CN108620585B - 能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，在金属激光立体成形快速凝固过程中施加磁场，在磁场的作用下，快速凝固的固/液界面处能够产生热电流，热电流与磁场相互作用产生触发熔体流动的热电磁力，枝晶端部受到力的作用后产生剪切，造成枝晶碎断，形成大量新晶核，提高形核率；磁场抑制金属熔体流动，减弱了凝固过程中偏析作用。本发明独创性地将不同种激光金属增材制造的母材输运装置结合起来，实现铺粉、送粉及送丝多种打印情况的母材输送以及组织控制。在磁场控制装置固定在激光发射器上作为母材输运装置，保证激光熔池时刻处于磁场中心，方便对磁场的控制以及进一步探究磁场对激光立体成形的快速凝固过程的影响。

Description

能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置

技术领域

本发明涉及一种增材制造工艺设备，特别是涉及一种利用激光热源和金属粉末或金属丝及其输送装置制造零件的装置，应用于金属凝固组织控制以及电磁冶金技术领域。

背景技术

激光金属增材制造利用激光作为热源，对金属粉末或金属丝进行区域性融化并快速凝固，将所要制造的零件的几何结构进行二维分层，通过逐层打印的方式将立体的零件一层一层的打印出来。由于其特殊的制造过程，该制造方法可以直接打印几乎任何几何结构的零件，如直接打印相互嵌套的环等等。目前，激光增材制造技术所应用的材料已涵盖Ti合金、镍基合金和钴基合金等高温合金、铝合金、难熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等。在航空航天领域中高性能复杂构件和生物制造领域中多孔复杂结构制造具有显著优势。

目前激光金属增材制造分为两大类，一类是激光立体成形技术，另一类是激光选区熔融技术。其中激光选区熔融技术是先铺满一层粉末，然后激光在这一层粉末上面进行扫描，再铺下一层粉末，最后把零件从粉末中取出。而激光立体成形不需要铺粉，利用送粉器或金属丝输运装置直接将母材输送到激光的位置熔化并凝固成型，效率比激光选区熔融更高，需要的母材量也相对较少。虽然激光金属立体成形技术具有突出的技术优势，但由于激光能量输入较大，温度梯度较高，液态金属在非平衡状态下凝固。要控制其中熔化凝固的过程，进而调控凝固组织，消除凝固缺陷，实现性能的优化。这方面的研究还在进行中。

激光金属增材制造物理本质就是金属粉末或丝材受激光辐照温度升高而熔化，之后在之前的凝固层或基底上快速凝固。凝固组织形态主要受激光参数和底层散热条件控制。因此在制造过程中易产生柱状晶发达导致的各向异性、晶体生长方向失控、微孔，裂纹和变形等问题，影响制造零件的性能。是一直困扰研究者的难题。为此大量研究已经开展。在该非平衡凝固过程中，枝晶形态特征直接影响性能，平均一次枝晶间距随着激光扫描速度增大而减小。另一方面，高的冷却速度导致构件的溶质含量、分布及相组成也发生较大变化。在激光下的快速冷却过程中，由于凝固速度也就是固液界面推进速度非常快，导致溶质滞留现象。上个世纪80年代，就有人通过引入动态的非平衡分配系数对激光熔化时非平衡凝固的溶质滞留现象进行了数值模拟。而溶质滞留也减轻了由于溶质再分配导致的宏观偏析。

激光金属增材制造零件的组织特征是各向异性的外延生长柱状晶。内部微小孔洞也是激光金属增材制造中一种常见的组织缺陷，会很大程度上降低所制造的零件的物化性能。目前主要通过调整激光参数如激光功率以及激光与材料相对运动情况来控制凝固组织及其缺陷。L.E.Murr等发现330W激光制备的Ti-6Al-4V试样的平均晶粒尺寸小于780W激光制备的试样。但是受限于不同合金各自的最佳打印参数范围，通过调整激光参数来控制凝固组织会受到很大的限制。K.M.Mumtaz等对激光熔化增材制造Waspaloy合金构件进行研究发现，试样中孔洞的含量随着激光能量从5J增至9J而减少，当激光能量高于9J时，试样中的孔洞量反而增加。西北工业大学对不同的单道激光熔覆宽度以及不同的熔覆搭接率下激光成形进行对比，摸索出了几种金属材料最适宜的激光参数。如过小的搭接率也就是激光间距过大会导致两道熔覆之间出现凹陷，增大试样中孔洞形成的可能，过大的搭接率也就是激光间距过小则会使得道与道之间熔合不良形成较大的带状孔洞。Lore Thijs等认为过高的激光扫描速度会带来零件的多孔性。他们提出零件的多孔缺陷是由于激光的高速移动使得粉末无法完全熔化。传统铸造凝固中孔洞的产生主要是因为析出的气体来不及逃逸而包裹在合金中以及枝晶间液体的收缩得不到补充而形成缩松，但由于激光增材制造熔池体积小，存在时间短，并不适合使用大块金属铸造方面的知识结论。

