CN108356268B - 粉床式多种材料连续激光增材制造的工艺方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉床式多种材料连续激光增材制造的工艺方法及设备，该工艺方法是将激光增材制造设备的供粉装置采用两个以上的粉料仓，同时在粉料仓出口设有带称重装置和预热的计量仓，这样称重装置和电控阀门就能精确控制单次下料量，且多种粉料也能在计量仓进行混料，进而实现不同材料在同一缸体内的分层布料；其工艺方法的自动铺粉机构采用上下循环运动的活动板作为承接计量仓排出粉料的供粉装置，活动板抬起计量仓落料，粉料在倾斜的活动板上实现平铺，活动板运动到水平由刮板将粉料挂至成型缸，进而可以实现同一缸体内的材料分层。

Description

粉床式多种材料连续激光增材制造的工艺方法及设备

技术领域

本发明涉及一种粉床式多种材料连续激光增材制造的工艺方法及设备，属于增材制造技术领域。

背景技术

增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗称3D打印，其将金属或非金属材料按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，且与传统的去除材料加工及变形加工相比，逐层加工的增材制造技术具有制造过程直接而无需工模具，不受结构复杂程度限制而为设计创新提供更自由的空间，材料利用率高，制造过程节能环保等诸多优势突出，满足了工业领域单件小批量制品、医学领域定制化的植入体、文化创意展示品、个性化日用品及其他众多领域物品制作日益发展的需求。

增材制造技术中的粉末基增材制造技术，集成了高能束（激光或电子束）、机械、自动控制、精密传动、材料科学与工程、化学、CAD/CAM等技术，从三维模型通过逐层扫描的模式直接制造最终产品，具有不受模型形状限制、完全的冶金结合，致密度近乎100%。粉末基增材制造由于具有各种优势而得到快速发展，现已应用到航空航天、军工、汽车、医疗、文化创意、消费电子产品等领域。 粉末基增材制造（SLS/SLM/EBM/3DP）是复杂产品部件制造的重要方式，其优势主要表现在： （1）使用高功率的能量束如激光束、电子束等，对熔点高、难加工的金属材料可直接加工成最终产品； （2）制造的金属零件具有冶金结合的特点，其致密度几乎达到100%，性能超过传统铸造件或与锻造件接近； （3）采用分层实体制造技术，成型件不受几何复杂度的影响，对任意复杂金属零件可直接制造，适用于个性化定制及小批量生产； （4）零件近净成形，机加余量小，材料利用率高，粉末材料可回收利用； （5）可用的材料来源广泛，陶瓷材料、高分子材料、金属材料，只要做出颗粒合适的粉末，均可用于粉末基增材制造； （6）无模具快速自由成型，制造周期短，小批量零件生产成本低，适于新产品的开发。

现有的粉末基增材制造的加工方式是：在送粉缸内添加配好粉末料将其安装到位，同时通保护气体，然后平行布置成型缸和送粉缸，采用单向铺粉，烧结一层之后，成型缸下降一层烧结层厚度，供粉缸上升挤出一定量的粉末，铺粉辊或刮板将供粉缸粉末平铺到成型缸，然后开始烧结、熔融或融化，待该层横截面全部烧结后，再使成型缸下降一层烧结厚度，之后再供粉、铺粉、烧结、熔融或融化，循环往复此过程，最终完成零部件的增材制造。现有的这种粉末基增材制造铺粉技术存在以下缺点：（1）现有设备都采用两个缸体——成型缸和送粉缸配合使用，在产品加工完毕后，为确保产品成型，成型缸需在通保护气的过程中逐步冷却，一般冷却时间长达12-24小时，对较大尺寸的文件冷却时间甚至会超过24小时，导致现有设备生产效率较低，无法连续化生产；（2）在送粉缸送风过程中，由铺粉辊将粉末材料铺展到成型缸过程中，会有多余粉末刮出成型缸至收集槽，这种现象在加工较大的产品时就会导致在后期供粉缸缺料，无相关应急装置，进而导致产品建造失败。（3）现有的增材制造技术在制造过程中均采用单一的材料逐层制造，这就导致在一些用途的机械部件存在制作成本较高，进而影响增材制造的推广。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可以提高生产效率，降低成本，制件合理化的粉床式多种材料连续激光增材制造的工艺方法及设备，可以克服现有技术的不足。

