CN113000859A - 一种用于粉末床激光熔融增材制造的3d石墨烯原位自生装置 - Google Patents

一种用于粉末床激光熔融增材制造的3d石墨烯原位自生装置 Download PDF

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刘胜
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刘健
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Abstract

本发明提出一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，包括支架、X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构，X向移动机构包括X向丝杠和X向轨道，对称安设于支架的两侧边，Y向移动机构包括Y向丝杠、Y向滑块、胶水涂覆组件和石墨烯激光诱导组件，Y向丝杠的一端与X向丝杠的螺母相连，另一端与Y向滑块相连，Y向滑块与X向轨道相配置，胶水涂覆组件和石墨烯激光诱导组件均安设于Y向丝杠上，Z向移动机构包括Z向丝杠和加热平台，Z向丝杠垂直安设于支架底板上，加热平台两侧均与Z向丝杠相连。本发明能够实现在激光增材制造中3D石墨烯的原位自生，避免了石墨烯或者金属基材的转移环节，有利于提高制造精度以及制造效率。

Description

一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置
技术领域
本发明属于先进材料制造的技术领域，尤其涉及一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置。
背景技术
石墨烯是一种碳原子以sp2杂化连接的单层蜂窝状的新材料，在光学、电学、力学性能方面均具有优异的特性。由于石墨烯出色的综合性能，被认为是复合材料中最有潜力的强化剂，在复合材料制备领域具有广阔的应用前景。特别的，在金属-石墨烯多层金属基复合材料中的研究中，石墨烯能够起到载荷转移以及限制位错运动的作用，能够显著提高多层金属基复合材料的力学性能。
目前，石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、氧化还原法、外延生长法、化学气相沉积法。上述石墨烯制备方法可以实现石墨烯粉体或者薄片的批量制备。然而，在将石墨烯作为强化剂引入多层金属基复合材料的过程中，不可避免的存在石墨烯转移的问题。由于石墨烯具有较大的比表面积以及较小的横向尺寸，石墨烯转移过程复杂，导致复合材料的制备效率较低。因此，石墨烯的原位自生成为提高复合材料制备效率的主要解决方法之一。例如，江苏大学(CN201710327492.9)公开了一种激光复合诱导球磨铸铁构件表面原位自生石墨烯的方法，其特征在于通过激光喷丸制备仿生形貌，利用激光辐射实现球状石墨剥离，制备原位自生石墨烯。上述方法虽然能够实现石墨烯的原位自生，但是仅适用于含碳金属基材，并不具有普适性。美国莱斯大学学者Jams M.Tour的研究表明无定型炭在700–1200cm-1的区间内对红外光吸收比较强烈。因此，可以通过在金属基材表面制备高分子膜作为前驱体，以CO2激光烧蚀的前驱体方法实现3D石墨烯的原位自生。但是，目前多层复合材料中金属基体层的主要制备方法为气相沉积或者激光增材制造。在多层金属基复合材料的制备过程中仍然存在金属基体层或者石墨烯转移的问题。因此，如何在实现以CO2激光烧蚀的前驱体方法实现3D石墨烯的原位自生的同时，避免激光增材制造金属基复合材料制备过程中材料的转移仍是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，能够实现激光增材制造金属基复合材料制备的过程中3D石墨烯的原位自生，避免石墨烯或者金属基材的转移过程。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，其特征在于，包括支架、X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构，所述支架为U型框架结构，所述X向移动机构包括X向丝杠和X向轨道，所述X向丝杠和X向轨道对称安设于支架的两侧边，所述Y向移动机构包括Y向丝杠、Y向滑块、胶水涂覆组件和石墨烯激光诱导组件，所述Y向丝杠的一端与X向丝杠的螺母相连，另一端与所述Y向滑块相连，Y向滑块与X向轨道相配置，所述胶水涂覆组件和石墨烯激光诱导组件均安设于Y向丝杠上，所述Z向移动机构包括Z向丝杠和加热平台，所述Z向丝杠垂直安设于支架底板上，所述加热平台两侧均与Z向丝杠相连。
按上述技术方案，所述胶水涂覆组件包括储胶箱，所述储胶箱顶部均匀间隔设有多个进气口和进胶口，储胶箱底部中心设有涂覆毛刷。
按上述技术方案，所述石墨烯激光诱导组件包括激光器和激光头，所述激光头与所述Y向丝杠相连。
按上述技术方案，所述激光器可选用不同波长的CO2激光器或半导体激光器。
按上述技术方案，所述激光波长可以但不限于405nm或450nm或532nm或1064nm。
按上述技术方案，所述涂覆毛刷包括转轴和刷毛，所述转轴两端与所述储胶箱相铰接，所述刷毛沿转轴周面铺设。
按上述技术方案，所述进气口内通入高压氩气。
按上述技术方案，所述进胶口内通入聚酰亚胺胶水。
