CN114606490A - 一种功能梯度材料的成形装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功能梯度材料的成形装置和方法，所述装置包括多通道环形同轴激光熔覆喷头用于将混有惰性保护气体的待熔覆粉末材料喷射至成形平台进行熔覆；光纤激光器发射激光束，经过激光束通道聚焦形成激光束焦点；控制器用于控制光纤激光器的激光输出功率、材料送粉器的送粉速度和流量控制阀的送粉量；多轴运动机构分别与多通道环形同轴激光熔覆喷头和控制器连接，控制器控制多轴运动机构在XYZ轴上运行，从而带动多通道环形同轴激光熔覆喷头运行。该装置和方法可实现功能梯度材料的三维打印成形，提升材料研发的速度，降低材料研发成本。

Description

一种功能梯度材料的成形装置和方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，尤其涉及一种功能梯度材料的成形装置和方法。
背景技术
激光熔覆技术一般应用于现有缺陷零件的表面修复，或者在现有零件表面熔覆不同的合金材料以改善零件表面耐磨、耐腐蚀、耐热、抗氧化及电气特性。随着增材制造技术的发展，激光熔覆技术在增材制造技术领域的应用也越发受到重视，同时，功能梯度材料在材料研究、生物医学等领域有着广泛的应用前景。目前，激光熔覆技术在增材制造技术领域主要是复合金属打印成形，整个零件材料比例在打印成形前已经确定，在做梯度材料零件成形时，需要中断现有打印过程，重新配置复合材料各组分的比例，使得整个材料研发周期比较长，并且材料利用率低。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种功能梯度材料的成形装置和方法
为了解决上述技术问题，第一方面，公开了一种功能梯度材料的成形装置，包括：多通道环形同轴激光熔覆喷头、控制器、光纤激光器、多轴运动机构、成形平台、材料送粉器、流量控制阀和送粉管，
所述多通道环形同轴激光熔覆喷头，用于将混有惰性保护气体的待熔覆粉末材料喷射并汇聚至成形平台进行熔覆，包括激光束通道和两个以上的环形通道；每个环形通道均能够用作正压通道或者负压通道，所述正压通道用于压出惰性保护气体和粉末材料，所述负压通道用于吸出空气或者空气与多余粉末材料的混合；当环形通道用作正压通道时，环形通道通过连接通道与送粉管连接，送粉管与流量控制阀连接，流量控制阀通过送粉管与材料送粉器连接，每个材料送粉器中至多包括一种待熔覆粉末材料；
所述光纤激光器发射激光束，激光束经过激光束通道聚焦形成激光束焦点；两个以上的环形通道的喷射角度需要确保待熔覆粉末材料喷射后汇聚至激光束焦点处，所述激光束焦点初始位于成形平台的表面；
所述控制器与光纤激光器连接，用于实时控制光纤激光器的激光输出功率；控制器还分别与材料送粉器和流量控制阀连接，用于控制材料送粉器的送粉速度和流量控制阀的送粉量；
所述多轴运动机构分别与多通道环形同轴激光熔覆喷头和控制器连接，控制器控制多轴运动机构在XYZ轴上运行，从而带动多通道环形同轴激光熔覆喷头运行。
进一步地，所述多通道环形同轴激光熔覆喷头包括四个同轴腔体，由内至外依次为圆锥形内腔体、第一圆锥形腔体、第二圆锥形腔体和圆锥形外腔体，所述圆锥形内腔体和第一圆锥形腔体之间形成第一环形通道，所述第一圆锥形腔体和第二圆锥形腔体之间形成第二环形通道，所述第二圆锥形腔体和圆锥形外腔体之间形成第三环形通道；第一环形通道在入口处设有第一口，在出口处形成第一环形口；第二环形通道在入口处设有第二口，在出口处形成第二环形口；第三环形通道在入口处设有第三口，在出口处形成第三环形口；多通道环形同轴激光熔覆喷头至少包括一组第一口、第二口和第三口；
第一圆锥形腔体的腔壁长度大于圆锥形内腔体的腔壁长度，第二圆锥形腔体的腔壁长度大于第一圆锥形腔体的腔壁长度，圆锥形外腔体的腔壁长度大于第二圆锥形腔体的腔壁长度。
进一步地，第一环形通道、第二环形通道和第三环形通道均为正压通道，所述流量控制阀包括第一流量控制阀、第二流量控制阀和第三流量控制阀，材料送粉器包括第一材料送粉器、第二材料送粉器和第三材料送粉器，