激光立体成形工艺单道作业与激光焊接作业条件接近。裂纹和变形是激光立体成形构件中常见的问题，也是激光焊接的常见问题。在加热过程中，中心区域金属温度上升，受热膨胀时受到周围组织的约束而被压缩，超过弹性极限后就会发生被压缩的塑性变形。在温度回落后该区域会有残余的张应力。当残余应力超过限度就会产生裂纹。在凝固过程中以及凝固后的冷却过程中都可能引发裂纹。对基体预热可以使材料整体略微膨胀，激光作用区域的拘束作用就会减弱。因此对基体预热以及缓冷都有助于减小成形零件中的残余应力。在这一过程中，材料塑性变形的起始点以及热强度对残余应力以及变形乃至出现裂纹有重要影响。

黄卫东等指出，在保证沉积层与基体之间，沉积层与层之间达到足够强度冶金结合的同时，降低激光束能量或者提高扫描速度能够降低熔池过热度，进而减轻零件成形过程中的内应力，避免裂纹形成。激光熔化凝固的加热条件不仅对变形和裂纹有影响，而且合金构件自身的性能和几何构造也影响着变形和裂纹的发生。

因此，激光立体成形技术的凝固过程直接决定着最终金属构件的性能和质量。而其冷却速度高，甚至达到10⁵K/s，温度梯度大，且重复加热，将导致其组织难以控制，易于产生柱状晶、组织不均匀、微孔洞、裂纹和变形等缺陷。仅仅采用控制激光参数的方法已不能满足高质量高性能的制造要求，有必要开拓新的控制凝固晶粒组织的技术途径。

近年来，静磁场控制金属凝固的研究发展迅速。研究表明静磁场会影响金属凝固的过程，继而有效控制金属凝固，如改变固液界面稳定性，细化枝晶组织，促进金属凝固中的柱状晶向等轴晶转变和细化晶粒等。通过静磁场控制金属凝固过程的技术为解决上述激光金属增材制造中金属凝固控制提供了新思路，但目前尚未见将之应用于激光金属增材制作造技术领域中，目前激光立体成形凝固组织控制手段有限。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，将不同种激光金属增材制造的母材输运装置结合起来，可以实现铺粉、送粉以及送丝多种打印情况的母材输送以及组织控制，能通过磁场控制增材制造金属零件凝固组织形成。本发明通过施加外加磁场控制金属凝固组织的凝固行为，优化凝固组织，为控制凝固组织和获得均匀等轴晶组织提供了新途径，也为进一步探究控制激光增材制造过程的方法提供了条件。

为达到上述目的，本发明采用如下发明创造构思：

在激光金属增材制造的金属凝固过程中施加电磁场，流动的导电金属在磁场作用下产生感应电流，此电流与外加磁场相互作用在金属熔体中产生一体积力即电磁力，抑制金属熔体由于极高温度梯度而产生的对流。另一方面，快速凝固过程中难以避免的固/液界面处的极高温度梯度将在此处产生热电流，该电流与外加磁场相互作用产生促发熔体流动的热电磁力，从而达到对金属熔体搅拌的目的。对于金属熔体流动状态的控制，一方面可以通过驱动金属液流动，对枝晶端部产生剪切，造成枝晶碎断，形成新的晶核，细化晶粒；同时，流动可以加速熔池温度均匀化减缓起中心液池过热度，使固液界面前沿温度梯度减缓，两相区成分过冷增加，为内生形核提供条件，从而增加形核率，达到细化晶粒的目的。另一方面，热电磁力同时存在于凝固过程的固相当中，该力与温度梯度成正比，金属3D打印过程中金属凝固时固/液界面前沿的温度梯度可以高达10⁵K/m，这将产生客观的热电流，与外加磁场相互作用下的热电磁力可以与重力处于同一量级，这将为枝晶断裂提供可能。因此，通过磁场的复合作用，可以显著细化金属凝固中的晶粒尺寸，改善晶粒的形貌，细化凝固组织，使组织变得均匀致密，进而实现金属3D打印零件的组织控制。

然而在打印过程中，熔池的位置是不断变化的。在静磁场中，不同位置的磁场强度以及方向都会有区别。为保证打印过程中所有打印位置磁场条件的均一性，必须设计一种方法使激光熔池区域的磁场强度以及方向不变化。

在激光立体成形增材制造以及金属丝增材制造过程中，激光方向相对于激光发射器始终不变。而熔池始终在在激光焦距下方某一固定位置。因此，将磁场发生装置固定在激光发射器上就可以满足磁场需要。而在铺粉式增材制造过程中，磁场控制装置与基板保持相对静止，可以保证零件大部分区域在磁场中心位置。

