CN110039054B - 一种增材材料高通量成型装置及成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增材材料高通量成型装置及成型方法，通过设置粉末床激光熔腔、送粉器系统、过渡舱和混粉装置；在粉末床激光熔腔腔体壁设置过渡舱通孔，将过渡舱固定于过渡舱通孔内，在过渡舱中设置上密封阀门和下密封阀门使过渡舱内形成过渡腔结构，过渡舱的过渡腔管壁设有充气管道和排气管道，利用过渡舱内的过渡腔结构对待添加粉末进行环境置换，避免重新加粉对成型腔内环境进行置换，实现了一次成型对多种材料成分进行筛选的作用，成倍提高了材料制备效率，减小了成型腔内环境置换，本装置通过控制粉末的供应量可以实现不同位置粉末的精确供给，同时能够快速更换不同添加粉末，利用混合装置能够有效熔化金属颗粒并使成分均匀混合。

Description

一种增材材料高通量成型装置及成型方法
技术领域
本发明涉及增材材料的高通量试样技术领域，具体涉及一种增材材料高通量成型装置及成型方法。
背景技术
材料的发展水平始终是时代进步和社会文明的标志，面对新时期工业技术更新速度快、装备服役环境日益苛刻的应用环境，使得新型关键材料的发展越来越具有成分多元化、复杂化、微结构多级化的发展特点，传统的“试错”式材料开发模式在时间和资金上不仅耗费巨大，而且由于受到试验效率的限制，导致难以满足新时期材料开发的要求，因此急需一种高效的材料开发手段。然而即便是在材料计算技术领先的欧美国家，由于受到计算能力、理论模型和基础数据的限制，计算结果还远远达不到实验结果水平，无法满足实用要求，为使材料科学走向“按需设计”的终极目标，高通量试验则具有重要的意义。
增材制造技术是一种材料累加成型方法，具有工艺流程短，材料利用率高，成型外观灵活的特点，通过控制粉末的供应量可以实现不同位置粉末的精确供给，此外激光能量密度高，熔池运动剧烈，能够有效熔化金属颗粒并使成分均匀混合。目前粉末床激光熔融技术采用预置粉末方式，相比于其他方式具有元素过度数量稳定可控的优势，因此粉末床激光熔融技术在高通量材料制备方面具有极大的优势，但是由于粉末床激光熔融技术采用预置粉末方式，从而导致一次只能预制一定量的粉末，制备一种样品层，而需要多层样品层时，需要进行打开粉末床激光熔腔重新加粉，重新置换粉末床激光熔腔内打印环境，从而降低打印速度，需要进行多次粉末床激光熔腔环境置换，造成能源浪费，并且对于一次加入粉末数量不够或者需要叠加制造，需要重新加粉并且重置成型环境氛围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增材材料高通量成型装置及成型方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种增材材料高通量成型装置，包括粉末床激光熔腔、送粉器系统、过渡舱和混粉装置；粉末床激光熔腔腔体壁设有过渡舱通孔，过渡舱固定于过渡舱通孔内，过渡舱中设有上密封阀门和下密封阀门，过渡舱内的上密封阀门和下密封阀门之间形成过渡腔，过渡舱的过渡腔管壁设有充气管道和排气管道，过渡舱上端设有气粉分离装置，气粉分离装置连接于送粉器系统，粉末床激光熔腔内设有成型装置，过渡舱下端设有混粉装置，混粉装置的出粉口设置于成型装置的落粉盒上端。
进一步的，成型装置采用升降成型库结构，升降成型库结构包括成型平台和设置于成型平台下端的升降平台。
进一步的，粉末床激光熔腔内设有用于回收落粉盒内的多余粉末的回粉槽。
进一步的，过渡舱的出粉口与混粉装置的进粉口连通，过渡舱的出粉口与混粉装置的进粉口之间设有下密封阀门。
进一步的，送粉器系统包括送粉器，送粉器通过送粉管道连通至气粉分离装置内。
