CN112384317A

CN112384317A - 粉末沉积

Info

Publication number: CN112384317A
Application number: CN201980045820.3A
Authority: CN
Inventors: 李林; 韦超; 张小冀; 觉元慧
Original assignee: University of Manchester
Current assignee: University of Manchester
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2021-02-19
Also published as: WO2020002951A1; GB201810721D0; US20210122114A1; EP3814039A1

Abstract

描述了一种用于增材制造设备的粉末沉积头(100)。粉末沉积头(100)包括被布置来在其中接收粉末的料斗(110)。粉末沉积头(100)包括喷嘴(120)，所述喷嘴(120)具有穿过其中的通道(122)，所述通道(122)限定轴线A并与料斗(110)流体连通。粉末沉积头(100)包括第一致动器(130)，所述第一致动器(130)被布置来在使用中使料斗(110)中的粉末振动，并由此至少部分地控制料斗(110)中的粉末朝向喷嘴(120)的移动。粉末沉积头(100)包括第二致动器(140)，所述第二致动器(140)联接到喷嘴(120)且被布置来在使用中使喷嘴(120)至少部分地沿轴线A振动，并由此至少部分地控制粉末从料斗(110)通过通道(122)的移动。以此方式，所述粉末沉积头(100)在使用中以相对更恒定(即均匀)的沉积速率沉积所述粉末。

Description

粉末沉积

技术领域

本发明涉及用于增材制造的粉末沉积。

背景技术

复杂、完全致密的金属零件可基于通过逐层粉末床熔融进行的增材制造通过选择性激光熔化(SLM)进行制造。金属材料的SLM趋于成熟。陶瓷材料(诸如二氧化硅、钠钙玻璃和氧化铝)的SLM正在开发。然而，由于使用粉末床铺展技术，SLM通常局限于在每层中打印单一材料。每层中包括多种材料的多材料SLM面临许多挑战，包括多材料递送、避免材料污染、材料循环利用、考虑多种材料的新软件配置、不同材料的不同工艺参数、一种材料对另一种材料的影响、以及不同材料之间的界面。在多材料SLM中，不能像正常SLM粉末床铺展那样分配材料，因为粉末需要选择性地沉积在每层中的特定位置。对于此类多材料SLM应用以及激光金属沉积(LMD)和激光熔覆应用，粉末的沉积质量可能直接影响成型零件的质量。例如，粉末沉积速率的变化可能导致缺陷，例如孔隙，从而不利地影响成型零件的质量。

因此，需要改进用于增材制造的粉末沉积。

发明概述

本发明的其中一个目的是提供一种粉末沉积头，所述粉末沉积头至少部分地消除或减轻了现有技术的至少一些缺点，无论是在本文中还是在别处指出。例如，本发明的实施方案的目的是提供一种粉末沉积头，所述粉末沉积头在使用中以相对更恒定(即均匀)的沉积速率沉积粉末。

根据第一方面，提供了一种用于增材制造设备的粉末沉积头，其包括：

料斗，所述料斗被布置来在其中接收粉末；

喷嘴，所述喷嘴具有穿过其中的通道，所述通道限定轴线并与所述料斗流体连通；

第一致动器，所述第一致动器被布置来在使用中使所述料斗中的所述粉末振动，并由此至少部分地控制所述料斗中的所述粉末朝向所述喷嘴的移动；以及

第二致动器，所述第二致动器联接到所述喷嘴且被布置来在使用中使所述喷嘴至少部分地沿所述轴线振动，并由此至少部分地控制所述粉末从所述料斗通过所述通道的移动。

根据第二方面，提供了一种增材制造设备，优选是选择性激光熔化设备，所述增材制造设备包括根据第一方面的粉末沉积头。

根据第三方面，提供了一种使用例如根据第一方面的粉末沉积头来控制粉末沉积以进行增材制造、优选地包括选择性激光熔化的方法，所述方法包括：

使所述料斗中的所述粉末振动，并由此至少部分地控制所述料斗中的所述粉末朝向所述喷嘴的移动；以及

使所述喷嘴至少部分地沿所述轴线振动，并由此至少部分地控制所述粉末从所述料斗通过所述通道的移动。

发明详述

根据本发明，提供了一种如所附权利要求所阐述的用于增材制造设备的粉末沉积头。还提供了一种增材制造设备以及一种控制粉末沉积的方法。本发明的其他特征将从附属权利要求和以下描述显而易见。

料斗，所述料斗被布置来在其中接收粉末；

喷嘴，所述喷嘴具有穿过其中的通道，所述通道限定轴线并与料斗流体连通；

以此方式，粉末沉积头在使用中以相对更恒定(即均匀)的沉积速率沉积粉末。

发明人已经确定，如下所述，特别是表现出某些特性的粉末(即粒状或颗粒材料)可通过常规沉积头以相对不恒定(即不均匀)的沉积速率沉积，从而在由增材制造形成的制品中造成缺陷。通常，此类常规沉积头的沉积速率是间歇性的，其中随时间变化的沉积速率偏离所需沉积速率。不希望受到任何理论的束缚，据认为，至少部分地由于粉末的颗粒之间的粘着(例如，由于静电力)所致的粉末(即构成粉末的颗粒)在料斗中的反复瞬态聚结(即聚集、聚簇)和解聚结破坏了料斗中的粉末朝向常规粉末沉积头中的喷嘴的移动。例如，颗粒可形成桥或圆顶，这些桥或圆顶随后塌陷，且/或可固结、分层和/或沉降，从而改变粉末的流动特性。此外，由于粉末的颗粒之间的粘着所致的影响在喷嘴中可能加剧(诸如由于壁效应)，从而造成颗粒跨常规沉积头的喷嘴的桥接，所述喷嘴通常具有相对小的直径，以便提供局部或高分辨率沉积。例如，如下所述，喷嘴的直径可在5D至100D的范围内，其中D是颗粒的大小。

特别地，第一致动器和第二致动器协同地控制粉末的沉积，使得沉积速率相对更恒定。第一致动器通过减少或甚至消除料斗中的粉末的瞬态聚结和解聚结来至少部分地控制料斗中的粉末在使用中朝向喷嘴、例如朝向料斗的出口的移动，料斗的出口流体联接到喷嘴的入口。第二致动器通过控制通道中的粉末的聚结和解聚结来至少部分地控制粉末在使用中从料斗通过通道(即通过喷嘴，从喷嘴的入口到喷嘴的出口)的移动。然而，虽然不期望料斗中的粉末的聚结和解聚结，但是通过控制通道中的粉末的聚结和解聚结，可控制(例如停止和开始)粉末沉积头进行的粉末沉积。特别地，当第二致动器未被致动时，通道中的粉末聚结，且阻止粉末通过其中的移动，使得停止粉末沉积头进行的粉末沉积。通过致动第二致动器以便使粉末解聚结(例如在阈值功率和/或振幅以上)，准许粉末的移动，使得开始粉末沉积头进行的粉末沉积。在第二致动器的致动继续时，粉末沉积头进行的粉末沉积继续。然而，如果料斗中的粉末朝向喷嘴的移动类似地以如第一致动器所提供的相对恒定的速率进行，则粉末沉积头进行的粉末沉积可能仅以相对恒定的速率继续。换句话讲，粉末从通道流出的流率应等于粉末进入通道(即离开料斗)的流率。

特别有问题的粉末(也称为粘着粉末或粘性粉末)可表现出以下特性中的一者或多者：

(i)相对小的粒径D，例如至多50μm、优选地至多20μm；和/或

(ii)相对宽的粒径D分布，包括非单峰(例如双峰)/或非单分散(即非单一粒径)粒径分布，且例如其中D90/D10是至少3、优选地是至少5、更优选地是至少10；和/或

(iii)相对低的堆积密度，例如至多2,000kgm^-3、优选地至多1,000kgm^-3、更优选地至多500kgm^-3；和/或

(iv)相对高的休止角，例如至少30°、更优选地至少40°；和/或(v)相对高的粉末各向异性，使得粉末中的应力在所有方向上不相等，和/或相对高的摩擦力，使得粉末中的剪应力可能在壁近侧。

通常，粉末的休止角或临界休止角是相对于水平面的可在不塌落或滑动的情况下将粉末堆积到的最陡的下降角或下沉角。颗粒形态至少部分地影响休止角，其中更光滑和/或更加球形的颗粒导致的休止角低于更粗糙和/或不太球形的颗粒导致的休止角。液体、流动添加剂(诸如像硬脂酸镁或十二烷基硫酸钠)或润滑剂添加可通过影响颗粒间相互作用来影响休止角。

更详细地，粉末从料斗的流动例如可表现出两个不同的流型中的一者：核心流或质量流。核心流是默认的流型，其中粉末排放是通过优先流动通道进行的，所述优先流动通道在出口的下拉点以上的粉末中形成。粉末从顶部自由表面被吸入流动通道中，从而产生先进后出的排放(即沉积)行为。如果以连续模式(例如批量模式)进行操作，则下部段中的壁周围的粉末在料斗中保持静止(即死体积)，直到料斗几乎完全排空为止。相比之下，质量流是流动性差或时间敏感的粉末的理想流型。通常，料斗至少被设计来实现质量流。在质量流中，基本上所有且优选地所有粉末经历流动，从而产生先进先出的排放(即沉积)行为。为了实现质量流，料斗壁优选地足够陡峭和/或光滑，这可至少部分地取决于粉末的特性。对于料斗壁的给定会聚角和/或其材料，粉末壁摩擦力优选地低于阈值，这可至少部分地取决于粉末的特性。另外，优选地例如通过阀或送料器控制粉末的排放，以允许粉末流动通过料斗出口的整个横截面。

更详细地，存在两种可能会干扰、阻碍、中断且/或阻止粉末流动的流动阻塞：鼠洞和成拱。鼠洞在核心流中占主导地位，其中通常只排放出口以上的流动通道中的粉末，从而留下本来稳定的周围粉末结构。成拱在质量流中占主导地位，其中跨料斗的出口或会聚壁形成相对稳定的粉末拱，由此阻止流动。对于给定粉末，存在临界出口尺寸，优选地超出这个尺寸以便在核心流或质量流中确保可靠的排放，即分别为临界鼠洞直径D_rh和临界成拱直径D_c或D_p(取决于料斗的几何形状)。通常，对于给定粉末，鼠孔的临界鼠洞直径D_rh大于临界成拱直径D_c或D_p。

存在多种用于测量粒径的方法，这些方法给出大体相当的结果。然而，为了避免疑惑，在模棱两可的情况下，如本文所用的术语“粒径”意图指代根据ASTM B822-02进行的测量。

粉末沉积头被用于增材制造设备，例如选择性激光熔化(SLM)增材制造设备、激光金属沉积(LMD)设备和/或激光熔覆设备。

粉末沉积头包括被布置来在其中接收粉末的料斗。在一个实例中，料斗包括与通道流体连通的出口。在一个实例中，出口经由柔性的(例如弹性体的)管流体联接到通道。以此方式，可将喷嘴和料斗相互振动隔离且/或抑制，使得在喷嘴处减少由于第一致动器引起的振动且/或在料斗处减少由于第二致动器引起的振动。在一个实例中，料斗包括壁部分，所述壁部分相对于轴线倾斜，从而形成朝向出口的漏斗。在一个实例中，壁部分的倾斜角至少是粉末的休止角。在一个实例中，倾斜角是至少40°、优选地是至少50°、更优选地是至少60°。在一个实例中，料斗包括且/或是锥形料斗。在一个实例中，料斗包括且/或是楔形(也称为平面)料斗。锥形料斗是优选的。在一个实例中，料斗被布置来表现出粉末的质量流。以此方式，避免了粉末的死体积且/或可在料斗中接收不同粉末而无需清洁料斗以便避免混合。

在一个实例中，料斗被布置来在其中接收在1g至100g的范围内、优选地在1g至50g的范围内的粉末(即具有一定容量，例如最大容量)。也就是说，料斗的容量相对小。

粉末沉积头包括喷嘴，所述喷嘴具有穿过其中的通道，所述通道限定轴线并与料斗流体连通。应理解，在使用中，通道和因此轴线被竖直地或基本上竖直地定向，使得粉末从料斗通过通道的移动是至少部分地由于作用在粉末上的重力。

