CN113084163A - 一种激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台 - Google Patents

一种激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台，包括下送粉缸、刮板、金属激光扫描系统、上送粉系统、微吸粉器、非金属激光扫描系统、平台基体、成型基板、成型缸，其特征在于：所述的刮板通过水平移动机构安装在所述的下送粉缸左侧，所述的成型基板通过竖直移动机构安装在所述的成型缸上，所述的上送粉系统和微吸粉器与所述的平台基体可动连接，所述的金属激光扫描系统和非金属激光扫描系统固连在平台基体上。本发明的平台改变了现有激光粉末床熔融设备不能改变不同部位材料成分的现状，实现了多种材料以及多种材料不同配比组合的分配，实现了多材料复杂结构的制造，使单个复杂结构件在不同的空间分布中具有不同的材料和性能特征。

Description

一种激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台
技术领域
本发明涉及一种激光粉末床增材制造平台，尤其是针对激光粉末床熔融多材料复杂结构 的平台，属于激光增材制造设备技术领域。
背景技术
随着航空、航天、国防、农业装备等领域的不断发展，由均质材料制造的零件其性能已 难以满足特定产品的功能需求，为满足特定产品越来越高的性能要求，一方面零件结构越来 越复杂及轻量化，另一方面多种材料也为零件的不同性能要求提供了保障，将多种材料集成 在单个工程结构件上以扩展其功能特性范围的能力对于工程系统的不断优化具有巨大的价 值，然而由于结构复杂，材料异质等特征，传统制造方法无法制造如此复杂的多材料结构件。
增材制造逐点、逐线、逐面、逐域的零件成形方法给制造技术从传统的宏观外形制造向 宏微结构一体化制造提供了新契机，特别是激光增材制造技术是一种兼顾精确成形和高性能 成性一体化需求的先进制造技术，具有制造不同材料和性能空间复杂分布集成在单一结构件 上的潜力，这是其他制造技术无法实现的。虽然目前激光增材制造技术在航空航天、医疗、 汽车制造等领域获得了应用，但现阶段市场上商用激光粉末床熔融增材制造设备中的原材料 粉末只能通过单一的刮板或铺粉辊铺平，不能实现不同部位材料成分的改变，无法实现多材 料复杂结构的制造需求。另一方面，虽然有文献报道可以用超声振动控制多喷嘴方式实现不 同材料的分配，但这种方法只能实现一个喷嘴分配一种材料、多个喷嘴分配多种材料，不能 实现一个喷嘴对多种材料或者多种材料不同配比组合的分配。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的这些问题，提供一种激光粉末床熔融多材料复杂 结构的平台，用于多材料复杂结构的制造，使单个复杂结构件在不同的空间分布中具有不同 的材料和性能特征，为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台，用于多材料复杂结构的制造，包括下送粉 缸、刮板、金属激光扫描系统、上送粉系统、微吸粉器、非金属激光扫描系统、平台基体、 成型基板、成型缸，其特征在于：所述的刮板通过水平移动机构安装在所述的下送粉缸左侧， 可在所述的下送粉缸和成型缸上左右水平移动，所述的成型基板通过竖直移动机构安装在所 述的成型缸上，所述的上送粉系统和微吸粉器与所述的平台基体可动连接，所述的金属激光 扫描系统和非金属激光扫描系统固连在平台基体上；所述的上送粉系统包括：至少一个存储 舱，用于存放成型零件所需的不同种类粉末材料；至少一个流道，用于将存储舱内的粉末材 料输送给喷嘴；开关门，通过控制系统控制开关门的打开和闭合以及打开门孔的大小以控制 存放在存储舱里的粉末向下流动的流速和流量；喷嘴，用于将流入到喷嘴里的粉末材料精确 分配到所述成型基板上的相应位置；每个流道的上端对应一个存储舱，每个流道和对应的存 储舱之间安装一个开关门，各流道的下端通过一个单流道接头与喷嘴相连；所述的喷嘴和流 道及存储舱在可动连接机构的带动下，能够面向所述成型基板上对应的粉层位置设置，用于 在所述成型基板相应位置上精确铺设对应的粉末材料；所述的金属激光扫描系统包括可以熔 化金属粉末材料的激光器及其对应的扫描振镜系统，用于选择性扫描并固化铺设在所述成型 基板上的金属粉末材料；所述的非金属激光扫描系统包括可以烧结非金属粉末材料的激光器 及其对应的扫描振镜系统，用于选择性扫描并固化铺设在所述成型基板上的非金属粉末材料； 所述的微吸粉器在可动连接机构的带动下，能够面向所述成型基板上对应的粉层位置设置， 用于逐点选择性吸除所述粉层中未被扫描固化的粉末材料。
作为进一步改进，本发明所述的上送粉系统通过x、y、z三个方向的移动机构安装在所 述的平台基体上，可实现x、y、z三个方向的移动。
作为进一步改进，本发明所述的微吸粉器通过x、y、z三个方向移动机构安装在所述的 平台基体上，可实现x、y、z三个方向的移动。
作为进一步改进，本发明所述的可以熔化金属粉末材料的激光器为光纤激光器。
作为进一步改进，本发明所述的可以烧结非金属粉末材料的激光器为二氧化碳激光器。