根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：

一种能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，主要包括增材制造装置机架本体、控制装置、激光装置、电源装置、原料供应装置和工作平台，待制造的零件在工作平台上的基板之上制备，控制装置主要根据相应装置采集的信息和使用者输入的信息，通过数据处理后向各装置发出控制指令，电源装置为各装置提供电能，激光装置主要包括激光发射器，激光发射器光源装置固定安装在增材制造装置机架本体上，提供辐射方向和功率均可调节的激光热源，在进行增材制造时使所发射的激光束的焦点设置于基材或熔池的上方；控制装置主要控制激光装置输出的激光的功率和扫描路径以及工作平台的移动；增材制造装置还包括保护气体装置，为整个增材制造过程提供气体保护的氛围，将增材制造装置在封闭腔体中，在腔体内充入保护气体，并抽出腔体内气体，来实现增材制造过程的气体保护；原料供应装置采用增材制造母材输运装置，为增材制造过程提供原料，原料母材粉末或者原料丝材，在保护气体气氛下，将原料输送至基板上的每一层待制造的零件的激光成形位置处，激光逐层将原料熔化并形成逐层熔池；熔池在基板或者已经凝固的零件部分的强冷作用下进行凝固，使待制造的零件进行层层叠加成形；在熔池进行凝固时，通过磁场控制装置7在增材制造过程中施加外部磁场，对母材粉末或者原料丝材在受激光照射后快速熔化-凝固过程进行非接触干预，最终直接制备出零件。

上述增材制造母材输运装置优选采用喷头送粉方式、丝材输送方式和铺粉方式中的任意一种方式或者任意几种的混合方式进行为增材制造过程提供原料。

上述母材粉末或原料丝材优选采用无磁不锈钢材料、铝、铝合金、钛、钛合金、镍、镍合金和钴铬合金中任意一种金属材料或任意几种金属材料；或者当增材制造母材输运装置采用铺粉方式为增材制造过程提供原料时，母材粉末优选采用陶瓷材料；或者当增材制造母材输运装置采用丝材输送方式为增材制造过程提供原料时，原料丝材优选采用塑料丝材。

作为本发明上述技术方案的第一种进一步优选的技术方案，增材制造母材输运装置采用喷头送粉方式为增材制造过程提供原料，增材制造母材输运装置采用使用多喷头送粉器来送进粉料，每个喷头皆具有进粉口和喷粉口，多个喷头在熔池周围对称分布，使多个喷粉口方向指向激光斑点方向或熔池方向，通过喷头向熔池位置喷射气粉两相流；在送粉器中使用保护气体，通过将原料粉末与保护气体充分混合得到气粉两相流，通过喷粉口将原料粉末至基板上的激光斑点位置处或熔池位置处进行加热熔化。

作为本发明上述技术方案的第二种进一步优选的技术方案，增材制造母材输运装置采用丝材输送方式为增材制造过程提供原料，丝材母材从丝材输运出口直接送进工作平台上的基板上，被激光熔化之后形成熔池。

作为本发明上述技术方案的第三种进一步优选的技术方案，增材制造母材输运装置采用铺粉方式为增材制造过程提供原料，通过预先铺粉来输送母材，激光扫描时激光发射器不动，磁场控制装置与基板保持相对静止，在增材制造过程中，使待制造的零件的中心部位保持处于磁场中心位置。

作为本发明上述技术方案的更进一步优选的技术方案，磁场控制装置设置在工作平台上的基板侧面进行安装，使熔池处于磁场中心位置处，通过激光发射器上的固定器，将磁场控制装置作为母材输运装置安装在激光发射器上，在增材制造过程中，固定器同时控制磁体沿Y轴方向进行俯仰转动，俯仰摆动机械臂通过磁场角度控制器安装在固定器上，磁场控制装置安装在俯仰摆动机械臂上，通过改变俯仰摆动机械臂的水平夹角来控制磁场方向，并通过改变磁场控制装置的N极和S极磁体之间的距离，调整改变磁极间隙大小，并通过磁场控制装置来控制激光斑点位置处或熔池位置处的磁场强度。

作为本发明上述技术方案的更进一步优选的技术方案，磁场控制装置使用永磁体作为磁场发生装置，通过改变永磁体与熔池的位置来控制磁场分布情况，或者通过改变永磁体与激光斑点的位置来控制磁场分布情况，永磁体设置在基板的上方的熔池的侧面，使激光斑点或熔池处于磁体连线的中心位置处；在增材制造过程中，维持磁场控制装置的磁体与基板的上方的熔池相对位置不变，俯仰摆动机械臂上还安装磁体夹持装置，利用磁体夹持装置将永磁体安装在俯仰摆动机械臂上，通过调整调节磁体夹持装置，辅助控制磁场强度大小及磁力线角度，并通过改变磁场控制装置的N极和S极磁体之间的距离，调整改变磁极间隙大小，来控制N极和S极磁体连线中心处的磁场强度。