本发明的技术方案是：

一种粉床式多种材料连续激光增材制造的工艺方法，其特征在于：该工艺方法是将激光增材制造设备的供粉装置采用两个以上的粉料仓，同时在粉料仓出口设有带称重装置和预热的计量仓，这样称重装置和电控阀门就能精确控制单次下料量，且多种粉料也能在计量仓进行混料，进而实现不同材料在同一缸体内的分层布料；其工艺方法的铺粉机构采用上下循环运动的活动板作为承接计量仓排出粉料的供粉装置，活动板抬起计量仓落料，粉料在倾斜的活动板上实现平铺，活动板运动到水平由刮板将粉料刮至成型缸。

一种粉床式多种材料连续激光增材制造的设备，它包括工作腔，在工作腔上连接有激光系统、气氛保护系统、预热系统和控制系统，在所述的工作腔内还设有供粉装置、成型装置、铺粉机构和粉料回收桶，所述的供粉装置包括两个以上的粉料仓，在粉料仓出口设有带称重装置的计量仓，在粉料仓出口与计量仓出口设有电控阀，电控阀与称重装置连接，在计量仓上连接有旋转混匀机构，所述的铺粉机构由刮板、等宽且铰接的固定槽板和转动槽板构成，计量仓的出口与转动槽板的位置相对；固定槽板与成型装置的成型缸端口齐平，在转动槽板上连接有抬起与放平的往复运动装置，转动槽板处于水平状态时与成型装置的成型缸端口对接并齐平，刮板的宽度与固定槽板内口匹配；且刮板的初始位置位于固定槽板上或固定槽板与转动槽板的铰接处。

前述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备是，所述的成型装置包括一个以上的成型缸，成型缸底部为活动板，在加工工位活动板下方设有使活动板逐层下降的顶推装置，在成型缸的下方设有滑轨，不在加工工位的成型缸的下端放置在滑轨上。

前述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备是，在滑轨上方顶推装置所在区域的两侧设有定位夹紧装置，定位夹紧装置由限位开关控制。

前述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备是，所述的滑轨的轨道方向与刮板的运动方向平行；所述的成型缸的数量为两个以上，一个位于顶推装置上方，其它的一个以上位于固定槽板和转动槽板下方。

前述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备是，在滑轨的两端设有设有成型缸取出门和成型缸放入门。

前述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备是，所述的滑轨为双列式轨道，顶推装置位于滑轨的两根轨道之间；在顶推装置的下方设有水平基座，定位夹紧装置安装在水平基座上。

前述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备是，所述的定位夹紧装置包括液压缸和夹紧机构，液压缸的缸体固定连接在水平基座上，在液压缸的活塞杆上连接有顶推装置和夹紧机构，所述的夹紧机构包括两根L形夹紧件和两根双向螺杆，L形夹紧件与滑轨垂直，且L形夹紧件的水平板位于加工工位成型缸的下端，在L形夹紧件的下端设有与双向螺杆配合的螺纹孔；所述的双向螺杆的中间段为光轴，在光轴的两端设有方向相反的螺纹；双向螺杆的中间段光轴通过轴套连接在活塞杆的两侧，在两根双向螺杆的中间段有螺纹处设置有与之配合的驱动螺纹，在驱动螺纹上连接有电机。

前述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备是，在滑轨的垂直方向设有将一个以上能将成型缸分隔的插板。

前述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备是，所述的旋转混匀机构为连接在计量仓上的搅拌设备。

前述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备是，所述控制往复运动装置包括步进电机，在步进电机上连接有凸轮，在凸轮上铰接有连杆，连杆铰接在转动槽板上。

与现有技术比较，本发明受限针对现有增材制造过程中所制造产品材料一致，进而导致产品成本高、产品种类受限进行改进；其次针对一缸供粉、一缸成型，成型后需缓慢冷却而导致无法连续生产的问题进行的系统化改进；其具体实现原理如下：