进一步的，气粉分离装置采用重力式气粉分离装置或旋风式气粉分离装置。
进一步的，所述混粉装置采用机械式混粉装置或流化床式混粉装置。
进一步的，机械式混粉装置包括犁刀式或者是螺杆式。
进一步的，落粉盒的容腔两侧设有刮刀，刮刀为软刮刀，材质为橡胶、硅胶的塑料材质；混粉装置下端设有粉末分散器。
一种增材材料高通量成型方法，包括以下步骤：
按照所需成分配比将金属粉末通过送粉系统送入气粉分离装置内进行气粉分离，然后将气粉分离后的金属粉末在过渡舱内进行氛围置换，然后将经过氛围置换的金属粉末通过混粉装置送入落粉盒中，然后根据成型信息进行成型，将成型完成后的剩余粉末通过回粉槽回收，然后按照上述步骤重新加粉后上一层成型结构上进行铺粉成型，直至所有成分样品打印结束，最终得到按照层状分布的样品库，完成材料制备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种增材材料高通量成型装置，通过设置粉末床激光熔腔、送粉器系统、过渡舱和混粉装置；在粉末床激光熔腔腔体壁设置过渡舱通孔，将过渡舱固定于过渡舱通孔内，在过渡舱中设置上密封阀门和下密封阀门使过渡舱内形成过渡腔结构，过渡舱的过渡腔管壁设有充气管道和排气管道，利用过渡舱内的过渡腔结构对待添加粉末进行环境置换，避免重新加粉对成型腔内环境进行置换，实现了一次成型对多种材料成分进行筛选的作用，成倍提高了材料制备效率，减小了成型腔内环境置换，本装置通过控制粉末的供应量可以实现不同位置粉末的精确供给，同时能够快速更换不同添加粉末，利用混合装置能够有效熔化金属颗粒并使成分均匀混合，本装置结构简单，利用送分装置配合过渡装置实现高通量粉末的输送。
本发明一种增材材料高通量成型方法，按照所需成分配比将金属粉末通过送粉系统送入气粉分离装置内进行气粉分离，然后将气粉分离后的金属粉末在过渡舱内进行氛围置换，然后将经过氛围置换的金属粉末通过混粉装置送入落粉盒中，然后根据成型信息进行成型，将成型完成后的剩余粉末通过回粉槽回收，然后按照上述步骤重新加粉后上一层成型结构上进行铺粉成型，直至所有成分样品打印结束，最终得到按照层状分布的样品库，完成材料制备，利用送分装置配合过渡装置实现高通量粉末的输送，进而实现高通量的材料制备，大幅度提高了材料筛选速度；本发明为粉末床激光熔融技术采用可更换预置粉末方式，相比于其他方式具有元素过度数量稳定可控的优势，因此粉末床激光熔融技术在高通量材料制备方面具有极大的优势
附图说明
图1本发明结构示意图。
图中，1-送粉器；2-送粉管道；3-气粉分离装置；4-上密封阀门；5-过渡舱；6-充气管道；7-排气管道；8-下密封阀门；9-混粉装置；10-过渡阀门；11-粉末分散器；12-落粉盒；13-刮刀；14-升降成型库结构；15-回粉槽。
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所示，一种增材材料高通量成型装置，包括粉末床激光熔腔、送粉器系统、过渡舱5和混粉装置9；粉末床激光熔腔腔体壁设有过渡舱通孔，过渡舱5固定于过渡舱通孔内，过渡舱5中设有上密封阀门4和下密封阀门8，过渡舱5内的上密封阀门4和下密封阀门8之间形成过渡腔，过渡舱5的过渡腔管壁设有充气管道6和排气管道7，过渡舱5上端设有气粉分离装置3，气粉分离装置3连接于送粉器系统，粉末床激光熔腔内设有成型装置，过渡舱5下端设有混粉装置9，混粉装置9的出粉口设置于成型装置的落粉盒12上端；
成型装置采用升降成型库结构14，升降成型库结构14包括成型平台和设置于成型平台下端的升降平台；升降平台用于控制成型平台与铺粉面对齐；
粉末床激光熔腔内设有回粉槽15，用于回收落粉盒12内的多余粉末；