作为本发明上述技术方案的更进一步优选的技术方案，外部磁场方向还通过调节固定磁体的架子来进行调节，为竖直方向至水平方向中的任意一种方向或任意几种方向，其中竖直方向为由下至上方向或由上至下方向，其中水平方向为由左至右方向、由右至左方向、由前至后方向或由后至前方向。

作为本发明上述技术方案的更进一步优选的技术方案，外部施加的磁场的磁场强度根据待加工零件的尺寸和材料种类进行设置，磁场强度还能根据磁极间隙大小进行调整。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明装置包括母材输运装置和磁场发生装置，将实现对激光金属增材制造凝固组织的在线控制，可以通过该磁场装置进一步探究磁场对激光立体成形凝固过程的影响，进而改善打印零件的使用性能，为拓展可打印材料范围提供可能；

2.本发明装置在凝固过程中施加非稳恒磁场，可加速金属熔体的流动，从而对枝晶端部产生剪切，造成枝晶碎断，形成新的晶核，细化晶粒；

3.本发明装置在凝固过程中施加稳恒静磁场，在抑制熔体强烈对流，均匀组织的同时在固相中可产生热电磁力，为枝晶断裂提供可能，实现激光立体成形过程中凝固组织的在线细化，组织的细化将会避免缩孔、裂纹等缺陷的产生；

4.本发明装置的电磁场发生装置可以是永磁铁也可以是电磁铁，生产工艺简单，安装灵活，磁场控制装置安装在激光发射器上，可以保证熔池在成形过程中一直处于理想的磁场环境中。磁场的方向，强弱都可以通过调节磁体的固定装置来实现；可以在对现有激光立体成形设备改动较小的情况下实现设备升级；

5.本发明装置在现有激光金属增材制造设备上升级而来，制备出来的物体可以是形状简单的块、棒状零件，也能制备形状复杂的功能性零件；

6.本发明装置与现有金属增材制造的母材输运装置不同，可以同时实现对铺粉、送粉和送丝形式的金属增材制造，可以适配多种不同的3D打印设备，完成多重任务，对多种增材制造过程进行母材输运并控制其凝固组织。

附图说明

图1为本发明实施例一能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置结构示意图。

图2为本发明实施例一能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置局部剖面图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1和图2，一种能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，主要包括增材制造装置机架本体、控制装置、激光装置、电源装置、原料供应装置和工作平台，待制造的零件在工作平台上的基板之上制备，控制装置主要根据相应装置采集的信息和使用者输入的信息，通过数据处理后向各装置发出控制指令，电源装置为各装置提供电能，激光装置主要包括激光发射器，激光发射器光源装置固定安装在增材制造装置机架本体上，提供辐射方向和功率均可调节的激光热源，在进行增材制造时使所发射的激光束的焦点设置于基材或熔池的上方；控制装置主要控制激光装置输出的激光的功率和扫描路径以及工作平台的移动；增材制造装置还包括保护气体装置，为整个增材制造过程提供气体保护的氛围，将增材制造装置在封闭腔体中，在腔体内充入保护气体，并抽出腔体内气体，来实现增材制造过程的气体保护；原料供应装置采用增材制造母材输运装置，为增材制造过程提供原料，原料母材粉末在保护气体气氛下，将原料输送至基板上的每一层待制造的零件的激光成形位置处，激光逐层将原料熔化并形成逐层熔池；熔池在基板或者已经凝固的零件部分的强冷作用下进行凝固，使待制造的零件进行层层叠加成形；在熔池进行凝固时，通过磁场控制装置7在增材制造过程中施加外部磁场，对母材粉末或者原料丝材在受激光照射后快速熔化-凝固过程进行非接触干预，最终直接制备出零件。本实施例在进行激光金属增材制造时，通过向打印设备施加外部电磁场，对母材在受激光照射后快速熔化-凝固过程进行非接触干预，进而实现对金属零件凝固过程的控制。电磁场对金属熔体的调控以及固相中热电磁力使得枝晶断裂等作用可以起到细化晶粒、均匀组织、避免缩孔、裂纹等缺陷产生的效果，进一步控制激光立体成形的零件组织。利用本实施例装置，能进一步探究磁场对激光金属增材制造过程的影响，进而实现对金属零件凝固过程的控制。

在本实施例中，参见图1和图2，增材制造母材输运装置采用喷头送粉方式为增材制造过程提供原料，增材制造母材输运装置采用使用多喷头送粉器来送进粉料，每个喷头皆具有进粉口2和喷粉口3，多个喷头在熔池周围对称分布，使多个喷粉口3方向指向激光斑点方向或熔池方向，通过喷头向熔池位置喷射气粉两相流；在送粉器中使用保护气体，通过将原料粉末与保护气体充分混合得到气粉两相流，通过喷粉口3将原料粉末至基板上的激光斑点位置处或熔池位置处进行加热熔化。本实施例增材制造母材输运装置使金属粉末采用竖直重力输送原料方式和通过保护气体输送原料方式中的任意一种独立的原料供应方式。