为实现上述改进，本申请的主要改进点为两个部分，其一为供粉装置、其二为铺粉装置；其三是多成型缸的循环生产。其中供粉装置包括两个以上的粉料仓，粉料仓的数量根据所加工产品的需求制定，如刀具，刀体部分采用高硬度的A材料制造，切削部分采用耐磨削、耐高温的 B材料制造，这样在制造过程中，刀体加工阶段就由盛放A材料的粉料仓供料，加工切削刃就由盛放B材料的粉料仓供料，进而实现加工零件的材料分层；在粉料仓出口设有带称重装置和预热的计量仓，在粉料仓出口与计量仓出口设有电控阀，电控阀与称重装置连接，称重装置和电控阀门的设置可以精确控制单次下料量，进而确保单次布料量，避免材料浪费；在计量仓上连接有旋转混匀机构，旋转混均机构的设置可以实现不同料仓粉料在计量仓的混合，进而形成第三种粉料、甚至第四种、第五种（如AB材料的混入量不同形成不同特性的材料），上述供粉装置为增材制造的同一缸体不同材料逐层铺设提供了基础。所述的铺粉机构由刮板、等宽且铰接的固定槽板和转动槽板构成，计量仓的出口与转动槽板的位置相对；固定槽板与成型装置的成型缸端口齐平，在转动槽板上连接有抬起与放平的往复运动装置，转动槽板处于水平状态时与成型装置的成型缸端口对接并齐平，刮板的宽度与固定槽板内口匹配；且刮板的初始位置位于固定槽板上或固定槽板与转动槽板的铰接处；该铺粉机构采用刮板方式铺粉可以确保在成型缸上所铺粉料的均匀度与紧实度；固定槽板和转动槽板的组合设置，第一方便转动槽板的固定及设定水平基准，第二转动槽板的上下往复摆动过程，在计量仓落料阶段时，刮板位于固定槽板处，转动槽板抬起，这样不仅可以减少粉料飞扬、减少材料浪费，而且倾斜状态可以使下落的粉料均匀下滑平铺在转动槽板上，待转动槽板水平后就可模拟形成供粉缸的水平供粉环境，进而方便刮板的后续动作，同时可进一步降低粉料的飞散；可避免现有采用供粉缸供粉材料不够的危机情况。

上述两部分的改进，可对现有增材制造设备的供粉单元进行替换，后续的成型缸区域保持不变；但就如本申请背景技术中指出的，因冷却成型阶段所花费时间较多，故而无法连续生产，对此本申请采用多缸连续生产，即成型装置包括一个以上的成型缸，成型缸底部为活动板，在加工工位的活动板下方设有使活动板逐层下降的顶推装置，同时在成型缸的下方设有滑轨，一个以上的成型缸的下端放置在滑轨上，在滑轨的两端设有设有成型缸取出门和成型缸放入门，这样就可放入新的成型缸和取出冷却好的成型缸。为了确保加工工位成型缸的水平及稳定性，在滑轨上方顶推装置所在区域的两侧设有定位夹紧装置，定位夹紧装置由限位开关控制，即沿滑轨运动的成型缸碰到限位开关，由其控制定位夹紧装置动作。因本发明无供粉缸，故加工完成处冷却状态的成型缸可以位于固定槽板和转动槽板下方，进而有效利用设备空间，降低设备整机体积。滑轨采用为双列式轨道，这即可确保支撑及滑动稳定性，而且可将定位夹紧装置和顶推装置设置在滑轨的两根轨道之间；为确保顶推装置的水平度，在顶推装置的的下方设有水平基座，定位夹紧装置安装在水平基座上，这样的分体基座和固定槽板的设置，可以降低整机的制造精度，而且方便调节水平度。定位夹紧装置包括气缸或液压缸，气缸或液压缸的缸体固定连接在水平基座上，在气缸或液压缸的活塞杆上连接有顶推装置和夹紧机构。所述的定位夹紧装置包括液压缸和夹紧机构，液压缸的缸体固定连接在水平基座上，在液压缸的活塞杆上连接有顶推装置和夹紧机构，所述的夹紧机构包括两根L形夹紧件和两根双向螺杆，L形夹紧件与滑轨垂直，且L形夹紧件的水平板位于加工工位成型缸的下端，在L形夹紧件的下端设有与双向螺杆配合的螺纹孔；所述的双向螺杆的中间段为光轴，在光轴的两端设有方向相反的螺纹；双向螺杆的中间段光轴通过轴套连接在活塞杆的两侧，在两根双向螺杆的端部设置有与之配合的驱动螺纹，在驱动螺纹上连接有电机。这样通过双向螺杆的转动就可带动两根L形夹紧件同时向内或向外运动，实现对代加工成型缸的固定，同时液压缸抬起，将工作位的成型缸抬升至规定位置；该结构能实现将处于加工工位的成型缸抬起、固定的动作，方便顶推装置与活动板的配合，具有结构简单、布局紧凑的优势。在滑轨的垂直方向设有将一个以上能将成型缸分隔的插板，这样在取出或放入成型缸的过程中可以尽可能的降低干扰。