本发明的有益效果是：提供一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，能够与激光增材设备较好的配套，实现在激光增材制造过程中的3D石墨烯的原位自生，在激光增材制造多层金属基复合材料的过程中，避免了石墨烯或者金属基材的转移环节，有利于提高制造精度；作为激光增材制造设备的配套设施，能够实现激光增材制造-高分子胶水涂覆-胶水干燥成膜-CO2激光诱导原位自生石墨烯多个环节的同步进行，能够有效提高激光增材制造多层金属基复合材料的效率，而且无需对激光增材设备做任何改装。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为本发明一个实施例的胶水涂覆组件的结构示意图。
图3为本发明一个实施例的石墨烯激光诱导组件的结构示意图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。
如图1所示，一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，包括支架1、X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构，支架为U型框架结构，X向移动机构包括X向丝杠2和X向轨道3，X向丝杠和X向轨道对称安设于支架的两侧边，Y向移动机构包括Y向丝杠4、Y向滑块5、胶水涂覆组件6和石墨烯激光诱导组件7，Y向丝杠的一端与X向丝杠的螺母相连，另一端与Y向滑块相连，Y向滑块与X向轨道相配置，胶水涂覆组件和石墨烯激光诱导组件均安设于Y向丝杠上，Z向移动机构包括Z向丝杠8和加热平台9，Z向丝杠垂直安设于支架底板上，加热平台两侧均与Z向丝杠相连。X向丝杠带动Y向丝杠沿X向移动，Y向丝杠带动胶水涂覆组件和石墨烯激光诱导组件沿Y向移动，Z向丝杠带动加热平台沿Z向移动，实现待加工试样Z轴方向的运动，以匹配激光增材制造多层金属复合材料过程中的离焦量变化。
如图2所示，胶水涂覆组件包括储胶箱10，储胶箱顶部均匀间隔设有多个进气口11和进胶口12，实现均匀进胶，储胶箱底部中心设有涂覆毛刷13，涂覆毛刷包括转轴和刷毛，转轴两端与所述储胶箱相铰接，刷毛沿转轴周面铺设，进气口内通入高压氩气，进胶口内通入聚酰亚胺胶水。
如图3所示，石墨烯激光诱导组件包括激光器14和激光头15，激光头与Y向丝杠相连。激光器为CO2激光器或不同波长的半导体激光器，波长可以但不限于405nm或450nm或532nm或1064nm。
加热平台在激光增材制造过程中不但能够辅助高分子胶水的干燥成膜，能够额外的起到对待加工工件的预热作用，有利于熔池内的温度梯度，降低增材成型件内部的热应力，避免裂纹的萌生，提高熔覆质量。
X向丝杠、Y向丝杠和Z向丝杠均由马达驱动旋转，马达的转速和转动方向均通过PLC控制器控制，马达与支架之间通过螺栓连接，丝杠与马达均通过联轴器连接。
在正常的粉末床铺设以及激光熔融增材环节执行结束后，通过在激光增材设备下配置本发明执行高分子胶水涂覆以及激光激光诱导石墨烯过程，可以实现粉末床激光熔融增材制造过程中的3D石墨烯原位自生。该过程中无需移动待加工式样的位置，通过丝杠配合胶水涂覆装置以及石墨烯激光诱导装置的移动，可以实现激光增材制造-高分子胶水涂覆-胶水干燥成膜-激光诱导石墨烯多个环节的同步进行，重复以上循环，可以实现金属/石墨烯纳米复合材料的激光熔融粉末床增材制造。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，其特征在于，包括支架、X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构，所述支架为U型框架结构，所述X向移动机构包括X向丝杠和X向轨道，所述X向丝杠和X向轨道对称安设于支架的两侧边，所述Y向移动机构包括Y向丝杠、Y向滑块、胶水涂覆组件和石墨烯激光诱导组件，所述Y向丝杠的一端与X向丝杠的螺母相连，另一端与所述Y向滑块相连，Y向滑块与X向轨道相配置，所述胶水涂覆组件和石墨烯激光诱导组件均安设于Y向丝杠上，所述Z向移动机构包括Z向丝杠和加热平台，所述Z向丝杠垂直安设于支架底板上，所述加热平台两侧均与Z向丝杠相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，其特征在于，所述胶水涂覆组件包括储胶箱，所述储胶箱顶部均匀间隔设有多个进气口和进胶口，储胶箱底部中心设有涂覆毛刷。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，其特征在于，所述石墨烯激光诱导组件包括激光器和激光头，所述激光头与所述Y向丝杠相连。
4.根据权利要求3所述的一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，其特征在于，所述激光器可以为不同波长的CO2激光器或半导体激光。
5.根据权利要求4所述的一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，其特征在于，所述激光波长为405nm或450nm或532nm或1064nm。
6.根据权利要求2所述的一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，其特征在于，所述涂覆毛刷包括转轴和刷毛，所述转轴两端与所述储胶箱相铰接，所述刷毛沿转轴周面铺设。
7.根据权利要求2或6所述的一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，其特征在于，所述进气口内通入高压氩气。
8.根据权利要求2或6所述的一种用于粉末床激光熔融增材制造的3D石墨烯原位自生装置，其特征在于，所述进胶口内通入聚酰亚胺胶水。
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