在本实施例中，参见图1和图2，磁场控制装置7设置在工作平台上的基板侧面进行安装，使熔池处于磁场中心位置处，通过激光发射器上的固定器5，将磁场控制装置7作为母材输运装置安装在激光发射器上，在增材制造过程中，固定器5同时控制磁体沿Y轴方向进行俯仰转动，俯仰摆动机械臂6通过磁场角度控制器4安装在固定器5上，磁场控制装置7安装在俯仰摆动机械臂6上，通过改变俯仰摆动机械臂6的水平夹角来控制磁场方向，并通过改变磁场控制装置7的N极和S极磁体之间的距离，调整改变磁极间隙大小，并通过磁场控制装置7来控制激光斑点位置处或熔池位置处的磁场强度。本实施例施加的外部磁场方向还通过调节固定磁体的架子来进行调节。本实施例磁场控制装置7可以安装在激光立体成形设备上，在进行增材制造时，该装置的两块磁体在激光熔池两侧放置，使激光熔池刚好处于两块磁体连线的中心，此时磁场方向为水平方向。由于在打印过程中激光熔池会在基材上移动，而激光参数确定后，激光发射器与激光斑点保持相对静止，而固定在激光发射器上的磁场控制装置就会与激光斑点保持相对静止，保证了在激光立体成形的磁场控制过程中凝固区域的磁场条件恒定为最优条件。

在本实施例中，参见图1和图2，磁场控制装置7使用永磁体作为磁场发生装置，通过改变永磁体与熔池的位置来控制磁场分布情况，或者通过改变永磁体与激光斑点的位置来控制磁场分布情况，永磁体设置在基板的上方的熔池的侧面，使激光斑点或熔池处于磁体连线的中心位置处；在增材制造过程中，维持磁场控制装置7的磁体与基板的上方的熔池相对位置不变，俯仰摆动机械臂6上还安装磁体夹持装置，利用磁体夹持装置将永磁体安装在俯仰摆动机械臂6上，通过调整调节磁体夹持装置，辅助控制磁场强度大小及磁力线角度，并通过改变磁场控制装置7的N极和S极磁体之间的距离，调整改变磁极间隙大小，来控制N极和S极磁体连线中心处的磁场强度。本实施例施加的外部电磁场是有两块磁体提供的稳恒磁场。为确保在制造过程中熔池位置的磁场强度和方向始终保持不变，需要将固定磁体的架子装在激光发生器上。外部电磁场的磁场强度为从0至磁场发生装置极限大小，磁场强度根据待加工金属零件的尺寸进行设置，即磁场强度根据磁极间隙大小而定。通过调节磁体的距离来控制磁场强度。本实施例在进行激光金属增材制造时，母材粉末是无磁性材料。

在本实施例中，参见图1和图2，磁场控制喷头安装在大型激光立体成形设备上。在进行送粉打印时，由于金属粉末的流动性比较差，在送粉器中使用保护气体，通过将金属粉末与Ar气保护气体充分混合得到气粉两相流。通过喷粉口3将粉末原料源源不断的送至基材上的激光斑点以及熔池处熔化。保护气体部分在图1和图2中未列出，保护气体部分为整个打印过程提供气体保护的氛围，由于激光加热金属粉末过程在空气中会发生氧化，降低成形质量，于是整个装置在封闭腔体中进行，在腔体内不断充入保护气体，并抽出腔体内气体来实现整过程的气体保护。控制系统部分主要控制激光的功率和扫描路径以及工作平台的移动。

