CN113290255A - 一种双粉桶实时送粉激光3d打印配比调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，包括以下步骤：确定两种粉末的预设配比η，选择的两种粉末为A粉末和B粉末；测量送粉盘上粉槽内壁的内径、外径和高度；计算送粉盘旋转一周的送粉体积；获得A粉末以及B粉末的送粉速率与电压值的关系式；将A粉末和B粉末填装于两料斗中，设置A粉末所对应的送粉盘的电压，则获得B粉末所对应的送粉盘的电压；开始送粉测试，收集粉末并取样，利用基于色阶的能谱照片图像识别方法测量A粉末与B粉末的配比，验证粉末配比的准确性。其建立了送粉配比调控模型，可精确计算粉末用量，避免粉末浪费，提高粉末利用率。

Description

一种双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其是指一种双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法。

背景技术

3D打印是广泛应用于工业制造、艺术创作、建筑设计、航空航天、生物工程等多个领域的新兴技术。将多粉末实时混合打印来制备梯度功能材料是目前3D打印的主流发展趋势，变梯度材料作为一种新兴材料在很多行业都发挥着重要作用，但目前大多都是将异种材料事先混合，而非在加工的过程中实时混粉，不能够满足制备变梯度功能材料的条件。然而，气固两相流体力学表明，密度和颗粒大小不同的两种混合粉末，经激光直接沉积系统高速喷射后会发生的粉末分离，致使实际比例与原始比例存在偏差，不能够满足加工要求。公开号为CN110756802B的中国发明专利中通过在混料器与送粉器之间的输送管道上设置连接控制系统的电磁阀门，通过控制系统控制多个送粉器的电磁阀门调节多组分粉末，有效控制打印梯度复合材料的混合比例。公开号为CN112206669A的中国发明专利中通过设置了多个粉仓、混粉仓以及转接粉仓将不同粉末充分混合后通过单喷嘴实现了多材料增材制造。公开号为CN111408718A的中国发明专利中通过在主储粉罐上开设多个粉末入口，通过主储粉罐对子储粉罐进行预混合，提高了混合粉末打印的效率，降低了生产周期与生产成本。但上述四篇专利都是注重混粉的有效性，忽视了实时调控的重要性。

公开号为CN209794559U的中国发明专利中通过将送料模块、混料模块、打印喷头模块三者独立，在实现复杂结构高精度打印的同时兼顾了混粉效率。公开号为CN111054917A的中国发明专利中通过荷电装置以及环形电极，实现了打印精度的可控性。公开号为CN209424548U的中国发明专利中通过不少于两个送粉料斗以及隔板和精确供粉器可以保证两种或两种以上的粉末按要求的体积比定量精确的供给。但上述三篇专利在提高打印精度的同时却忽视了不同粉末之间密度的差异，不能够保证高精度的配比。为此，本专利提出一种建立基于送粉器粉盘电压与送粉率模型的新方法，解决实时调控配比的问题。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中忽视了不同粉末之间密度的差异，不能够保证高精度的配比的技术缺陷，其建立了送粉配比调控模型，可精确计算粉末用量，避免粉末浪费，提高粉末利用率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，包括以下步骤：

S1、确定两种粉末的预设配比η，选择的两种粉末为A粉末和B粉末，所述A粉末的密度为ρ_A，所述B粉末的密度为ρ_B；

S2、测量送粉盘上粉槽内壁的内径R、外径r和高度h；

S3、根据送粉盘上粉槽内壁的内径R、外径r和高度h，计算送粉盘旋转一周的送粉体积V₀；

S4、获取送粉盘以1r/min转动时的电压值U₀，根据电压值与送粉率的关系获得A粉末的比例系数

和B粉末的比例系数

根据A粉末和B粉末的比例系数，获得A粉末的送粉速率与电压值的关系式

以及B粉末的送粉速率与电压值的关系式

S5、将A粉末和B粉末填装于两料斗中，设置A粉末所对应的送粉盘的电压为U_A，则B粉末所对应的送粉盘的电压

S6、开始送粉测试，收集粉末并取样，利用基于色阶的能谱照片图像识别方法测量A粉末与B粉末的配比，验证粉末配比的准确性。

作为优选的，所述S1与S2之间包括：

用扳手卸下送粉料斗与送粉盘连接处的固定螺栓，取下送粉料斗，卸下送粉盘上的紧固螺栓，拔除送粉盘上的输气管与送粉管；

所述S4与S5之间还包括：

将送粉料斗与送粉盘装回，重新接上输气管和送粉管。

作为优选的，所述S3具体包括：

根据公式V＝π(R²-r²)·h，计算送粉盘旋转一周的送粉体积，记为V₀。

作为优选的，所述S4中，获取送粉盘以1r/min转动时的电压值U₀，具体包括：

通过查阅设备出厂说明得知送粉盘以1r/min转动时的电压值。

作为优选的，所述A粉末和B粉末对应的粉桶规格相同。

作为优选的，所述S6中送粉测试的打印方式为激光同轴送粉式。

作为优选的，所述A粉末和B粉末的颗粒类型为金属粉末。

作为优选的，所述A粉末和B粉末的颗粒直径在20-150μm的范围内。

作为优选的，所述S6中送粉测试过程中不打开激光。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明提供了一种双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，只需调整电压，即可解决双粉桶送粉配比实时调控的难题，操作简单，调控准确度高。