本发明的有益效果是：本发明的一种激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台，改变了现 有商用激光粉末床熔融设备不能改变不同部位材料成分的现状，实现了多种材料以及多种材 料不同配比组合的分配，从而实现了多材料复杂结构的制造，使单个复杂结构件在不同的空 间分布中具有不同的材料和性能特征。
附图说明
图1是本发明的平台总体结构示意图；
图2是上送粉系统结构示意图；
图3是本发明的平台工作过程示意图。
附图中的零部件序号如下：下送粉缸1、刮板2、金属激光扫描系统3、上送粉系统4、甲种粉末存储舱4a1、乙种粉末存储舱4a2、甲开关门4b1、乙开关门4b2、甲流道4c1、乙流 道4c2、单流道接头4d、喷嘴4e、微吸粉器5、非金属激光扫描系统6、平台基体7、成型基 板8、成型缸9。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是 本发明的一个实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在 没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，下面结合 附图和实施例，对本发明作进一步地说明：
如图1所示，本发明的一种激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台，用于多种材料复杂 结构的制造，包括下送粉缸1、刮板2、金属激光扫描系统3、上送粉系统4、微吸粉器5、非金属激光扫描系统6、平台基体7、成型基板8、成型缸9，其特征在于：所述的刮板2通 过水平移动机构安装在所述的下送粉缸1左侧，可在所述的下送粉缸1和成型缸9上左右水 平移动，所述的成型基板8通过竖直移动机构安装在所述的成型缸9上，所述的上送粉系统 4和微吸粉器5与所述的平台基体7可动连接，所述的金属激光扫描系统3和非金属激光扫 描系统6固连在平台基体7上；所述的上送粉系统4在x、y、z三个方向的移动机构的带动 下，能够面向所述成型基板8上对应的粉层位置设置，用于在所述成型基板8相应位置上精 确铺设对应的粉末材料；所述的微吸粉器5在x、y、z三个方向的移动机构的带动下，能够 面向所述成型基板8上对应的粉层位置设置，用于逐点选择性吸除所述粉层中未被扫描固化 的粉末材料；所述的金属激光扫描系统3包括可以熔化金属粉末材料的光纤激光器及其对应 的扫描振镜系统，用于选择性扫描并固化铺设在所述成型基板8上的金属粉末材料；所述的 非金属激光扫描系统6包括可以烧结非金属粉末材料的二氧化碳激光器及其对应的扫描振镜系统，用于选择性扫描并固化铺设在所述成型基板8上的非金属粉末材料。
图2给出了设计的两个存储舱、两个流道以及两个开关门的实例，可根据需要任意增加 存储舱及其对应的流道和开关门的数量，并将各流道设计成树杈型结构，上端通过开关门与 各存储舱相对应，下端通过单流道接头与喷嘴相对应。
如图1、图2所示，本发明所述的上送粉系统4包括两个存储舱4a1和4a2，分别用于存放成型零件所需的甲种粉末材料和乙种粉末材料；两个流道4c1和4c2，用于将4a1或4a2存储舱内的粉末材料通过4c1或4c2流道输送给喷嘴4e；两个开关门4b1和4b2，通过控制系统控制开关门4b1或/和4b2的打开和闭合以及打开门孔的大小以控制存放在存储舱4a1和/或4a2里的粉末向下流动的流速和流量；喷嘴4e，用于将流入到喷嘴4e里的粉末材料精确分送到所 述成型基板8上的相应位置；4c1流道上端对应4a1存储舱，4c2流道上端对应4a2存储舱，4c1流道与4a1存储舱之间安装一个开关门4b1，4c2流道与4a2存储舱之间安装一个开关门4b2， 各流道4c1和4c2的下端通过一个单流道接头4d与喷嘴4e相连；所述的喷嘴和流道及存储舱 在可动连接机构的带动下，能够面向所述成型基板8上对应的粉层位置设置，用于在所述成 型基板8相应位置上精确分配对应的粉末材料；
本发明所述的上送粉系统多材料分配的优势是：
1)可以实现多种材料或者多种材料不同配比组合的分配，例如，打开4b1开关门、同时 关闭4b2开关门，可以实现甲种材料的分配；打开4b2开关门、同时关闭4b1开关门，可以实 现乙种材料的分配；打开4b1开关门的任意时刻同时打开4b2开关门，甲种材料和乙种材料通 过单流道接头4d流向喷嘴4e，可以实现甲种材料与乙种材料不同配比组合的分配；
2)通过控制系统可精确控制开关门的打开和闭合以及打开门孔的大小以精确控制存放在 存储舱里的粉末向下流动的流速和流量，误差小、精度高。
本发明的平台用于存放粉末材料的地方有两处：一处是下送粉缸1，存放构建多材料复 杂结构基体所需的粉末材料，通过刮板2将下送粉缸1中存放的粉末材料均匀地铺设一层在 成型基板8上，用于精确控制叠层制造中的每一层粉层厚度，另一处是上送粉系统4中的存 储舱，存放构建多材料复杂结构局部所需的不同粉末材料，通过开关门、流道以及喷嘴将不 同材料精确地分配到成型基板8上对应的粉层位置。
