CN114682805B - 送粉喷嘴及增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种送粉喷嘴及增材制造方法，属于增材制造技术领域，送粉喷嘴包括支撑轴、第一外环套和第二外环套；支撑轴内设有激光通道；第一外环套套设于支撑轴的外部，内部设置有锥环形通道，第一外环套的上端设有与锥环形通道的上端连通的粉末进口；第二外环套套设于第一外环套的外部，且上端位于粉末进口的下方，内部设置有多条束状通道；送粉喷嘴内形成的锥环状粉末流和束状粉末流与激光束同轴，且锥环状粉末流和束状粉末流的汇聚点与激光束的焦点重合；增材方法采用上述送粉喷嘴。本发明提供的送粉喷嘴及增材制造方法，在成形零件时，可同时满足成形效率和成形精度的需求。

Description

送粉喷嘴及增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，更具体地说，是涉及一种送粉喷嘴及增材制造方法。

背景技术

增材制造俗称3D打印，可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。激光定向能沉积是一种同步送粉式激光增材制造技术，它以高能激光束为热源，以同步输送的金属粉末为原材料，通过原位冶金熔化与快速凝固，逐点逐面堆积形成实体零件。送粉喷嘴是激光定向能沉积系统中的核心部件之一，用于实现激光、粉末与基板(或成形部分)之间的能量耦合，以便形成实体零件。

现有技术中，常见的同轴送粉喷嘴主要有管式送粉喷嘴与锥环式送粉喷嘴两种。其中，管式送粉喷嘴输送的粉末速度较快、汇聚性较好，成形零件精度较高，但较快速度的粉末冲击到基板上时，容易被基板弹开，粉末利用率较低。锥环式送粉喷嘴由于截面突然增大，输送的粉末速度较低，冲击到基板上不容易被弹开，粉末利用率较高，但容易引起粘粉，降低成形零件精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种送粉喷嘴及增材制造方法，旨在解决现有技术中在成形零件时，无法同时满足成形效率和成形精度的需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

第一方面，提供一种送粉喷嘴及增材制造方法，包括：

支撑轴，呈环形结构，且所述支撑轴的环形内腔形成沿所述支撑轴的轴向延伸的激光通道；

第一外环套，套设于所述支撑轴的外部，且底端与所述支撑轴的底端平齐；所述第一外环套内设置有环绕所述支撑轴的轴线设置的锥环形通道，所述锥环形通道的截面尺寸沿所述支撑轴的轴向向下逐渐减小；所述第一外环套的上端设有与所述锥环形通道的上端连通的粉末进口；以及

第二外环套，套设于所述第一外环套的外部，且上端位于所述粉末进口的下方，底端与所述第一外环套的底端平齐；所述第二外环套内环绕所述支撑轴的轴线间隔设置有多条束状通道，且所述束状通道的轴线倾斜于所述支撑轴的轴线设置；

其中，所述锥环形通道内的锥环状粉末流和多条所述束状通道内的束状粉末流围设成的环形结构与所述激光通道内的激光束同轴，且所述锥环状粉末流和所述束状粉末流的汇聚点与所述激光束的焦点重合。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述支撑轴包括：

第一锥形部，沿所述支撑轴的轴向向下的径向截面逐渐减小，内腔设有锥形的第一通道；

第一直筒部，设于所述第一锥形部的上端，内腔设置有直筒形的第二通道；

其中，所述第二通道与所述第一通道连通且共轴线，形成所述激光通道。

一些实施例中，所述第一外环套包括：

第二锥形部，环设于所述第一锥形部的外部，且与所述第一锥形部的锥度相同；

第二直筒部，设于所述第二锥形部的上端，且套设在所述第一直筒部的外部；所述第一直筒部上设置有所述粉末进口；

其中，所述第二锥形部的内部设置有所述锥环形通道，且所述锥环形通道向上延伸至所述第二直筒部，并与所述粉末进口连通。

示例性的，所述粉末进口设置有多个，且环绕所述第二直筒部的轴线间隔设于所述第二直筒部的外周面上。

一些实施例中，所述第二外环套为套设在所述第二锥形部的外部的锥形结构，且所述第二外环套与所述第二锥形部的锥度相同。

示例性的，多条所述束状通道的上端入口和多个所述粉末进口环绕所述支撑轴的轴线交错设置。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述支撑轴、所述第一外环套和所述第二外环套一体成型。