2、本发明建立了送粉配比调控模型，可精确计算粉末用量，避免粉末浪费，提高粉末利用率。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的双粉桶示意图；

图3为送粉盘示意图；

图4为粉槽截面图。

说明书附图标记说明：1、A粉末；2、输气管；3、送料料斗；4、B粉末；5、送粉盘；6、送粉管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1-图4所示，本发明公开了一种双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，包括以下步骤：

步骤一、确定两种粉末的预设配比η，选择的两种粉末为A粉末1和B粉末2，A粉末1的密度为ρ_A，B粉末2的密度为ρ_B。

步骤二、测量送粉盘5上粉槽内壁的内径R、外径r和高度h。

步骤三、根据送粉盘5上粉槽内壁的内径R、外径r和高度h，计算送粉盘旋转一周的送粉体积V₀。

具体的，使用游标卡尺分别测量送粉盘上粉槽内壁的内径R、外径r以及送粉槽的高度h，测量重复三次并取平均值，尽量减小误差。

步骤四、获取送粉盘以1r/min转动时的电压值U₀，根据电压值与送粉率的关系获得A粉末的比例系数

和B粉末的比例系数

根据A粉末和B粉末的比例系数，获得A粉末的送粉速率与电压值的关系式

以及B粉末的送粉速率与电压值的关系式

其中，电压值与送粉率的比例关系C＝λU，(其中C为送粉率、λ为比例系数、U为电压值)

步骤五、将A粉末和B粉末填装于两料斗中，设置A粉末所对应的送粉盘的电压为U_A，则B粉末所对应的送粉盘的电压

具体的，A粉末和B粉末填装于两粉桶中，设置A粉末粉盘电压为U_A，则B粉末粉盘的电压

在亚克力板上贴上双面胶，将无色、透明环氧树脂A、B胶按比例混合，搅拌均匀后涂抹在双面胶表面。将涂覆环氧树脂的亚克力板放置机床工作台中，测试过程中为避免粉末发生熔融，选择关闭激光。

步骤六、开始送粉测试，收集粉末并取样，利用基于色阶的能谱照片图像识别方法测量A粉末与B粉末的配比，验证粉末配比的准确性。

具体的，按下启动按钮开始送粉测试且激光喷头做直线往复运动。待打印结束，将亚克力板晾干固化，取样、烘干、喷金后，利用扫描电镜进行EDS能谱面扫与着色，利用基于色阶的能谱照片图像识别方法测量A粉末与B粉末的配比，验证配比模型的准确性；

此步骤中，误差值：

其中：n_preset为混合粉末配比预设值，n_test为混合粉末配比实际值。

步骤一与步骤二之间包括：

用扳手卸下送粉料斗3与送粉盘5连接处的固定螺栓，取下送粉料斗3，卸下送粉盘5上的紧固螺栓，拔除送粉盘5上的输气管2与送粉管6。使用扳手卸下送粉料斗3与送粉盘5连接处的固定螺栓，取下两送粉料斗，卸下送粉盘上的紧固螺栓，拔除图示送粉盘上的输气管2处的与送粉管6，并对拔下来的输气管2以及送粉管6使用胶套密封。

S4与S5之间还包括：

将送粉料斗3与送粉盘5装回，重新接上输气管2和送粉管6。安装送粉料斗与粉盘前用湿毛巾对清洁其内部，并烘干。

步骤三具体包括：

根据公式V＝π(R²-r²)·h，计算送粉盘旋转一周的送粉体积，记为V₀。

步骤四中，获取送粉盘以1r/min转动时的电压值U₀，具体包括：

通过查阅设备出厂说明得知送粉盘以1r/min转动时的电压值。

A粉末和B粉末对应的粉桶规格相同。步骤六中送粉测试的打印方式为激光同轴送粉式。步骤六中送粉测试过程中不打开激光。A粉末和B粉末的颗粒类型为金属粉末。A粉末和B粉末的颗粒直径在20-150μm的范围内。

下面，结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

针对上海电气集团上海汽轮机厂生产的百万千瓦核电汽轮机缸体中分面转子支撑处的Ni-Fe功能梯度材料，应用本发明上述方法，选取A粉末为IN625镍粉、B粉末为304L铁粉，针对设计质量比1∶3时的实时送粉激光3D打印进行调控。

1、根据加工要求，确定本次所需的金属粉末为粉末IN625和粉末304L，并已知ρ_IN625为4.5g/cm³、ρ_304L为4.43g/cm³，且其混合粉末比例为1∶3。

2、使用扳手卸下送粉料斗与送粉盘连接处的固定螺栓，取下送粉料斗，卸下送粉盘上的紧固螺栓，拔除送粉盘上的输气管与送粉管，并对拔下来的输气管以及送粉管使用胶套密封。使用游标卡尺分别测得送粉盘上送粉槽内壁的内径R为5.4cm、外径r为4.6cm以及送粉槽的高度h为0.1cm。其中，送粉器的型号可为“中航工业北京航空制造工程研究所生产的DPSF-2型双筒式送粉器”。