在一个实例中，通道的直径在0.1mm至1.0mm、优选地0.2mm至0.8mm、更优选地0.3mm至0.5mm的范围内。在一个实例中，通道的直径在5D至100D的范围内，其中D是颗粒的大小。以此方式，可提供粉末的局部或高分辨率沉积。

粉末沉积头包括第一致动器，所述第一致动器被布置来在使用中使料斗中的粉末振动，并由此至少部分地控制料斗中的粉末朝向喷嘴的移动。以此方式，如上所述，可防止料斗中发生阻塞，由此改善粉末通过其中的流动。应理解，第一致动器例如包括且/或是振动器或振荡器。

在一个实例中，第一致动器联接到料斗。在一个实例中，第一致动器联接到料斗的壁(例如壁部分)，例如直接联接到料斗的壁。因此，来自第一致动器的振动可通过料斗的壁传递且因此传递到粉末中。以此方式，例如，可克服粉末到料斗的壁的粘着，同时附加地和/或替代地破坏在粉末中形成的阻塞。

在一个实例中，第一致动器在料斗内，例如至少部分地在料斗内和/或完全在料斗内。因此，来自第一致动器的振动可直接传递到粉末中。以此方式，可破坏在粉末中形成的阻塞。在一个实例中，第一致动器在料斗内，在料斗的出口近侧。以此方式，可破坏在出口近侧在粉末中形成的阻塞。由于例如出口的横截面尺寸通常小于料斗的横截面尺寸，因此阻塞可能倾向于在出口近侧和/或在出口处形成。

在一个实例中，第一致动器被布置来至少部分地横向于、优选地正交于轴线振动。换句话讲，由于在使用中，通道和因此轴线被竖直地或基本上竖直地定向，因此第一致动器被布置来在水平面或基本上在水平面中振动。发明人已经确定，由于第一致动器引起的此种横向振动可有效地破坏在粉末中形成的阻塞，而不会干扰由于第二致动器引起的至少部分地对粉末从料斗通过通道的移动的控制。

在一个实例中，第一致动器被布置来在20Hz至10GHz的频率范围内振动。

在一个实例中，第一致动器被布置来在20kHz至10GHz、优选地20kHz至50kHz的频率范围内振动。在一个实例中，第一致动器包括且/或是压电换能器，其被布置来在20kHz至10GHz、优选地20kHz至50kHz的频率范围内振动。通常，压电换能器是一种类型的电声换能器，其将由某些形式的固体材料产生的电荷转换为能量。

在一个实例中，第一致动器包括且/或是压电换能器，其被布置来在20kHz至10GHz、优选地20kHz至50kHz的频率范围内振动以至少部分地横向于、优选地正交于轴线振动，且联接到料斗。

在一个实例中，第一致动器被布置来在20Hz至20kHz、优选地100Hz至10kHz的频率范围内振动。在一个实例中，第一致动器包括且/或是振动马达，例如偏心旋转质量振动马达(ERM)，所述ERM包括在DC马达上的小的不平衡质量；或线性共振致动器(LRA)，LRA包括附接到弹簧的小的内部质量。例如，可从Precision Microdrives Limited(UK)获得合适的振动马达。通常，此类振动马达以在3V至5V DC的范围内的电压、在30mA开始的范围内的电流、在8000rpm至24000rpm的范围内的转速来操作且提供在0.3g.cm至3.0g.cm的范围内的扭矩。

在一个实例中，第一致动器包括且/或是振动马达、优选地是ERM，其被布置来在20Hz至20kHz、优选地100Hz至10kHz的频率范围内振动以至少部分地横向于、优选地正交于轴线振动，且在料斗内。

在一个实例中，第一致动器被布置来以在0.1μm至500μm的范围内的振幅振动。在一个实例中，第一致动器包括且/或是压电换能器，其被布置来以在0.1μm至50μm的范围内的振幅振动。在一个实例中，第一致动器包括且/或是振动马达，其被布置来以在1μm至500μm的范围内的振幅振动。

粉末沉积头包括第二致动器，所述第二致动器联接到喷嘴且被布置来在使用中使喷嘴至少部分地沿轴线振动，并由此至少部分地控制粉末从料斗通过通道的移动，如先前所述。

在一个实例中，第二致动器被布置来在20kHz至10GHz、优选地20kHz至50kHz的频率范围内振动。在一个实例中，第二致动器包括且/或是压电换能器，其被布置来在20kHz至10GHz、优选地20kHz至50kHz的频率范围内振动。通常，压电换能器是一种类型的电声换能器，其将由某些形式的固体材料产生的电荷转换为能量。

在一个实例中，第一致动器和第二致动器被布置来同相振动。在一个实例中，第一致动器和第二致动器被布置来异相振动。例如，可根据需要控制第一致动器和第二致动器的振动频率和/或定时，使得第一致动器和第二致动器同相或异相振动。发明人已经确定，此种异相振动可有效地破坏在粉末中形成的阻塞，而不会干扰由于第二致动器引起的至少部分地对粉末从料斗通过通道的移动的控制。

在一个实例中，第一致动器和第二致动器被布置来振动，使得相应振动相长干涉。例如，可选择第一致动器和第二致动器的相对位置和/或取向，使得在料斗内发生相长干涉，由此更有效地破坏其中的阻塞。

在一个实例中，例如通过使用柔性的(例如弹性体的)部件将第一致动器和第二致动器振动隔离，可将第一致动器和第二致动器至少部分地相互振动隔离，使得相应振动被相互抑制。以此方式，第一致动器的致动可以是连续的，而使用第二致动器开始和停止沉积不受由于第一致动器引起的振动的影响。替代地，第二致动器的致动可与第一致动器的致动同步，例如第一致动器和第二致动器可同时开始和停止。

在一个实例中，粉末沉积头包括与料斗流体连通并与料斗振动隔离的粉末储器，其中粉末储器被布置来在料斗中补充粉末。发明人已经确定，粉末的沉积速率可至少部分地由于料斗中的粉末的量或头。因此，通过在料斗中补充粉末，可维持料斗中的粉末的量或头更加恒定，从而导致粉末的沉积速率更加恒定，同时料斗中的粉末的量保持相对小，如先前所述。通过将粉末储器与料斗振动隔离，例如来自第一致动器的振动能量不会一直消散到粉末储器。在一个实例中，粉末储器包括柔性导管，例如聚合物管和/或弹性体管，所述柔性导管的端部被布置成在料斗中的粉末的表面近侧并与所述表面隔开，由此将粉末储器与料斗振动隔离。

在一个实例中，粉末储器包括注射器，所述注射器被布置来在料斗中补充粉末。在一个实例中，注射器是气动致动的。在一个实例中，控制注射器的致动速率以按与粉末沉积头沉积粉末的速率相同的速率来在料斗中补充粉末。

在一个实例中，粉末沉积头包括联接到第一致动器的可致动构件，所述可致动构件被布置来朝向通道延伸且/或至少部分地延伸到通道中，例如在喷嘴的出口(即尖端)近侧。以此方式，减少喷嘴尖端中的粉末的聚结。

根据第二方面，提供了一种增材制造设备，优选是选择性激光熔化设备，所述增材制造设备包括根据任何前述权利要求所述的粉末沉积头。

在一个实例中，粉末的堆积密度在50kg/m³至5000kg/m³、优选地250kg/m³至2500kg/m³的范围内。

应理解，粉末包括固体颗粒，且可包括离散的和/或聚结的颗粒。在一个实例中，颗粒具有不规则形状，诸如椭球状、片状或粒状。

通常，粉末可包括易于通过熔化而熔融的任何材料，诸如金属或聚合物组合物。粉末可包括金属，诸如铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、钨、银、金、铂和/或其合金。通常，粉末可包括可通过雾化从中产生颗粒的任何金属。这些颗粒可通过雾化(诸如气体雾化或水雾化，或本领域已知的其他工艺)产生。这些颗粒可具有规则形状，诸如球状，和/或不规则形状，诸如椭球状、片状或粒状。粉末可包括聚合物组合物，所述聚合物组合物包含聚合物，例如热塑性聚合物。热塑性聚合物可以是均聚物或共聚物。热塑性聚合物可选自由以下各项组成的群组：聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、脂族或半芳族聚酰胺、聚乳酸(聚丙交酯)(PLA)、聚苯并咪唑(PBI)、聚碳酸酯(PC)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亚胺、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲基戊烯(PMP)和聚丁烯-1(PB-1)、聚苯乙烯(PS)和聚氯乙烯(PVC)。粉末可包括陶瓷，例如耐火材料、砂土、SiO₂、SiC、Al₂O₃、Si₂N₃、ZrO₂。陶瓷颗粒可具有规则形状，诸如球状、长方体状或棒状，和/或不规则形状，诸如椭球状、片状或粒状(也称为形态)。

这些颗粒的大小可以是至多200μm、至多150μm、至多100μm、至多75μm、至多50μm、至多25μm、至多15μm、至多10μm、至多5μm或至多1μm。这些颗粒的大小可以是至少150μm、至少100μm、至少75μm、至少50μm、至少25μm、至少15μm、至少10μm、至少5μm或至少1μm。优选地，这些颗粒的大小在10μm至200μm的范围内。更优选地，这些颗粒的大小在60μm至150μm的范围内。在一个实例中，粉末包括大小在5μm至200μm、优选地60μm至150μm的范围内的颗粒。

对于规则形状，大小可指代例如球或棒的直径，或指代长方体的边长。大小也可指代棒的长度。对于不规则形状，大小可指代例如颗粒的最大尺寸。合适地，在诸如MalvernMastersizer 3000的设备中通过使用颗粒的光散射测量来测量粒径分布，所述设备被布置来测量10nm至3500微米的粒径，其中根据设备制造商的说明将颗粒湿分散在合适的载液中(连同与颗粒表面化学特性和液体化学性质兼容的合适分散剂)，且假设颗粒具有均匀的密度。合适地，根据ASTM B822-02测量粒径分布。

在一个实例中，颗粒具有相对小的粒径D，例如至多50μm、优选地至多20μm。在一个实例中，颗粒具有相对宽的粒径D分布，包括非单峰(例如双峰)/或非单分散(即非单一粒径)粒径分布，例如其中D90/D10是至少3、优选地至少5、更优选地至少10)。在一个实例中，颗粒具有相对低的堆积密度，例如至多2,000kgm^-3、优选地至多1,000kgm^-3、更优选地至多500kgm^-3。在一个实例中，颗粒具有相对高的休止角，例如至少30°、更优选地至少40°。在一个实例中，颗粒具有相对高的粉末各向异性，使得粉末中的应力在所有方向上不相等，和/或相对高的摩擦力，使得粉末中的剪应力可能在壁近侧。

粉末可包括添加剂、合金添加剂、焊剂、粘合剂和/或涂层。粉末可包括具有不同组合物的颗粒，例如具有不同组合物的颗粒的混合物。

应理解，非合金金属指代具有相对高纯度的金属，例如至少95重量％、至少97重量％、至少99重量％、至少99.5重量％、至少99.9重量％、至少99.95重量％、至少99.99重量％、至少99.995重量％或至少99.999重量％的纯度。

在一个实例中，粉末包括金属。在一个实例中，金属是过渡金属，例如第一行、第二行或第三行过渡金属。在一个实例中，金属是Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn。在一个实例中，金属是Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag或Cd。在一个实例中，金属是Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au或Hg。

包括金属的无机化合物(诸如陶瓷)可包括例如金属的氧化物、硅酸盐、硫化物、硫酸盐、卤化物、碳酸盐、磷酸盐、氮化物、硼化物、碳化物、氢氧化物。

贯穿本说明书，术语“包括(comprising/comprises)”意指包括指定的一种或多种组分，但不排除其他组分的存在。术语“基本上由……组成(consisting essentially of/consists essentially of)”意指包括指定的组分，但不包括除了以下各项外的其他组分：作为杂质存在的材料、由于用于提供组分的工艺存在的不可避免的材料、以及为除了实现本发明的技术效果之外的目的而添加的组分(诸如着色剂等)。