粉末床激光熔腔用于粉末熔融成型，过渡舱5的出粉口与混粉装置9的进粉口连通，过渡舱5的出粉口与混粉装置9的进粉口之间设有下密封阀门8；
送粉器系统包括送粉器1，送粉器1通过送粉管道2连通至气粉分离装置3内；根据使用情况，气粉分离装置3通过送粉管道2可连接多个送粉器，以实现不同粉末同时输送，提高输送效率；送粉器采用载气式送粉或非载气式送粉；
气粉分离装置采用重力式气粉分离装置或旋风式气粉分离装置；送粉器的送粉精度为0.01％-5％，送粉速度在0.1g/min-10g/min；送粉管道选用塑料管或者钢管材质，直径>3mm，长度<50cm。
排气管道采用真空管道；
所述混粉装置采用机械式混粉装置或流化床式混粉装置，机械式混粉装置包括犁刀式或者是螺杆式；作为优选，选用机械式混粉结构，混合时间为3-20分钟；
落粉盒12的容腔两侧设有刮刀13，刮刀13为软刮刀，材质为橡胶、硅胶的塑料材质；
升降成型库结构14采用增材制造的方式进行成型，成型的形状与每种材料的厚度根据后续检测需要制定，在样品库制备过程中，作为优选，样品库成型层厚范围选择为20-150μm，落粉盒中粉末供给量为成型单层所需粉末量的1.5-10倍供粉。
混粉装置9下端设有粉末分散器11，粉末分散器11用于使单质金属粉末分散后落入落粉盒内；
下面结合附图对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明：
送粉器按照所需成分的将单质金属粉末分别或者同时送入气粉分离装置3内，进行气粉分离后打开上密封阀门4，单质金属粉末进入过渡舱5内，然后关闭上密封阀门4，从充气管道6内通入成型腔内成型环境氛围气体，其余气体从排气管道7排除，或者首先通过排气管道7对过渡舱5抽真空，再通过充气管道6对过渡舱5内充入与成型腔内成型环境氛围气体一致的保护气体，重复3次以上，打开下密封阀门8，使粉末落入混粉装置9，使过渡舱内的气体氛围与成型腔内的气体氛围一致，打开下密封阀门8，单质金属粉末从过渡舱5送入粉末混粉装置9中，混粉装置9将单质粉末混合均匀后经粉末分散器11送入落粉槽中；原位材料制备，通过刮刀13对粉末进行铺设，通过高能激光束按照规定的扫描策略，对单质金属混合粉末进行熔化实现合金化并成型所需测试样件；在完成一种成分的打印之后将落粉盒12中的粉末通过回粉槽15进行振动筛分回收，之后自动混配装置则根据新一个粉末成分进行混配得到的新粉末进入落粉盒12，然后落粉盒在上一成分上进行铺放，在前一材料样品上继续进行成型，直至所有成分样品打印结束，最终得到按照层状分布的样品库14，完成材料制备。
高通量材料设计与模型数据，包括所需成型的材料成分信息和成型试样的成型信息，成分信息输送到粉末自动混配装置实现所需成分的自动混配，成型信息输送到打印机中，控制测试样品的成型。
一种增材材料高通量成型方法，按照所需成分配比将金属粉末通过送粉系统送入气粉分离装置内进行气粉分离，然后将气粉分离后的金属粉末在过渡舱内进行氛围置换，即使过渡舱5内充入得气体与成型腔内成型环境氛围气体一致的保护气体，然后将经过氛围置换的金属粉末通过混粉装置送入落粉盒中，然后根据成型信息进行成型，将成型完成后的剩余粉末通过回粉槽回收，然后按照上述步骤重新加粉后上一层成型结构上进行铺粉成型，直至所有成分样品打印结束，最终得到按照层状分布的样品库，完成材料制备。