距范围为5～100mm。

9.如权利要求7所述的硬质合金零件的3D打印方法，其特征在于，在所述控制所述第一激光模块的第一激光器输出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型形成硬质合金零件的打印层的步骤之前，还包括：对所述成型工作室进行热理处工序，所述热处理工序包括：

通过加热元件对所述金属粉末或陶瓷粉末进行加热，和/或，

通过设置在所述成型工作室内的辐射源对所述第一激光器发出的连续激光的光斑的运行轨迹进行加热。

10.如权利要求9所述的硬质合金零件的3D打印方法，其特征在于，利用铺粉装置在成型工作台铺设金属粉末和陶瓷粉末包括：利用铺粉装置在成型工作台铺设金属粉末；

在控制所述第二激光器对所述硬质合金零件的打印层进行减材加工之后，还包括利用铺粉装置在成型工作台铺设陶瓷粉末，然后控制所述第一激光模块的第一激光器输出连续激光对所述铺设在所述成型工作台上的粉末扫描成型形成硬质合金零件的打印层。