CN114505495B - 一种基于丝基和粉基的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于丝基和粉基的增材制造方法，其包括步骤：通过粉材铺设机构在成形台上铺粉，并通过运动机构驱动成形台根据第一预设路径沿X轴和Y轴运动，从而在成形台上进行粉基增材制造区域的制造成形；通过丝材运输机构输送丝材至成形台，并通过运动机构驱动成形台根据第二预设路径沿X轴和Y轴运动，从而在成形台上进行丝基增材制造区域的制造成形，得到当前工件层；通过运动机构驱动成形台沿Z轴下降第一预设高度，并循环上述各个步骤，直至最终工件成形。本方法使得打印时，工件的任何部位都可直接位移至3D打印头的光束汇聚点进行熔融，进而可进行基于丝基和粉基复合材料的大幅面的打印成形。

Description

一种基于丝基和粉基的增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于丝基和粉基的增材制造方法。
背景技术
3D打印技术，又称增材制造技术，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。
对于一些熔点较高的材料，一般都是选择高能束烧结/熔化的方式，目前用于直接制造功能零件的三维打印成形工艺主要有：激光选区烧结/熔化(SLS/SLM)、电子束选区熔化(EBM)、激光近净成形(LENS)等，而根据应用端的需求来看，激光选区烧结/熔化技术目前应用最为广泛。然而这些工艺都只能成型单一材质，而实际使用过程中，多材料零件能够满足不同工况的要求，例如，喷气发动机的某些部件可以用几种不同的金属材料整体打印，有些部分因为要直接与热源接触，可以使用比较耐高温的金属合金；而该部分的另一面侧可以使用更易散热的金属材料，但要更轻、更强和密度较低，以削减重量。传统加工中，常用焊接和粉末冶金方式制备多材料复合零件，但是其成型外型有较多的约束，无法满足实际应用中复杂形状的要求。因此，基于金属3D打印的多材料复合成型装置应运而生。例如，中国专利号CN201821172067.3的实用新型专利，提供了一种基于金属3D打印的多材料成型装置，其通过增设漏粉装置的数量，使得可同时采用同一性状(均为粉末)但不同材质的金属粉末材料进行成型作业，同时，通过规划可移动激光系统的扫描路径和漏粉路径来进行成型作业。又如申请号201710244858.6的发明专利申请，其提供了一种激光选区融化与送丝复合多材料成型装置与成型方法，其通过增设可移动的丝材输送机构结合铺粉装置来实现不同性状(丝材和粉末)的金属材料进行成型作业。再如申请号202010045527.1的发明专利申请，其提供了一种多模式丝粉混合激光增材制造系统与方法，其通过将供粉管路、送丝管路与激光头集成在一起，并由六轴机器人带动一起在固定的成形台上运动进行增材制造成形。但是，对于大尺寸成形件需求，这三种装置还存在较大的问题：①以激光为能量源、振镜为运动控制的模式，即加工平台只做升降运动或者固定不动，激光通过扫描振镜系统在加工平面内进行加工成形，由于采用单一光源和单一光学系统会限制其成形幅面，同时其成形效率也较为低下，而采用多光源多光学系统，随之将带来扫场拼接、风场设置、光斑一致性等很多复杂问题。②随着成形体积的增加，在成形过程中激光产生的烟尘总量和单位时间的烟尘量都将急剧，烟尘的存在必然会影响激光的透过率以及一致性，从而影响到整个零部件的质量。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可用于多材料复合制造的3D打印成形系统，既能实现单一粉基的增材制造，又能实现单一丝基的增材制造，还能实现丝基和粉基材料的复合制造，并解决因振镜系统带来的成形幅面限制问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种可用于多材料复合制造的3D打印成形系统，包括：成形台，用于对3D打印出的工件进行支撑；粉材铺设机构，用于在成形台上铺设3D打印用原料粉末；丝材输送机构，用于将3D打印用原料丝材输送至成形台；3D打印头，用于利用汇聚于一点的激光光束对原料粉末或/和原料丝材进行熔融后在成形台上堆叠成工件；运动机构，用于驱动成形台沿X轴、Y轴和Z轴方向运动。