术语“由……组成(consisting of/consists of)”意指包括指定的组分，但不包括其他组分。

在任何适当的时候，取决于上下文，术语“包括(comprises/comprising)”的使用也可被理解为包括“基本上由……组成(consists essentially of/consistingessentially of)”的含义，且也可被理解为包括“由……组成(consists of/consistingof)”的含义。

本文所阐述的任选特征可单独使用或在适当的情况下且特别地以所附权利要求中所阐述的组合彼此组合使用。如本文所阐述，本发明的每个方面或示例性实施方案的任选特征在适当的情况下也适用于本发明的所有其他方面或示例性实施方案。换句话讲，阅读本说明书的技术人员应认为本发明的每个方面或示例性实施方案的任选特征在不同方面和示例性实施方案之间是可互换和可组合的。

附图简述

为了更好地理解本发明，且为了示出本发明的示例性实施方案可如何实现，将仅以举例的方式参考所附示意图，在所附示意图中：

图1示意性地描绘了根据示例性实施方案的粉末沉积头；且

图2更详细地示意性地描绘了图1的粉末沉积头；

图3更详细地示意性地描绘了图1的粉末沉积头；

图4示出了(A)316L不锈钢粉末；和(B)双峰钠钙玻璃粉末的光学显微照片；

图5示意性地描绘了从(A)料斗；和(B)喷嘴从图1的粉末沉积头滴下的粉末；

图6示出了常规粉末沉积头的根据时间(s)而变的粉末流(g)的曲线图；

图7示出了图1的粉末沉积头的针对316L不锈钢粉末和钠钙玻璃粉末的根据致动器功率而变的粉末流率的曲线图；

图8示出了在为(A)6W；(B)24W；(C)42W；(D)60W的功率下、针对316L不锈钢粉末的图1的粉末沉积头的根据时间(s)而变的粉末流(g)的曲线图，所述粉末沉积头具有0.2mm孔口；

图9示出了在为(A)6W；(B)24W；(C)42W；(D)60W的功率下、针对316L不锈钢粉末的图1的粉末沉积头的根据时间(s)而变的粉末流(g)的曲线图，所述粉末沉积头具有0.3mm孔口；

图10示出了在为(A)6W；(B)24W；(C)42W；(D)60W的功率下、针对钠钙玻璃粉末的图1的粉末沉积头的根据时间(s)而变的粉末流(g)的曲线图，所述粉末沉积头具有0.3mm孔口；

图11示出了在为(A)6W；(B)24W；(C)42W；(D)60W的功率下、针对钠钙玻璃粉末的图1的粉末沉积头的根据时间(s)而变的粉末流(g)的曲线图，所述粉末沉积头具有0.35mm孔口；

图12示出了针对(A)更小孔口直径和更高功率；和(B))更大孔口直径和更小功率的图1的粉末沉积头的粉末流的照片；

图13示意性地描绘了使用图1的粉末沉积头进行粉末沉积的倾斜单线测试；

图14示出了图13的倾斜单线测试的针对316L不锈钢粉末的根据隙距(stand-offdistance)(μm)而变的线高(μm)的曲线图；

图15针对图13的倾斜单线测试的针对316L不锈钢粉末的区域A示出了(A)显微照片；和(B)所沉积粉末沿(A)中所示的箭头的横截面；

图16针对图13的倾斜单线测试的针对316L不锈钢粉末的区域B示出了(A)显微照片；和(B)所沉积粉末沿(A)中所示的箭头的横截面；

图17针对图13的倾斜单线测试的针对316L不锈钢粉末的区域C示出了(A)显微照片；和(B)所沉积粉末沿(A)中所示的箭头的横截面；

图18示出了图13的倾斜单线测试的针对钠钙玻璃粉末的根据隙距(μm)而变的线高(μm)的曲线图；

图19示出了图13的倾斜单线测试的钠钙玻璃粉末的初始沉积的显微照片；

图20针对图13的倾斜单线测试的针对钠钙玻璃粉末的区域A示出了(A)显微照片；和(B)所沉积粉末沿(A)中所示的箭头的横截面；

图21针对图13的倾斜单线测试的针对钠钙玻璃粉末的区域B示出了(A)显微照片；和(B)所沉积粉末沿(A)中所示的箭头的横截面；

图22针对图13的倾斜单线测试的针对钠钙玻璃粉末的区域C示出了(A)显微照片；和(B)所沉积粉末沿(A)中所示的箭头的横截面；

图23示意性地描绘了用于图13的倾斜单线测试的区域A、B和C的线形成机制；

图24示意性地描绘了用于图13的倾斜单线测试的区域B和C的层形成机制；

图25示出了(A)316L不锈钢粉末；和(B)钠钙玻璃粉末的以1000mm/分钟、2000mm/分钟和3000mm/分钟的速度沉积的粉末线的照片；

图26示出了使用图1的粉末沉积头的针对316L不锈钢粉末和钠钙玻璃粉末的根据扫描速度而变的线宽(μm)的条形图；

图27示出了使用图1的粉末沉积头由316L不锈钢(外部)和钠钙玻璃(内部)形成的包括字母‘LPRC’的图案的照片；

图28示出了针对(A)316L不锈钢；和(B)钠钙玻璃使用图1的粉末沉积头沉积的50mm×50mm单层粉末；

图29示出了使用图1的粉末沉积头通过SLM在1mm厚316L不锈钢基材上形成的二十层5mm×5mm矩形钠钙玻璃块的显微照片，所述316L不锈钢基材是使用图1的粉末沉积头通过SLM形成的，(A)表面；和(B)头影响区(HAZ)；

图30示出了图29所示的块的横截面的显微照片；

图31示出了使用图1的粉末沉积头通过316L不锈钢粉末的SLM形成的宽度分别为3mm和6mm的通道的显微照片，(A)横截面；和(B)平面视图；

图32示出了使用图1的粉末沉积头通过SLM形成的316L不锈钢与钠钙玻璃之间的界面的显微照片，(A)平面视图；和(B)以60°角；

图33更详细地示出了图32的316L不锈钢与钠钙玻璃之间的宽度为3mm的界面的横截面的显微照片；

图34示出了使用图1的粉末沉积头通过316L不锈钢粉末的SLM形成且填充有使用图1的粉末沉积头通过316L不锈钢的SLM形成的钠钙玻璃的宽度分别为3mm和6mm的2mm深通道的显微照片；

图35示出了(A)使用图1的粉末沉积头通过316L不锈钢粉末的SLM形成且填充有使用图1的粉末沉积头通过316L不锈钢的SLM形成的钠钙玻璃的吊饰的照片；和(B)更详细的吊饰；

图36示意性地描绘了根据示例性实施方案的粉末沉积头；且

图37更详细地示意性地描绘了图36的粉末沉积头；

图38示意性地描绘了包括图36的粉末沉积头的选择性激光熔化设备；

图39示意性地描绘了使用图38的设备进行选择性激光熔化的方法；

图40示出了a)320粒度SiC粉末的SEM显微照片，b)600粒度SiC粉末的SEM显微照片，c)具有320粒度SiC粉末的SiC-316L复合粉末的SEM显微照片；

图41示出了a)夹层样品的横截面的示意图，b)在316L部分与SiC-316L部分之间具有网格过渡层的样品，c)过渡层的横截面图案；

图42示出了通过SLM产生以用于密度比较的由具有a)25体积％SiC，的b)40体积％的SiC，c)50体积％的SiC的SiC-316L复合物制成的测试试样；

图43示出了在激光加工之后316L/SiC复合物的光学图像。a)具有25体积％的SiC添加剂的激光烧结试样D3，b)具有40体积％的SiC的试样D3的显微结构的光学显微图像。两种试样的激光加工参数相同：激光功率175W、扫描速度800mm/s、填充距离60μm；

图44示出了根据激光功率、扫描速度和填充距离而变的相对密度平均值的曲线图；

图45示出了经SLM加工的SiC-316L试样随激光轨迹重叠的增加的相对密度的曲线图；

图46示出了经SLM加工的SiC-316L样品随激光能量密度的增加的相对密度的曲线图；

图47示出了所沉积纯320粒度SiC粉末重量随时间增加的曲线图；

图48示出了粉末流角度的照片，a)通过混合振动分配的纯320粒度SiC粉末流，b)仅通过超声振动在没有马达振动的情况下分配的纯320粒度SiC粉末流；

图49示出了在与SiC添加剂的体积分数混合之后SiC-316L复合物的总体积变化的曲线图；

图50示出了a)基质材料粉末分布的示意图，b)基质粉末之间由小的添加剂材料颗粒填充的间隙；

图51示出了根据时间而变的所沉积粉末体积、特别是在不同材料配置下随时间推移的粉末沉积体积的曲线图，a)所沉积粉末体积与时间的所有结果的图，b)所沉积粉末体积与时间之间随320网格SiC体积分数的变化的关系，c)所沉积粉末体积与时间之间随600网格SiC体积分数的变化的关系，d)至f)在包括25体积％、40体积％和50体积％的相等体积分数下320粒度SiC和600粒度SiC复合物沉积流率的比较；

图52示出了a)316L建筑材料与SiC-316L支撑材料之间的材料界面的光学显微曲线图，b)由于在试样研磨期间SiC颗粒脱落所致的带有腔和孔的材料界面的放大视图，c)此种腔的内部视图的SEM图像；

图53示出了a)靠近SiC-316L复合物支撑件的316L层的底表面的XRD结果，b)316L层的顶表面的XRD结果；

图54示出了a)和b)分别在喷砂前后粘附到SiC-316L复合物支撑结构的316L零件底部的显微图像，c)具有网格过渡层的样品的整体外观，d)和e)分别在喷砂前后316L零件的底表面上的网格线的显微图像；

图55示出了a)在喷砂之后316L零件底表面(与支撑材料接触)的XRD结果，b)在喷砂之后316L零件底表面的网格线的XRD结果；

图56示出了a)在孔位置处使用SiC-316L作为支撑材料的桥结构的照片，b)示出了支撑结构被去除，c)演示了桥结构的激光熔融横截面；

图57示出了a)双螺旋的3D模型，b)沿材料界面具有裂纹的经SLM加工的双螺旋的图像；

图58示出了a)双螺旋的顶表面上的材料界面的SEM图像，b)至d)是双螺旋的顶表面上的材料界面的EDS图；

图59示意性地描绘了用于根据示例性实施方案的粉末沉积头的粉末储器；

图60示意性地描绘了与根据示例性实施方案的粉末沉积头一起使用的增材制造设备30；

图61示意性地描绘了根据示例性实施方案的粉末沉积头；

图62示出了可使用图61的粉末沉积头沉积的粉末的照片。所用的聚合物和增强粉末：(A)PA11尼龙粉末(B)氧化铝粉末(C)钠钙玻璃粉末(D)Cu10Sn铜合金粉末；

图63示出了使用图61的粉末沉积头提供的Cu10Sn/PA11向上功能梯度材料(FGM)的照片；

图64示出了使用图61的粉末沉积头提供的Cu10Sn/PA11侧向功能梯度材料(FGM)的照片；

图65示出了使用图61的粉末沉积头提供的80％Cu10Sn-20％PA11和30％Al2O3-70％PA11功能梯度材料(FGM)的照片；且

图66示出了A)多功能涡轮叶片的设计，B)在打印过程期间的粉末分布，C)和D)3D打印的多功能马达叶片，E)3-D功能梯度结构，F)使用图61的粉末沉积头提供的弯曲金属/聚合物结构。

附图详述

实施方案1

实验

粉末沉积头

为了选择性地在同一层上递送另外的材料，设计了双超声逐点粉末分配系统(即粉末沉积头100)且将其集成到内部SLM系统(图60所示)。双超声粉末递送系统(即粉末沉积头100)的结构在图1至图3和表1中示出。