其中可以实现磁场控制的母材输运装置为本发明的独创。在进行激光3D打印时，首先将金属基材安装在工作平台上，将送粉器的两相流管道接在进粉口2上。依靠固定器5将磁体固定在激光熔池周围来提供磁场。磁场控制可以改变熔池处的磁场强度和方向。通过固定器5将整个磁场控制装置固定在激光器上，可以保证在打印过程中磁体与熔池相对位置不变，固定器5同时可以控制磁体沿Y轴方向转动。两条高自由度的俯仰摆动机械臂6通过磁场角度控制器4安装在固定器5上，通过改变俯仰摆动机械臂6的水平夹角来控制磁场方向。两条俯仰摆动机械臂6同时可以辅助控制磁场及角度，并通过改变两磁体之间的距离来控制连线中心处激光熔池所在区域的磁场强度。在本实施例中，参见图1和图2，在激光立体成形快速凝固过程中施加磁场，在磁场的作用下，快速凝固的固/液界面处能够产生热电流，热电流与磁场相互作用产生触发熔体流动的热电磁力，枝晶端部受到力的作用后产生剪切，造成枝晶碎断，形成大量新的晶核；另一方面，熔体的流动减缓了固/液界面前沿的温度梯度，使得两相区成分过冷增加，进而增加了形核率。达到细化晶粒，改善晶粒的形貌，使组织变得均匀致密，进而实现通过磁场控制激光立体成形的凝固组织。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，增材制造母材输运装置采用丝材输送方式为增材制造过程提供原料，丝材母材从丝材输运出口1直接送进工作平台上的基板上，被激光熔化之后形成熔池。本实施例在进行金属丝打印时，母材从丝材输运出口1直接送进工作台基板上，被激光熔化之后形成熔池，其他与实施例一采用的送粉打印方式相同。本实施例金属丝材由于其特殊形状，通过管道直接输运进熔池。在进行激光金属增材制造时，实施例一采用的母材粉末是无磁性材料，而本实施例采用丝材可以不受此限制。本实施例增材制造母材输运装置可以安装在金属线3D打印设备上，在进行增材制造时，控制喷头的两块磁体在熔化金属丝的熔池两侧放置，金属丝材通过本设备送入，与激光发射器配合进行打印。

其中可以实现磁场控制的母材输运装置为本发明的独创。在进行激光3D打印时，首先将金属基材安装在工作平台上，将丝材输送管道放入金属丝输运出口1。依靠固定器5将磁体固定在激光熔池周围来提供磁场。磁场控制可以改变熔池处的磁场强度和方向。通过固定器5将整个磁场控制装置固定在激光器上，可以保证在打印过程中磁体与熔池相对位置不变，固定器5同时可以控制磁体沿Y轴方向转动。两条高自由度的俯仰摆动机械臂6通过磁场角度控制器4安装在固定器5上，通过改变俯仰摆动机械臂6的水平夹角来控制磁场方向。两条俯仰摆动机械臂6同时可以辅助控制磁场及角度，并通过改变两磁体之间的距离来控制连线中心处激光熔池所在区域的磁场强度。在本实施例中，参见图1和图2，在激光立体成形快速凝固过程中施加磁场，在磁场的作用下，快速凝固的固/液界面处能够产生热电流，热电流与磁场相互作用产生触发熔体流动的热电磁力，枝晶端部受到力的作用后产生剪切，造成枝晶碎断，形成大量新的晶核；另一方面，熔体的流动减缓了固/液界面前沿的温度梯度，使得两相区成分过冷增加，进而增加了形核率。达到细化晶粒，改善晶粒的形貌，使组织变得均匀致密，进而实现通过磁场控制激光立体成形的凝固组织。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，增材制造母材输运装置采用铺粉方式为增材制造过程提供原料，通过预先铺粉来输送母材，激光扫描时激光发射器不动，磁场控制装置7与基板保持相对静止，在增材制造过程中，使待制造的零件的中心部位保持处于磁场中心位置。

本实施例在进行激光金属增材制造时，通过向打印设备施加外部电磁场，对母材在受激光照射后快速熔化-凝固过程进行非接触干预，进而实现对金属零件凝固过程的控制。电磁场对金属熔体的调控以及固相中热电磁力使得枝晶断裂等作用可以起到细化晶粒、均匀组织、避免缩孔、裂纹等缺陷产生的效果，进一步控制激光立体成形的零件组织。

上述实施例一～实施例三，在金属激光立体成形快速凝固过程中施加磁场，在磁场的作用下，快速凝固的固/液界面处能够产生热电流，热电流与磁场相互作用产生触发熔体流动的热电磁力，枝晶端部受到力的作用后产生剪切，造成枝晶碎断，形成大量新晶核，提高形核率；另一方面，静磁场抑制金属熔体流动，减弱了凝固过程中的偏析作用。本发明独创性的将不同种激光金属增材制造的母材输运装置结合起来，可以实现铺粉、送粉以及送丝多种打印情况的母材输送以及组织控制。在铺粉打印时磁场控制装置固定在基板两侧，保证零件大部分区域处于磁场中心。而在送粉或送丝打印时磁场控制装置固定在激光发射器上，作为母材输运装置，可以保证激光熔池时刻处于磁场中心，此处磁场强度最大且磁场方向与两块磁体平行，方便对磁场的控制以及进一步探究磁场对激光立体成形的快速凝固过程的影响。