作为一种改进，所述成形台包括竖直安装的成形缸，所述成形缸内设置有可沿成形缸升降的台体，所述台体顶端固定有成形基板。每打印完毕一层，台体就下降一层，使得需要打印的位置与成形缸开口齐平，从而逐步完成打印。
作为一种进一步的改进，所述粉料铺设机构包括用于盛装原料粉末的送粉缸，所述送粉缸开口向上并且送粉缸内设置有可沿送粉缸运动的送粉台，所述送粉台可将送粉缸内的原料粉末推至送粉缸开口处；还包括刮粉刀，所述刮粉刀可通过往复运动将送粉缸开口处的原料粉末推至成形台上。
作为另一种更进一步的改进，所述粉料铺设机构还包括余粉收集缸，所述余粉收集缸和送粉缸分设于成形台两侧，使得刮粉刀在进行往复运动时可依次经过送粉缸、成形台、余粉收集缸。刮粉刀将原料粉末铺设到成形台上后，多余的原料粉末被送入余粉收集缸中，避免了原料的浪费。
作为一种改进，所述粉料铺设机构还包括用于驱动刮粉刀进行往复运动的驱动装置；所述驱动装置包括丝杠以及与丝杠螺纹配合的螺套，还包括与丝杠平行的导向杆，所述刮粉刀两端分别固定在螺套和导向杆上；所述丝杠由电机带动旋转。通过丝杆到螺套配合带动刮粉刀做直线往复运动，可对其运动轨迹做精准的控制。
作为一种改进，所述3D打印头包括若干激光发生单元，所述若干激光发生单元沿球面分布，使得若干激光发生单元发出的激光光束汇聚于一点，形成固定的成形工位；所述丝材输送机构设置在若干激光发生单元的中心位置，使得丝材输送机构输送出来的原料丝材能通过若干激光发生单元的激光汇聚点。其中，所述激光发生单元包括用于传导激光的激光光纤，所述激光光纤端部设置有光束聚焦装置。
作为一种改进，所述若干激光发生单元的激光汇聚点一侧设置有输气装置，用于在增材制造成形过程中向成形工位输送气氛保护气体。通过在所述若干激光发生单元的激光汇聚点一侧设置输气装置，在不破坏粉末床结构前提下输送气氛保护气体，使成形区域(熔池)，或成形工位时刻处于气氛保护中，例如，在采用金属粉材进行3D打印时，通过输送保护气体，从而避免金属粉材被氧化。
作为一种改进，所述若干激光发生单元的激光汇聚点一侧设置有吸尘装置。由于3D打印头固定，吸尘装置可有效吸收打印过程中产生的飞溅、烟尘等，避免飞溅、烟尘等引起的成形质量问题，从而提高成型质量。
作为一种改进，所述运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构和Z轴运动机构；还包括底台，所述Z轴运动机构带动底台升降；所述X轴运动机构安装在底台上，所述Y轴运动机构安装在X轴运动机构上；还包括固定在Y轴运动机构上的安装支架，所述成形台和粉材铺设机构固定在安装支架上。X轴、Y轴和Z轴方向的运动有单独的运动机构独立控制，使得控制更加简单精准。
作为一种改进，所述3D打印成形系统还包括用于对3D打印情况进行监测观察的监测观察装置。可随时根据监测观察要求对观测点进行调整。
作为一种优选，所述3D打印成形系统还包括机架，所述3D打印头和丝材输送机构设置在机架顶部，所述成形台和粉材铺设机构设置在机架内位于3D打印头下方。
第二方面，本发明还提供了一种基于丝基和粉基的增材制造方法，所述方法基于前述的可用于多材料复合制造的3D打印成形系统，所述3D打印成形系统包括：成形台，粉材铺设机构，丝材输送机构，固定安装在所述成形台上方的3D打印头，以及用于驱动所述成形台在所述3D打印头下方沿X轴、Y轴和Z轴方向运动的运动机构，其中，所述3D打印头的激光光束在所述成形台上汇聚于一点形成成形工位，相应地，所述方法包括步骤：