第一环形通道通过连接通道与送粉管连接，送粉管与第一流量控制阀连接，第一流量控制阀通过送粉管与第一材料送粉器连接；第二环形通道通过连接通道与送粉管连接，送粉管与第二流量控制阀连接，第二流量控制阀通过送粉管与第二材料送粉器连接；第三环形通道通过连接通道与送粉管连接，送粉管与第三流量控制阀连接，第三流量控制阀通过送粉管与第三材料送粉器连接。
进一步地，所述激光束通道内设有透镜，激光束经透镜聚焦形成圆锥形激光光束，所述激光束焦点为圆锥形激光光束的焦点。
进一步地，所述功能梯度材料的成形装置还包括水冷机，用于冷却多通道环形同轴激光熔覆喷头和光纤激光器；
水冷机的激光器冷却用出水口和进水口通过出水管和进水管分别与光纤激光器的进水口和出水口连接，水冷机的多通道环形同轴激光熔覆喷头冷却用出水口和进水口通过出水管和进水管分别与多通道环形同轴激光熔覆喷头的进水口和出水口连接。
进一步地，所述材料送粉器设有粉量检测传感器和送粉伺服电机，当粉量检测传感器检测到待熔覆粉末材料不足时，能够进行提示；控制器通过控制送粉伺服电机的转速，从而控制送粉速度。
进一步地，所述功能梯度材料的成形装置还包括余粉收集装置，用于收集多通道环形同轴激光熔覆喷头出口处多余的粉末。
第二方面公开了一种功能梯度材料的成形方法，使用上述功能梯度材料的成形装置，包括：
步骤1，获取功能梯度材料三维数据模型，对所述功能梯度材料三维数据模型进行路径规划和工艺信息处理，获取功能梯度材料的分层信息，计算每一层的路径信息、材料送粉器的目标送粉速度和光纤激光器的激光输出功率；所述路径信息包括路径宽度；
步骤2，根据激光输出功率，计算控制器输出的电压模拟量；根据电压模拟量控制光纤激光器的输出功率；
步骤3，计算透镜至成形平台的距离，根据所述距离调整多通道环形同轴激光熔覆喷头在Z轴方向的初始位置；同时预热成形平台；
步骤4，根据步骤1计算得出的材料送粉器的目标送粉速度，使用PID算法实时调整材料送粉器的送粉速度和流量控制阀的送粉量；
步骤5，根据功能梯度材料每一层的路径信息，从多通道环形同轴激光熔覆喷头喷射的待熔覆粉末材料在激光束焦点处混合熔化，堆积成形，从而获得所述功能梯度材料。
进一步地，所述步骤1中对所述功能梯度材料三维数据模型进行路径规划和工艺信息处理包括：对连续的功能梯度材料三维数据模型做离散分层处理，获得离散分层的材料比例中间值；将所述离散分层的材料比例中间值作为所述分层的梯度信息，计算所在分层的路径信息、待熔覆粉末材料的混料比例和激光输出功率，生成的指令代码格式为：
G1 X<pos>Y<pos>Z<pos>M<rate>N<rate>O<rate>P<power>
其中，G1表示直线运动指令，X<pos>Y<pos>Z<pos>分别表示XYZ三轴的目的坐标，M<rate>N<rate>O<rate>分别表示第一环形通道、第二环形通道和第三环形通道对应的目标送粉速度，P<power>表示光纤激光器的激光输出功率。
进一步地，所述步骤2中，电压模拟量和激光输出功率为线性关系，0V对应零功率输出，+10V对应满功率输出；
所述步骤3中计算透镜至成形平台的距离包括：
获取激光束焦点的激光光斑半径r，所述激光光斑半径为步骤1获得的路径宽度的一半；记透镜的焦距为f，光纤激光器准直后发出的激光束入射到透镜表面光斑半径为R，则透镜至成形平台的距离d为：
Figure BDA0003553524940000041
有益效果：
激光熔覆增材制造技术与其他增材制造技术相比，具有成形速度快，材料利用率高的优势。本发明将多通道激光熔覆增材制造技术应用于梯度材料研发，对多通道环形同轴激光熔覆喷头结构上进行了改进，同时针对功能梯度材料的打印成形工艺，在控制器算法上进行了创新，使得复合材料各组分的比例可以任意调整且无需中断，可以提升功能梯度材料研发进度，降低研发成本，提升材料利用率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本申请实施例提供的一种功能梯度材料的成形装置中多通道环形同轴激光熔覆喷头的剖视图之一。