附图说明

图1是本发明的外部结构示意图。

图2是图1内部结构示意图。

图3是图2的局部结构示意图。

图4本装置打印人工骨骼示意图。

图5本装置打印热锻磨具示意图。

图6为含有具体材料打印热锻磨具示意图。

图7本装置要打印刀具示意图。

图8本装置打印鞋底示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，如图1-3图所示。

实施例1，本发明涉及一种能实现材料分层制造且能满足连续生产的增材制造设备，其工作原理与设备基础构造与现有增材制造设备相同，它包括工作腔1，在工作腔1上连接有激光系统、气氛保护系统、预热系统和控制系统，在所述的工作腔1内还设有供粉装置、成型装置、铺粉机构和粉料回收桶2，其改进涉及三点，其一为供粉装置、其二为铺粉装置；其三是多成型缸系统。

具体改进如下：

所述的供粉装置包括两个以上的粉料仓3，不同的粉料仓3内盛不同的粉料，在粉料仓3出口设有带称重装置和预热的计量仓4，在粉料仓3出口与计量仓4出口设有电控阀，电控阀与称重装置连接，这样的电控阀与计量仓的称重装置配合就可准确控制粉料仓3每次的排粉量，同时计量仓4的设置还能实现两种以上粉料的在线混合形成混合粉料的不同配比，进而适应加工零件多材料属性的要求，在计量仓4上连接有旋转混匀机构，这样可以进一步确保混合物料的均匀程度；所述的旋转混匀机构为连接在计量仓4上的搅拌设备。

所述的铺粉机构采用刮板方式，刮板方式相对铺粉机构可以确保在成型缸上所铺粉料的均匀度与紧实度；铺粉机构由刮板8、等宽且铰接的固定槽板5和转动槽板6构成，计量仓4的出口位于刮板8的上方、形状为长条状与转动槽板6的位置相对；固定槽板5与成型装置的成型缸端口齐平，且在固定槽板5上设置有水平度与高度调整装置，在转动槽板6上连接有抬起与放平的往复运动装置7，所述控制往复运动装置7包括步进电机，在步进电机上连接有凸轮，在凸轮上铰接有连杆，连杆铰接在转动槽板6上；转动槽板6处于水平状态时与成型装置的成型缸端口对接并齐平，刮板8的宽度与固定槽板5内口匹配；且刮板8的初始位置位于固定槽板5上或固定槽板5与转动槽板6的铰接处。采用固定槽板5和转动槽板6的组合设置，第一方便转动槽板6的固定及设定水平基准，第二转动槽板6的上下往复摆动过程，在计量仓4落料阶段时，刮板8位于固定槽板5处，转动槽板6抬起，这样不仅可以减少粉料飞扬、减少材料浪费，而且倾斜状态可以使下落的粉料顺斜板面均匀下滑平铺在转动槽板上，待转动槽板6水平后就可模拟形成供粉缸的水平供粉环境，进而方便刮板的后续动作，同时可进一步降低粉料的飞散。

所述的成型装置包括一个以上的成型缸9，成型缸9底部为活动板，在加工工位的活动板下方设有使活动板逐层下降的顶推装置10，在成型缸9）下方设有滑轨11，成型缸9的下端放置在滑轨11上。所述的滑轨11的轨道方向与刮板8的运动方向平行；所述的成型缸9的数量为两个以上，工作时其中一个位于顶推装置10上方，其它的一个以上位于固定槽板5和转动槽板6下方的滑轨11上；在滑轨11上方顶推装置10所在区域的两侧设有定位夹紧装置，定位夹紧装置由限位开关控制。在滑轨11的两端设有设有成型缸取出门21和成型缸放入门22。

所述的滑轨11为双列式轨道，顶推装置10位于滑轨11的两根轨道之间；在顶推装置10的下方设有水平基座13，定位夹紧装置12安装在水平基座13上。所述的定位夹紧装置12包括液压缸和夹紧机构，液压缸的缸体14固定连接在水平基座13上，在液压缸的活塞杆上连接有顶推装置10和夹紧机构，其中在活塞杆的顶部开设有凹孔，顶推装置10采用直线电机，直线电机镶嵌在凹孔内，所述的夹紧机构包括两根L形夹紧件16和两根双向螺杆15，两根L形夹紧件16和两根双向螺杆15呈井字形布置，两根L形夹紧件16与滑轨11垂直，且L形夹紧件16的水平板位于加工工位成型缸9的下端，这样在其上升过程中能实现对滑轨11上成型缸的上抬；在L形夹紧件16的下端设有与双向螺杆15配合的螺纹孔；所述的双向螺杆15的中间段为光轴，在光轴的两端设有方向相反的螺纹；双向螺杆15的中间段光轴通过轴套连接在活塞杆的两侧，双向螺杆15的两端反向螺纹分别与L形夹紧件16上的内螺纹孔配合，在两根双向螺杆15之间设置有与之配合的驱动螺纹17，在驱动螺纹17上连接有电机；这样在双向螺杆15转动的过程中就可实现两根L形夹紧件16靠拢或分开。