通过所述粉材铺设机构在所述成形台上铺粉，并通过所述运动机构驱动所述成形台根据第一预设路径沿X轴和Y轴运动，从而在所述成形台上进行粉基增材制造区域的制造成形；
通过所述丝材运输机构输送丝材至所述成形台，并通过所述运动机构驱动所述成形台根据第二预设路径沿X轴和Y轴运动，从而在所述成形台上进行丝基增材制造区域的制造成形，得到当前工件层；
通过所述运动机构驱动所述成形台沿Z轴下降第一预设高度；
循环上述各个步骤，直至最终工件成形。
进一步地，所述3D打印成形系统还包括：设置在所述成形工位一侧的吸尘装置，相应地，所述方法还包括步骤：
在粉基增材制造成形过程中，通过所述吸尘装置吸取烟尘；或者，
在粉基增材制造成形后，通过所述吸尘装置吸取多余粉末。
其中，在所述成形台上铺粉的步骤之前，还包括步骤：
通过所述运动机构驱动所述成形台沿Z轴下降第二预设高度。
其中，所述第二预设高度为所述当前工件层的高度。
其中，所述第一预设高度为即将打印的下一工件层的高度。
进一步地，所述第一预设高度等于所述第二预设高度。
作为一种改进，所述3D打印成形系统还包括：用于对3D打印情况进行监测观察的监测观察装置，所述监测观察装置相应地，所述方法还包括步骤：
根据监测要求调整所述监测观察装置的观测点。
作为一种改进，所述3D打印成形系统还包括设置在所述成形台一侧的余粉收集缸，相应地，所述方法还包括步骤：
通过所述粉材铺设机构将多余的粉基输送至设置在所述成形台一侧的余粉收集缸。
其中，所述第一预设路径为预先根据当前工件层中粉基增材制造区域规划得到的；所述第二预设路径为预先根据当前工件层中丝基增材制造区域规划得到的。
作为一种改进，所述丝材输送机构根据所述工控机发送的控制指令调整送丝速度，从而完成对丝基和粉基混合比例的调控。
作为一种改进，所述3D打印成形系统还包括设置在激光汇聚点一侧的输气装置，所述方法还包括步骤：
在丝基增材制造成形过程中，以及粉基增材制造成形过程中，向成形工位输送气氛保护气体。
其中，所述丝基为金属丝材；所述粉基为金属粉末。
第三方面，本发明还提供了一种用于大尺寸工件制造的增材制造系统，其包括用于对增材制造出的工件进行支撑的成形台、用于在成形台上铺设增材制造用原料粉末的粉材铺设机构、用于利用汇聚于一点的激光光束对原料粉末进行熔融后在成形台上堆叠成工件的3D打印头；还包括用于驱动成形台运动的运动机构。本发明的原理为：成形台在运动机构的驱动下按工件截面形状运动，使得成形台上的原料粉末选择性的被3D打印头发射的激光所融化后形成工件的截面形状，并一层一层堆叠最终完成工件的制作。
作为一种改进，所述成形台包括竖直安装的成形缸，所述成形缸内设置有可沿成形缸升降的台体，所述台体顶端固定有成形基板。每打印完毕一层，台体就下降一层，使得需要打印的位置与成形缸开口齐平，从而逐步完成打印。
作为一种进一步的改进，所述粉料铺设机构包括用于盛装原料粉末的送粉缸，所述送粉缸开口向上并且送粉缸内设置有可沿送粉缸运动的送粉台，所述送粉台可将送粉缸内的原料粉末推至送粉缸开口处；还包括刮粉刀，所述刮粉刀可通过往复运动将送粉缸开口处的原料粉末推至成形台上。
作为另一种更进一步的改进，所述粉料铺设机构还包括余粉收集罐，所述余粉收集罐和送粉缸分设于成形台两侧，使得刮粉刀在进行往复运动时可依次经过送粉缸、成形台、余粉收集罐。刮粉刀将原料粉末铺设到成形台上后，多余的原料粉末被送入余粉收集罐中，避免了原料的浪费。
作为一种改进，所述粉料铺设机构还包括用于驱动刮粉刀进行往复运动的驱动装置；所述驱动装置包括丝杠以及与丝杠螺纹配合的螺套，还包括与丝杠平行的导向杆，所述刮粉刀两端分别固定在螺套和导向杆上；所述丝杠由电机带动旋转。通过丝杆到螺套配合带动刮粉刀做直线往复运动，可对其运动轨迹做精准的控制。
作为一种改进，所述3D打印头包括若干激光发生单元，所述若干激光发生单元沿球面分布，使得若干激光发生单元发出的激光光束汇聚于一点。具体地，所述激光发生单元包括用于传导激光的激光光纤，所述激光光纤端部设置有光束聚焦装置。