本申请实施例所提供的送粉喷嘴，与现有技术相比，兼具管式送粉喷嘴和锥环式送粉喷嘴功能，在打印零件不同部位时，可通过切换粉末输送通道，调整输出的粉末流场，利用束状粉末流成形零件轮廓，保证成形精度；利用锥环状粉末流成形零件内部，提高粉末利用率，保证成形效率；使送粉喷嘴同时具有成形效率高、精度高的优点。

第二方面，本发明实施例还提供了一种增材制造方法，采用上述送粉喷嘴，所述送粉喷嘴与外部的输粉装置连通的输粉通道上设置有切换开关，所述切换开关具有使所述输粉通道与所述锥环形通道连通的第一状态，和使所述输粉通道与所述束状通道连通的第二状态；所述增材制造方法包括以下步骤：

S1.设置所述切换开关的状态，使所述送粉喷嘴与所述输粉通道连通，形成所述锥环状粉末流或所述束状粉末流；开启激光器，使所述激光器向所述激光通道内输出激光束；通过运动机构带动所述送粉喷嘴移动，且当所述切换开关处于所述第一状态时，所述锥环状粉末流在基材上形成内部熔覆道；当所述切换开关处于所述第二状态时，所述束状粉末流在所述基材上形成轮廓熔覆道；

S2.重复步骤S1，直到成形到仅剩零件的最后一层；

S3.使所述切换开关处于所述第二状态，所述输粉通道与所述束状通道连通，形成所述束状粉末流；开启激光器，使所述激光器向所述激光通道内输出激光束；通过运动机构带动所述送粉喷嘴移动，使所述束状粉末流在所述基材上形成最后一层轮廓熔覆道，成形零件；

S4.关闭所述激光器。

一些实施例中，所述基材为平面基板时，步骤S1包括：

S11.使所述切换开关处于所述第二状态，所述输粉通道与所述束状通道连通，形成所述束状粉末流；开启所述激光器，使所述激光器向所述激光通道内输出激光束；

S12.通过所述运动机构带动所述送粉喷嘴沿预设轮廓轨迹移动，使所述束状粉末流在所述平面基板上形成所述轮廓熔覆道，直至所述预设轮廓轨迹成形结束，关闭所述激光器；

S13.使所述切换开关处于所述第一状态，所述输粉通道与所述锥环形通道连通，形成所述锥环状粉末流；开启所述激光器，使所述激光器向所述激光通道内输出激光束；

S14.通过所述运动机构带动所述送粉喷嘴沿填充轨迹移动，使所述锥环状粉末流在所述平面基板上形成所述内部熔覆道，直至所述填充轨迹成形结束，关闭所述激光器。

示例性的，所述基材为圆柱基体时，步骤S1包括：

S15.使所述切换开关处于所述第一状态，所述输粉通道与所述锥环形通道连通，形成所述锥环状粉末流；开启所述激光器，使所述激光器向所述激光通道内输出激光束；

S16.通过所述运动机构带动所述送粉喷嘴沿所述圆柱基体的轴线方向移动，使所述锥环状粉末流在所述圆柱基体上形成所述内部熔覆道，直至一层熔覆层成形结束；关闭所述激光器；

