CN113976923B - 一种多材料同时打印的铺粉成型装置和铺粉成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多材料同时打印的铺粉成型装置和铺粉成型方法，沿着物料流动方向，所述铺粉成型装置依次包括混粉器、粉末输送管路、接粉器、存粉器和刮刀架；所述混粉器和所述粉末输送管路为多个；所述接粉器包括多个独立的接粉腔；所述存粉器包括多个独立的存粉腔；刮刀架包括多个独立的出粉腔；任一所述混粉器均通过一个粉末输送管路与其中一个所述接粉腔连通，任一所述存粉腔均匹配连通一个所述接粉腔，任一所述出粉腔均匹配连通一个所述存粉腔。本发明中的多材料同时打印的铺粉成型装置和铺粉成型方法能够同时实现多材料同时打印，其不仅使得打印产品在XY方向上在材料种类上表现出梯度，还可以在Z方向上的材料种类表现出梯度，效率高、产品稳定性好。

Description

一种多材料同时打印的铺粉成型装置和铺粉成型方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种多材料同时打印的铺粉成型装置和铺粉成型方法。

背景技术

激光选区熔化金属增材制造技术(金属3D打印)是以高能激光作为热源，通过熔化粉材，实现金属构件逐层堆积成形的智能制造技术。通过采用离散堆积原理，融合计算机辅助设计、材料加工与成形等技术，此制造技术能够制造具有高度复杂形状的金属零件。

虽然激光粉末床制造技术发展迅速，已开始广泛应用于工业、模具、航空航天以及医疗等领域，但是传统选区激光熔化设备每次成型时只能成型出单一材料的零件产品，无法满足人们对多种材料一体化零件的直接成型要求。虽有公司及研发机构尝试吸粉铺粉式多材料成型方法，但是此方法会导致多材料结构的成型精度低，粉末利用率低，且粉末混合不均匀，梯度材料比例变化程度受限。与此同时，送粉式加工并不能发挥增材制造超复杂零件的潜力，打印效率低，且各层铺粉时间不同容易导致层间冷速不同，影响最终的成形质量。

可见，现有的技术难以实现在不加外部运动机构的情况下，逐层沿特定复杂轨迹进行不同材料的铺粉过程。随着一体化制造多材料、梯度材料需求的逐步增加，目前亟需研发能同时打印两种以上材料，并满足异种材料之间良好冶金结合性能的激光选区熔化机构或设备。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多材料同时打印的铺粉成型装置和铺粉成型方法，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。

本发明提供一种多材料同时打印的铺粉成型装置，沿着物料流动方向，所述铺粉成型装置依次包括混粉器、粉末输送管路、接粉器、存粉器和刮刀架；所述混粉器和所述粉末输送管路为多个；所述接粉器包括多个独立的接粉腔；所述存粉器包括多个独立的存粉腔；刮刀架包括多个独立的出粉腔；

任一所述混粉器均通过一个粉末输送管路与其中一个所述接粉腔连通，任一所述存粉腔均匹配连通一个所述接粉腔，任一所述出粉腔均匹配连通一个所述存粉腔。

在一个优选的实施方式中，沿着物料流动方向，所述接粉腔的横截面逐渐变大。

在一个优选的实施方式中，所述刮刀架上设有印刷用刮刀。

在一个优选的实施方式中，所述接粉腔的任意横截面呈矩形。

一个优选的实施方式中，所述所述混粉器、粉末输送管路、接粉腔、存粉腔和出粉腔的个数相同。

一个优选的实施方式中，所述混粉器、粉末输送管路、接粉腔、存粉腔和出粉腔的个数为2～16个。

在一个优选的实施方式中，所述接粉腔的出料端与对应的所述存粉腔的进料端形状一致。

本发明提供一种采用如上述所述的铺粉成型装置进行多材料同时打印的铺粉成型方法，包括如下步骤：将多种不同粉末通过保护气分别输送至不同的混粉器分别混合，然后分别通过粉末输送管道依次输送至对应的接粉腔、存粉腔和出粉腔；在打印过程中，从出粉腔中落在粉末床上后，多种不同粉末通过刮刀架运动铺平。以便于后续进行激光扫描打印。

