CN112517923A - 一种基于slm设备实现多材料增材制造成型的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SLM设备实现多材料增材制造成型的装置及方法，所述装置包括成型室，成型缸、铺粉装置、供粉仓、激光器和供粉系统，所述成型缸、铺粉装置、供粉仓均设置在成型室中，供粉系统通过粉末输送管线和供粉仓连通，供粉仓安装在机械臂的末端，铺粉装置设置在成型缸上方，在传动装置的带动下在成型室中水平运动；采用传统供粉缸和机械手臂结合的供粉装置，当使用单一材料时使用传统的供粉缸供粉，当成型两种材料或者两种以上材料时，则使用机械臂结构送粉装置，若其中一个材料占比大于其它材料之和，此时也可以采用供粉缸和机械臂结构结合供粉方式，由于机械臂结构更换材料简单迅速，以增加铺粉效率。

Description

一种基于SLM设备实现多材料增材制造成型的装置及方法

技术领域

本发明属于金属3D打印技术领域，具体涉及一种由机械臂与新型供粉系统构成的装置以及实现多材料成型的方法。

背景技术

选择性激光熔化(SLM)是增材制造(AM)技术之一，具有广阔的发展前景。由于使用激光束和金属粉末作为制造工具，大大缩短了产品研发和制造周期。SLM成型技术可用于直接生产具有高相对密度，出色的机械性能，高尺寸精度和出色的表面质量的金属零件。与传统加工技术相比，SLM可以形成任意复杂的金属零件，而受零件形状限制。在具有复杂形状的金属材料和零件方面，它显示出明显的优势，而传统技术则难以加工。

随着高新技术的飞跃发展，材料科学领域内也在的不断变革，使得各种适应高新技术发展的新材料应运而生。单一类型的材料已经不够满足需要。以梯度材料为例，梯度材料，又称梯度功能复合材料，指的是复合材料中分散相是不均匀的，材料不同时，性能是不同的，这一特性满足人们希望材料两端可以表现相异性质的要求，正是在这的促进下，梯度材料的发展越来越快。然而目前的SLM技术，往往是使用单一粉末的成型，在打印同一零件时难以成型梯度变化的材料，这些因素也同样限制着SLM技术的广泛应用与发展。

目前SLM送粉系统大多都是提前把要打印的粉末放到送粉腔内。无论是上送粉装置还是下铺粉装置，都需要事先准备足够的粉末，因此存在着不能改变粉末的限制。

因此需要设计一种新的SLM设备，使其不仅可以打印单一粉末材料的零件，也可以成型两种以上粉末材料，以及兼顾混合粉末功能同时可以对混合粉末的比例进行动态调控，以满足可以成型多种不同材料和不同比例粉末的零件，改善目前材料单一的缺陷。

发明内容

本发明主要涉及以金属粉末为主要加工原料的选择性激光熔化设备，针对传统SLM设备在成型能力上过于单一，大多只能成型单一性能的零件，不能在成型过程中改变粉末的种类的梯度逐渐变化的零件，解决了传统SLM铺粉粉末单一而无法成型多材料结构零件的问题。

为达到上述目的，本发明所述一种基于SLM设备实现多材料增材制造成型的装置，包括成型室，成型缸、铺粉装置、供粉仓、激光器和供粉系统，成型缸、铺粉装置、供粉仓均设置在成型室中，供粉系统通过粉末输送管线和供粉仓连通，供粉仓安装在机械臂的末端，铺粉装置设置在成型缸上方，在传动装置的带动下在成型室中水平运动，激光器用于发射激光以熔化成型缸上铺设的原材料；供粉系统包括粉末库和粉末处理中心，粉末库包括粉末储存罐，粉末储存罐包括n个子罐，n个子罐的出口均与粉末储存罐出口连通，n≥2；粉末处理中心用于控制粉末储存罐中粉末的流向。