图2是是本申请实施例提供的一种功能梯度材料的成形装置中多通道环形同轴激光熔覆喷头的剖视图之二。
图3是本申请实施例提供的一种功能梯度材料的成形装置中多通道环形同轴激光熔覆喷头的透视图。
图4是本申请实施例提供的一种功能梯度材料的成形装置的结构示意图。
图5是本申请实施例提供的一种功能梯度材料的成形方法的流程示意图。
图6是本申请实施例提供的一种功能梯度材料的成形方法中功能梯度材料分层示意图。
图7是本申请实施例提供的一种功能梯度材料的成形方法中送粉速度PID调整过程不合适参数波形图，图中速度有过冲。
图8是本申请实施例提供的一种功能梯度材料的成形方法中送粉速度PID调整过程参数调整合理波形图，图中速度波形无明显过冲。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
本申请第一实施例提供了一种功能梯度材料的成形装置，如图4所示，包括多通道环形同轴激光熔覆喷头1、控制器2、光纤激光器104、多轴运动机构(图中未示)、成形平台40、材料送粉器(图中未示)、流量控制阀(图中未示)和送粉管(图中未示)，
所述多通道环形同轴激光熔覆喷头1，用于将混有惰性保护气体的待熔覆粉末材料喷射并汇聚至成形平台40进行熔覆，包括激光束通道60和两个以上的环形通道；
每个环形通道均能够用作正压通道或者负压通道，所述正压通道用于压出惰性保护气体和粉末材料，所述负压通道用于吸出空气或者空气与多余粉末材料的混合，例如如图2所示，设置第一环形通道10和第二环形通道20为正压通道，通过第一环形口101和第二环形口201泵出惰性保护气体和待熔覆粉末材料混合物实现复合材料打印成形，配置第三环形通道30为负压通道，此时打印成形过程中未熔覆堆积的粉末材料被第三环形口301的负压吸收，从而减少往空气中扩散。图2中1001和2001分别为通过第一环形口101和第二环形口201泵出惰性保护气体和待熔覆粉末材料混合物的流向，3001为第三环形口301所形成的负压流向。
当环形通道用作正压通道时，环形通道通过连接通道9与送粉管连接，送粉管与流量控制阀(图中未示)连接，流量控制阀通过送粉管与材料送粉器(图中未示)连接，每个材料送粉器中至多包括一种待熔覆粉末材料，所述待熔覆粉末材料可以是金属合金材料，也可以是复合材料；
所述光纤激光器104发射激光束50，激光束50经过激光束通道60聚焦形成激光束焦点70；两个以上的环形通道的喷射角度需要确保待熔覆粉末材料喷射后汇聚至激光束焦点70处，所述激光束焦点70初始位于成形平台40的表面；
所述控制器2与光纤激光器104连接，用于实时控制光纤激光器104的激光输出功率；控制器2实时控制光纤激光器104的激光输出功率以适合不同待熔覆粉末材料对熔化功率的要求；控制器2还分别与材料送粉器和流量控制阀连接，用于控制材料送粉器的送粉速度和流量控制阀的送粉量，从而控制多通道环形同轴激光熔覆喷头1出口处的混料比例并在成形平台40上熔覆堆积成形；
所述多轴运动机构分别与多通道环形同轴激光熔覆喷头1和控制器2连接，控制器2控制多轴运动机构在XYZ轴上运行，从而带动多通道环形同轴激光熔覆喷头1运行。所述多通道环形同轴激光熔覆喷头1结合多轴运动机构可成形任意比例的合金材料零件或复合材料零件。
本实施例中，如图3所示，所述多通道环形同轴激光熔覆喷头1包括四个同轴腔体，由内至外依次为圆锥形内腔体103、第一圆锥形腔体102、第二圆锥形腔体202和圆锥形外腔体302，如图1所示，所述圆锥形内腔体103和第一圆锥形腔体102之间形成第一环形通道10，所述第一圆锥形腔体102和第二圆锥形腔体202之间形成第二环形通道20，所述第二圆锥形腔体202和圆锥形外腔体302之间形成第三环形通道30；第一环形通道10在入口处设有第一口901，在出口处形成第一环形口101；第二环形通道20在入口处设有第二口902，在出口处形成第二环形口201；第三环形通道30在入口处设有第三口903，在出口处形成第三环形口301；多通道环形同轴激光熔覆喷头1至少包括一组第一口901、第二口902和第三口903；