作为一种改进，所述若干激光发生单元的激光汇聚点一侧设置有吸尘装置。由于3D打印头固定，吸尘装置可有效吸收打印过程中产生的飞溅、烟尘等，避免飞溅、烟尘等引起的成形质量问题，从而提高成型质量。
作为一种改进，所述若干激光发生单元的激光汇聚点一侧设置有输气装置，用于在增材制造成形过程中向激光汇聚点(即成形工位)输送气氛保护气体。通过在所述若干激光发生单元的激光汇聚点一侧设置输气装置，在不破坏粉末床结构前提下输送气氛保护气体，使成形区域(熔池)，或成形工位时刻处于气氛保护中，例如，在采用金属粉材进行3D打印时，通过输送保护气体，从而避免金属粉材被氧化。
作为一种改进，所述运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构和Z轴运动机构、包括底台，其中，所述Z轴运动机构带动底台升降；所述X轴运动机构安装在底台上，所述Y轴运动机构安装在X轴运动机构上；还包括固定在Y轴运动机构上的安装支架，所述成形台和粉材铺设机构固定在安装支架上。X轴、Y轴和Z轴方向的运动有单独的运动机构独立控制，使得控制更加简单精准。
作为一种改进，所述增材制造系统还包括用于对增材制造情况进行监测观察的监测观察装置。可随时根据监测观察要求对观测点进行调整。
作为一种优选，所述增材制造系统还包括机架，所述3D打印头设置在机架顶部，所述成形台和粉材铺设机构设置在机架内并位于3D打印头下方。
本发明的有益之处在于：
传统的3D打印系统都是针对小尺寸的工件，并且都是通过移动3D打印头进行成形作业；然而，随着大尺寸工件的3D打印成形需求增加，传统的3D系统并不适用于打印大尺寸工件，而本发明提供的3D打印成形系统，融合了现有的丝材3D打印和粉材3D打印技术，并采用与传统3D打印系统完全相悖的发明构思：通过将3D打印头固定，而通过运动机构带动成形台进行成形作业，从而当打印较大体积(例如，较大表面积)的工件时，由于3D打印头固定，而移动的是成形台，并且可XYZ三个方向移动，工件的任何部件都直接位移至3D打印头下方(例如，激光光束汇聚点处，也即固定的成形工位处)，避免了由于传统激光系统中振镜系统扫描角度的限制(即扫描振镜偏转角度的限制)和移动行程的限制问题，进而可进行大幅面的打印成形。
进一步地，本发明中，由于所有激光发生单元的激光都汇聚于一点，因此，无需偏振镜系统，自然也就没有扫描角度的限制，更没有场搭接问题。并且，传统的激光系统由于其扫描角度和移动行程的限制，在较大幅面打印过程中，边缘处扫描并不精准(例如，边缘的激光光斑圆点会变成椭圆形)，从而影响成形的精准度，进而降低成型质量。而发明中由于是成形台运动，打印位置均可以调整到3D打印头的光束汇聚点，从而也解决了边缘形变的问题。
进一步地，本发明中，可通过调控粉材铺粉厚度和/或丝材送丝速度，实现复合制造材料配比的调控，以达到相应制造需求。
另一方面，由于打印头固定，移动的是成形台，因此，成形工位始终位于打印头下方，例如，光束汇聚点，因此，即使产生飞溅、烟尘等，也可通过固定的吸尘装置吸收烟尘等，无需移动吸尘装置到各个方向进行吸尘，从而使得装置整体结构更加简单，烟尘吸收效率也更高，进而避免了因烟尘而影响激光的透过率和一致性，保证了零部件的成型质量。
本发明的增材制造方法通过运动机构驱动成形台在固定的3D打印头下方沿X轴、Y轴和Z轴运动，从而在成形台进行增材制造成形，即由于成形台是沿三个方向移动，而3D打印头固定，且其激光光束都汇聚于一点(即熔融点固定或成形工位固定)，从而使得打印时，工件的任何部位都可直接位移至3D打印头的光束汇聚点进行熔融成形，而不必受到3D打印头运动行程和振镜角度的限制，进而可进行大幅面的打印成形；同时，由于所有激光光束汇聚于一点(即光斑都聚焦在同一点)，无需振镜系统，避免了扫描角度的问题以及场搭接的问题，从而使得在成形区域边缘部位进行增材制造时也能保证成形质量一致性不变形，进一步提高了成形的质量和精度。