在一个优选的实施方式中，所述多种不同粉末为由TA15钛合金粉末和Ti2AlNb合金粉末中的一种或两种以不同比例混合而成。

在一个优选的实施方式中，多种不同粉末为：TA15钛合金粉末、20wt％的TA15钛合金粉末和80wt％的Ti2AlNb合金粉末、40wt％的TA15钛合金粉末和60wt％的Ti2AlNb合金粉末、60wt％的TA15钛合金粉末和40wt％的Ti2AlNb合金粉末。

在一个优选的实施方式中，所述多种不同粉末由TC4钛合金粉末和IN718镍基高温合金粉末中的一种或两种以不同比例混合而成。

在一个优选的实施方式中，多种不同粉末为：TC4钛合金粉末、20wt％的TC4钛合金粉末和80wt％的IN718镍基高温合金粉末、40wt％的TC4钛合金粉末和60wt％的IN718镍基高温合金粉末、60wt％的TC4钛合金粉末和40wt％的IN718镍基高温合金粉末。

本发明技术方案的有益效果：

本发明中的多材料同时打印的铺粉成型装置和铺粉成型方法能够同时实现多材料同时打印，其不仅使得打印产品在XY方向上在材料种类上表现出梯度，还可以在Z方向上的材料种类表现出梯度，效率高、产品稳定性好。

附图说明

图1显示为本发明的铺粉成型装置的结构示意图。

图2显示为本发明的铺粉成型装置中的接粉器的结构示意图。

图3显示为本发明的铺粉成型装置中的刮刀架的结构示意图。

图1～3中附图标记如下：

1为混粉器；

2为粉末输送管路；

3为接粉器；

31为接粉腔；

4为存粉器；

5为刮刀架；

51为出粉腔；

52为刮刀。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

本发明实施例中首先提供一种多材料同时打印的铺粉成型装置，沿着铺粉进行方向，所述铺粉成型装置依次包括混粉器1、粉末输送管路2、接粉器3、存粉器4和刮刀架5；所述混粉器1和所述粉末输送管路2为多个；所述接粉器3包括多个独立的接粉腔31；所述存粉器4包括多个独立的存粉腔；刮刀架5包括多个独立的出粉腔51；

任一所述混粉器1均通过一个粉末输送管路2与其中一个所述接粉腔31连通，任一所述存粉腔均匹配连通一个所述接粉腔31，任一所述出粉腔51均匹配连通一个所述存粉腔。

所述混粉器用于对待打印的材料进行预混合。多个混粉器可以同时混合多种材料。

所述接粉器用于将混合好的多种材料分别进行接收。

所述存粉器用于将混合好的多种材料在打印期间分别存储并备用。

所述刮刀架用于将混合好的多种材料进行出粉铺覆。

在一个优选的实施例中，沿着铺粉进行方向，所述接粉腔31的横截面逐渐变大。由此可以促进和引导待铺设粉体在横截面上铺开依次进入存粉器4的存粉腔和刮刀架5的出粉腔51。在一个更具体的实施方式中，所述接粉腔31的任意横截面呈矩形。

在一个如图3所示的实施例中，所述刮刀架5上设有用于铺平粉末的刮刀52。

如图1所示，在一个具体的实施例中，所述混粉器1、粉末输送管路2、接粉腔31、存粉腔和出粉腔51的个数相同。

在一个具体的实施例中，所述混粉器1、粉末输送管路2、接粉腔31、存粉腔和出粉腔51的个数为2～16个，如可以为2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个或16个。在如图1所示的具体的实施例中，所述混粉器1、粉末输送管路2、接粉腔31、存粉腔和出粉腔51的个数为4个。

在一个优选的实施例中，沿着物料流动方向，多个所述混粉器1并排设置。在一个更优选的实施方式中，沿着物料流动方向，多个所述接粉腔31并排设置，多个所述存粉腔为并排设置，多个所述出粉腔51为并排设置。