上述实施例一～实施例三，送粉式激光立体成形设备和金属丝打印设备与激光选区熔融设备不同，送粉送丝打印激光不移动，依靠工作平台的移动来实现熔池在基材上的移动，而铺粉打印工作台不移动，激光以特定路径扫描。除了上述实施例一～实施例三，水平磁场发生器和竖直磁场发生装置优选采用永磁体或电磁体产生磁场。本发明上述实施例为进一步通过施加静磁场来控制金属凝固过程，设计了相对于外部直接给定静磁场更方便更准确的磁场发生方法与装置，探究静磁场对激光立体成形过程的影响进而得到性能更为优良的金属增材制造零件。磁场控制装置7可以安装在激光选区熔融设备上，在进行增材制造时，该设备的两块磁体在激光工作基板两侧放置，使该层激光熔池大部分处于两块磁体的中心，此时磁场方向为水平方向。外加的磁场控制装置带有磁场调节的作用，可以通过调节磁体夹持装置来调节磁场角度和磁场强。通过调整磁体与激光熔池之间的位置关系来间接控制熔池位置的磁场强度。磁场控制装置通过改变磁极间隙大小来控制磁场强度。而且磁场强度的调节与磁场方向的调节是相对独立的。除了上述实施例一～实施例三，增材制造母材输运装置安装在三种激光增材制造设备上，包括送粉式大型激光立体成形设备、铺粉式选区熔融打印设备以及送丝式金属丝打印设备。

除了上述实施例一～实施例三，在进行激光3D打印时，首先将金属基材安装在工作平台上，将送粉器的两相流管道接在进粉口2上，或者将丝材输送管道出口放入丝材输运装置1。依靠固定器将磁体固定在激光熔池周围来提供磁场。磁场控制可以改变熔池处的磁场强度和方向。通过固定器5将整个磁场控制装置固定在激光器上，可以保证在打印过程中磁体与熔池相对位置不变，固定器5同时可以控制磁体沿Y轴方向转动。两条高自由度机械臂通过磁场角度控制器4安装在固定器5上，通过改变机械臂的水平夹角来控制磁场方向。两条高自由度机械臂同时可以辅助控制磁场及角度，并通过改变两磁体之间的距离来控制连线中心处激光熔池区域的磁场强度。

在进行送粉打印时，由于金属粉末的流动性比较差，在送粉器中使用保护气体，通过将金属粉末与Ar气保护气体充分混合得到气粉两相流。通过喷粉口将粉末原料源源不断的送至基材上的激光斑点以及熔池处熔化；进行金属丝打印时，母材从金属丝输运出口直接送进工作台基板上，被激光熔化之后形成熔池，其他与送粉打印相同；在进行铺粉打印时，通过预先铺粉来输送母材，激光扫描时激光发射器不动，磁场控制装置与基板保持相对静止，在打印过程中零件的中心部位可以保证处于磁场中心位置。保护气体部分为整个打印过程提供气体保护的氛围，由于激光加热金属粉末过程在空气中会发生氧化，降低成形质量，于是整个装置在封闭腔体中进行，在腔体内不断充入保护气体并抽出腔体内气体来实现整过程的气体保护。

实施例四：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，当增材制造母材输运装置采用铺粉方式为增材制造过程提供原料时，母材粉末采用陶瓷材料。外部施加的磁场的磁场强度根据待加工零件的尺寸和材料种类进行设置，磁场强度还能根据磁极间隙大小进行调整。

实施例五：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，当增材制造母材输运装置采用丝材输送方式为增材制造过程提供原料时，原料丝材采用塑料丝材。外部施加的磁场的磁场强度根据待加工零件的尺寸和材料种类进行设置，磁场强度还能根据磁极间隙大小进行调整。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，主要包括增材制造装置机架本体、控制装置、激光装置、电源装置、原料供应装置和工作平台，待制造的零件在工作平台上的基板之上制备，控制装置主要根据相应装置采集的信息和使用者输入的信息，通过数据处理后向各装置发出控制指令，所述电源装置为各装置提供电能，激光装置主要包括激光发射器，其特征在于：激光发射器光源装置固定安装在增材制造装置机架本体上，提供辐射方向和功率均可调节的激光热源，在进行增材制造时使所发射的激光束的焦点设置于基材或熔池的上方，控制装置主要控制激光装置输出的激光的功率和扫描路径以及工作平台的移动；增材制造装置还包括保护气体装置，为整个增材制造过程提供气体保护的氛围，将增材制造装置在封闭腔体中，在腔体内充入保护气体，并抽出腔体内气体，来实现增材制造过程的气体保护；所述原料供应装置采用增材制造母材输运装置，为增材制造过程提供原料，原料母材粉末或者原料丝材，在保护气体气氛下，将原料输送至基板上的每一层待制造的零件的激光成形位置处，激光逐层将原料熔化并形成逐层熔池；熔池在基板或者已经凝固的零件部分的强冷作用下进行凝固，使待制造的零件进行层层叠加成形；在熔池进行凝固时，通过磁场控制装置（7）在增材制造过程中施加外部磁场，对原料母材粉末或者原料丝材在受激光照射后快速熔化-凝固过程进行非接触干预，最终直接制备出零件；在进行增材制造过程中，采用如下任意一种方法，调控激光装置或磁场控制装置（7），使激光熔池区域的磁场强度以及方向不变化：