3、根据公式V＝π(R²-r²)·h计算送粉盘旋转一周送粉槽的送粉体积，得到V_IN625＝V_304L＝2.51cm³。

4、查阅设备出厂说明得知粉盘以1r/min转动时的电压值为15V，根据已知的电压值与送粉率的关系C＝λU，其中C为送粉率、λ为比例系数、U为电压值，可以得到

此时C_IN625＝V_IN625·ρ_IN625＝11.295g、C_304L＝V_304L·ρ_304L＝11.119g分别求出比例系数

得到IN625，304L两粉末送粉盘的送粉速率与电压值的关系模型

5、重新安装好送粉料斗与粉盘，采用精度为0.01g的电子天平分别称重100g的两种金属粉末填装于送粉器的料斗中，设置填装粉末IN625的电压为2.5V则根据电压关系公式

可算得填装粉末304L的粉盘电压为7.7V。

6、为了避免打开激光引起的混合粉末熔融，形成冶金结合，造成元素相互渗透，致使无法准确测量粉末配比。因此，本次实验排除激光束的干扰，不开光。随后，在亚克力板上贴上双面胶，将无色、透明环氧树脂A、B胶按2:1的比例混合，搅拌均匀后涂抹在双面胶表面。将涂覆环氧树脂的亚克力板放置机床工作台中。随后，打开送粉器，按设定的双粉盘电压值，设置激光头到工件15mm，保持扫描速度6mm/s、离焦量8mm不变，激光头扫描一条30cm长的直线型轨迹，确保粉末均匀的黏附到亚克力板表面。

7、实验结束后，将亚克力板晾干固化约12小时，取样、烘干、喷金后，利用扫描电镜(SEM/EDS)进行EDS能谱面扫与着色，确定粉末IN625和304L成分差异最大的主元素E_A和E_B，设置元素E_A颜色为绿色单独拍摄E_A的能谱图、设置元素E_B颜色为红色单独拍摄E_B的能谱图以及拍摄同时存在元素E_A和E_B的实物彩色图。随后导入图像处理软件Photoshop，利用“色彩范围”功能拾取主元素着色像素点，用“记录测量”功能获取着色像素点面积S_A和S_B，根据公式

计算混合粉末实测配比为0.331，误差率为0.6％。

8、保持配比不变调整电压值，重复上述过程两次，结果如下表1所示，其误差率不超过5％，说明利用此方法效率高、操作简单。

表一

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定两种粉末的预设配比η，选择的两种粉末为A粉末和B粉末，所述A粉末的密度为ρ_A，所述B粉末的密度为ρ_B；

S2、测量送粉盘上粉槽内壁的内径R、外径r和高度h；

S3、根据送粉盘上粉槽内壁的内径R、外径r和高度h，计算送粉盘旋转一周的送粉体积V₀；

S4、获取送粉盘以1r/min转动时的电压值U₀，根据电压值与送粉率的关系获得A粉末的比例系数

和B粉末的比例系数

根据A粉末和B粉末的比例系数，获得A粉末的送粉速率与电压值的关系式

以及B粉末的送粉速率与电压值的关系式

S5、将A粉末和B粉末填装于两料斗中，设置A粉末所对应的送粉盘的电压为U_A，则B粉末所对应的送粉盘的电压

S6、开始送粉测试，收集粉末并取样，利用基于色阶的能谱照片图像识别方法测量A粉末与B粉末的配比，验证粉末配比的准确性。

2.根据权利要求1所述的双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，其特征在于，所述S1与S2之间包括：

用扳手卸下送粉料斗与送粉盘连接处的固定螺栓，取下送粉料斗，卸下送粉盘上的紧固螺栓，拔除送粉盘上的输气管与送粉管；

所述S4与S5之间还包括：

将送粉料斗与送粉盘装回，重新接上输气管和送粉管。

3.根据权利要求1所述的双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，其特征在于，所述S3具体包括：

根据公式V＝π(R²-r²)·h，计算送粉盘旋转一周的送粉体积，记为V₀。

4.根据权利要求1所述的双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，其特征在于，所述S4中，获取送粉盘以1r/min转动时的电压值U₀，具体包括：

通过查阅设备出厂说明得知送粉盘以1r/min转动时的电压值。

5.根据权利要求1所述的双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，其特征在于，所述A粉末和B粉末对应的粉桶规格相同。

6.根据权利要求1所述的双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，其特征在于，所述S6中送粉测试的打印方式为激光同轴送粉式。

7.根据权利要求1所述的双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，其特征在于，所述A粉末和B粉末的颗粒类型为金属粉末。

8.根据权利要求1所述的双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，其特征在于，所述A粉末和B粉末的颗粒直径在20-150μm的范围内。

9.根据权利要求1所述的双粉桶实时送粉激光3D打印配比调控方法，其特征在于，所述S6中送粉测试过程中不打开激光。

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