在一个优选的实施例中，所述物料所述混粉器1、粉末输送管路2、接粉器3、存粉器4和刮刀架5依次自上而下设置。

在一个具体的实施例中，所述接粉腔31的出料端与对应的所述存粉腔的进料端形状一致。

本实施例中，还提供一种多材料同时打印的铺粉成型方法，包括如下步骤：

将多种不同粉末通过保护气分别输送至不同的混粉器分别混合，然后分别通过粉末输送管道2依次输送至对应的接粉腔31、存粉腔和出粉腔51；在打印过程中，粉末从出粉腔51中落在粉末床上后，通过刮刀架5运动铺平。铺平以便于后续激光扫描打印。

在一个具体的实施例中，所述多种不同粉末为TA15钛合金粉末和Ti2AlNb合金粉末中的一种或两种以不同比例混合而成。

在一个具体的实施例中，多种不同粉末为：TA15钛合金粉末、20wt％的TA15钛合金粉末和80wt％的Ti2AlNb合金粉末、40wt％的TA15钛合金粉末和60wt％的Ti2AlNb合金粉末、60wt％的TA15钛合金粉末和40wt％的Ti2AlNb合金粉末。

在一个具体的实施例中，所述多种不同粉末由TC4钛合金粉末和IN718镍基高温合金粉末中的一种或两种以不同比例混合而成。

在一个具体的实施例中，多种不同粉末为：TC4钛合金粉末、20wt％的TC4钛合金粉末和80wt％的IN718镍基高温合金粉末、40wt％的TC4钛合金粉末和60wt％的IN718镍基高温合金粉末、60wt％的TC4钛合金粉末和40wt％的IN718镍基高温合金粉末。

实施例1

TA15钛合金是一种高铝含量的近α钛合金，具有中等的室温和高温强度、良好的热稳定性和焊接性能，能在500℃长时间稳定工作，具有较为优异的服役性能。Ti2AlNb合金是一种典型的Ti-Al系金属间化合物结构材料，具有突出的高温比强度和高弹性量，但是室温塑性和和韧性低，能在650℃长时间稳定工作，能在750℃短时间稳定工作。部分航空航天领域结构件在不同部位的工作温度和载荷差异较大，这导致传统的均质材料无法很好地满足工况要求。由于梯度材料可以实现成分、结构、性能在三维空间的特定分布，非常契合内部工作环境变化的结构件制造及设计。让Ti2AlNb合金工作在高温部分，而密度较低的TA15钛合金工作在低温部分，这样在满足工作环境的要求之外，还能尽可能实现减重，十分有利于结构件的轻量化制造。

在一个优选的实施方式中，多种不同粉末为TA15钛合金粉末、20wt％的TA15钛合金粉末和80wt％的Ti2AlNb合金粉末、40wt％的TA15钛合金粉末和60wt％的Ti2AlNb合金粉末以及60wt％的TA15钛合金粉末和40wt％的Ti2AlNb合金粉末。

使用本套装置可实现TA15-xTi2AlNb(x＝0％、20％、40％、60％)四组均质材料试样，在XY方向上实现四种组分的多材料打印，可一次性实现四种组分的试样成型，为后续研究各组材料的相组成及显微组织特征以及室温拉伸性能提供有效试样准备。传统方法则需要分别配比4次不同组分的满仓的粉末，分四次打印，而使用本发明的方法可使打印工作量及粉末使用量可减少近3-4倍。

使用本套装置可实现TA15-xTi2AlNb(x＝0％、20％、40％、60％)四组均质材料试样，在Z轴方向上实现自定义的梯度打印，即根据15(或其他特定)层的粉量可先混合x＝60％的TA15-xTi2AlNb粉末，随后改变组分进行混合送粉，控制系统可根据零件设计文件及打印设置，智能化控制不同组分粉末的送粉量，以实现自定义每种组分层数及分布的多材料打印。不同Z轴方向的材料可更好地服役适用于特定的工作场景。