图1示意性地描绘了根据示例性实施方案的粉末沉积头100。图2和图3更详细地示意性地描绘了图1的粉末沉积头100。

特别地，粉末沉积头100被用于增材制造设备。粉末沉积头100包括被布置来在其中接收粉末的料斗110。粉末沉积头100包括喷嘴120，所述喷嘴120具有穿过其中的通道122，所述通道122限定轴线A并与料斗110流体连通。粉末沉积头100包括第一致动器130，所述第一致动器130被布置来在使用中使料斗110中的粉末振动，并由此至少部分地控制料斗110中的粉末朝向喷嘴120的移动。粉末沉积头100包括第二致动器140，所述第二致动器140联接到喷嘴120且被布置来在使用中使喷嘴120至少部分地沿轴线A振动，并由此至少部分地控制粉末从料斗110通过通道122的移动。

以此方式，粉末沉积头100在使用中以相对更恒定(即均匀)的沉积速率沉积粉末。

粉末沉积头包括被布置来在其中接收粉末的料斗110。在此实例中，料斗110包括与通道122流体连通的出口112。在此实例中，料斗110包括第一壁部分114，所述第一壁部分114相对于轴线A倾斜，从而形成朝向出口112的漏斗。在此实例中，壁部分114的倾斜角至少是粉末的休止角。在此实例中，倾斜角是30°。在此实例中，料斗110是锥形料斗。在此实例中，料斗110具有50g的容量。也就是说，料斗110的容量相对小。在此实例中，出口112经由柔性管150流体联接到通道122。在此实例中，通道122的直径在0.2mm至0.35mm的范围内。

在此实例中，第一致动器130联接到料斗110。在此实例中，第一致动器使用带有防滑垫圈的M10螺钉8直接联接到料斗的第二壁部分116。在此实例中，第一致动器130被布置来至少部分地正交于轴线A振动。在此实例中，第一致动器130是被布置来以28kHz的频率振动的压电换能器。在此实例中，第一致动器130是被布置来以在0.1μm至50μm的范围内的振幅振动的压电换能器。

在此实例中，第二致动器140是被布置来以28kHz的频率振动的压电换能器。

编号	部件	编号	部件
				130	上部PZT	120	针/喷嘴
140	下部PZT	7	支架
				110	料斗	8	带有防滑垫圈的M10螺钉
150	软管	9	绝缘橡胶垫圈
				5	接头	10	用于固定针的M3螺钉

表1：超声振动送料系统(即粉末沉积)的部件列表。

使用了广泛用于超声清洗的两个标准压电换能器(PZT)，其振动频率为28kHz、最大振动功率为60W。PZT的尺寸是67mm高。致动器表面的59mm直径可均匀地递送振动。如图1所示，下部超声换能器向具有非常小孔口直径(在此特定实验中是0.2mm至0.35mm)的递送喷嘴(由不锈钢手术针制成)提供竖直振动。铝制支架由M10螺钉穿过防滑垫圈和橡胶垫圈牢固地固定到下部PZT。防滑垫圈用于避免与超声PZT的松散连接，并且橡胶垫圈用于将来自PZT的热量与支架隔离。不锈钢手术针直接固定在支架处(图3)，使得可将全部振动功率传递到针。上部PZT使固定的50ml圆柱形粉末料斗水平地振动，所述料斗具有孔口的120°角和2mm孔口，通过所述孔口将粉末连贯地分配到送料喷嘴。

材料和方法

在图4A所示的此研究中，选择球形316L不锈钢粉末(LPW-316-AAHH，10μm至45μm，LPW Technology Ltd.,UK)作为金属打印的候选项。根据球体的双峰混合物的最佳堆积方程，以1:3的质量比(更小的粉末:更大的粉末)混合两种大小的球形钠钙粉末(分别为30±2μm和90±2μm，由Goodfellow提供)。众所周知，球体的双峰混合物可提高堆积密度，且还增加了激光吸收和热导率。将尺寸为25mm×25mm×12mm的研磨加工304钢板用作支撑基材，在所述基材上构建激光沉积部件。

使用x-y-z振镜扫描器(Nutfield，3XB 3轴)在目标粉末床上扫描由1070nm波长的500W镱单模连续波(CW)光纤激光器(IPG Photonics,YLR-500-WC)生成的具有80μm聚焦束光斑大小的激光束。在加工期间，将氮气用于密封室中的气体屏蔽。两种材料的最佳激光加工参数在表2中示出。

表2：316L不锈钢和钠钙玻璃的最佳SLM参数。

粉末阻塞及其破坏

从料斗的孔口的120°角开始，对粉末的重力的反作用力可将粉末压实且堵塞在料斗中。粉末对侧壁的作用力(例如，图5(a)所示的绿色粉末颗粒)可被描述为：

其中G是重力，F是来自料斗的壁的支撑力，且f是摩擦力。支撑力的水平投影会对在孔口中间的粉末(例如，图5(a)所示的紫色粉末)生成摩擦力，且使所述粉末停留。在此情况下，增加的竖直振动就像增加的重力一样，这不仅破坏了力平衡，而且还增加了粉末的紧密性，从而导致堵塞。来自上部PZT的水平振动可减小来自侧壁的支撑力，且避免料斗的孔口处的粉末堵塞。来自下部PZT的竖直振动可向送料喷嘴中的粉末提供竖直加速度(图5(b))，利用所述竖直加速度可破坏粘着粉末之间的吸引力。软管连接料斗与针，使得针无需承担料斗的重量，从而可避免粉末的重量对送粉的影响。粉末的重量也可改变系统的固有频率，使得共振受到干扰。在内部SLM系统内的x-y线性平台上安装两个相同的系统，且使用G代码对运动控制进行编程。使用电天平(来自Ek-300i,A&D Ltd)向计算机自动记录粉末流重量。天平的最大负载为300g，且分辨率为0.01g。

粉末流率，即单位时间内通过喷嘴输出的粉末质量，是会影响材料沉积的重要参数。然而，对于使用超声粉末分配系统进行长时间粉末分配的稳定性知之甚少。这在多材料SLM增材制造中可能非常重要，因为操作可能持续数小时。

材料流动性、分配力和反作用力是影响材料递送的三个主要因素。振动加速度生成分配力，且反作用力(摩擦力)由针/喷嘴几何形状和粉末的性质决定。所用的粉末是用于SLM的标准球形粉末材料，且因此粉末大小分布和球形形状对于SLM是理想的。在使用之前，将粉末在炉中于120℃干燥12小时。根据Matsusaka的振动加速度方程，振幅和频率是PZT的两个主要因素：

α＝A(2πf)² (2)

其中α是振动加速度，A是振幅，且f是频率。实验中使用恒定的28kHz频率和60W的平均5μm振幅(通过VHX-5000显微镜测量)。在恒定频率下，更低的功率生成更低的振动振幅。因此，为了了解振动功率的影响，使用6W、24W、42W和60W来分配两种材料。

就送粉喷嘴几何形状而言，在30°与60°之间的孔口的角度可生成良好的流动，且可以通过孔口直径与最大粉末大小之间的3至8的比来精确地控制送料。因此，在实验中，孔口角是30°。316L粉末分配中使用的孔口直径分别是0.2mm和0.3mm，因为在此实验中无法用0.15mm直径的喷嘴/针来分配粉末。对于钠钙玻璃粉末，比较0.3mm(最大粉末大小的三倍)和0.35mm的送料喷嘴直径。

低流率有利于高分辨率，而高流率可导致高效率。因此，不同流率具有不同应用目的。在SLM中，两个因素是重要的：流率稳定性和流率。SLM需要长期稳定的流率。因此，对粉末流率进行10分钟测量。表3示出了流率测试的特定参数范围。

表3：流率测试的参数。

结果和讨论

粉末流率特性

为了演示双PZT(压电换能器)送料系统的优点，比较了单PZT(在喷嘴/针处)送料系统的流率。检查在42W PZT功率和0.35mm喷嘴/针直径下的钠钙粉末送料。从图6可看出，流率最初是稳定恒定的，但在约450s后减小。这是由于沉积期间的重量变化和局部粉末堵塞所致。

表4使用双PZT送料系统、由不同孔口直径和功率造成的316L和钠钙玻璃两者的流率。

双PZT送料系统的在不同针/喷嘴直径和功率下的316L和钠钙玻璃粉末的流率在表4中示出。对于0.2mm直径的送料喷嘴和316L粉末，流率随着超声功率的增加而逐渐增加。然而，对于0.3mm直径的针/喷嘴，流率从6W处的约3.38mg/s急剧增加到当功率是24W时的约12mg/s，且流率在60W的峰值功率处达到约31.53mg/s。与316L相比，钠钙玻璃粉末在不同功率下显示出更小的差异。通过0.3mm喷嘴孔口直径、更高的超声振动功率，可获得增加的稳定流率。对于0.35mm直径的喷嘴，流率随着功率增加而从6W处的约3.38mg/s逐渐增加到60W处的约5.80mg/s。

从图7中可看出，316L粉末线略有增加，没有波动，且其梯度在每个图表中是恒定的。即使功率低至6W，且针/喷嘴孔口直径是0.2mm，流率仍是恒定的，如图8(a)所示。在图9中，在每个功率级上进行分配期间，流率也是稳定的。然而，自从功率达到24W，流率就开始急剧增加。这是因为孔口(0.3mm)与粉末大小(10μm至45μm)之间的比是约7，这是相对大的。

因此，当功率更高时，粉末流率将快速增加。

此实验中的双峰钠钙玻璃粉末是1:3(30μm:90μm)粉末的混合物。90μm直径的粉末呈砂状，因此流动性非常好。然而，30μm直径的粉末粘着性非常高，且不能使用超声递送系统直接递送。对于双峰混合物，当使用0.3mm和0.35mm直径的喷嘴时，双峰钠钙玻璃非常良好地流动，且流率是恒定的，如图10和图11所示。与316L粉末类似，钠钙玻璃粉末在6W至60W的超声功率下，对于0.3mm直径和0.35mm直径的针/喷嘴孔口也显示出非常良好的流率。

从图8至图11可看出，在孔口直径(0.2mm至0.35mm)和功率(6W至60W)的一定范围内，双超声振动送料系统可在316L粉末和钠钙玻璃粉末上实现稳定的流率。这对于在多材料SLM中选择性沉积材料以形成图案至关重要。

用于隙距效应研究的在倾斜基材上的沉积

基于两种粉末的稳定流率，可研究超声振动送料系统的沉积质量。更低的流率更适合于精确的沉积。通过比较在60W和0.3mm(图12(a))与6W、0.35mm(图12(b))下的钠钙玻璃粉末流，发现当粉末从孔口出来时流(a)广泛地分散，而流(b)具有窄流。这是因为在更高的功率和更小的孔口直径下，粉末之间的相互撞击与更低的功率和更大的孔口直径下的相互撞击相比更为严重。因此，在实验中使用更低的超声振动功率和更大的针/喷嘴孔口直径。

沉积轨迹几何形状与粉末流率之间的关系在方程(3)中示出：

粉末密度x横截面积x扫描速度＝流率 (3)

其中流率和粉末密度是恒定的。扫描速度、隙距(喷嘴的尖端到基材的顶部的距离)和孔口直径控制沉积轨迹的横截面面积。因此，隙距和扫描速度是影响沉积精度的两个主要因素。应理解，更高的扫描速度导致更小的横截面面积。因此，为了理解喷嘴/基材隙距对沉积线横截面高度和宽度的影响，使扫描速度保持恒定且使隙距线性地增加。将粉末线沉积到具有线性增加的高度的倾斜板上，如图13所示。

图13是倾斜单线实验的方案，其中H是基材的最高点(距基底1mm)，h是隙距(在初始点处是0.02mm)。在此实验中，基材的水平长度是64mm。因此，可通过水平位移和斜率(tanθ＝1/64)来计算位置的隙距。倾斜的玻璃板具有平坦且光滑的表面，且由塑料胶带覆盖以进行粉末捕捉和观察。使用Keyence VHX-5000光学显微镜测量线宽和线横截面。粉末分配的所有参数与表3中的参数相同。因此，粉末流率是恒定的。扫描速度是3000mm/min。在此实验中使用316L粉末。振动功率是6W，针/喷嘴孔口是0.3mm。对应流率可见于表4。