进一步的，供粉仓包括腔体，腔体下端开设有出粉口，腔体中设置有齿轮，齿轮的齿顶圆直径等于腔体的长度。

进一步的，铺粉装置安装在传动带上。

进一步的，铺粉装置包括刮刀箱体，刮刀箱体上固定有刮刀。

进一步的，成型缸包括缸体，缸体中设置有基板，基板下端连接有驱动装置，驱动装置带动基板在缸体中竖直移动，基板的外侧设置有密封圈。

进一步的，成型缸两侧分别设置有第一粉末回收仓和第二粉末回收仓。

一种基于上述的装置的多材料增材制造成型方法，包括以下步骤：

步骤1、向不同粉末储存罐中装入要打印的原料粉末；

步骤2、对将要制造的零件建立三维实体模型分层并确定扫描方式；

步骤3、确定激光的功率和扫描速度，并将激光的功率、扫描速度将步骤2确定的扫描方式输入激光器控制软件中；

步骤4、使所有原料粉末就位，具体包括以下步骤：

4.1、设定初始粉末类别和粉末量；

4.2、将所需粉末量与粉末类别发送给粉末库，粉末库打开所需材料所在的子罐，将所需粉末传送到粉末处理中心；

4.3、原料粉末材料流经搅拌机后输送到供粉仓；

步骤5、将将要打印的位置传递至给机械臂，使机械臂带供粉仓移动到将要打印的位置，然后打开供粉仓开关，粉末开始流出，在此过程中机械臂做水平运动，同时供粉仓向下落粉，在机械臂运动区域形成一条由粉末堆积形成的直线；

步骤6、启动铺粉装置，铺粉装置将步骤落下的粉末均匀刮平，然后打开激光器，激光器根据步骤3设定的功率、扫描速度和扫描方式开始激光成型；

步骤7、一层成型结束后，成型缸内驱动装置带动基板下降一层高度，然后重复步骤5-步骤6，直至打印出目标零件。

进一步的，步骤1中，装入粉末储存罐中的每种类型成型材料的粉末量为理论计算值和从粉末库到供粉仓间的消耗量之和。

进一步的，步骤1中，向粉末储存罐中装入的粉末为球形金属粉末。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明改变以往传统的供粉系统，采用传统供粉缸和机械手臂结合的供粉装置，当使用单一材料时可以使用传统的供粉缸供粉，这时供粉模式是由下自上模式，当成型两种材料或者两种以上材料时，则使用机械臂结构送粉装置，当成型两种或两种以上材料，若其中一个材料占比大于其它材料之和，此时也可以采用供粉缸和机械臂结构结合供粉方式，占比多的材料选用传统的供粉缸铺粉，其它材料则选用机械臂由上自下送粉，由于机械臂结构更换材料简单迅速，以增加铺粉效率。

其次是机械臂的供粉系统为一个可以实时供粉的系统，该实时供粉系统由粉末库，粉末处理中心和腔内的供粉仓。与传统设备相似，在零件成型前，利用模型处理软件将零件参数模型进行切分，切分的厚度即为成型过程中刮刀铺粉的厚度，一般铺粉层厚与粉末粒径相关，粒径大时，铺粉厚度则相应取大些，否则在铺粉过程中，粒径大于层厚的粉末颗粒会被刮刀刮走，最终影响成型质量。设置机械臂结构，不同于现有的铺粉距离的固定，通过机械臂在腔室内的任意方向运动，可以改变每次铺粉前粉末的掉落位置，使粉末从机械臂上供粉仓掉落到要打印的位置，这种定向定点的成型方式，可以减少粉末的消耗。

本发明所述的成型方法，对零件模型的处理不仅仅涉及厚度，还有关于材料的选择。对于一个多材料零件，尽管可以将铺粉厚度设为相同，但不同的材料其参数工艺(参数工艺包括：激光功率，扫描速度，道间距和层厚)是不相同的，根据其已知的材料分布，可以将模型按不同材料分为几个不同部分，最后对每个部分单独设置参数以达到良好的成型性能。在成型过程中通过读取提前设置好接下来层数所需的粉量，然后输送到暂时的供粉仓内，这种通过系统控制提取粉末的系统可以改变每次提取粉末的种类以满足不同材料铺粉的目的。此外，通过实时调控粉末的种类和混合比例，不同种类粉末流经搅拌器可以得到充分的混合。因此对于混合粉末的成型，除了可以事先准备混合粉末外，还可以在成型过程中实时准备。根据打印混合粉末的比例，控制粉末库中单个粉末的流出量，再将流出的粉末经粉末处理中心进行充分混合。这种可以抽取不同粉末材料进行混合，并且可以改变混合材料粉末的比例，即为对铺粉层材料的动态调控。