S17.将所述送粉喷嘴向上抬升一层熔覆层厚度的距离，并使所述运动机构带动所述送粉喷嘴沿前一层的运动方向移动。

本发明提供的增材制造方法，由于采用了上述送粉喷嘴，因而具有上述送粉喷嘴的所有有益效果，在成形零件时，可同时满足成形效率和成形精度的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的送粉喷嘴的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的送粉喷嘴的半剖结构示意图；

图3为本发明实施例提供的采用送粉喷嘴在平面基板上进行增材制造时的结构示意图一；

图4为本发明实施例提供的采用送粉喷嘴在平面基板上进行增材制造时的结构示意图二；

图5为本发明实施例提供的采用送粉喷嘴在圆柱基体上进行增材制造时的结构示意图一；

图6为本发明实施例提供的采用送粉喷嘴在圆柱基体上进行增材制造时的结构示意图二。

图中：1、支撑轴；11、激光通道；111、第一通道；112、第二通道；12、第一锥形部；13、第一直筒部；2、第一外环套；21、锥环形通道；22、第二锥形部；23、第二直筒部；231、粉末进口；3、第二外环套；31、束状通道；4、激光束；5、束状粉末流；6、轮廓熔覆道；7、锥环状粉末流；8、内部熔覆道；9、基材。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1至图6，现对本发明提供的送粉喷嘴及增材制造方法进行说明。所述送粉喷嘴包括支撑轴1、第一外环套2和第二外环套3；支撑轴1呈环形结构，且支撑轴1的环形内腔形成沿支撑轴1的轴向延伸的激光通道11；第一外环套2套设于支撑轴1的外部，且底端与支撑轴1的底端平齐；第一外环套2内设置有环绕支撑轴1的轴线设置的锥环形通道21，锥环形通道21的截面尺寸沿支撑轴1的轴向向下逐渐减小；第一外环套2的上端设有与锥环形通道21的上端连通的粉末进口231；第二外环套3套设于第一外环套2的外部，且上端位于粉末进口231的下方，底端与第一外环套2的底端平齐；第二外环套3内环绕支撑轴1的轴线间隔设置有多条束状通道31，且束状通道31的轴线倾斜于支撑轴1的轴线设置；其中，锥环形通道21内的锥环状粉末流7和多条束状通道31内的束状粉末流5围设成的环形结构均与激光通道11内的激光束4同轴，且锥环状粉末流7和束状粉末流5的汇聚点与激光束4的焦点重合。

需要说明的是，在采用本申请提供的送粉喷嘴进行打印时，可通过输粉通道向送粉喷嘴内输送金属粉，并且，该输粉通道可通过粉末进口231进入到锥环形通道21内形成锥环状粉末流7；也可以通过束状通道31的上端入口进入到束状通道31内，并形成束状粉末流5，该锥环状粉末流7和束状粉末流5可在激光束4的作用下在相应的基材9上逐点逐面堆积，并形成实体零件。

本发明提供的送粉喷嘴，与现有技术相比，兼具管式送粉喷嘴和锥环式送粉喷嘴功能，在打印零件不同部位时，可通过切换粉末输送通道，调整输出的粉末流场，利用束状粉末流5成形零件轮廓，保证成形精度；利用锥环状粉末流7成形零件内部，提高粉末利用率，保证成形效率；使送粉喷嘴同时具有成形效率高、精度高的优点。

请参阅图1，在一些可能的实施例中，支撑轴1包括第一锥形部12和第一直筒部13；第一锥形部12沿支撑轴1的轴向向下的径向截面逐渐减小，内腔设有锥形的第一通道111；第一直筒部13设于第一锥形部12的上端，内腔设置有直筒形的第二通道112；其中，第二通道112与第一通道111连通且共轴线，形成激光通道11。

通过使支撑轴1设置第一锥形部12，方便在第一锥形部12的外部套设第一外环套2，并设置锥环形通道21，通过设置第一直筒部13方便实现支撑轴1与外部零部件的安装和固定。