进一步地，本发明的丝基和粉基混合制造工艺方法，可以调整成形面表层的重要材料特性，例如硬度和韧性。具体地，可选择具有高结构稳定性的热加工工具钢和具有良好焊接性的低合金钢作为丝材；而粉末材料，可选择铬作为碳化物形成和晶粒细化的元素，以碳化钛作为硬质相。
进一步地，本发明的方法通过在粉基增材制造成形过程中或后，通过设置在光束汇聚点一侧的吸尘装置来吸收烟尘或多余粉材，不仅可有效进行飞溅、粉尘的吸收，避免了因烟尘而影响激光的透过率和一致性，保证了零部件的成型质量；并且避免了残留的粉材对丝基增材制造成形的干扰，进一步提高了成形质量，例如，当丝材为导电材料，而粉材为绝缘材料，或者，丝材为绝缘材料，粉材为导电材料时，避免了因粉材的残留而影响丝基增材制造区域的性能。
本发明的丝基和粉基混合增材制造成形方法，可最大限度地减少表面磨损和延长部件的使用寿命，相较于纯粉末工艺更具成本效益，并且相对纯金属工艺提供了更大的材料灵活性。
本方法可应用于开发具有特殊性能的材料系统，也可用于成形工具的加工以及液压部件摩擦磨损层的处理等应用。
相对于传统的激光选区熔化成形采用的振镜扫描方式，本发明的增材制造系统采用固定3D打印头，并将3D打印头的激光光束汇聚于一点，使得成形工位固定，并通过移动成形台的方式，使得工件的任何部位都能够直接位于成形工位，从而能够制造体面积更大的工件，并且，由于所有激光光束汇聚于一点，无需采用振镜系统，从而使得在成形区域边缘部位进行增材制造时也能保证成形质量一致性(即各个地方成形时的光斑尺寸，能量密度等是一致的，成形条件一致，因此成形效果也是一致)。
附图说明
图1a为本发明的整体结构示意图。
图1b为反应图1a所示3D打印成形系统的纵向剖视结构简化示意图。
图2为本发明中运动机构的结构示意图。
图3为本发明中粉料铺设机构和成形台的结构示意图。
图4为3D打印头和丝料输送机构的结构示意图。
图5为本发明一示例性实施例的一种基于丝材和粉材的增材制造方法的流程示意图。
图中标记：1-3D打印头、2-粉料铺设机构、3-运动机构、4-监测观察装置、5-成形台、6-丝料输送机构；
11-激光光纤、12-光束聚焦装置、13吸尘装置；
21-送粉缸、22-送粉台、23-刮粉刀、24-余粉收集缸、25-丝杠、26螺套、27导向柱、28-电机；
31-机架、32-Z轴运动机构、33-X轴运动机构、34-Y轴运动机构、35-底台、36-安装支架；
51-成形缸、52-成形基板。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1a-图4所示，本发明包括：
成形台5，用于对3D打印出的工件进行支撑；
粉材铺设机构2，用于在成形台5上铺设3D打印用原料粉末；
丝材输送机构6，用于将3D打印用原料丝材输送至成形台5；
3D打印头1，固定安装在成形台5上方(例如，正上方，或斜上方)，用于利用汇聚于一点的激光光束对原料粉末或/和原料丝材进行熔融后在成形台5上堆叠成工件；
运动机构3，用于驱动成形台5沿X轴、Y轴和Z轴方向运动；
监测观察装置4，用于对3D打印情况进行监测观察；所述监测观察装置包括与计算机(也即工控机)连接的红外热像仪、高速相机、高速摄像机、温度传感器中的一种或者几种；
机架31，所述3D打印头1和丝材输送机构6设置在机架1顶部，所述成形台5和粉材铺设机构2设置在机架31内，并位于3D打印头1下方，所述监测观察装置4和运动机构3也安装在机架31上。