附图说明

图1为传统SLM设备结构示意图；

图2为本发明的SLM设备结构示意图；

图3为铺粉装置示意图；

图4为机械臂结构示意图；

图5为供粉仓结构；

图6为整体粉末供应与循环工作流程图；

图7粉末库示意图；

图8粉末处理中心示意图；

图9是目标材料示意图；

图10零件材料层数模拟图。

附图中：1、激光器，1-1、光学镜扫描系统，2、激光，31、第一粉末回收仓，32-第二粉末回收仓，4、成型缸，4-1、粉末，4-2、密封圈，4-3、成型基板，4-4、滚珠丝杆，4-5、第一驱动系统，5、供粉缸，5-1、缸体，5-2、供粉基板，5-3、第二驱动系统，6、金属粉末，7、铺粉装置，8、传送带，9、成型室，10、送粉系统，11、机械臂，12、粉末输送管，13、刮刀，14、刮刀固定块，15、刮刀箱体，16、供粉仓，161、腔体，162、齿轮，17、机械臂，18、底座，19、粉末处理中心，20、粉末库，22、第一控制阀，23、搅拌机，24、第二控制阀，26、粉末储存罐，27、氩气供气装置，101、第一钛合金层，102-第一不锈钢层、103-第二钛合金层，104-第二不锈钢层。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的目的在于克服目前SLM技术铺粉材料单一以及粉末利用率低的问题，提供一种采用供粉缸和机械臂结构的双送粉结构和动态调控送粉系统以实现定向定点铺粉以及随时更换粉末材料种类的装置及方法，通过机械臂结构可以实现定向送粉，减少粉末的不必要损失，通过动态调控送粉系统调控混合粉末比例以满足粉末层种类有顺序、有方向、有目的改变，能够使一个零部件具有多种性能。

参见图1-图4，一种基于SLM设备实现多材料增材制造成型的装置包括激光器1、光学镜扫描系统1-1、第一粉末回收仓31、第二粉末回收仓32、成型缸4、粉末供给仓5、铺粉装置7、传送带8、成型室9、供粉系统10、机械臂11、粉末输送管线12和供粉仓16。

铺粉装置7、传送带8、机械臂11和供粉仓16均设置在成型室9中，第一粉末回收仓31、成型缸4、粉末供给仓5和第二粉末回收仓32依次设置在成型室9下部，传送带8一端位于第一粉末回收仓31正上方，另一端位于第二粉末回收仓32正上方，激光器1和供粉系统10设置在成型室9外，供粉系统10通过管线12和供粉仓16连接，机械臂11的底座安装在成型室9的顶部，机械臂11末端连接供粉仓16。

激光器1产生的激光2通过光学镜扫描系统1-1瞄准目标区域，光学镜扫描系统1-1作用是偏转激光束使其到达目标区域。目标区域在成型缸4内，当激光2熔化目标区域的粉末4-1后，基板4-3在第一驱动系统4-5带动下向下移动一段距离，第一驱动系统4-5通过滚珠丝杠4-4与成型基板4-3连接，滚珠丝杆4-4一端和第一驱动系统4-5通过联轴器连接，另一端固定在基板4-3下方中心，使用螺母固定在丝杠的螺母座上。成型基板4-3水平设置在成型缸4内，成型基板4-3与成型缸4内壁没有直接接触，而是通过成型基板4-3外的密封圈4-2接触形成过盈配合，进而防止成型基板4-3上的粉末4-1掉落。本发明中粉末进给装置共有两个，一个位于成型室9右侧，称为供粉缸5，供粉缸5包括缸体5-1和供粉基板5-2，供粉缸5与成型缸4相同，通过第二驱动系统5-3带动供粉基板5-2上下运动，进而带动粉末的上下运动。另一个粉末进给装置位于成型室9右上角并紧挨箱体内壁，为机械臂11，机械臂底座用螺栓紧固在箱体上，机械臂末端设置有供粉仓16，供粉仓16顶部与机械臂末端采用焊接方式固定在一起。

参照图5，供粉仓16由腔体161和齿轮162组成，腔体161大小为长*宽*高＝150*50*150mm，腔体161中心安装有一个齿轮162，齿轮162厚度为50mm，齿顶圆直径为150mm，齿数为9。供粉仓16顶部左上角处有一直径为5mm的圆孔，粉末输送管12通过头部的螺纹头与供粉仓圆孔螺纹连接，实现供粉仓16和送粉系统10的连通。铺粉装置7位于成型室9右侧，位置处于供粉缸5和第二粉末回收仓32之间，铺粉装置7通过带传动实现周期往复运动，两端通过螺栓和传送带8上的突出块固定在一起。