其中，该束状通道31两端贯通设置；且该锥环形通道21的下端贯通第一外环套2的底端；具体的，第一通道111的下端贯通；第二通道112上下贯通，且下端与第一通道111连通。

请参阅图2，一些实施例中，第一外环套2包括第二锥形部22和第二直筒部23；第二锥形部22环设于第一锥形部12的外部，且与第一锥形部12的锥度相同；第二直筒部23设于第二锥形部22的上端，且套设在第一直筒部13的外部；第一直筒部13上设置有粉末进口231；其中，第二锥形部22的内部设置有锥环形通道21，且锥环形通道21向上延伸至第二直筒部23，并与粉末进口231连通。

通过使第二锥形部22与第一锥形部12的锥度相同，便于形成上述锥环形通道21，以便在该锥环形通道21内形成锥环状粉末流7。同时通过设置第二直筒部23，便于在第二直筒部23上设置粉末进口231。

请参阅图1及图2，示例性的，粉末进口231设置有多个，且环绕第二直筒部23的轴线间隔设于第二直筒部23的外周面上。

通过设置多个粉末进口231，以提高进粉速度，同时保证金属粉在锥环形通道21内形成均匀分布的锥环状粉末流7。

一些实施例中，第二外环套3为套设在第二锥形部22的外部的锥形结构，且第二外环套3与第二锥形部22的锥度相同。

通过使第二外环套3与第二锥形部22的锥度相同，使多条束状通道31内形成的束状粉末流5的汇聚点，和锥环形通道21内的锥环状粉末流7的汇聚点均能与激光束4的焦点重合。

请参阅图1，示例性的，多条束状通道31的上端入口和多个粉末进口231环绕支撑轴1的轴线交错设置，以便在进行金属粉末输送时，避免连通束状通道31的第一分支输粉管道与连通锥环形通道21的第二分支输粉管道之间发生干涉。

示例性的，在确保安装精度的前提下，支撑轴1、第一外环套2和第二外环套3还可以通过分别设置三组零件进行组装，并定期对送粉喷嘴的组装连接部进行检查校对。

请参阅图2，在一些可能的实施例中，支撑轴1、第一外环套2和第二外环套3一体成型，即支撑轴1、第一外环套2和第二外环套3为一体件，可避免各部分之间工作一段时间后发生松动，避免影响到零件成形精度。

请参阅图3至图6，本发明实施例还提供了一种增材制造方法，采用上述送粉喷嘴，送粉喷嘴与外部的输粉装置连通的输粉通道上设置有切换开关，切换开关具有使输粉通道与锥环形通道21连通的第一状态，和使输粉通道与束状通道31连通的第二状态；增材制造方法包括以下步骤：

S1.设置切换开关的状态，使送粉喷嘴与输粉通道连通，形成锥环状粉末流7或束状粉末流5；开启激光器，使激光器向激光通道11内输出激光束4；通过运动机构带动送粉喷嘴移动，且当切换开关处于第一状态时，锥环状粉末流7在基材9上形成内部熔覆道8；当切换开关处于第二状态时，束状粉末流5在基材9上形成轮廓熔覆道6；

S2.重复步骤S1，直到成形到仅剩零件的最后一层；

S3.使切换开关处于第二状态，输粉通道与束状通道31连通，形成束状粉末流5；开启激光器，使激光器向激光通道11内输出激光束4；通过运动机构带动送粉喷嘴移动，使束状粉末流5在基材9上形成最后一层轮廓熔覆道6，成形零件；