方法一：采用激光立体成形增材制造或金属丝增材制造方法，使激光方向相对于激光发射器始终不变；而熔池始终在在激光焦距下方某一固定位置；将磁场发生装置固定在激光发射器上来满足磁场需要；

方法二：采用铺粉式增材制造方法，使激光扫描时激光发射器不动，使磁场控制装置（7）与基板保持相对静止，保证零件的中心部位保持处于磁场中心位置。

2.根据权利要求1所述能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，其特征在于：所述增材制造母材输运装置采用喷头送粉方式、丝材输送方式和铺粉方式中的任意一种方式或者任意几种的混合方式进行为增材制造过程提供原料。

3.根据权利要求2所述能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，其特征在于：

当增材制造母材输运装置采用铺粉方式为增材制造过程提供原料时，原料母材粉末采用无磁不锈钢材料、铝、铝合金、钛、钛合金、镍、镍合金和钴铬合金中任意一种金属材料或任意几种金属材料，或者采用陶瓷材料；

或者，当增材制造母材输运装置采用丝材输送方式为增材制造过程提供原料时，原料丝材采用无磁不锈钢材料、铝、铝合金、钛、钛合金、镍、镍合金和钴铬合金中任意一种金属材料或任意几种金属材料，或者采用塑料丝材。

4.根据权利要求2所述能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，其特征在于：所述增材制造母材输运装置采用喷头送粉方式为增材制造过程提供原料，所述增材制造母材输运装置采用使用多喷头送粉器来送进粉料，每个喷头皆具有进粉口（2）和喷粉口（3），多个喷头在熔池周围对称分布，使多个喷粉口（3）方向指向激光斑点方向或熔池方向，通过喷头向熔池位置喷射气粉两相流；在送粉器中使用保护气体，通过将原料母材粉末与保护气体充分混合得到气粉两相流，通过喷粉口（3）将原料母材粉末至基板上的激光斑点位置处或熔池位置处进行加热熔化。

5.根据权利要求2所述能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，其特征在于：所述增材制造母材输运装置采用丝材输送方式为增材制造过程提供原料，原料丝材从丝材输运出口（1）直接送进工作平台上的基板上，被激光熔化之后形成熔池。

6.根据权利要求2所述能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，其特征在于：所述增材制造母材输运装置采用铺粉方式为增材制造过程提供原料，通过预先铺粉来输送原料母材粉末。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，其特征在于：使熔池处于磁场中心位置处；

在激光发射器上安装固定器（5），俯仰摆动机械臂（6）通过磁场角度控制器（4）安装在固定器（5）上，所述磁场控制装置（7）安装在俯仰摆动机械臂（6）上，使所述磁场控制装置（7）设置在工作平台上的基板侧面，从而通过激光发射器上的固定器（5），将所述磁场控制装置（7）作为母材输运装置安装在激光发射器上；

在增材制造过程中，固定器（5）同时控制磁场控制装置（7）的磁体沿Y轴方向进行俯仰转动，通过改变俯仰摆动机械臂（6）的水平夹角来控制磁场方向，并通过改变所述磁场控制装置（7）的磁体的N极和S极磁体之间的距离，调整改变磁极间隙大小，并通过磁场控制装置（7）来控制激光斑点位置处或熔池位置处的磁场强度。

8.根据权利要求7所述能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，其特征在于：磁场控制装置（7）使用永磁体作为磁场发生装置，通过改变永磁体与熔池的位置来控制磁场分布情况，或者通过改变永磁体与激光斑点的位置来控制磁场分布情况，所述永磁体设置在基板的上方的熔池的侧面，使激光斑点或熔池处于永磁体连线的中心位置处；在增材制造过程中，维持所述磁场控制装置（7）的永磁体与基板的上方的熔池相对位置不变，俯仰摆动机械臂（6）上还安装磁体夹持装置，利用磁体夹持装置将永磁体安装在俯仰摆动机械臂（6）上，通过调整调节磁体夹持装置，辅助控制磁场强度大小及磁力线角度，并通过改变所述磁场控制装置（7）的N极和S极磁体之间的距离，调整改变磁极间隙大小，来控制N极和S极磁体连线中心处的磁场强度。

9.根据权利要求7所述能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，其特征在于：外部磁场方向还通过调节固定磁体的架子来进行调节，为竖直方向至水平方向中的任意一种方向或任意几种方向，其中竖直方向为由下至上方向或由上至下方向，其中水平方向为由左至右方向、由右至左方向、由前至后方向或由后至前方向。

10.根据权利要求7所述能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，其特征在于：外部施加的磁场的磁场强度根据待加工零件的尺寸和材料种类进行设置，磁场强度还能根据磁极间隙大小进行调整。

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