在目前的SLM成型零件时，首先在供粉缸5中放入足够的金属粉末，在打印开始时，供粉缸5底部的进给装置向上移动一个层厚的距离，其次，由传送带8带动铺粉装置7运动，当铺粉装置运动到供粉缸5位置，铺粉装置7底部刮刀13会带动露出的粉末在供粉缸5上端面上运动，铺粉装置7到达第一粉末回收仓31处后然后原路返回，多余的粉末掉入第一粉末回收仓31内。通过刮刀13的运动，在成型缸4的基板4-3上铺满一层金属粉末6，然后激光器1发射激光，激光2在基板上熔化粉末成型，当成型结束时，在第一驱动系统4-5的作用下带动基板向下降落一个层厚的高度，即一次打印过程完成。

利用本发明的装置成型零件时，首先供粉系统10工作，供粉系统10由粉末库20和粉末处理中心19组成，其中粉末库20包括粉末储存罐26和氩气供气装置27，粉末的传输起始于粉末库20，当选择需要的粉末后，粉末经粉末储存罐26流出，在氩气装置27的作用下，经管道流向粉末处理中心19。粉末在粉末处理中心19中可以由搅拌机23搅拌以防止粉末之间的粘结，其次对于多种粉末材料在搅拌机23的多次作用下也可以对粉末进行混合。当粉末离开搅拌机23后经过第二控制阀24通过粉末输送管道12传送到机械臂上的供粉仓16或者再次经由出口B回到搅拌机23内对粉末再次搅拌。对于供粉仓16内的粉末，其作用同传统粉末供给仓5，在成型过程中，由机械臂11带动供粉仓16运动到指定铺粉起始位置后，供粉仓16内粉末流出，然后铺粉装置7运动，在刮刀13的作用下将粉末铺平。然后激光器1发射激光，激光2在成型基板4-3上熔化粉末成型，当成型结束时，成型缸4在底部进给装置作用下带动成型基板4-3向下降落一个层厚的高度，至此一次打印过程完成。

图3所示为铺粉装置7侧边截图，其主要部件为刮刀13、刮刀固定块14和刮刀箱体15组成，刮刀13通过螺栓与刮刀固定块14固定连接，连接位置位于刮刀固定块14侧边，刮刀固定块14与刮刀箱体15也是由螺栓连接，连接位置位于刮刀固定块14顶部。刮刀13的材料可以采用金属或橡胶，相较于橡胶材料，金属材料有着更高的精度，对粉末粒径的处理也更为严格。传统的铺粉装置一般采用铺粉棍子结构，铺粉辊子尽管有着良好的铺粉效果，但其铺粉精度太低，对零件成型质量有着较大的影响。

参照图4，机械臂结构由底座18，机械臂17，供粉仓16组成六轴系统，使其在空间内不仅可以做直线运动，也可以做旋转运动。其中底座18负责将机械臂固定在成型室9内，机械臂17为装置核心部分，负责搭载供粉仓16运动到指定位置，当到达指定位置后，供粉仓内16粉末流出，如图5所示供粉仓结构图，调整齿轮162的转速可以控制粉末流出速率。此时机械臂17搭载供粉仓16做横向运动，使掉落的粉末呈直线分布，并在刮刀13的作用下使粉末完整铺满即将要成型的位置。

参照图6，送粉系统10包括图7所示的粉末库20与图8所示的粉末处理中心19。参照图7，粉末库20包括氩气供气装置27和粉末储存罐26。粉末储存罐26中设置有A、B、C、D四个子罐，A、B、C、D四个子罐可用于存放不同的金属粉末，四个子罐的结构和供粉仓16的结构相同，包括罐体，罐体中设置有齿轮，通过电机带动齿轮的转动，以开启或关闭子罐，通过调整电机的转速调整粉末的流出速度。氩气供给装置27出口和粉末输送管线起点连接，用于促进粉末的流动。当设备开始工作时首先粉末库20调用粉末，选择粉末后，电机带动齿轮转动，开关打开，粉末即可从粉末储存罐流出，控制齿轮转动速度，粉末流速也因此而改变。