图14示出了在倾斜基材上的沉积中316L的线高的结果。线高从0急剧升高到约150μm，然后随着隙距的增加而逐渐减少。当隙距达到1000μm(即此实验中的最高点)时，线高减小到约100μm，约为最大粉末大小的两倍。

如图13所示，可将沉积线分为三个区域。区域A：隙距(h)与粉末大小(d)之间的比小于1。区域B：此比是1至3。区域C：此比大于3。在线的初始部分(即区域A)(图15)中，线高(沉积层的厚度)小于27μm，27μm等于其对应隙距。线顶部与粉末递送喷嘴接触。因此，喷嘴刮擦线顶部。

从区域A至区域B存在过渡。在过渡期间，线高随着隙距的增加而增加，直到隙距达到约150μm为止。线宽与区域A的线宽类似，而线高则高得多(根据图16约为150μm)。孔口边缘扫过粉末线顶部的顶表面以形成梯形横截面，且可看到线的清晰边缘。在区域B中，h/d比在1与3之间。

在区域C(图17)中，由于当比h/d大于3时粉末递送喷嘴不与所递送粉末线的顶部接触，因此线是由粉末在重力作用下自由下落形成的。横截面形状像山一样，且由粉末粘着性决定。随着隙距的进一步增加，线宽增加，且线高减小。由于粉末递送喷嘴的高隙距，粉末可能已从线铺展出去。

对于钠钙玻璃粉末的实验，针/喷嘴孔口直径是0.35mm，振动功率是6W。图18示出了在沉积期间的线高。从图18可看出，直到隙距达到100μm时，才可将粉末分配到板上，这同样在图20中示出。在粉末线沉积的初始阶段，粉末是分散的。如图19所示，当隙距达到约163μm且线高约为128μm时，可形成线。线高随着隙距的增加而增加，直到隙距达到约300μm为止，300μm是最大粉末大小的三倍。此后，线高逐渐减小，而线宽增加。最低线高(图20)约为180μm，这也是最薄的层厚度，约为最大粉末大小的两倍。

根据图14和图18所示的结果，可开发出简单的一阶公式，以帮助理解不同隙距的近似线高。公式如下所示：

其中y是线高(μm)，d是粉末大小(μm)，且x是隙距。根据方程(4)，可针对所用的特定材料快速估计在实际加工中的一定隙距下的层厚度。因此，可通过改变隙距来调整层厚度，以在SLM中应用不同加工参数。

从在倾斜基材上沉积316L和钠钙玻璃粉末的两个结果可看出，线横截面形状在不同区域中是由不同力形成的，如图21所示。线高首先在区域A和B中增加，且在最大粉末大小的三倍处达到峰值。当隙距超出粉末大小的三倍时，粉末喷嘴不与所递送线的顶表面接触，且线高开始略有减小。最终，线高减小到最大粉末大小的两倍。

区域B中的线被认为适合于形成用于SLM的层，因为梯形横截面更有利于线形成层，如图22(a)所示。在此区域中，比h/d在1与3之间，这意味着以此方式制成的层厚度将约为粉末大小的三倍。在SLM中，层厚度通常是30μm至100μm。因此，如果隙距在所需层厚下可以是恒定的，则沉积线高可达到恒定的层厚度以进行激光熔化。因此，从理论上讲，区域B中的线性质将适合于SLM。然而，在某些加工应用中，零件可能由于热辐射而发生变形或其他种类的转变，使得如果隙距低，则零件可能会损坏粉末递送喷嘴。从区域C开始，即使线宽为大，层厚度也可能与区域B一样低。因此，在实际实验中，为了保护粉末递送喷嘴，隙距高于粉末大小的3倍。为了获得平坦的顶部粉末轨迹表面，使用正常粉末床铺展系统的叶片刮擦粉末表面，如图22(b)所示。

扫描速度对线的影响

还研究了两种材料的扫描速度的影响。参数在表5中列出。使用VHX-5000显微镜测量线宽，且结果在表6中示出。隙距是1mm。在实际沉积中选择此值以免损坏针。图24示出了速度越高，线越窄。对于316L粉末，线在不同速度下是连续且均匀的。相反，钠钙粉末线是间歇性的，尤其是在3000mm/min下。这是因为硬质和轻量玻璃粉末在以高扫描速度撞击在基材上时以高动能快速铺展。而316L粉末具有更高质量密度，使得即使速度高，它们也可留在线中。

表5：图23中使用的参数。

	1000 mm/min	2000mm/min	3000mm/min
				316L	835±15μm	642.5±15μm	555±9μm
钠钙玻璃	618±8μm	520±5μm	465±4μm

表6：不同速度的线宽。

由钠钙玻璃和316L粉末制成的'LPRC'图案如图27所示。沉积参数在表7中示出。线之间的填充间距是0.5mm，且扫描速度是3000mm/min。

表7：用于制成图案的最佳分配参数。

字母是逐圈扫描的。因此，在每个圈开始时和拐角处堆叠粉末，这是由于在转向期间的加速/减速所致。可应用替代的方式来解决问题。一方面，可通过在沉积期间使用更低流率和更低扫描速度来减少堆叠。另一方面，优化扫描策略也可解决此问题，正在研究扫描策略。分别使用316L粉末和钠钙玻璃粉末沉积50mm的方形(图28)，以演示使用系统进行的大面积均匀沉积。

在316L不锈钢粉末和钠钙玻璃粉末的选择性激光熔化中的界面特性

在SLM中，必须使用基材来锚定零件以避免热变形。然而，已发现，即使基材表面是粗糙的(通过喷砂)，熔化之后的纯玻璃也无法附接到平坦的不锈钢基材。然而，熔化的玻璃可穿透通过SLM制成的316L零件的非常粗糙的表面。

可使用以下公式计算在SLM中在材料中沉积的体积能量密度：

其中P是激光功率，v是扫描速度，h是扫描轨迹之间的填充间距，且t是层厚度。根据玻璃熔化的Fateri最佳参数：60W功率、67mm/s扫描速度、0.05mm填充间距和0.15mm层厚度，钠钙玻璃粉末的体积能量密度是120J/mm³。在我们的研究中，激光功率是180W，扫描速度是300mm/s，填充间距是0.05mm，平均层厚度是0.15mm，以便提高加工效率。体积能量密度约为114J/mm3。如图29所示，在1mm厚的316L沉积金属基层上产生二十层5mm x 5mm的矩形钠钙玻璃块。在图29(a)和图29(b)中可看出带有一些微裂纹的透明且光滑的表面。表面的边缘是热影响区(HAZ)，在所述热影响区中粉末未完全熔化，且在图29(a)中可看出许多孔。图30示出了块的横截面。可看出，玻璃粉末在零件的主体中被完全熔化。从横截面的视图看，不存在层的线。

为了研究316L与钠钙玻璃之间的界面的特性，使用SLM制造316L基底，如图31(a)所示。产生分别具有6mm宽度和3mm宽度的两个20mm长的狭槽，所述狭槽通过超声振动送料系统沉积且通过激光被逐层熔化。制成十个层，且总厚度约为0.84mm。钠钙玻璃粉末层通过所述系统沉积且通过激光被熔化。在表1和表7中分别示出所有激光参数和沉积参数。

从图32可看出，3mm宽零件比6mm宽零件熔化得更完全。在3mm宽零件的主体中可看出透明零件，且在6mm宽零件中可看出孔。这是因为由激光生成的热量在两次短扫描期间由于玻璃材料的非常低的热导率而叠加在一起。然而，在两次长扫描中，散热更多。因此，3mm宽零件比更宽的零件熔化得更好。这也意味着应根据不同特征大小(尤其是零件的扫描宽度)优化对玻璃粉末的激光加工参数。

如图32所示，即使将玻璃粉末和金属粉末分开熔化也可实现良好的接触界面，这也可从图33中的3mm宽零件的横截面看出。这是因为熔化玻璃的体积能量密度(114J/mm³)比熔化316L粉末的体积能量密度(60J/mm³)高得多。在加工玻璃粉末期间，可重熔316L表面。因此，熔池可由两种材料形成，且它们可熔融在一起，从而导致两种材料之间良好的结合。

已在图34中演示通过此方法制成的3D零件。制成了5mm宽和3mm宽狭槽。两个狭槽的深度都是2mm。在两个狭槽中都形成玻璃。由于不均匀的热量分布，玻璃零件在激光熔化期间容易收缩和变形。狭槽的侧壁和金属基底的粗糙底部有助于锚定玻璃零件。因此，两种材料的紧密界面对于形成玻璃零件很重要。与5mm宽零件相比，3mm宽零件由于熔化更完全而更好地成形。两个玻璃锥体的表面都被烧结而不是完全熔化。这是因为在加工期间每层的边缘都是HAZ，且粉末只能被烧结。

通过此方法制作简单的3D吊饰以便进行演示，如图35所示。吊饰的椭圆形主体由316L制成，且吊饰的中心处的3.5mm×10mm×1.5mm长方体由钠钙玻璃制成。从图35(b)中的矩形玻璃表面可看出，玻璃是部分透明的，且玻璃主体中存在一些孔，这会影响外观。主体中和边缘(HAZ)处的孔隙是需要未来工作解决的问题。优化加工参数或多次扫描可能是提高玻璃零件的质量的有效方式。

结论

为了实现多材料SLM，将分配金属粉末和玻璃粉末两者的双超声振动送料系统与新的SLM系统组合。对于316L和钠钙玻璃粉末两者，送料系统演示了在0.2mm至0.35mm的不同针/喷嘴孔口直径和6W至60W)的不同振动功率下，长期稳定的粉末流率。为了生成更窄的粉末流，在实验中使用更低的功率和更大的针/喷嘴孔口直径。

使用倾斜基材来理解在恒定的扫描速度下，隙距对所沉积粉末轨迹几何形状的影响。316L和玻璃两者的结果都显示，当隙距与粉末大小之比(h/d)小于3时，线高与隙距几乎相同。然而，当所述比大于3时，线高(即层厚度)减小到最大粉末大小的两倍，且线宽增加。在实际沉积中，隙距是1mm，以避免针/喷嘴与零件之间发生碰撞。扫描速度越高，线越窄。对于316L粉末和钠钙粉末，在3000mm/min下沉积的线宽分别是约0.55mm和0.47mm。

在对所沉积玻璃粉末进行激光熔化后，可获得透明且光滑的玻璃块，而在钠钙玻璃上仍然存在一些裂纹。在热影响区中，粉末被烧结而不是完全熔化，且可看出很多孔隙。基于3mm宽玻璃和6mm宽玻璃的熔化结果，注意到应根据不同特征大小(尤其是零件的扫描宽度)优化对玻璃粉末的激光加工参数。从竖直和水平方向都实现了良好的金属-玻璃界面，因为金属和玻璃两者通过高能量密度由熔池熔融在一起。

在未来工作中，可在HAZ上应用重熔以减少孔隙且完全熔化零件的边缘。由于玻璃零件的高热导率导致不均匀的热辐射(这可能导致玻璃零件的大的收缩和变形)，因此很难实现大的玻璃零件。有必要优化不同大小的特征的激光参数，尤其是扫描宽度。对于更复杂的3D金属-玻璃零件，还需要研究在玻璃基底上构建金属零件。

实施方案2

实验

在此研究中，碳化硅(SiC)被选作支撑材料的部分，因为众所周知SiC即使在高温下仍具有低的热膨胀性和高的抗氧化性。更重要的是，SiC的低延展性和粉末颗粒的不规则形状(如图1所示)可能促成支撑材料中的更多应力集中，从而导致腔侵蚀和后续复合物失效。这些特征对于去除支撑结构是理想的。

SiC粒径对于支撑材料预混合至关重要，因为它决定了两种材料混合/机械合金化的均匀等级。一般来讲，小得多的增强材料粒径有助于使增强材料更容易渗入其晶格中，且减少加工期间由材料热膨胀差异导致的裂纹增长，而更大的SiC粉末粒径则可能导致更多裂纹。对于易于去除的支撑目的，SLM加工所引起的裂纹是有益的。因此，将SiC的粒径选择为接近316L不锈钢粉末的粒径。