第一圆锥形腔体102的腔壁长度大于圆锥形内腔体103的腔壁长度，第二圆锥形腔体202的腔壁长度大于第一圆锥形腔体102的腔壁长度，圆锥形外腔体302的腔壁长度大于第二圆锥形腔体202的腔壁长度。
本实施例中，第一环形通道10、第二环形通道20和第三环形通道30均为正压通道，所述流量控制阀包括第一流量控制阀105、第二流量控制阀108和第三流量控制阀110，材料送粉器包括第一材料送粉器106、第二材料送粉器107和第三材料送粉器109，
第一环形通道10通过连接通道9与送粉管连接，送粉管与第一流量控制阀105连接，第一流量控制阀105通过送粉管与第一材料送粉器106连接；
第二环形通道20通过连接通道9与送粉管连接，送粉管与第二流量控制阀108连接，第二流量控制阀108通过送粉管与第二材料送粉器107连接；
第三环形通道30通过连接通道9与送粉管连接，送粉管与第三流量控制阀110连接，第三流量控制阀110通过送粉管与第三材料送粉器109连接。
本实施例中，如图1所示，所述激光束通道60内设有透镜80，激光束50经透镜80形成圆锥形激光光束，所述激光束焦点70为圆锥形激光光束的焦点。
本实施例中，如图4所示，所述功能梯度材料的成形装置还包括水冷机3，用于冷却多通道环形同轴激光熔覆喷头1和光纤激光器104；水冷机3能够精确控制温度误差不超过1摄氏度。
水冷机3的激光器冷却用出水口和进水口通过出水管和进水管分别与光纤激光器104的进水口和出水口连接，水冷机3的多通道环形同轴激光熔覆喷头冷却用出水口和进水口通过出水管和进水管分别与多通道环形同轴激光熔覆喷头1的进水口和出水口连接。
本实施例中，所述材料送粉器设有粉量检测传感器和送粉伺服电机，当粉量检测传感器检测到待熔覆粉末材料不足时，能够进行提示；控制器2通过控制送粉伺服电机的转速，从而控制送粉速度。
本实施例中，所述功能梯度材料的成形装置还包括余粉收集装置，用于收集多通道环形同轴激光熔覆喷头1出口处多余的粉末。在功能梯度材料成形过程中，多通道环形同轴激光熔覆喷头1出口处会有一些多余的混有惰性保护气体的粉末材料往四周吹散，最终会影响功能梯度材料的成形精度，使用余粉收集装置能够提升梯度材料的精确度。
所述功能梯度材料的成形装置还包括其他部件，属于现有技术，本实施例在此不做限定。
第二实施例提供了一种功能梯度材料的成形方法，以垂直方向上的立方体功能梯度材料为例，使用上述功能梯度材料的成形装置，如图5所示，包括：
步骤1，获取功能梯度材料三维数据模型，对所述功能梯度材料三维数据模型进行路径规划和工艺信息处理，获取功能梯度材料的分层信息，计算每一层的路径信息、材料送粉器的送粉速度和光纤激光器104的激光输出功率；所述路径信息包括路径宽度；
如图6所示，右图表示连续的功能梯度材料截面信息示意，对连续的功能梯度材料三维数据模型做离散分层处理，如左图所示，获得离散分层后的梯度材料信息示意；离散分层的间隔越小，则最后打印成形的功能梯度材料零件越接近实际需求。
将所述离散分层的材料比例中间值作为所述分层的梯度信息，计算所在分层的路径信息、待熔覆粉末材料的混料比例和激光输出功率，生成的指令代码格式为：
G1 X<pos>Y<pos>Z<pos>M<rate>N<rate>O<rate>P<power>
其中，G1表示直线运动指令，任意路径都可以通过很小的直线段逼近得到，X<pos>Y<pos>Z<pos>分别表示XYZ三轴的目的坐标，M<rate>N<rate>O<rate>分别表示第一环形通道10、第二环形通道20和第三环形通道30对应的目标送粉速度，通过各个环形通道的送粉速度控制待熔覆粉末材料的混料比例，P<power>表示光纤激光器104的激光输出功率。
步骤2，根据激光输出功率，计算控制器2输出的电压模拟量；根据电压模拟量控制光纤激光器104的输出功率；