粉末处理中心19位于粉末库20与供粉仓16之间，三者通过粉末输送管线12连接，主要由第一控制阀22、第二控制阀24和搅拌机23构成，第一控制阀22的作用是控制搅拌机23的粉末流入，第二控制阀24位于搅拌机23右下侧，作用是控制搅拌机23内的粉末流出，两个控制阀的开关通过控制氩气流动，进而控制粉末的传输。当第一控制阀22开启时，氩气流动并进入搅拌机23，气体的流动带动粉末流动，粉末从粉末仓16流出进入搅拌机23内搅拌，搅拌机23用于搅拌粉末防止粉末粘结在一起，对于混合粉末来说还有使粉末混合均匀的作用。第二控制阀24具有一个入口和两个出口——出口A和出口B，用于控制粉末在搅拌机内循环搅拌和准备好的粉末流入供粉仓16或回收仓，当出口B打开时搅拌机23内的粉末从出口流出并从入口再次流入搅拌机23，当出口A打开时粉末流向供粉仓16与回收仓31。当通入气体清理导管与搅拌机23内残余粉末时，第二控制阀通过打开出口A控制粉末经供粉仓16流入回收仓3，达到清理的作用。

本发明包括以下步骤：

步骤1、在粉末库20的不同粉末储存罐26中装入要打印的各种原料粉末；原料粉末为适用于选区激光熔化工艺成型的金属粉末。

步骤2、将要制造的零件建立三维实体模型导入Autodesk Netfabb Premium软件中，在软件内对模型进行分层以及设置扫描方式，扫描方式包括每一层的扫描路径，以及路径的距离间隔，将处理后的模型以CLI格式导入激光器控制软件中，并在激光器控制软件中设置激光的功率和扫描速度参数；

步骤3、用氩气清洗成型室9，使成型室9内氧含量低于200ppm。设置每一层的材料类型，并设置该材料成型时所需的激光功率和扫描速度。

步骤4、开始成型，包括以下步骤：

4.1)设定初始粉末类别和粉末量(粉末量是一个需要手动输入的数值，考虑到每次成型的零件不同，因此每次所需的粉末量也有所不同，成型前需要预估此数值，并手动输入，粉末量数值可以在成型过程中根据实际执行情况进行手动修改)。

4.2)将所需粉末量与粉末类别发送给粉末库20，粉末库20接通所需材料所在的粉末仓26中对应的子罐的电机，使对应的齿轮开始转动，粉末开始流动，将所需粉末通过氩气27传送到粉末处理中心19。

4.3)在此处若是单种粉末材料则流经搅拌机23后通过控制阀直接输送到供粉仓16，若是多种粉末材料，则经搅拌机23搅拌后再次由第二控制阀24将粉末输送进搅拌机23进行搅拌，待粉末搅拌均匀后再输送到供粉仓16。

步骤5、判断即将要打印的位置，将该位置传递至给机械臂11，使机械臂带供粉仓16移动到将要打印的位置，然后打开供粉仓16内开关，粉末开始流出，在此过程中机械臂11做水平运动，同时供粉仓向下落粉，在机械臂11运动区域形成一条由粉末堆积形成的直线。

步骤6、启动铺粉装置7，使刮刀13开始铺粉，将步骤5落下的粉末均匀刮平，打开激光器1，开始激光成型。

步骤7、一层成型结束后，成型缸内驱动装置带动基板下降一层高度，然后重复步骤5-6，直至打印出目标产物。

步骤7中，在将要更换材料时，使供粉仓16中剩余所有粉末全部流出，并借助氩气冲洗，与此同时，粉末处理中心19里残余的粉末也进行清洗并最终流向回收仓。

在快速成型过程中，相对其它不规则粉末，最好采用流动性好的球形金属粉末，既可以在粉末传输过程中残留少，流动快，便于混合，还可以在铺粉时达到很好的铺粉效果。铺粉方式采用刮刀铺粉而不是圆棒辊子，刮刀铺粉精度高，且粉末粘附少。

由于本发明采用的是实时铺粉，且成型后粉末回收困难，因此节约粉末也是一个特别思考的问题。为防止在成型过程中粉末量不够以及避免成型过程中粉末不必要的浪费，因此步骤1的每种类型成型材料的粉末量为理论计算值加上从粉末库到供粉仓中间的消耗量，此外使用氩气运输粉末，即提高运输时间也减少运输过程中粉末的消耗。对于单种粉末材料，粉末成型结束后，机械臂移动到粉末回收仓回收该粉末位置，开启氩气，将剩余管内粉末清理干净，清理后的粉末则由粉末回收箱展示存储，下次需要时可以直接调用并输送到粉末处理中心。对于混合粉末清理后则不再循环使用。