具体地，所述成形台5包括竖直安装的成形缸51，所述成形缸51内设置有可沿成形缸51升降的台体(图中未示出)，所述台体顶端固定有成形基板52。本实施例中成形缸51呈圆筒形，其上端开口，台体呈圆柱形可在成形缸51内升降从而带动其顶端的成形基板52升降。3D打印就是在成形基板52上进行的，原料粉末直接铺设在成形基板52上，然后利用3D打印头1发射的激光对原料粉末进行选择性的熔融从而使得工件成形。工件的成形是分层完成的，即每次熔融的原料粉末形成的都是工件的一个横截面，通过若干横截面不断的堆砌最终形成工件。原料丝材的成形过程类似，通过激光将丝材熔融然后堆叠成工件。其同样也是在成形基板52上完成的，当完成一层成形后，台体就下降一层的高度(如图1b所示，成形基板52沿Z2-Z2’方向向下下降第一预设高度，具体地，该第一预设高度可以是即将打印的下一工件层的高度)，使得每次成形的工件层都在成形缸51的开口处，并为下一工件层留下成形空间。
所述粉料铺设机构2包括用于盛装原料粉末的送粉缸21，所述送粉缸21开口向上并且送粉缸21内设置有可沿送粉缸21运动的送粉台22，所述送粉台22可将送粉缸21内的原料粉末推至送粉缸21开口处；还包括刮粉刀23，所述刮粉刀23可通过往复运动将送粉缸21开口处的原料粉末推至成形台5的成形基板52上。每完成一次铺粉工作，送粉台22就上升一定的高度(如图1b所示，送粉缸21沿Z1-Z1’方向向上上升一定的高度)，将送粉缸21内原料粉末推送至送粉缸21开口处，使得原料粉末可在刮粉刀的作用下将输送至成形台上。
粉料铺设机构2还包括余粉收集缸24，余粉收集缸24和送粉缸21分设于成形台5两侧，使得刮粉刀23在进行往复运动时可依次经过送粉缸21、成形台5、余粉收集缸24。具体地，参见图1b，从左至右，依次为送粉缸21、成形台5、余粉收集罐余粉收集缸24。在另一些实施例中，为了提高成形效率，可采用双向铺粉的方式，即上述送粉缸也可作为余粉收集缸，相应地，该送粉缸则作为余粉收集缸，例如，参见图1b，当需要从左边往右送粉时，成形缸51左边为送粉缸21，右边为余粉收集缸24；而当刮刀反向铺粉时，成形缸51右边的余粉收集缸51则变为送粉缸，相应地，其左边的送粉缸则变为余粉收集缸。
另外，粉材铺设机构还包括用于驱动刮粉刀24进行往复运动的驱动装置；所述驱动装置包括丝杠25以及与丝杠25螺纹配合的螺套26，还包括与丝杠25平行的导向杆27，所述刮粉刀23两端分别固定在螺套26和导向杆27上；所述丝杠25由电机28带动旋转。
本实施例中，送粉缸21、余粉收集缸24三者位于同一直线，即刮粉刀23的行进路线上；送粉缸21、成形缸51、余粉收集缸24的开口高度在同一水平面上。在一具体实施例中，送粉缸21和余粉收集缸24均为腰孔形。参见图2，所述运动机构3包括X轴运动机构33、Y轴运动机构34和Z轴运动机构32；底台35，其中，所述Z轴运动机构32带动底台35升降；所述X轴运动机构33安装在底台35上，所述Y轴运动机34构安装在X轴运动机构33上；还包括固定在Y轴运动机构34上的安装支架36，所述成形台5和粉材铺设机构2固定在安装支架36上。本实施例中，X轴运动机构33、Y轴运动机构34和Z轴运动机构32均采用的轨道和滑块的结构形式。当然，三个方向的运动机构的安装方式和层次可以是任意的，只要能够驱动成形台5和粉材铺设机构2运动从而完成3D打印工作即可，本发明不做限制。另外本发明中的X轴、Y轴、Z轴只是为了表达一个完成的三维坐标系，并不是限制三个具体的方向。
所述3D打印头1包括若干激光发生单元，所述激光发生单元包括用于传导激光的激光光纤11，所述激光光纤11端部设置有光束聚焦装置12；所述若干激光发生单元沿球面分布，使得若干激光发生单元发出的激光能够汇聚到一点(该点即为成形工位)；所述丝材输送机构6设置在若干激光发生单元的中心位置(具体地，可将该丝材输送机构6集成在该3D打印头上，且其输出端位于若干激光发生单元的中心轴，或者，该丝材输送机构的管路与若干激光发生单元的中心轴同轴)，使得丝材输送机构6输送出来的原料丝材能通过若干激光发生单元的激光汇聚点。所述若干激光发生单元的激光汇聚点一侧设置有吸尘装置13。
进一步地，该若干激光发生单元的激光汇聚点的另一侧设置有输气装置，用于在增材制造成形过程中向成形工位输送气氛保护气体，从而在不破坏粉末床结构前提下输送气氛保护气体(例如氩气)，使成形区域(熔池)，或成形工位时刻处于气氛保护中。