电压模拟量和激光输出功率为线性关系，0V对应零功率输出，+10V对应满功率输出；例如光纤激光器104满功率为3KW，则0V输出表示0KW，10V输出表示3KW，每递增1V，光纤激光器104多输出300W。
步骤3，计算透镜80至成形平台40的距离，根据所述距离调整多通道环形同轴激光熔覆喷头1在Z轴方向的初始位置，从而使激光光斑大小满足要求；并预热成形平台40；
计算透镜80至成形平台40的距离包括：
获取激光束焦点70的激光光斑半径r，所述激光光斑半径为步骤1获得的路径宽度的一半；记透镜80的焦距为f，光纤激光器104准直后发出的激光束50入射到透镜80表面光斑半径为R，则透镜80至成形平台40的距离d为：
Figure BDA0003553524940000081
可以在所述功能梯度材料的成形装置上设置激光测距仪，激光测距仪和多通道环形同轴激光熔覆喷头1在Z轴上的相对位置固定，通过激光测距仪实时测量激光测距仪与成形平台40的距离，获得透镜80至成形平台40的距离，从而调整多通道环形同轴激光熔覆喷头1在Z轴方向的初始位置，使得激光光斑半径r为步骤1获得的路径宽度的一半。
根据功能梯度材料零件大小及细节特点，通过激光测距仪及多轴运动机构控制激光光斑的大小，大尺寸功能梯度材料零件采用大光斑熔覆，小尺寸功能梯度材料零件则采用小光斑熔覆。通过控制多轴运动机构Z轴方向的下降，则在成形平台40表面处的激光光斑会增大，同理多轴运动机构Z轴方向上升，则在成形平台40表面处的激光光斑会减小。调整多通道环形同轴激光熔覆喷头1在Z轴方向的初始位置，使得激光光斑半径r为步骤1获得的路径宽度的一半。每当打印成形一层功能梯度材料后，多轴运动机构带动多通道环形同轴激光熔覆喷头1在Z轴方向上升一层的厚度，此时，激光光斑大小在成形后的零件表面与前一层的一致。
步骤4，根据材料送粉器的目标送粉速度，使用PID算法实时调整材料送粉器的送粉速度和流量控制阀的送粉量；
由于材料送粉器在送出待熔覆粉末材料时混有惰性保护气体，导致待熔覆粉末材料不是特别均匀，同时在成形过程中不是所有的待熔覆粉末材料都会熔覆，因此通过PID算法实时调整材料送粉器的送粉速度及流量控制阀的输出流量，确保执行步骤5时能够打印成形满足步骤1要求的功能梯度材料。PID算法主要通过调节Kp，Ki，Kd三个控制参数用以调节控制器2对送粉速度和流量闭环控制的响应速度(即流量控制阀的送粉量)。如图7所示，预设的目标送粉速度为20克/秒，在送粉速度达到目标送粉速度后，有较大的过冲，从而导致粉末颗粒的流量突变影响最后的混料比例。通过调节Kp，Ki，Kd三个参数从而调节控制器2对送粉速度和流量闭环控制的响应速度，最后得到图8的系统响应，可以满足设计要求。
步骤1是根据三维数据模型得出的目标送粉速度，实际成形过程中的实际送粉速度与送粉量与设定的目标值会有偏差，通过PID算法实时闭环调整实际值，使得实际值与设定值偏差接近与零。
步骤5，根据功能梯度材料每一层的路径信息，从多通道环形同轴激光熔覆喷头1喷射的混有惰性保护气体的待熔覆粉末材料在激光束焦点70处混合熔化，堆积成形，从而获得所述功能梯度材料。惰性保护气体用以防止烟尘、待熔覆粉末材料飞溅导致在第一环形通道10、第二环形通道20和第三环形通道30内堆积；惰性保护气体可以使用氩气和氮气等。
本发明提供了一种功能梯度材料的成形装置和方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的具体实施方式，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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种功能梯度材料的成形装置，其特征在于，包括多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)、控制器(2)、光纤激光器(104)、多轴运动机构、成形平台(40)、材料送粉器、流量控制阀和送粉管，