在此研究中，SiC-316L材料系统和纯316L粉末分别用作支撑材料和建筑材料。320粒度和600粒度细SiC粉末(平均直径分别是45μm和25μm，参见图40a和图40b)由FisherScientific UK Ltd提供，且粒径为10μm至45μm的经气体雾化的316L粉末(LPW-718-AACF)是来自LPW Technology Limited,UK。120mm直径、12mm厚度的基材板由304不锈钢制成。将用于沉积流率实验的SiC-316L复合粉末装在50mL锥形离心管中，且在涡旋混合器上沿X、Y、Z轴线针对每个方向振动10分钟。用V形干粉搅拌器对具有激光烧结所需的体积分数的SiC-316L复合粉末进行2小时预混合，以实现均匀的混合。之后，将复合物在真空干燥炉中在120℃下干燥2小时以去除粉末中的剩余水分。

实验设置

此工作是在参考图60所述的同一系统上进行的。应用来自500W镱光纤激光源(IPGPhotonics,YLR-500-WC)的具有80μm束光斑大小的1070nm连续波激光束，以在建筑平台上加工支撑材料和建筑材料两者。支撑粉状材料和建筑粉状材料通过新的多粉末递送装置进行递送，所述多粉末递送装置包括用于建筑材料的经典辊辅助粉末床以及安装在与逐点微真空系统组合的x-y CNC门架系统上的双振动逐点粉末递送设备，如图38所示。加工在氧气密度低于0.3％的氩气保护气体环境下进行。

在初步支撑材料开发实验中，通过辊铺展SiC-316复合物。

为了减少实验次数且有效地识别关键加工参数，应用具有3个激光加工因素和4个等级(参见表8)的Taguchi方法来设计对SiC-316L复合物的激光加工进行的初步支撑材料开发实验。在表9中说明组合了16个代表性方形试样(8mm×8mm×3mm)的提取实验方案，所述方案用于加工3组SiC-316L复合物。SiC粉末的体积分数分别是25％、40％、50％。通过方程(1)计算激光能量密度Q，其中P表示激光功率，V是扫描速度，h是填充距离，且t是层厚度。在此研究中，t保持在50μm。为了产生高孔隙率固体结构，能量密度相对低于用于选择性激光熔化316L部件所需的激光能量密度，通常约为100J/mm3。

表8：用于激光加工SiC-316L复合物的因素和等级

表9：用于激光加工SiC-316L复合物的实验方案

粉末流率和稳定性实验

功率流能力对于SLM工艺至关重要，因为它对粉末层厚度均匀性具有重大影响，且随后影响激光能量吸收。然而，不规则形状SiC粉末可能容易产生聚结。此种现象导致非常差的材料流动能力。

实验设置

图36示意性地描绘了根据示例性实施方案的粉末沉积头200，且图37更详细地示意性地描绘了图36的粉末沉积头200。

特别地，粉末沉积头200被用于增材制造设备。粉末沉积头200包括被布置来在其中接收粉末的料斗210。粉末沉积头200包括喷嘴220，所述喷嘴220具有穿过其中的通道222，所述通道222限定轴线A并与料斗210流体连通。粉末沉积头200包括第一致动器230，所述第一致动器230被布置来在使用中使料斗210中的粉末振动，并由此至少部分地控制料斗210中的粉末朝向喷嘴220的移动。粉末沉积头200包括第二致动器240，所述第二致动器240联接到喷嘴220且被布置来在使用中使喷嘴220至少部分地沿轴线A振动，并由此至少部分地控制粉末从料斗210通过通道222的移动。

以此方式，粉末沉积头200在使用中以相对更恒定(即均匀)的沉积速率沉积粉末。

粉末沉积头包括被布置来在其中接收粉末的料斗210。在此实例中，料斗210包括与通道222流体连通的出口212。在此实例中，料斗210包括第一壁部分214，所述第一壁部分214相对于轴线A倾斜，从而形成朝向出口212的漏斗。在此实例中，壁部分214的倾斜角至少是粉末的休止角。在此实例中，倾斜角是30°。在此实例中，料斗210是锥形料斗。在此实例中，料斗210具有50g的容量。也就是说，料斗210的容量相对小。在此实例中，通道222的直径是0.8mm。

在此实例中，第一致动器230在料斗210内。在此实例中，第一致动器230被布置来至少部分地正交于轴线A振动。在此实例中，第一致动器230是振动马达、优选地是ERM，其被布置来在20Hz至20kHz、优选地100Hz至10kHz的频率范围内振动以至少部分地正交于轴线A振动，且在料斗210内。在此实例中，第一致动器230被布置来以在1μm至500μm的范围内的振幅振动。

在此实例中，第二致动器240是被布置来以28kHz的频率振动的压电换能器。

开发了在粉末递送喷嘴220处的新的混合超声振动设备240和在粉末料斗210内的马达振动设备230。所述设备旨在同时送料不规则形状的和球形的粉末材料。如图36所示，粉末容器(即料斗210)中的粉末颗粒(7)从安装在杠杆(11)上的针(即喷嘴220，Musashi针，在此实验中内径为0.8mm)滴落。通过压电换能器(即第二致动器240，频率28KHz，功率60W，电流0.4A)控制粉末流的通断。用具有数据通信功能的微量天平(10,A&D Limited,EK300I)实时测量所沉积粉末的重量。为了避免靠近针220的输入孔的粉末处于完全压实条件下，将微型振动马达(即第一执行器230，DC 5V，电流30mA，速度11000rpm，所述第一执行器230的后部被插入柔性管(6)中)插入粉末中，靠近针(喷嘴220)入口。压电换能器240和振动马达230分别由超声发生器(13)和DC电源(3)根据从计算机(1)发送到主控制器(2)的控制信号进行控制。

实验程序

a)纯320粒度SiC粉末流率实验

首先，使用纯320SiC粉末来检查最恶劣条件下的双振动分配器系统性能。因为纯SiC粉末的流动能力极差，且在超声振动后可能容易聚结。

分别在仅超声振动、仅马达振动和超声/马达混合振动下进行三个实验。在每个实验中，将SiC粉末(20mL，320粒度)装在分配器中。每个实验的加工时间是500秒。

b)SiC-316L复合粉末流率实验

在打印具有支撑结构的部件之前，预先进行SiC-316L复合粉末沉积流率实验。进行了6组实验。每组实验持续500s。将320粒度和600粒度SiC粉末与分别具有25％、40％和50％体积分数的316L粉末搅拌在一起。

根据表10中给出的值，用10mL刻度量筒分开测量混合前和混合后的复合物中的每种材料的体积。

表10：实验中使用的SiC-316L复合粉末体积分数。

在获取流动的粉末重量之后，应用方程(2)以评估所沉积粉末的体积Vol，其中Vol是通过天平测量的所沉积粉末总重量，ρ₁和ρ₂分别展示SiC粉末和316L粉末的表观密度。P₁和P₂是以上两种材料的体积分数。在此研究中，320粒度SiC粉末、600粒度SiC粉末和316L粉末的表观密度分别是1.27g/ml、0.93g/ml和4.42g/ml。通过对每种材料密度测量5次、然后评估其平均值来计算此种数据。

对具有SiC-316L支撑结构的316L部件进行的SLM实验

在确定最佳SiC-316L支撑材料加工参数后，设计需要支撑结构的3D部件。打印如图41a所述的螺旋3D夹层结构(20mm×20mm，每层2mm厚)，以便研究建筑材料与支撑材料的界面中的微观结构和可能的金属间化合物。随后，产生在316L部分(10mm×10mm×2mm)与SiC-316L部分(12mm×12mm×2mm)之间具有网格过渡层(参见图41b和图41c，10mm×10mm×0.5mm，网格线填充距离0.5mm，网格线相交角60°)的样品。接着打印3D桥部件和双螺旋结构。

实验设置

实验设置与以上在图38中提到的实验设置相同。通过辊铺展316L粉末，且通过双振动分配器沉积SiC-316L复合粉末。

部件打印工艺

图39示出了在此研究中实施的多材料SLM工艺。首先，用电动辊和粉末整平叶片将主建筑粉末材料(即316L)在基材上铺展50μm厚度的一层。接着，激光束熔化所需区域。接着，在限定区域内使用微真空系统进行选择性除粉工艺以去除单层厚度的粉末。接着，使用超声粉末分配器将SiC-316L支撑材料粉末分配到真空去除区域中的一些中，接着通过激光束熔化所述粉末，且所述粉末与已经熔化的区域部分地结合。之后，用微型电动逐点真空系统再次清洁整个加工区域，以避免材料污染。最后，使建筑平台向下移动一定距离，这个距离等于层厚度。重复以上所有6个步骤，直到制作出完整的3D模型为止。

316L建筑材料的激光加工参数是：激光功率170W、扫描速度800mm/s、填充距离90μm。将支撑材料与40体积％的320粒度SiC粉末和60体积％的316L粉末搅拌在一起。此种复合物的激光加工参数是：激光功率175W、扫描速度800mm/s、填充距离60μm。层厚度保持在50μm。

材料表征

在初步实验中，使用阿基米德法测量经激光烧结的SiC-316L方形试样在水中的相对密度。通过微量天平(A&D company,limited,EK300I)测量超声粉末沉积流率。通过切割，安装，用400#、800#、1000#和1200#粒度砂纸研磨，以及用1.0μm金刚石抛光膏进行抛光来制备SLM零件的金相横截面。接着将经抛光的样品在10体积％的草酸溶液中进行电蚀刻。使用KEYENCE VHX-5000数字显微镜获取材料界面的光学显微图像。用x射线衍射分析(XRD,PANalytical,XRD 5)检查包括夹层部件的316L层和SiC-316L复合物层的材料界面。使用配备有能量色散光谱仪(Oxford Instruments X-maxN 150)的扫描电子显微镜(Zeiss SigmaVP FEG SEM)检查经SLM加工的部件与支撑结构之间的界面以及支撑结构的裂开区域。

结果和讨论

激光加工SiC-316L复合物的初步实验

具有3种不同SiC体积分数的经SLM加工的试样在图42中示出。如图42a所示，具有25体积％的SiC的试样牢固地粘附到基材板，且只能用圆盘切割机将其切下。对于50体积％的SiC，在基材上未发现固体块，只有一些应该是烧结的SiC粉末的黑色标记(参见图42c)。这是由于316L粉末含量不足，无法产生连续的基质相作为基础来嵌入所添加的SiC颗粒。

图43呈现通过相同激光参数加工的具有25体积％和40体积％的SiC粉末的金属基质复合物中的SiC颗粒分布。试样中未熔融的SiC颗粒和部分熔化的SiC颗粒的数量随SiC的体积分数增加而增加。在图43a中，大多数SiC颗粒从各个侧面良好地嵌入熔融的316L基质材料中，而在图43b中，多得多的宏观/微观结构缺陷(包括裂纹和孔)出现在材料结合界面处，这是由两种材料的热膨胀差异所致。这些缺陷是易于去除的支撑结构所需的机械断裂的起始因素。

很明显，SiC的体积分数过低或体积分数过高的金属基质材料系统都不适合用作支撑材料。

观察到激光加工参数对具有40体积％的SiC添加剂的试样的质量的重要作用，如图42b所示。值得注意的是，所有这些试样都很脆，且可能容易从基材上脱落。A3、A4、B3、B4和D5样品在加工期间由于机械阻力太弱而损坏。其余样品大多数也不完整。所有那些样品的真实体积是通过阿基米德法在水中测量的。最终相对密度结果在表11中示出，其中认为A3、A4、B3、B4和D5试样的密度等级是零，因为无法收集和测量那些试样。

表11：用于激光加工SiC-316L复合物的相对密度

使用Minitab软件通过Taguchi分析方法评估三个关键激光加工参数(包括激光功率、扫描速度和填充距离)对相对密度的影响。以上三个参数的Delta值分别是0.46、0.33和0.26。如图44中所指示的主要效果图示出了每个因素如何影响相对密度。填充距离对样品密度的影响最大。填充距离应选择为尽可能小，在本研究中应约为50μm。填充距离是确定激光跟踪重叠的关键因素。根据方程(3)，其中Ov是重叠百分比，h是填充距离，d是激光束直径(在本研究中是80μm)，重叠随填充距离的增加而减少。