在理解本发明创造工艺及结构后，现对其应用进行示例性说明

1、生物医疗行业

SLM法制备钛合金与纳米级羟基磷灰石复合材料（Ti-6Al-4V为基体材料加入一定质量分数的羟基磷灰石（HA相）的生物活性体）

3D打印制备的生物材料一般用于骨修复、骨科植入物、人工器官和外科辅助器材。传统的骨科植入物主要使用金属材料，多用不锈钢、钛合金、镁合金等，上述金属材料应用于受力的骨科植入物，有良好的机械强度和抗疲劳性能，但也存在人体生物相容性、耐蚀性能下降等问题，例如TC4钛合金（Ti-6Al-4V）在人体环境中可释放有毒的Al离子和V离子，不锈钢会释放有毒的Ni离子，上述问题的人体病理学研究一直还有待深入，现阶段还未找到合适的无害化金属植入物材料。

用于植入物的金属材料，当前应用过程的最大问题是人体生物环境中与骨诱导力缺失的问题，金属植入人体后，与人体间的结合仅为机械连接，不能产生生物化学性质的结合，金属制件不能诱导人体的骨细胞依附及生长，容易松动脱落。上述问题一直困扰金属材料在人体植入物的推广与应用，解决的办法是改善金属材料的生物活性。现有的技术途径有两个方面，一是在金属材料表面制作生物陶瓷涂层（即羟基磷灰石-HA涂层），二是通过粉末冶金制作整体的金属-HA复合材料。第一种技术途径存在的问题是涂层在人体关节活动过程中易磨损、易剥离，第二种技术途径存在的问题是在粉末冶金过程加入了一定数量的HA后，烧结工艺难以控制，在较高的烧结温度区间HA会产生化学反应分解，另外烧结体的力学性能，包括弹性模量、屈服强度、弯曲强度出现不同程度的下降，难以作为生物植入体使用，HA的加入量一般被控制在15%以内，否则制件的力学性能出现问题，但HA的加入量过少，改善植入体生物活性的作用又很有限。

结合本专利技术，提出了一种利用SLM法（选择性激光熔化技术）制作梯度成分的钛合金与羟基磷灰石复合材料（Ti-6Al-4V+n%HA）。生产的原材料：粒径为Ti-6Al-4V（TC4）钛合金3D打印球形粉末，平均粒径约30μm；纳米级羟基磷灰石粉末，平均粒径约20nm。第一步，制作复合粉体，所采用的技术途径是利用球磨工艺，在高速旋转的球磨机中，利用与球磨介质之间强烈的相互撞击作用，粉末之间产生强烈的变形、碎化、冷焊、焊合作用，产生机械合金化的复合粉体。

球磨工艺：使用单罐体星式高能球磨机，球磨过程加入一定质量的混合粉末（Ti-6Al-4V+n%HA），n可取5-50%，球磨过程氩气保护，具体的工艺参数设置如下：

制备出的粉末有多种，Ti-6Al-4V+5%HA、Ti-6Al-4V+10%HA、 Ti-6Al-4V+15%HA、Ti-6Al-4V+20%HA、Ti-6Al-4V+50%HA等，配合专利所述设备中计量仓及其混合搅拌装置，可搭配Ti-6Al-4V与Ti-6Al-4V+50%HA制备出不同n%含量的混合粉末用于激光加工。

设计以下技术方案：如图4所示，沿3D打印成型方向，选用多种不同材料成型，底部基体部分可采用加入0-5%HA的钛合金直接打印成型，保证制件力学性能。中间黄色区域为过渡层，采用Ti-6Al-4V+5%HA复合粉末成型，上部区域为与人体关节连接处，此区域要求具备较高的生物活性，选择Ti-6Al-4V+15%HA复合粉末成型（HA含量越高，则生物活性越好），过渡层保证了生物活性涂层与基体组织之间形成HA相的成分渐变，形成梯度材料，保证生物活性层与基体之间有良好的冶金结合。

所述的钛合金+羟基磷灰石的梯度复合材料，其成分梯度带来了性能梯度，首先是生物活性的梯度，越靠近人体关节相连接处的复合材料，HA含量越高，生物活性强，有利于人体组织的修复；其次是力学性能梯度，复合材料的基体仍为传统的钛合金材料，力学性能得到了基本的保证。在力学性能得到保证的前提下，钛合金植入物的生物活性得到改善。