实施例1

基于本方法成型零件，厚度为0.4mm的板，该板共有四层，自下至上依次为：第一钛合金层101、第一不锈钢层102、第二钛合金层103和第二不锈钢层104。结果模拟示意图如图9所示，通过该图可以看出，该零件包含两种材料：不锈钢粉末与钛合金粉末，两种材料交叉堆叠，每层厚度为0.1mm，假设铺粉层厚为0.025mm，则每种材料铺四层，此外可以给每层设置扫描方式，图中扫描方式是每层旋转90度，不受材料分层的影响。设置两种材料各自的激光功率与扫描速度即可。

基于本方法成型零件，预成型一个0.4mm的薄板，模拟示意图如图9所示，从图中可以看出根据扫描方向(图中分布线的方向)的不同，将薄板分为四部分，每部分添加单独材料，每部分厚度为0.1mm，由下自上添加材料依次是，钛合金，不锈钢，钛合金和不锈钢。在成型过程中，由于每一部分厚度较大，直接成型会导致粉末熔化不充分，SLM成型厚度一般在0.05mm以下，因此设定铺粉层厚为0.025mm。设置扫描方式为每经过四层旋转90度。

a)在粉末储存罐A和B中装入球形钛合金粉末，在粉末储存罐C和D中装入球形不锈钢粉末，球形不锈钢和球形钛合金粉末的粒径为15-45微米；

b)对将要制造的零件建立三维实体模型，并导入Autodesk Netfabb Premium软件中，按层厚0.025mm对三维模型进行切片分层，切片后层数为16。，然后填充每一层以设置扫描方式，将得到的轮廓数据导入SLM设备中。

c)用氩气清洗成型室9腔，使成型室9腔内氧含量低于200ppm。设置材料类型，自开始至结束依次是钛合金四层，不锈钢四层，钛合金四层，不锈钢四层。并设置该材料成型时所需的激光功率和扫描速度。d)开始成型。1)由钛合金材料打印层数，估计出前四层钛合金粉末所需粉末量。2)将所需粉末量与粉末类别发送给粉末库，粉末库20接通所需材料类别所在的粉末储存罐的电机，齿轮转动，粉末开始流动，将所需粉末通过氩气传送到粉末处理中心。3)粉末经搅拌机搅拌后流入供粉仓。

e)系统判断即将要打印的位置，将该位置传递至给机械臂11，机械臂11带着供粉仓16移动到此位置，然后打开供粉仓开关打开，在此过程中机械臂做水平直线运动，同时供粉仓16向下落粉，在机械臂运动区域形成一条由粉末堆积形成的直线。当粉末流速一定时，通过控制机械臂运动速度，可以达到间接控制粉末流量的目的。

f)刮刀开始铺粉，将e)步骤落下的粉末均匀刮平，激光开始成型。

g)本层成型结束后，成型缸内驱动装置带动基板下降一层高度，然后重复步骤e)和f)。当层数达到16层时，则成型结束。

h)在某一种粉末材料铺最后一层时，将供粉仓16中剩余所有粉全部流出，并借助氩气冲洗，与此同时，粉末处理中心里残余的粉末也进行清洗并最终流向回收仓。

通过与传统方法对比可知，本发明在成型这种多材料层零件上，具有简单方便，浪费少等优势，尤其是当材料类型再增多时，本发明的优越性体现的也就更加明显。

本发明针对金属粉末熔化SLM设备成型工艺，针对目前SLM设备只能成型单种材料的状况，提供了一种可以成型多种材料的系统装置。通过采用一种动态调节送粉方式，可以实时选择所需材料类型，成型接下来实体层。通过粉末处理中心，利用搅拌器搅拌粉末，既可以防止粉末粘结，又可以混合多种粉末，达到实时配粉的目的。由机械臂搭载暂时供粉仓，通过机械臂运动可以使供粉仓到达铺粉的位置，在机械臂的直线运动的同时，打开供粉仓开关，可以确保铺粉位置粉末掉落均匀。通过增添粉末回收仓，可以回收清理出来的粉末，并且对于清理出来的单种粉末材料，也可以暂时存储在粉末回收箱，等下次需要改种材料时，也可以随时调用。通过机械臂在成型腔内运动，可以使供粉仓到达需要的位置，即粉末掉落位置是随打印位置变化而变化的，在一定程度上达到了节约粉末的目的。