激光跟踪重叠值可能显著影响经SLM加工的部件的微观结构和3D特征。如果不存在重叠或此值过小，则两个激光轨迹之间的粉末颗粒难以通过来自熔融液相材料的热影响区的热传递完全熔化且最终形成连续的固相和微观结构。对于SiC-316L复合物，此种影响明显得多。如图45所示，当重叠是零或0.125时，试样的相对密度低于40％。如果重叠是25％，形成更高密度试样则容易得多。

还发现，当激光能量密度低于60J/mm3时，没有产生SiC的凝固相，如图46中所指示。此种低能量输入不能熔化或烧结SiC颗粒。在60J/mm3至100J/mm3的激光能量密度范围内，未检测到能量密度与烧结零件相对密度之间的明显关系。当激光能量密度是72.92J/mm³时，发现样品D3的最高相对密度。

从以上实验工作中，选择具有40体积％的320粒度SiC添加剂的SiC-316L金属基质复合物作为SLM加工支撑材料。为了烧结或部分地熔化以上材料，合适的激光扫描填充距离应足够小，以允许激光跟踪重叠超过25％，且激光功率能量密度应高于60J/mm³。在此实验中发现的最高相对密度是67％。

双振动粉末递送系统的粉末流率特性

纯320粒度SiC粉末流率实验

3个实验中的实验粉末流重量相对于时间在图47中示出。尽管仅超声振动就能够沉积纯SiC粉末，但是粉末流率极低，在500s内仅沉积了790mg SiC粉末，且此种低流率和不良流动稳定性对于SLM是不稳定的，在图47中以黑色曲线示出。根据图47中纯马达振动模式的红色曲线，仅振动马达不能分配SiC颗粒。在双振动模式下，以恒定速度沉积粉末，比纯超声分配进行的沉积更稳定且速度要快100％，如蓝色曲线所示。振动马达的作用是连续地松动靠近分配器入口孔的聚结的SiC颗粒。从图48中观察到，在双振动下，颗粒流始终沿Z轴方向(参见图48a中的红线)。如果马达振动停止，则流将偏离Z轴，且与Z轴的分配角和取向都是随机的(参见图48b中的红线)。因为针孔常常被不规则形状的颗粒部分地堵塞，从而导致流动路径方向改变。总而言之，新的超声和马达混合振动系统实现最稳定和最高的粉末流率。

SiC-316L复合粉末流率实验

表12中呈现了混合前后的复合物体积以及相关剩余体积比。

表12：SiC-316L复合物的体积和剩余体积比

随时间推移的所沉积粉末体积在图51a中说明。每条曲线的斜率是粉末流率，如表13中所指示。几乎线性的曲线显示，所有复合粉末都是在它们自身的稳定流速下沉积的，除了在开始时由于分配器中的松散粉末而出现一些陡峭的坡道，如图16a所示。在图51b中，对于320粒度SiC，在40体积％的SiC下出现最高流率，与在25体积％和50体积％下的堆积密度相比，在所述条件下SiC的堆积密度最低。图51c示出了对于600粒度SiC，粉末流率随SiC添加剂的增加而降低。在SiC的体积分数等级相同的情况下，具有320粒度SiC的复合物流率始终高于具有600粒度SiC的复合物流率(参见图51d至图51f)，因为600粒度SiC的细颗粒显著增加了粉末堆积密度且更不规则的尖锐颗粒边缘减慢了粉末流率。在40体积％下出现最大差异。良好的粉末流动能力是沉积具有恒定层厚度的均质粉末层的基本要求，且导致快速的构建速率。因此，40体积％的SiC添加剂应是作为支撑材料系统的最佳增强件，其中316L不锈钢作为基质材料。

综上所述，由于320粒度SiC所致的堆积密度远低于600粒度SiC所致的堆积密度，因此320粒度SiC应能够在SiC-316L金属基质复合物中产生易于去除的支撑结构应用所需的更多微结构缺陷特征。此外，在40体积％下观察到320粒度SiC的最高剩余体积比。

在此种分数下，实现了最高的SiC-316L复合物流率37.53μL/s。

表13：SiC-316L复合物沉积流率。

在SLM中打印具有SiC-316L支撑结构的316L部件

图52示出了图41a中的夹层结构上在由SiC-316L复合物制成的中间层与由316L制成的底层之间的材料界面处的微观结构。如图52a所示，在红线区域中示出了清晰的界面，其微观结构与底部的建筑材料和顶部的支撑材料完全不同。在试样研磨和抛光后，这种过渡区容易被嵌入的SiC颗粒抹除且沿过渡区方向形成大的连续腔，且在支撑材料区域也形成许多孔，如图52b所指示。在研磨期间，SiC颗粒刮擦穿透316L和304基材的竖直间隙。腔的内部视图在图52c中示出。已发现，更大的316L粉末颗粒完全熔融且形成内部嵌入有SiC颗粒的熔珠。另一方面，直径约20μm的316L粉末颗粒中的一些仍处于不完全熔融状态。它们应在SiC粉末间隙中或被SiC粉末间隙覆盖，且在激光加工期间不受热和激光辐射的影响。此种现象将进一步减小金属复合物支撑结构的机械强度。

从支撑结构(即夹层的中间层)去除由316L粉末制成的图41a所示的夹层结构的顶层，接着在支撑结构的顶表面上将其从2mm厚仔细研磨到1mm厚。通过XRD检查此样品的两个表面。图53a中的XRD图谱表明，在316L/SiC-316L界面处存在SiC、奥氏体、Fe₃Si、CrSi和碳元素。这意味着SiC发生了分解反应。如果SiC颗粒在不小于1073K的温度下被过渡金属材料(包括Fe、Ni或Ti)包围，则会影响SiC颗粒的热力学稳定性。在扩散到铁液中的Si的浓度等级超过阈值之后，将形成硅化铁，即FeSi或Fe₃Si。此种机制与SiC/Cr的反应相同。碳元素将以碳的形式沉淀在反应区域中。这解释了在图42中观察到的方形的黑色。呈Fe3Si形式的硅化铁极脆。此种特征和高孔隙率都促成此研究中的支撑结构的低机械阻力。如图43b所示，在316L零件的顶表面上未发现污染物。这表明扩散到铁液中的Si和C局限在建筑材料与支撑材料的界面中。

图54a和图54b呈现了喷砂前后的覆盖316L零件的整个底部的残余烧结支撑材料。很明显，此种污染物难以清洁。其中包含的硅化铁和碳元素是一个问题，因为它对界面微观结构、组合物和缺陷会产生负面影响，这可能导致潜在的断裂且减少部件的疲劳寿命。因此，引入具有与建筑材料相同的材料的网格过渡层，以将支撑材料与建筑材料隔离。图59b示出了图41b和图41c中所述的具有过渡层的SLM打印样品。此样品上的316L零件可容易从支撑结构去除。由于支撑结构的不良表面粗糙度，因此嵌入有SiC和金属间化合物的多孔结构减小网格层与支撑结构之间的接合强度。图54d示出了在喷砂之前316L网格线由松散的316L粉末和一些残余支撑材料覆盖。在喷砂之后，仍可见带有一些熔融金属珠的网格线，如图54e所示。

图55a演示了喷砂法无法去除粘附在材料界面上的污染物，因为在喷砂之后通过XRD在316L钢的底表面上仍观察到有害金属间化合物，包括Fe₃Si和C-Fe-Si以及碳元素。另一方面，如图20b所示，在喷砂之后在316L底侧的网格上未检测到污染物的XRD信号。这意味着网格结构是防止支撑材料污染建筑材料的有效屏障。

为了演示系统对3D打印的实用性，使用修改后的SLM打印桥结构和双螺旋结构(参见图56和图57)。如图56a所示的桥结构由纯316L制成，且支撑材料由316L-SiC复合物(60％:40％)制成。用手可容易去除桥孔中的烧结支撑材料(图56b)。在图56c中，在激光熔融桥横截面上，会看见非常清晰的界面。用手清洁烧结的SiC-316L复合物矩形的靠近底部边缘的部分。

在双螺旋结构中(参见图57a)，316L部分和SiC-316L部分相互交织，且还用作彼此的支撑结构。在图57b中，在材料界面处观察到明显的连续裂纹。

通过SEM和EDS检查在图57a中红色箭头所指的水平面处的双螺旋的建筑材料和支撑材料之间的界面。316L建筑材料单层覆盖SiC-316L复合物支撑结构的右侧部分，如图58a所示。支撑结构的表面粗糙度不良，这是由于高孔隙率和嵌入有SiC颗粒的大的熔融316L珠所致。因此，如图58a所指示，新添加的建筑材料薄层显示出波浪轮廓，且嵌入在支撑材料层中的一些SiC颗粒如红色箭头所指穿透单个建筑材料层。Fe浓度可在图58b中看出。左侧的黑色对应于图58a中的孔和腔。Si和C图(图58c和58d)表明SiC颗粒分布在左侧，即在支撑结构区域中。这两个图的右侧上的一些噪音是由于SiC颗粒从底部的支撑材料层穿透建筑材料层所致。

结论

此工作演示了一种易于去除的支撑材料和相关加工程序，用于通过组合SiC-316L复合物、选择性逐点粉末沉积和去除来制造在SLM工艺中使用的支撑结构，以及一种新的多材料SLM方法。与先前SLM工艺不同，此文件中报道的新方法使用与建筑材料不同的材料作为支撑材料。开发了一种集成到特定实验SLM设备中的用于送料低流动能力粉末的新的双振动粉末分配器，且采用所述分配器成功产生SiC-316L复合物试样以及具有SiC-316L复合物作为支撑结构的3D316L演示部件。实验结果显示，应用具有40体积％的320粒度SiC的SiC-316L复合物作为支撑材料是可行的，因为它可产生易于去除的支撑目的所需的更多机械缺陷。结果表明，由于支撑结构中存在裂纹和孔，因此建筑材料与支撑材料之间的过渡区域容易在低外力作用下破裂。在316L/SiC-316L界面处发现硅化铁和硅化铬。这些相有助于降低支撑结构机械强度。XRD结果表明，由支撑材料分解引发的污染物很难通过喷砂从316L零件界面去除。为了避免这种情况，引入了呈精细网格结构形式的过渡层，它由与建筑材料相同的材料组成。XRD结果证明，它是避免建筑材料污染的有效屏障。应进一步研究包括形状、填充间距、厚度的最佳网格结构。

实施方案3

图59示意性地描绘了用于根据示例性实施方案的粉末沉积头(例如如上所述的粉末沉积头100或粉末沉积头200)的粉末储器1000。

在此实例中，粉末沉积头包括与料斗110、210流体连通并与所述料斗110、210振动隔离的粉末储器1000，其中粉末储器1000被布置来在料斗110、210中补充粉末。在此实例中，粉末储器1000包括柔性导管1100，例如聚合物管和/或弹性体管，所述柔性导管1100的端部被布置成在料斗110、210中的粉末的表面近侧并与所述表面隔开，由此将粉末储器1000与料斗110、210振动隔离。

在此实例中，粉末储器1000包括注射器1200，所述注射器1200被布置来在料斗110、210中补充粉末。在此实例中，注射器1200是气动致动的。在此实例中，控制注射器1200的致动速率以按与粉末沉积头100、200沉积粉末的速率相同的速率来在料斗110、210中补充粉末。

特别地，图59说明了在此工作中使用的选择性干粉分配器。在用于3D打印多种材料的混合粉末床和超声喷嘴粉末递送系统中，使用小型超声递送料斗和喷嘴将实现材料送料的高分辨率和稳定性。然而，它仅可持续很短一段时间，因此不适合打印大型零件。如图59所示的级联粉末递送系统实现精确且稳定的粉末递送以及粉末材料供应，以允许打印大型部件。二次粉末供应系统是压力气体驱动的粉末存储单元，并与超声分配器集成。自动气动分配控制器允许向分配桶连续或不连续地定时供应粉末。根据应用需求，粉末可以是金属、陶瓷或聚合物类型或它们的混合物。