在模具行业的应用

热锻模具对不同的位置有着特殊的力学性能要求，以热锤锻模具为例，模具不同的位置对力学性能的要求也并不一致，一般的锻模由型腔、模身、模尾几部分组成，不同部分对材料的性能要求呈梯度变化。热锻模具通过高温下强烈的冲击作用强迫金属成型，型腔部分承受高温金属强烈的摩擦作用、形成较大的剪切应力，因此，型腔部分因具备较高的高温强度和耐磨损性能，材质的硬度或者说是红硬性要求较高；模尾部分承受冲击作用，硬度不宜过高，需保障材质的韧性。模身部分的硬度应低于型腔部分，但又高于模尾部分，因为高的硬度虽然保证了良好的耐磨性，但对材料热疲劳比较敏感，易产生热疲劳裂纹，导致模身材料失效，模身硬度过低，在强烈的冲击作用下，易产生变形，降低模具寿命，故模身的硬度低于型腔，但高于模尾。

根据传统的热锤锻模具的表面硬度，中/小型锤锻模的型腔部分硬度在40-45HRC，模身部分的硬度在36-41HRC，模尾部分的硬度一般在35-38HRC，如图5所示，热锤锻模具钢应用最为广泛的是5Cr06NiMo、5Cr08MnMo、4CrMnSiMoV等，上述材料一般碳含量在0.45-0.6%，以保证材料基本的硬度和韧性，加入1%的Cr含量，增加钢的淬透性，提高回火稳定性，避免出现回火脆性，Ni的添加主要是提高冲击吸收能量，和Cr共同作用提高回火稳定性，Mn的添加一般是取代贵金属Ni，但Mn的加入量不宜超过1%，否则易引起回火脆性，降低韧性，Mo（或W）的添加一般其细化晶粒，削弱回火脆性的作用；Si能够提高合金强度，回火稳定性和耐热疲劳特性。

根据专利所述设备，可选择如下技术方案制备中/小型热锤锻模具，如图6所示。

（1）利用气雾化法制备5Cr06NiMo、5Cr08MnMo、4CrMnSiMoV三种材料的3D打印球形粉末，球形粉末的制作方法可参考专利201410520215.6一种3D打印用耐热模具钢材料及其 制备方法

（2）利用本专利所述设备的多材料成型能力为基础，使用5Cr06NiMo制造模尾部分，使用5Cr08MnMo制造模身，使用4CrMnSiMoV制作型腔。按照三维模型进行激光3D打印成型（SLM法 400W光纤激光器）激光工艺参数如下所示。

所得到的热锻模具具体化学成分

（3）热处理：650℃，退火处理4.5h。（传统工艺热锤锻模具需要经过淬火+回火的分段热处理，3D打印直接进行退火处理即可）。

注1：表面硬度，在模具对应位置本体取样，采集10个以上数据，取平均值

注2：热处理工艺参数经过优化

通过以上步骤，成型方法简单，适用于快速制作形状复杂型腔的热锻模具，且不需要进行传统锻件复杂工艺的热处理（淬火+多级回火），3D打印制件直接退火处理即得到力学性能优异的热锻模具，材料表面硬度较传统热锤锻模具要高，使用寿命长。

用于制作复杂水冷通道的刀具

制造有水冷通道的合金钢刀具，传统的机加CNC无法再加工出刀具随形水冷通道，导致刀具在高速切削过程出现过热，影响使用寿命。一般刀具制作材料为高速钢材料，主要化学成分含有C、Si、Mn、Cr、Mo、V、W、Mo等化学元素，通过对锻造件复杂的热处理工艺（淬火+多级回火）的方式在材料中形成大量的碳化物，提高材料整体的红硬性实现高速切削的目标。如图7所示，

刀头部分：要求高的硬度，高的耐磨损性能，材料的红硬性（600℃时的硬度）要好。

刀身部分：强度与硬度适中，不追求高强度、高的硬度，但材料韧性要好，避免刀柄装配处受力开裂变形。根据专利所示设备，可采用以下几种技术方案，通过3D打印直接制备性能良好的刀具制件。