S4.关闭激光器。

需要说明的是，本申请中采用的输粉装置和切换开关的结构和工作原理均属于现有技术，在此不再细说。

另外，在零件的最后一层，通过束状通道31形成束状粉末流5，以便形成较高的精度的轮廓熔覆道6，保证成形零件的外部精度。

针对不同形状的基材9，本申请中的增材制造方法提供了如下两种实施例。

实施例一

请参阅图3及图4，当基材9为平面基板时，步骤S1包括：

S11.使切换开关处于第二状态，输粉通道与束状通道31连通，形成束状粉末流5；开启激光器，使激光器向激光通道11内输出激光束4；

S12.通过运动机构带动送粉喷嘴沿预设轮廓轨迹移动，使束状粉末流5在平面基板上形成轮廓熔覆道6，直至预设轮廓轨迹成形结束，关闭激光器；

S13.使切换开关处于第一状态，输粉通道与锥环形通道21连通，形成锥环状粉末流7；开启激光器，使激光器向激光通道11内输出激光束4；

S14.通过运动机构带动送粉喷嘴沿填充轨迹移动，使锥环状粉末流7在平面基板上形成内部熔覆道8，直至填充轨迹成形结束，关闭激光器。

实施例二

请参阅图5及图6，当基材9为圆柱基体时，步骤S2包括：

S15.使切换开关处于第一状态，输粉通道与锥环形通道21连通，形成锥环状粉末流7；开启激光器，使激光器向激光通道11内输出激光束4；

S16.通过运动机构带动送粉喷嘴沿圆柱基体的轴线方向移动，使锥环状粉末流7在圆柱基体上形成内部熔覆道8，直至一层熔覆层成形结束；关闭激光器；

S17.将送粉喷嘴向上抬升一层熔覆层厚度的距离，并使运动机构带动送粉喷嘴沿前一层的运动方向移动。

另外，需要理解的是，本申请中，在进行零件打印时，需先形成锥环状粉末流7或束状粉末流5，再通过激光器输出激光束4，使激光束4在其焦点处与锥环状粉末流7或束状粉末流5汇聚，使金属粉原位熔化且快速凝固，并堆积形成实体零件。

本发明提供的增材制造方法，由于采用了上述送粉喷嘴，因而具有上述送粉喷嘴的所有有益效果，在成形零件时，可同时满足成形效率和成形精度的需求；并且，在成形两种不同的基材9时，可根据不同的零件成形需要，保证成形轮廓的精度，并提高内部成形的速度和效率，使零件成形的效率和精度都能有较大的提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.送粉喷嘴，其特征在于，包括：

支撑轴，呈环形结构，且所述支撑轴的环形内腔形成沿所述支撑轴的轴向延伸的激光通道；

第一外环套，套设于所述支撑轴的外部，且底端与所述支撑轴的底端平齐；所述第一外环套内设置有环绕所述支撑轴的轴线设置的锥环形通道，所述锥环形通道的截面尺寸沿所述支撑轴的轴向向下逐渐减小；所述第一外环套的上端设有与所述锥环形通道的上端连通的粉末进口；以及

第二外环套，套设于所述第一外环套的外部，且上端位于所述粉末进口的下方，底端与所述第一外环套的底端平齐；所述第二外环套内环绕所述支撑轴的轴线间隔设置有多条束状通道，且所述束状通道的轴线倾斜于所述支撑轴的轴线设置；

其中，所述锥环形通道内的锥环状粉末流和多条所述束状通道内的束状粉末流围设成的环形结构与所述激光通道内的激光束同轴，且所述锥环状粉末流和所述束状粉末流的汇聚点与所述激光束的焦点重合。