如图1、图3所示，本发明的一种激光粉末床熔融多材料复杂结构平台的工作过程为： 首先系统初始化，并进行各种参数的设置，包括激光功率、扫描速度、扫描间距、粉层厚度、 扫描策略等工艺参数，接着，根据控制指令，刮板2水平向右运动，将下送粉缸1中存放的 粉末材料均匀地铺设一层在成型基板8上，铺粉结束后，刮板2回到初始位置；金属激光扫 描系统3或非金属激光扫描系统6通过平台基体7上的激光窗(图中未画出)，选择性扫描并 固化第一层相应的粉层，如图3(I)所示。
接着，根据控制指令，微吸粉器5在x、y、z三个方向移动机构的带动下，运行到成型基板8上对应的粉层位置，逐点选择性吸除所述第一层粉层中未被扫描固化的粉末材料，如图3(II)所示，吸粉结束后，微吸粉器5在x、y、z三个方向移动机构的带动下回到初始位置。
接着，根据控制指令，上送粉系统4在x、y、z三个方向移动机构的带动下，运行到成型基板8上对应的粉层位置，在第一层粉层的相应空隙处，分配所需要的粉末材料，分配结束后，上送粉系统4在x、y、z三个方向移动机构的带动下回到初始位置，金属激光扫描系 统3或非金属激光扫描系统6通过平台基体7上的激光窗(图中未画出)，选择性扫描并固化 所分配的粉层，完成第一层多材料复杂结构的制造，如图3(III)所示。
第一层多材料复杂结构制造结束后，根据控制指令，成型基板8在z方向移动机构带动 下，在成型缸9内下降一个粉层高度，同时下送粉缸1里的粉末上升一个粉层高度，通过刮 板2、金属激光扫描系统3或非金属激光扫描系统6、微吸粉器5、上送粉系统4重新开始新 的一层复杂结构的叠层制造，如此反复，直到完成全部多材料复杂结构的叠层制造。
本发明涉及的其他未说明部分与现有技术相同。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对 于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视 为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台，用于多材料复杂结构的制造，包括下送粉缸、刮板、金属激光扫描系统、上送粉系统、微吸粉器、非金属激光扫描系统、平台基体、成型基板、成型缸，其特征在于：所述的刮板通过水平移动机构安装在所述的下送粉缸左侧，可在所述的下送粉缸和成型缸上左右水平移动，所述的成型基板通过竖直移动机构安装在所述的成型缸上，所述的上送粉系统和微吸粉器与所述的平台基体可动连接，所述的金属激光扫描系统和非金属激光扫描系统固连在平台基体上；
所述的上送粉系统包括：
至少一个存储舱，用于存放成型零件所需的不同种类粉末材料；
至少一个流道，用于将存储舱内的粉末材料输送给喷嘴；
开关门，通过控制系统控制开关门的打开和闭合以及打开门孔的大小以控制存放在存储舱里的粉末向下流动的流速和流量；
喷嘴，用于将流入到喷嘴里的粉末材料精确分配到所述成型基板上的相应位置；
每个流道的上端对应一个存储舱，每个流道和对应的存储舱之间安装一个开关门，各流道的下端通过一个单流道接头与喷嘴相连；
所述的喷嘴和流道及存储舱在可动连接机构的带动下，能够面向所述成型基板上对应的粉层位置设置，用于在所述成型基板相应位置上精确铺设对应的粉末材料；
所述的金属激光扫描系统包括可以熔化金属粉末材料的激光器及其对应的扫描振镜系统，用于选择性扫描并固化铺设在所述成型基板上的金属粉末材料；
所述的非金属激光扫描系统包括可以烧结非金属粉末材料的激光器及其对应的扫描振镜系统，用于选择性扫描并固化铺设在所述成型基板上的非金属粉末材料；
所述的微吸粉器在可动连接机构的带动下，能够面向所述成型基板上对应的粉层位置设置，用于逐点选择性吸除所述粉层中未被扫描固化的粉末材料。
2.根据权利要求1所述的一种激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台，其特征在于：所述的上送粉系统通过x、y、z三个方向的移动机构安装在所述的平台基体上，可实现x、y、z三个方向的移动。
3.根据权利要求1所述的一种激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台，其特征在于：所述的微吸粉器通过x、y、z三个方向移动机构安装在所述的平台基体上，可实现x、y、z三个方向的移动。
4.根据权利要求1所述的一种激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台，其特征在于：所述的可以熔化金属粉末材料的激光器为光纤激光器。
5.根据权利要求1所述的一种激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台，其特征在于：所述的可以烧结非金属粉末材料的激光器为二氧化碳激光器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114434798A (zh) * 2021-12-28 2022-05-06 郭超 一种3d打印粉末铺设方法、装置、设备及粉末铺设系统
CN116587600A (zh) * 2023-04-12 2023-08-15 韶关学院 一种多材料3d打印机及其打印方法

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