方案1刀头部分采用市售H13模具钢粉末SLM制备，刀身部分采用市售316L不锈钢粉末SLM制备

材料成分（资料分数/%）

按照三维模型逐层激光3D打印成型（SLM法）

打印后的制件可酌情（是否热处理可根据工件实际建模尺寸、工况要求选择）进行去应力退火处理：630℃ 2h

方案1具有以下优点：

（1）通过3D打印直接制备刀具，不需要进行热处理或只进行简单的退火热处理即可使用，省略了锻件复杂的热处理工序；

（2）多种材料成型，不是单一材料制备刀具，节约高合金化程度高的贵重原材料，且两种成型材料的力学性能均可调控，可实现不同工况下刀具的技术要求。

（3）3D打印可制作出具有随形水冷通道的刀具制件，这是传统工艺难以做到的，提高了刀具在加工过程的水冷效率，可有效保障刀具的使用寿命。

方案2

方案1中，刀头部分是采用H13模具钢粉体材料3D打印成型，而H13模具钢的3D打印状态的硬度是57HRC，若经过去应力退火后，刀头硬度还会进一步的下降。在一些对超高转速刀具刀头的制作要求中，还难以达到硬度大于60HRC的要求，这主要是由于H13模具钢的合金化原理中，主要是依靠Cr、Mn等合金元素提高材料淬透性，获得马氏体组织，Si、Mo、V等合金元素形成强化组织共同作用，但材料的C含量较低，难以形成大量碳化物形成弥散强化组织，因此考虑在刀头的制作材料中，加入一定量的纳米碳化钨钴复合粉体，通过WC-Co复合粉体在材料显微组织中形成弥散强化相，有效的提高材料的表面硬度、耐磨损性能以及高温状态下的刀头红硬性能。

成型工艺与方案1基本相同，区别在与刀头部分的制作材料由单一的H13模具钢粉体变为H13模具钢（平均粒径25μm）+5-10%WC-Co复合粉末（平均粒径100nm）。刀身仍然采用316不锈钢（平均粒径约20μm）成型。

复合粉体的制作方法：

使用单罐体星式高能球磨机制备，球磨过程加入一定质量的混合粉末（H13+8%WC-Co），球磨过程氩气保护，具体的工艺参数主要为：球料比10:1，球磨转速：250r/min，球磨时间10h。

根据不同粉体，按照三维模型，刀头部分用H13模具钢+5%WC-Co复合粉末3D打印成型（SLM法）。刀身用316不锈钢成型（SLM法）

H13+8%WC-Co复合粉体工艺参数，激光功率 275w、扫描速度320mm/s、扫描间距100μm，铺粉层厚50μm；

316不锈钢工艺参数，激光功率200w、扫描速度160mm/s、扫描间距100μm，铺粉层厚50μm；

3D得到的制件刀头部分表面硬度可达到63HRC以上，刀头的红硬性进一步提高。

4、多种尼龙材料SLS法复合制备运动鞋（垫/底）

3D打印技术在制鞋行业也得到了相当的应用，其中主要使用的尼龙材料为X92A-2TPU粉末，该种材料有较好的弹性，抗冲击性和减震性能突出，有一定的硬度范围可调整，可用于制鞋材料，但经历长时间的磨损，鞋底部位磨损严重。

根据专利所述技术，可采用多种尼龙材料通过选择性激光烧结（SLS）制鞋（垫/底），如图8所示：

采用本专利技术方案，与人体脚步接触的位置，使用硬度较低、较为柔软的市售X92A-2TPU尼龙粉末烧结成型，保持人体穿着的舒适性，与地面相接触的位置使用具有较为良好的综合力学性能的3300PA粉末烧结成型。

制作过程，按照鞋体三维模型，使用FS3300PA粉末制作鞋底（SLS），鞋底对应建造层所使用的材料即为3300PA粉末（华曙高科销售），使用X92A-2TPU尼龙粉末制作鞋垫部分（SLS），即鞋垫对应的建造层所使用的材料即为X92A-2TPU尼龙粉末（华曙高科销售）。

上述两种材料的烧结工艺：

所得到的烧结体机械性能：

以上技术方案有以下优点：

（1）可实现鞋底、鞋垫一次烧结成型；

（2）配合专利设备，可实现连续生产，生产效率高；

（3）使用弯曲模量较低，容易变形、较为柔软的X92A-2TPU材料制备鞋垫，保证人体穿着的舒适性，使用弯曲模量高，具备较高强度的3300PA材料制作鞋底部分，鞋底的耐磨损性能较原有的使用单一X92A-2TPU材料制作的鞋底得到有效改善，使用寿命得到提高。

Claims (10)