增材制造设备

图60示意性地描绘了增材制造设备30，其可包括例如参考实施方案1、2和/或3所述的粉末沉积头。特别地，设备30包括：层提供装置310，其用于从包括具有第二组合物的颗粒的第二材料P2提供第一支撑层，其中第一组合物和第二组合物是不同的；凹面限定装置320，其用于在第一支撑层的暴露表面中限定第一凹面；沉积装置330，其用于在于第一支撑层中限定的第一凹面中沉积第一材料的一部分；整平装置340，其用于选择性地整平第一凹面中的所沉积第一材料；以及第一熔融装置350，其用于熔融第一凹面中的整平的第一材料的一些颗粒(通过至少部分地熔化所述颗粒)，由此形成制品层的第一部分。如上所述，层提供装置310包括粉末供应室315、建筑室317和叶片302。如上所述，粉末供应室315和建筑室317包括可伸缩床。层提供装置310还包括备用粉末室318。凹面限定装置320安装在具有Z轴平台的X-Y平台上，从而提供三个正交方向上的移动。沉积装置330安装在具有Z轴平台的X-Y平台上，从而提供三个正交方向上的移动。整平装置340联接到沉积装置330，安装在具有Z轴平台的X-Y平台上，从而提供三个正交方向上的移动。第一熔融装置350包括第一激光源361、第一x-y或x-y-z振镜扫描器362和激光控制器363。第一激光源361可提供光斑大小在10μm与200μm之间的第一激光束L1。合适的激光源在本领域是已知的。设备30还包括被布置来控制设备30的控制器357。设备30包括去除装置351，其用于去除由凹面限定装置320提供的所沉积第一材料的至少一些未熔融颗粒。设备30还包括第二熔融装置352，其用于熔融第二材料的至少一些颗粒。第二熔融装置352包括第二激光源364、第二x-y或x-y-z振镜扫描器365和激光控制器363。第二激光源362可给第二激光束L2提供在2mm与20mm之间的光斑大小。第二激光源362被布置来控制用于加工诸如陶瓷和合金的材料的热梯度和冷却速率以防止破裂。合适的激光源在本领域是已知的。第一熔融装置350和第二熔融装置352被布置成使得由它们相应的激光源提供的激光束L1和L2不是同轴的，即离轴的。第一熔融装置350和第二熔融装置352由控制器357控制且经由握手机制同步化。来自第二熔融装置352的第二激光束L2是散焦的，目的是进行热管理以控制热梯度和残余应力。这对于熔化陶瓷(高熔点)或非常薄的金属是有用的，其中变形可能会成为问题。第二激光束L2可与来自第一熔融装置350的主熔融激光束不在同一光斑上，且可与所述主熔融激光束分开。第二激光束L2不会熔化材料，而是加热材料以管理整个制品上的热分布以平衡热量，从而减少变形和热应力。设备30还包括加热装置353，其用于预加热所沉积第一材料或后加热制品层的所形成第一部分。加热装置353包括第二熔融装置352和加热器366。

实施方案4

图61示意性地示出了根据示例性实施方案的粉末沉积头300(设计2)。

特别地，粉末沉积头300被用于增材制造设备。粉末沉积头300包括被布置来在其中接收粉末的料斗310。粉末沉积头300包括喷嘴320，所述喷嘴320具有穿过其中的通道322，所述通道322限定轴线A并与料斗310流体连通。粉末沉积头300包括第一致动器330，所述第一致动器330被布置来在使用中使料斗310中的粉末振动，并由此至少部分地控制料斗310中的粉末朝向喷嘴320的移动。粉末沉积头300包括第二致动器340，所述第二致动器340联接到喷嘴320且被布置来在使用中使喷嘴320至少部分地沿轴线A振动，并由此至少部分地控制粉末从料斗310通过通道322的移动。

以此方式，粉末沉积头300在使用中以相对更恒定(即均匀)的沉积速率沉积粉末。

在此实例中，粉末沉积头300包括联接到第一致动器330的可致动构件350，所述可致动构件350被布置来朝向通道322延伸且/或至少部分地延伸到所述通道322中。以此方式，减少了喷嘴尖端中的粉末的聚结。相比之下，设计1不包括可致动构件350，且在喷嘴尖端中发生粉末的聚结。应理解，设计2的料斗310与喷嘴320、第一致动器330和可致动构件350一起代替了设计1的料斗。

在粉末复合材料搅拌工艺期间(特别地，金属/聚合物和/或聚合物/陶瓷粉末混合物)，由于粉末带静电，可能会发生粉末聚结，从而可能堵塞送料喷嘴且中断打印工艺。为了克服此问题，在粉末料斗310内安装了附接有0.4mm直径针350的DC振动马达330，使得针尖延伸到送粉喷嘴320中，以便破坏喷嘴320的尖端附近的任何粉末聚结。

图62示出了可使用图61的粉末沉积头沉积的粉末的照片。所用的聚合物和增强粉末：(A)Pa11尼龙粉末(B)氧化铝粉末(C)钠钙玻璃粉末(D)Cu10Sn铜合金粉末。

粉末：

选择由ASPECT(Aspex-FPA,ASPECT Japan)提供的PA11聚合物粉末作为聚合粘合剂材料。利用各种金属和陶瓷粉末材料作为聚合物增强填料。选择球状Cu10Sn铜合金粉末(Makin Metal Powders Ltd.UK)来增强复合物的聚合物热导率。利用90μm和30μm的球状钠钙粉末(Goodfellow,UK)来增强聚合物抗压强度。使用氧化铝(Sigma-Aldrich Co.UK)来提高聚合物耐磨性。尺寸为25mm x 25mm x 10mm的研磨加工304不锈钢块和FDM打印的PA12块(1.75mm尼龙3D打印机长丝，RS Components,UK)都用作基材。使用光学显微镜(KeyenceVHX-5000,Keyence(UK)Ltd.,Milton Keynes,UK)检查PA11、Cu10Sn、氧化铝和钠钙玻璃的颗粒形态特性，如图62所示。

对于PA11/玻璃复合物，制备10％和30％的体积比。对于PA11/Al2O3和PA11/Cu10Sn复合物，分别制备10％、30％、50％、70％和90％的体积比。用内部马达驱动的旋转粉末混合室将所有复合粉末物理混合并搅拌5小时以上，然后在炉中在130℃下干燥24h，以便最小化任何水分。

图63至图66示出了使用图61的粉末沉积头提供的功能梯度材料(FGM)的实例，使用常规增材制造方法无法提供所述功能梯度材料。

水平和竖直功能梯度聚合物/金属部件的打印

图63示出了使用图61的粉末沉积头提供的Cu10Sn/PA11向上功能梯度材料(FGM)的照片。图64示出了使用图61的粉末沉积头提供的Cu10Sn/PA11侧向功能梯度材料(FGM)的照片。

3D聚合物/金属和聚合物/陶瓷混合部件的打印

可打印由多种聚合物复合物组成的具有设计好的材料分布和复杂几何形状的部件。

图65示出了使用图61的粉末沉积头提供的80％Cu10Sn至20％PA11和30％Al₂O₃至70％Pa11功能梯度材料(FGM)、特别是用于摩擦学应用的打印功能聚合物鞋底结构的照片。

更详细地，图65示出了借助于超声振动粉末分配系统、Pa11/Cu10Sn和Pa11/Al₂O₃可制造用于针对摩擦学应用提高耐磨性的具有高的热稳定性的功能聚合物鞋底结构。

聚合物/金属和聚合物/陶瓷功能梯度部件的3D打印的演示

图66示出了A)多功能涡轮叶片的设计，B)在打印工艺期间的粉末分布，C)和D)3D打印的多功能马达叶片，E)3-D功能梯度结构，F)使用图61的粉末沉积头提供的弯曲金属/聚合物结构。

更详细地，图66呈现聚合物涡轮叶片，其具有作为叶片增强件的金属粉末和用于提高中心柱的耐磨性的陶瓷颗粒。涡轮叶片的设计在图66(A)中示出。PA11/Cu10Sn复合物用作叶片增强材料并被打印为弯曲的3-D功能梯度材料结构。风扇的中心柱是用PA11/Al₂O₃打印的。马达叶片的其余部分是由纯PA11聚合物打印的。图66(B)说明打印工艺期间的粉末分布。图66(C)和(D)呈现打印样品。图66(E)和(F)进一步提供弯曲的3-D FGM结构的拉近透视图。叶片的底部由体积比为70/30的PA11/Cu10sn组成，且顶部逐渐增加到10/90，这显示了系统的打印灵活性。

尽管已经示出和描述了优选实施方案，但本领域技术人员将理解，可在不脱离如所附权利要求中所定义的和如上所述的本发明的范围的情况下做出各种改变和修改。

总而言之，本发明提供了一种用于增材制造设备的粉末沉积头，所述粉末沉积头在使用中以相对更恒定(即均匀)的沉积速率沉积粉末，从而减少成型零件中的缺陷。

将注意力转向结合本申请与本说明书同时提交或在本说明书之前提交并且与本说明书一起公开供公众查阅的所有文件和文档，并且所有这些文件和文档的内容通过引用并入本文。

本说明书(包括任何所附权利要求和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤可按任何组合进行组合，其中此类特征和/或步骤中至多有一些是互斥的组合除外。

除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何所附权利要求和附图)中公开的每个特征可由用于相同、等同或类似目的的替代特征代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是一系列通用等同或类似特征的一个实例。

本发明不限于一个或多个前述实施方案的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求和附图)中公开的特征中的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或者如此公开的任何方法或工艺的步骤中的任何新颖的一个或任何新颖的组合。

Claims

1.一种用于增材制造设备的粉末沉积头，其包括：

料斗，所述料斗被布置来在其中接收粉末；

2.根据权利要求1所述的粉末沉积头，其中所述第一致动器联接到所述料斗。

3.根据任何前述权利要求所述的粉末沉积头，其中所述第一致动器在所述料斗内。

4.根据任何前述权利要求所述的粉末沉积头，其中所述第一致动器被布置来至少部分地横向于所述轴线振动。

5.根据任何前述权利要求所述的粉末沉积头，其中所述第一致动器被布置来在20Hz至10GHz的频率范围内振动。

6.根据权利要求5所述的粉末沉积头，其中所述第一致动器被布置来在20kHz至10GHz、优选地20kHz至50kHz的频率范围内振动。

7.根据权利要求5所述的粉末沉积头，其中所述第一致动器被布置来在20Hz至20kHz、优选地100Hz至10kHz的频率范围内振动。

8.根据任何前述权利要求所述的粉末沉积头，其中所述第一致动器被布置来以在0.1μm至500μm的范围内的振幅振动。

9.根据任何前述权利要求所述的粉末沉积头，其中所述料斗被布置来以1g至100g、优选地在1g至50g的范围内的量在其中接收所述粉末。

10.根据任何前述权利要求所述的粉末沉积头，其中所述通道的直径在0.1mm至1.0mm、优选地0.2mm至0.8mm、更优选地0.3mm至0.5mm的范围内。

11.根据任何前述权利要求所述的粉末沉积头，其包括粉末储器，所述粉末储器与所述料斗流体连通并与所述料斗振动隔离，其中所述粉末储器被布置来在所述料斗中补充所述粉末。

12.根据权利要求11所述的粉末沉积头，其中所述粉末储器包括注射器，所述注射器被布置来在所述料斗中补充所述粉末。

13.根据任何前述权利要求所述的粉末沉积头，其包括可致动构件，所述可致动构件联接到所述第一致动器，被布置来朝向所述通道延伸和/或至少部分地延伸到所述通道中。

14.一种增材制造设备，优选是选择性激光熔化设备，所述增材制造设备包括根据任何前述权利要求所述的粉末沉积头。

15.一种使用根据权利要求1至13中任一项所述的粉末沉积头控制粉末沉积以进行增材制造、优选地包括选择性激光熔化的方法，所述方法包括：

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述粉末包括大小在5μm至200μm、优选地60μm至150μm的范围内的颗粒。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述颗粒具有不规则形状，诸如椭球状、片状或粒状。

18.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中所述粉末的堆积密度在50kg/m³至5000kg/m³、优选地250kg/m³至2500kg/m³的范围内。