实施例2

同样地，本发明中上述技术方案也特别适合于TC4钛合金粉末和IN718镍基高温合金粉末体系的打印。

钛合金和镍基高温合金应用前景广泛,但是随着工况的复杂多变的,单一的材料很难满足特殊环境的使役要求。钛合金如TC4具有良好的力学、机械性能,其比强度高、抗腐蚀性能好，但是TC4存在高温强度差、耐磨性差等缺陷,难以满足耐磨、高温等场合下的使役要求。高温合金IN718在650℃以下时具有高强度、良好的韧性及高温耐腐蚀性。但是IN718比强度低,密度为TC4的两倍。由于两者在弹性模量,热膨胀系数等方面存在一定的不同,直接连接两种材料会产生较大的应力,结合部位在复杂外部环境下易产生开裂等缺陷从而成为薄弱环节。TC4与IN718合金的梯度过渡连接有利于改善直接连接时产生的应力。使用该装置，可实现TC4-xIN718(x＝0％、20％、40％、60％、80％、100％)四组均质材料试样成型。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种多材料同时打印的铺粉成型装置，其特征在于，沿着物料流动方向，所述铺粉成型装置依次包括混粉器(1)、粉末输送管路(2)、接粉器(3)、存粉器(4)和刮刀架(5)；所述混粉器(1)和所述粉末输送管路(2)为多个；所述接粉器(3)包括多个独立的接粉腔(31)，且沿着铺粉进行的方向，接粉器(3)中接粉腔(31)的横截面积逐渐变大，所述接粉腔(31)的任意横截面呈矩形；所述存粉器(4)包括多个独立的存粉腔；所述接粉腔(31)的出料端与对应的所述存粉腔的进料端形状一致；刮刀架(5)包括多个独立的出粉腔(51)；

所述混粉器(1)、粉末输送管路(2)、接粉腔(31)、存粉腔和出粉腔(51)的个数相同；所述混粉器(1)、粉末输送管路(2)、接粉腔(31)、存粉腔和出粉腔(51)的个数为6～16个；

任一所述混粉器(1)均通过一个粉末输送管路(2)与其中一个所述接粉腔(31)连通，任一所述存粉腔均匹配连通一个所述接粉腔(31)，任一所述出粉腔(51)均匹配连通一个所述存粉腔。

2.根据权利要求1所述的铺粉成型装置，其特征在于，所述刮刀架(5)上设有用于铺平粉末的刮刀(52)。

3.一种采用如权利要求1～2任一项所述的铺粉成型装置进行的多材料同时打印的铺粉成型方法，包括如下步骤：将多种不同粉末通过保护气分别输送至不同的混粉器分别混合，然后分别通过粉末输送管道(2)依次输送至对应的接粉腔(31)、存粉腔和出粉腔(51)；在打印过程中，多种不同粉末从出粉腔中落在粉末床上后，通过刮刀架(5)运动铺平。

4.根据权利要求3所述的铺粉成型方法，其特征在于，所述多种不同粉末为由TA15钛合金粉末和Ti2AlNb合金粉末中一种或两种以不同比例混合而成。

5.根据权利要求4所述的铺粉成型方法，其特征在于，多种不同粉末为：TA15钛合金粉末、20wt％的TA15钛合金粉末和80wt％的Ti2AlNb合金粉末、40wt％的TA15钛合金粉末和60wt％的Ti2AlNb合金粉末、60wt％的TA15钛合金粉末和40wt％的Ti2AlNb合金粉末。

6.根据权利要求3所述的铺粉成型方法，其特征在于，所述多种不同粉末由TC4钛合金粉末和IN718镍基高温合金粉末中的一种或两种以不同比例混合而成。

7.根据权利要求6所述的铺粉成型方法，其特征在于，多种不同粉末为：TC4钛合金粉末、20wt％的TC4钛合金粉末和80wt％的IN718镍基高温合金粉末、40wt％的TC4钛合金粉末和60wt％的IN718镍基高温合金粉末、60wt％的TC4钛合金粉末和40wt％的IN718镍基高温合金粉末。