所述多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)，用于将混有惰性保护气体的待熔覆粉末材料喷射并汇聚至成形平台(40)进行熔覆，包括激光束通道(60)和两个以上的环形通道；每个环形通道均能够用作正压通道或者负压通道，所述正压通道用于压出惰性保护气体和粉末材料，所述负压通道用于吸出空气或者空气与多余粉末材料的混合；当环形通道用作正压通道时，环形通道通过连接通道(9)与送粉管连接，送粉管与流量控制阀连接，流量控制阀通过送粉管与材料送粉器连接，每个材料送粉器中至多包括一种待熔覆粉末材料；
所述光纤激光器(104)发射激光束(50)，激光束(50)经过激光束通道(60)聚焦形成激光束焦点(70)；两个以上的环形通道的喷射角度需要确保待熔覆粉末材料喷射后汇聚至激光束焦点(70)处，所述激光束焦点(70)初始位于成形平台(40)的表面；
所述控制器(2)与光纤激光器(104)连接，用于实时控制光纤激光器(104)的激光输出功率；控制器(2)还分别与材料送粉器和流量控制阀连接，用于控制材料送粉器的送粉速度和流量控制阀的送粉量；
所述多轴运动机构分别与多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)和控制器(2)连接，控制器(2)控制多轴运动机构在XYZ轴上运行，从而带动多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)运行。
2.根据权利要求1所述的一种功能梯度材料的成形装置，其特征在于，所述多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)包括四个同轴腔体，由内至外依次为圆锥形内腔体(103)、第一圆锥形腔体(102)、第二圆锥形腔体(202)和圆锥形外腔体(302)，所述圆锥形内腔体(103)和第一圆锥形腔体(102)之间形成第一环形通道(10)，所述第一圆锥形腔体(102)和第二圆锥形腔体(202)之间形成第二环形通道(20)，所述第二圆锥形腔体(202)和圆锥形外腔体(302)之间形成第三环形通道(30)；第一环形通道(10)在入口处设有第一口(901)，在出口处形成第一环形口(101)；第二环形通道(20)在入口处设有第二口(902)，在出口处形成第二环形口(201)；第三环形通道(30)在入口处设有第三口(903)，在出口处形成第三环形口(301)；多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)至少包括一组第一口(901)、第二口(902)和第三口(903)；
第一圆锥形腔体(102)的腔壁长度大于圆锥形内腔体(103)的腔壁长度，第二圆锥形腔体(202)的腔壁长度大于第一圆锥形腔体(102)的腔壁长度，圆锥形外腔体(302)的腔壁长度大于第二圆锥形腔体(202)的腔壁长度。
3.根据权利要求2所述的一种功能梯度材料的成形装置，其特征在于，第一环形通道(10)、第二环形通道(20)和第三环形通道(30)均为正压通道，所述流量控制阀包括第一流量控制阀(105)、第二流量控制阀(108)和第三流量控制阀(110)，材料送粉器包括第一材料送粉器(106)、第二材料送粉器(107)和第三材料送粉器(109)，
第一环形通道(10)通过连接通道(9)与送粉管连接，送粉管与第一流量控制阀(105)连接，第一流量控制阀(105)通过送粉管与第一材料送粉器(106)连接；第二环形通道(20)通过连接通道(9)与送粉管连接，送粉管与第二流量控制阀(108)连接，第二流量控制阀(108)通过送粉管与第二材料送粉器(107)连接；第三环形通道(30)通过连接通道(9)与送粉管连接，送粉管与第三流量控制阀(110)连接，第三流量控制阀(110)通过送粉管与第三材料送粉器(109)连接。
4.根据权利要求3所述的一种功能梯度材料的成形装置，其特征在于，所述激光束通道(60)内设有透镜(80)，激光束(50)经透镜(80)聚焦形成圆锥形激光光束，所述激光束焦点(70)为圆锥形激光光束的焦点。