1.一种粉床式多种材料连续激光增材制造的工艺方法，其特征在于：它包括工作腔，在工作腔上连接有激光系统、气氛保护系统、预热系统和控制系统，在所述的工作腔内还设有供粉装置、成型装置、铺粉机构和粉料回收桶，该工艺方法是将激光增材制造设备的供粉装置采用两个以上的粉料仓，同时在粉料仓出口设有带称重装置和预热的计量仓，称重装置和电控阀门能精确控制计量仓单次下料量或多种粉料在计量仓混合后的混料下料量，铺粉机构采用上下往复运动的活动板作为承接计量仓排出粉料的供粉装置，所述的上下往复运动的活动板是活动板一端铰接固定，活动板整体绕所述铰接轴转动；活动板抬起计量仓落料，粉料在倾斜的活动板上实现平铺，活动板运动到水平由刮板将粉料刮至成型缸；进而实现不同材料在同一缸体内的分层布料。

2.一种粉床式多种材料连续激光增材制造的设备，它包括工作腔（1），在工作腔（1）上连接有激光系统、气氛保护系统、预热系统和控制系统，在所述的工作腔（1）内设有供粉装置、成型装置、铺粉机构和粉料回收桶（2），其特征在于：所述的供粉装置包括两个以上的粉料仓（3），在粉料仓（3）出口设有带称重装置的计量仓（4），在粉料仓（3）出口与计量仓（4）出口设有电控阀，电控阀与称重装置连接，在计量仓（4）上连接有旋转混匀机构，所述的铺粉机构由刮板（8）、等宽且铰接的固定槽板（5）和转动槽板（6）构成，计量仓（4）的出口为长条状与转动槽板（6）的位置相对；固定槽板（5）与成型装置的成型缸端口齐平，在转动槽板（6）上连接有抬起与放平的往复运动装置（7），转动槽板（6）处于水平状态时与成型装置的成型缸端口对接并齐平，刮板（8）的宽度与固定槽板（5）内口匹配；且刮板（8）的初始位置位于固定槽板（5）上或固定槽板（5）与转动槽板（6）的铰接处。

3.根据权利要求2所述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备，其特征在于：所述的成型装置包括一个以上的成型缸（9），成型缸（9）底部为活动板，在加工工位的活动板下方设有使活动板逐层下降的顶推装置（10），在成型缸（9）的下方设有滑轨（11），不在加工工位的成型缸（9）的放置在滑轨（11）上。

4.根据权利要求3所述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备，其特征在于：在滑轨（11）上方顶推装置（10）所在区域的两侧设有定位夹紧装置（12），定位夹紧装置（12）由限位开关控制。

5.根据权利要求4所述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备，其特征在于：所述的滑轨（11）的轨道方向与刮板（8）的运动方向平行；所述的成型缸（9）的数量为两个以上，一个位于顶推装置（10）上方，其它的一个以上位于固定槽板（5）和转动槽板（6）下方。

6.根据权利要求5所述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备，其特征在于：在滑轨（11）的两端工作腔（1）的外壁设有成型缸取出门（21）和成型缸放入门（22）。

7.根据权利要求5或6所述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备，其特征在于：所述的滑轨（11）为双列式轨道，顶推装置（10）位于滑轨（11）的两根轨道之间；在顶推装置（10）的下方设有水平基座（13），定位夹紧装置（12）安装在水平基座（13）上。

8.根据权利要求7所述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备，其特征在于：所述的定位夹紧装置（12）包括液压缸和夹紧机构，液压缸的缸体（14）固定连接在水平基座（13）上，在液压缸的活塞杆上连接有顶推装置（10）和夹紧机构，所述的夹紧机构包括两根L形夹紧件（16）和两根双向螺杆（15），L形夹紧件（16）与滑轨（11）垂直，且L形夹紧件（16）的水平板位于加工工位成型缸（9）的下端，在L形夹紧件（16）的下端设有与双向螺杆（15）配合的螺纹孔；所述的双向螺杆（15）的中间段为光轴，在光轴的两端设有方向相反的螺纹；双向螺杆（15）的中间段光轴通过轴套连接在活塞杆的两侧，在两根双向螺杆（15）的中间段有螺纹处设置有与之配合的驱动螺纹（17），在驱动螺纹（17）上连接有电机。

9.根据权利要求8所述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备，其特征在于：在滑轨（11）的垂直方向设有能将一个以上成型缸（9）分隔的插板（18）。

10.根据权利要求 9所述的粉床式多种材料连续激光增材制造的设备，其特征在于：所述的旋转混匀机构为连接在计量仓（4）上的搅拌设备;所述控制往复运动装置（7）包括步进电机，在步进电机上连接有凸轮，在凸轮上铰接有连杆，连杆铰接在转动槽板（6）上。