本发明中，可以单独使用原料丝材进行3D打印工件，也可以单独使用原料粉末进行3D打印工件，还可以同时选用原料丝材和原料粉末进行3D打印。并且在打印的过程中，3D打印头1保持不动，通过运动机构3带动成形台5运动从而完成工件的成形。相对于现有的3D打印头运动的方式，能够打印体积更大的工件，并且在打印边缘部位时也能保证保证成形质量一致性。
另一方面，本发明还提供了一种用于大尺寸工件制造的增材制造系统，其包括上述实施例中的成形台、粉材铺设机构、3D打印头、运动机构、吸尘装置和输气装置，其工作原理参照上述实施例的3D打印系统。
基于上述的多材料复合制造的3D打印系统，本发明还提供了一种丝基和粉基组合的增材制造方法，具体地，参见图1b和图5，其包括步骤：
S1，通过粉材铺设机构在成形台上铺粉，并通过运动机构驱动成形台根据第一预设路径在固定安装的3D打印头下方沿X轴和Y轴方向移动，从而在成形台上进行粉基增材制造区域的制造成形。
在一些实施例中，在打印之前，需要做好一切准备工作，包括：将粉基，例如金属粉末倒入上述3D打印成形系统的送粉缸内，同时，将丝基，例如金属丝材放入上述3D打印成形系统的丝材输送机构内；并且，预先根据所需成形工件规划丝基增材和粉基增材的部位，并在工控机中进行切片得到多层工件层，然后根据每层工件层中丝基增材和粉基增材的区域规划成形台的运动路径，得到每层工件层中各自对应于粉基增材制造区域的第一预设路径，以及对应于丝基增材制造区域的第二预设路径，并预存相应的工艺控制参数，包括送丝速度等。
在一些实施例中，丝材，可优选具有高结构稳定性的热加工工具钢和具有良好焊接性的低合金钢。而粉末材料，可优选铬作为碳化物形成和晶粒细化的元素，以碳化钛作为硬质相。
在一些实施例中，如前所述，该3D打印头固定在机架上，且其中的若干激光发生单元所产生的激光汇聚于一点，并在成形台上形成成形工位(或熔融点)。
在一些实施例中，当在成形台上完成粉基增材制造区域的制造成形后，通过粉材铺设机构中的刮刀将多余的粉基输送至设置在成形台一侧的余粉收集缸。
在一些实施例中，当在成形台上进行粉基增材制造区域的制造成形过程中，通过设置在成形工位一侧的吸尘装置吸取烟尘。
在一些实施例中，步骤S1之前，需要先留出一层工件层的成形空间，因此，在执行步骤S1之前，还包括步骤：
S0，通过运动机构驱动成形台沿Z轴下降第二预设高度。
在一些实施例中，该第二预设高度为即将打印的当前工件层的高度。
S2，通过丝材输送机构输送丝材至成形台，并通过运动机构驱动成形台根据第二预设路径在3D打印头下方沿X轴和Y轴方向移动，从而在成形台上进行丝基增材制造区域的制造成形，得到当前工件层。
S3，通过运动机构驱动成形台沿Z轴下降第一预设高度，并循环步骤S1-S3，直至最终工件成形。
在一些实施例中，预先进行切片得到的多层工件层中的每个工件层的高度相同，因此，为了给下一层粉基与丝基混合增材制造层留出足够的成形空间，将成形台下降一层工件层的高度。当然，在另一些实施例中，若每个工件层的高度(或厚度)，或者其中部分工件层的高度不一致，则该第一预设高度为即将打印的下一工件层的高度。当然，当完成最后一层工件层后，则成形台无需再下降，也即第一预设高度为零。
在一些实施例中，为了进一步提高成形质量，每完成一层工件层后，本发明的方法还包括步骤：通过位于若干激光发生单元的激光汇聚点(也即成形工位)一侧的吸尘装置吸取丝基增材制造区域和/或粉基增材制造区域上多余粉末。当然，根据实际成形件性能要求，也可不吸除粉末，或不完全吸除粉末。
在一些实施例中，本发明的方法还包括步骤：在打印之前，先根据监测要求调整监测观察装置的观测点。
在一些实施例中，本发明的方法还包括步骤：在打印过程中，工控机根据监测观察装置的输出结果调整所述监测观察装置的观测点，例如，调整相机的拍摄角度。