本发明设计的供粉系统不仅可以应用于SLM成型设备，也可以应用于其它增材制造设备，对于成型一些像梯度材料这种多材料体系零件，本发明具有重要的与意义。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于SLM设备实现多材料增材制造成型的装置，其特征在于，包括成型室(9)，成型缸(4)、铺粉装置(7)、供粉仓(16)、激光器(1)和供粉系统(10)，所述成型缸(4)、铺粉装置(7)、供粉仓(16)均设置在成型室(9)中，所述供粉系统(10)通过粉末输送管线(12)和供粉仓(16)连通，所述供粉仓(16)安装在机械臂(11)的末端，所述铺粉装置(7)设置在成型缸(4)上方，在传动装置的带动下在成型室(9)中水平运动，所述激光器(1)用于发射激光以熔化成型缸(4)上铺设的原材料；

所述供粉系统(10)包括粉末库(20)和粉末处理中心(19)，所述粉末库(20)包括粉末储存罐(26)，所述粉末储存罐(26)包括n个子罐，所述n个子罐的出口均与粉末储存罐出口连通，n≥2；

所述粉末处理中心(19)用于控制粉末储存罐(26)中粉末的流向。

2.根据权利要求1所述的一种基于SLM设备实现多材料增材制造成型的装置，其特征在于，所述供粉仓(16)包括腔体(161)，所述腔体(161)下端开设有出粉口，所述腔体(161)中设置有齿轮(162)，所述齿轮(162)的齿顶圆直径等于腔体(161)的长度。

3.根据权利要求1所述的一种基于SLM设备实现多材料增材制造成型的装置，其特征在于，所述铺粉装置(7)安装在传动带(8)上。

4.根据权利要求1所述的一种基于SLM设备实现多材料增材制造成型的装置，其特征在于，所述铺粉装置(7)包括刮刀箱体(15)，所述刮刀箱体(15)上固定有刮刀(13)。

5.根据权利要求1所述的一种基于SLM设备实现多材料增材制造成型的装置，其特征在于，所述成型缸(4)包括缸体，所述缸体中设置有基板(4-3)，所述基板(4-3)下端连接有驱动装置，所述驱动装置带动基板(4-3)在缸体中竖直移动，所述基板(4-3)的外侧设置有密封圈(4-2)。

6.根据权利要求1所述的一种基于SLM设备实现多材料增材制造成型的装置，其特征在于，所述成型缸(4)两侧分别设置有第一粉末回收仓(31)和第二粉末回收仓(32)。

7.一种基于权利要求1所述的装置的多材料增材制造成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、向不同粉末储存罐(26)中装入要打印的原料粉末；

步骤2、对将要制造的零件建立三维实体模型分层并确定扫描方式；

步骤3、确定激光的功率和扫描速度，并将激光的功率、扫描速度将步骤2确定的扫描方式输入激光器控制软件中；

步骤4、使所有原料粉末就位，具体包括以下步骤：

4.1、设定初始粉末类别和粉末量；

4.2、将所需粉末量与粉末类别发送给粉末库(20)，粉末库(20)打开所需材料所在的子罐，将所需粉末传送到粉末处理中心(19)；

4.3、原料粉末材料流经搅拌机(23)后输送到供粉仓(16)；

步骤5、将将要打印的位置传递至给机械臂(11)，使机械臂(11)带供粉仓(16)移动到将要打印的位置，然后打开供粉仓(16)开关，粉末开始流出，在此过程中机械臂(11)做水平运动，同时供粉仓(16)向下落粉，在机械臂(11)运动区域形成一条由粉末堆积形成的直线；

步骤6、启动铺粉装置(7)，铺粉装置(7)将步骤(5)落下的粉末均匀刮平，然后打开激光器(1)，激光器(1)根据步骤3设定的功率、扫描速度和扫描方式开始激光成型；

步骤7、一层成型结束后，成型缸内驱动装置带动基板下降一层高度，然后重复步骤5-步骤6，直至打印出目标零件。

8.根据权利要求7所述的一种基于SLM设备实现多材料增材制造成型方法，其特征在于，所述步骤1中，装入粉末储存罐(26)中的每种类型成型材料的粉末量为理论计算值和从粉末库到供粉仓(16)间的消耗量之和。

9.根据权利要求7所述的一种基于SLM设备实现多材料增材制造成型方法，其特征在于，所述步骤1中，向粉末储存罐(26)中装入的粉末为球形金属粉末。

Images