5.根据权利要求4所述的一种功能梯度材料的成形装置，其特征在于，还包括水冷机(3)，用于冷却多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)和光纤激光器(104)；
水冷机(3)的激光器冷却用出水口和进水口通过出水管和进水管分别与光纤激光器(104)的进水口和出水口连接，水冷机(3)的多通道环形同轴激光熔覆喷头冷却用出水口和进水口通过出水管和进水管分别与多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)的进水口和出水口连接。
6.根据权利要求5所述的一种功能梯度材料的成形装置，其特征在于，所述材料送粉器设有粉量检测传感器和送粉伺服电机，当粉量检测传感器检测到待熔覆粉末材料不足时，能够进行提示；控制器(2)通过控制送粉伺服电机的转速，从而控制送粉速度。
7.根据权利要求6所述的一种功能梯度材料的成形装置，其特征在于，还包括余粉收集装置，用于收集多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)出口处多余的粉末。
8.一种功能梯度材料的成形方法，使用权利要求1-7任一项所述的功能梯度材料的成形装置，其特征在于，包括：
步骤1，获取功能梯度材料三维数据模型，对所述功能梯度材料三维数据模型进行路径规划和工艺信息处理，获取功能梯度材料的分层信息，计算每一层的路径信息、材料送粉器的目标送粉速度和光纤激光器(104)的激光输出功率；所述路径信息包括路径宽度；
步骤2，根据激光输出功率，计算控制器(2)输出的电压模拟量；根据电压模拟量控制光纤激光器(104)的输出功率；
步骤3，计算透镜(80)至成形平台(40)的距离，根据所述距离调整多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)在Z轴方向的初始位置；同时预热成形平台(40)；
步骤4，根据步骤1计算得出的材料送粉器的目标送粉速度，使用PID算法实时调整材料送粉器的送粉速度和流量控制阀的送粉量；
步骤5，根据功能梯度材料每一层的路径信息，从多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)喷射的待熔覆粉末材料在激光束焦点(70)处混合熔化，堆积成形，从而获得所述功能梯度材料。
9.根据权利要求8所述的一种功能梯度材料的成形方法，其特征在于，所述步骤1中对所述功能梯度材料三维数据模型进行路径规划和工艺信息处理包括：对连续的功能梯度材料三维数据模型做离散分层处理，获得离散分层的材料比例中间值；将所述离散分层的材料比例中间值作为所述分层的梯度信息，计算所在分层的路径信息、待熔覆粉末材料的混料比例和激光输出功率，生成的指令代码格式为：
G1 X<pos>Y<pos>Z<pos>M<rate>N<rate>O<rate>P<power>
其中，G1表示直线运动指令，X<pos>Y<pos>Z<pos>分别表示XYZ三轴的目的坐标，M<rate>N<rate>O<rate>分别表示第一环形通道(10)、第二环形通道(20)和第三环形通道(30)对应的目标送粉速度，P<power>表示光纤激光器(104)的激光输出功率。
10.根据权利要求9所述的一种功能梯度材料的成形方法，其特征在于，所述步骤2中，电压模拟量和激光输出功率为线性关系，0V对应零功率输出，+10V对应满功率输出；
所述步骤3中计算透镜(80)至成形平台(40)的距离包括：
获取激光束焦点(70)的激光光斑半径r，所述激光光斑半径为步骤1获得的路径宽度的一半；记透镜(80)的焦距为f，光纤激光器(104)准直后发出的激光束(50)入射到透镜(80)表面光斑半径为R，则透镜(80)至成形平台(40)的距离d为：
Figure FDA0003553524930000041
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