在一些实施例中，对于一些工件的特殊性能，可能需要在打印过程中，实时调整粉基和丝基的混合比例，因此，本发明的方法还包括步骤：丝材输送机构根据工控机发出的控制指令(其包括预设的送丝速度输送丝材)调整丝材输送速度，从而完成对丝基粉基比例的调控。
在一些实施例中，本发明该方法都是在工控机的控制下完成的，例如，工控机下发相应的控制指令(包括上述的第一预设路径和第二预设路径，驱动刮刀的驱动装置的速度，以及丝材输送机构的送丝速度等等)。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，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 (7)

1.一种基于丝基和粉基的增材制造方法，其特征在于，所述方法基于一种可用于多材料复合制造的3D打印成形系统，所述3D打印成形系统包括：成形台，粉材铺设机构，丝材输送机构，固定安装在所述成形台上方的3D打印头，以及用于驱动所述成形台和所述粉材铺设机构在所述3D打印头下方沿X轴、Y轴和Z轴方向运动的运动机构，其中，所述3D打印头的激光光束在所述成形台上汇聚于一点形成固定的成形工位，所述运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构和Z轴运动机构；底台，其中，所述Z轴运动机构带动底台升降；所述X轴运动机构安装在底台上，所述Y轴运动机构安装在X轴运动机构上；还包括固定在Y轴运动机构上的安装支架，所述成形台和所述粉材铺设机构固定在安装支架上；相应地，所述方法包括步骤：
通过所述粉材铺设机构在所述成形台上铺粉，并通过所述运动机构驱动所述成形台和所述粉材铺设机构根据第一预设路径沿X轴和Y轴运动，从而在所述成形台上固定的成形工位进行粉基增材制造区域的制造成形；
通过所述丝材输送机构输送丝材至所述成形台，并通过所述运动机构驱动所述成形台和所述粉材铺设机构根据第二预设路径沿X轴和Y轴运动，从而在所述成形台上固定的成形工位进行丝基增材制造区域的制造成形，得到当前工件层；
通过所述运动机构驱动所述成形台和所述粉材铺设机构沿Z轴下降第一预设高度；
循环上述各个步骤，直至最终工件成形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述3D打印成形系统还包括：设置在所述成形工位一侧的吸尘装置，相应地，所述方法还包括步骤：
在粉基增材制造成形过程中，通过所述吸尘装置吸取烟尘；或者，
在粉基增材制造成形后，通过所述吸尘装置吸取多余粉末。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预设高度为即将打印的下一工件层的高度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述3D打印成形系统还包括：用于对3D打印情况进行监测观察的监测观察装置，相应地，所述方法还包括步骤：
根据监测要求调整所述监测观察装置的观测点；和/或，
所述3D打印成形系统还包括设置在所述成形台一侧的余粉收集缸，相应地，所述方法还包括步骤：
通过所述粉材铺设机构将多余的粉基输送至所述余粉收集缸。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预设路径为预先根据当前工件层中粉基增材制造区域规划得到的；所述第二预设路径为预先根据当前工件层中丝基增材制造区域规划得到的。
6.根据权利要求1至5中任一所述的方法，其特征在于，还包括步骤：所述丝材输送机构根据工控机发送的控制指令调整送丝速度，从而完成对丝基和粉基混合比例的调控。
7.根据权利要求1至5中任一所述的方法，其特征在于，所述丝基为金属丝材；所述粉基为金属粉末。
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