2.如权利要求1所述的送粉喷嘴，其特征在于，所述支撑轴包括：

第一锥形部，沿所述支撑轴的轴向向下的径向截面逐渐减小，内腔设有锥形的第一通道；

第一直筒部，设于所述第一锥形部的上端，内腔设置有直筒形的第二通道；

其中，所述第二通道与所述第一通道连通且共轴线，形成所述激光通道。

3.如权利要求2所述的送粉喷嘴，其特征在于，所述第一外环套包括：

第二锥形部，环设于所述第一锥形部的外部，且与所述第一锥形部的锥度相同；

第二直筒部，设于所述第二锥形部的上端，且套设在所述第一直筒部的外部；所述第一直筒部上设置有所述粉末进口；

其中，所述第二锥形部的内部设置有所述锥环形通道，且所述锥环形通道向上延伸至所述第二直筒部，并与所述粉末进口连通。

4.如权利要求3所述的送粉喷嘴，其特征在于，所述粉末进口设置有多个，且环绕所述第二直筒部的轴线间隔设于所述第二直筒部的外周面上。

5.如权利要求3所述的送粉喷嘴，其特征在于，所述第二外环套为套设在所述第二锥形部的外部的锥形结构，且所述第二外环套与所述第二锥形部的锥度相同。

6.如权利要求5所述的送粉喷嘴，其特征在于，多条所述束状通道的上端入口和多个所述粉末进口环绕所述支撑轴的轴线交错设置。

7.如权利要求1所述的送粉喷嘴，其特征在于，所述支撑轴、所述第一外环套和所述第二外环套一体成型。

8.增材制造方法，采用如权利要求1-7中任一项所述的送粉喷嘴，所述送粉喷嘴与外部的输粉装置连通的输粉通道上设置有切换开关，所述切换开关具有使所述输粉通道与所述锥环形通道连通的第一状态，和使所述输粉通道与所述束状通道连通的第二状态；其特征在于，所述增材制造方法包括以下步骤：

S1.设置所述切换开关的状态，使所述送粉喷嘴与所述输粉通道连通，形成所述锥环状粉末流或所述束状粉末流；开启激光器，使所述激光器向所述激光通道内输出激光束；通过运动机构带动所述送粉喷嘴移动，且当所述切换开关处于所述第一状态时，所述锥环状粉末流在基材上形成内部熔覆道；当所述切换开关处于所述第二状态时，所述束状粉末流在所述基材上形成轮廓熔覆道；

S2.重复步骤S1，直到成形到仅剩零件的最后一层；

S3.使所述切换开关处于所述第二状态，所述输粉通道与所述束状通道连通，形成所述束状粉末流；开启激光器，使所述激光器向所述激光通道内输出激光束；通过运动机构带动所述送粉喷嘴移动，使所述束状粉末流在所述基材上形成最后一层轮廓熔覆道，成形零件；

S4.关闭所述激光器。

9.如权利要求8所述的增材制造方法，其特征在于，所述基材为平面基板时，步骤S1包括：

S11.使所述切换开关处于所述第二状态，所述输粉通道与所述束状通道连通，形成所述束状粉末流；开启所述激光器，使所述激光器向所述激光通道内输出激光束；

S12.通过所述运动机构带动所述送粉喷嘴沿预设轮廓轨迹移动，使所述束状粉末流在所述平面基板上形成所述轮廓熔覆道，直至所述预设轮廓轨迹成形结束，关闭所述激光器；

S13.使所述切换开关处于所述第一状态，所述输粉通道与所述锥环形通道连通，形成所述锥环状粉末流；开启所述激光器，使所述激光器向所述激光通道内输出激光束；

S14.通过所述运动机构带动所述送粉喷嘴沿填充轨迹移动，使所述锥环状粉末流在所述平面基板上形成所述内部熔覆道，直至所述填充轨迹成形结束，关闭所述激光器。

10.如权利要求8所述的增材制造方法，其特征在于，所述基材为圆柱基体时，步骤S1包括：

S15.使所述切换开关处于所述第一状态，所述输粉通道与所述锥环形通道连通，形成所述锥环状粉末流；开启所述激光器，使所述激光器向所述激光通道内输出激光束；

S16.通过所述运动机构带动所述送粉喷嘴沿所述圆柱基体的轴线方向移动，使所述锥环状粉末流在所述圆柱基体上形成所述内部熔覆道，直至一层熔覆层成形结束；关闭所述激光器；

S17.将所述送粉喷嘴向上抬升一层熔覆层厚度的距离，并使所述运动机构带动所述送粉喷嘴沿前一层的运动方向移动。