在成型过程中，落粉盒中的粉末可以单次铺粉使用也可以多次铺粉使用，对使用结束后的剩余粉末则在回粉槽15中进行筛分回收；粉末配比结束之后便开始对升降成型库结构14进行成型工作，落粉盒12首先进行单层粉末的铺放，在升降成型库结构14上进行样品库制备过程中，作为优选，样品库成型层厚范围选择为20-150μm，落粉盒中粉末供给量为成型单层所需粉末量的1.5-10倍供粉；之后粉末床激光熔腔内的激光器根据输入的模型扫描路径数据进行选区激光熔化成型，单质金属粉末则进行原位合金化形成合金，完成一层成型之后成型件下降一个层厚的距离，落粉盒12再铺放一层粉末，直至所要制备成分试样结束，落粉盒12运动到装备的最左端的回粉槽15上方，通过回粉槽15进行回收，之后自动混配装置则根据新一个粉末成分进行混配得到的新粉末进入落粉盒12，然后落粉盒在上一成分上进行铺放，在前一材料样品上继续进行成型，直至所有成分样品打印结束，最终得到样品成分按照层状分布的样品库14，完成材料制备，从回粉槽中取出粉末通过筛分的方式将粉末进行回收。
在得到层状样品库14之后，根据层状试样的分布状况，按照材料种类逐层切割，如利用线切割等方式将按层状分布的不同成分的试样分开，获得各种成分独立测试样品，根据材料设计目标进行材料组分筛选确定满足要求的材料组分；也可不进行逐层切割，采用X射线分析以及纳米压痕等高通量方法进行原位分析，按照材料设计的目的筛选出材料设计的目标成分。

Claims (7)

1.一种增材材料高通量成型装置，其特征在于，包括粉末床激光熔腔、送粉器系统、过渡舱(5)和混粉装置(9)；粉末床激光熔腔腔体壁设有过渡舱通孔，过渡舱(5)固定于过渡舱通孔内，过渡舱(5)中设有上密封阀门(4)和下密封阀门(8)，过渡舱(5)内的上密封阀门(4)和下密封阀门(8)之间形成过渡腔，过渡舱(5)的过渡腔管壁设有充气管道(6)和排气管道(7)，过渡舱(5)上端设有气粉分离装置(3)，气粉分离装置(3)连接于送粉器系统，粉末床激光熔腔内设有成型装置，过渡舱(5)下端设有混粉装置(9)，混粉装置(9)的出粉口设置于成型装置的落粉盒(12)上端，过渡舱(5)的出粉口与混粉装置(9)的进粉口连通，过渡舱(5)的出粉口与混粉装置(9)的进粉口之间设有下密封阀门(8)，送粉器系统包括送粉器(1)，送粉器(1)通过送粉管道(2)连通至气粉分离装置(3)内，气粉分离装置采用重力式气粉分离装置或旋风式气粉分离装置。
2.根据权利要求1所述的一种增材材料高通量成型装置，其特征在于，成型装置采用升降成型库结构(14)，升降成型库结构(14)包括成型平台和设置于成型平台下端的升降平台。
3.根据权利要求1所述的一种增材材料高通量成型装置，其特征在于，粉末床激光熔腔内设有用于回收落粉盒(12)内的多余粉末的回粉槽(15)。
4.根据权利要求1所述的一种增材材料高通量成型装置，其特征在于，所述混粉装置采用机械式混粉装置或流化床式混粉装置。
5.根据权利要求4所述的一种增材材料高通量成型装置，其特征在于，机械式混粉装置包括犁刀式或者是螺杆式。
6.根据权利要求4所述的一种增材材料高通量成型装置，其特征在于，落粉盒(12)的容腔两侧设有刮刀(13)，刮刀(13)为软刮刀，材质为橡胶、硅胶的塑料材质；混粉装置(9)下端设有粉末分散器(11)。
7.一种基于权利要求1所述一种增材材料高通量成型装置的增材材料高通量成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照所需成分配比将金属粉末通过送粉系统送入气粉分离装置内进行气粉分离，然后将气粉分离后的金属粉末在过渡舱内进行氛围置换，然后将经过氛围置换的金属粉末通过混粉装置送入落粉盒中，然后根据成型信息进行成型，将成型完成后的剩余粉末通过回粉槽回收，然后按照上述步骤重新加粉后上一层成型结构上进行铺粉成型，直至所有成分样品打印结束，最终得到按照层状分布的样品库，完成材料制备。
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