CN115889819B - 一种多工位多材料增材制造成型装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多工位多材料增材制造成型装置及方法；所述装置包括激光器、光学装置、铺粉装置、成型缸和储粉缸等；成型方法为当打印完成一种材料时，下一层需要打印另一种材料，则伺服电机驱动丝杆滑块模组工作，整个成型缸系统沿Z轴负方向移动，成型缸在多个装有不同材质粉末的工位之间往复移动，并完成该工位的打印作业，本发明可成型多种类型的材料，极大地提高成型的速度及工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种多工位多材料增材制造成型装置及方法。
背景技术
激光增材制造技术是一种以激光为能量源的增材制造技术，具有不受零件结构限制，应用范围广等优点，可用于结构复杂、难加工以及薄壁零件的加工制造。激光增材制造技术按照其成型原理可分为粉末床铺粉为技术特征的激光选区熔化技术和以送粉为技术特征的激光金属直接成型技术。
目前，激光增材制造技术可成型钛合金、高温合金、铁基合金、铝合金、难熔合金、陶瓷材料和梯度材料等等；然而，由于增材制造系统的限制，现有研究主要集中在单种材料的零件成形，对多材料零件成形少有研究。因此，如何将增材制造从传统的控形向控性发展，从单材料向多材料发展是多材料增材制造技术的研究重点和难点。
多材料成型工艺应用前景极为广泛，在航空航天、核能、汽车、电子等众多关键领域均有应用。由于不同材料具有不同的性能和功能，因此将多种材料结合在一起的异质材料零件可以拥有单一材料零件不具备的优秀的力学、电、热、声、光等性能，具有极大的发展前景以及广阔的应用场合。以梯度材料为例，梯度材料，又称梯度功能复合材料，指的是复合材料中分散相是不均匀的，材料不同是，性能是不同的，这一特性满足人们希望材料两端可以表现相异性质的要求，正是在这的促进下，梯度材料的发展越来越快。
目前多材料粉末床激光熔融的技术较少。基于目前的LPBF设备进行多材料激光增材制造成型，操作十分麻烦，根据粉末床激光选区熔融原理来进行多材料的成型，需要若想在层间实现多材料成型，则需要去除一部分材料再添加另一种材料进去，由于无法做到十分精确地输送粉末，添加材料过程中难以避免的会有一些粉末混入其他种类的粉末中，从而造成粉末污染，因此，目前多材料交叉污染是其中的难题。为了避免材料污染问题，需要将腔内的粉末手动清理干净，通常用专用的工业吸尘器清理全部粉末，再添加另一种粉末，并且在粉末收集系统中也需要清理粉末，避免粉末混合，且清理完之后仍需手动调节成型缸高度等等，非常消耗时间，且经常清理粉末对人体也有一定的伤害。
综上所述，亟需一种新的多工位多材料增材制造成型系统及方法，使其不仅可以打印单一材料的零件，也可以成型两种以上的粉末材料，且是全自动换粉，具备多个粉末收集以及循环系统，提高打印零件的效率，也便于粉末回收利用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种多工位多材料增材制造成型装置及方法。本发明可实现多材料零件一体成型，尤其是对于Z轴方向上的异质材料零件成型，可以极大地提高成型速度，实现多种材料的零件成型。
本发明通过下述技术方案实现：
一种多工位多材料增材制造成型装置，包括激光装置1和密封成型仓；
在密封成型仓的内部，并列设有有多组独立作业的工作仓2；
每组工作仓2均设有一个独立的激光装置1；
其中，多组独立作业的工作仓2共用一个在直线导轨3上移动的成型缸4；
每组工作仓2包括储粉缸5、成型区域6、粉末收集缸7、铺粉车8和驱动铺粉车8运动的铺粉导轨模组9；所述储粉缸5、成型区域6和粉末收集缸7依次设置在密封成型仓的底部；所述成型区域6是一个开设在密封成型仓底板上的开口；
所述成型缸4包括丝杠滑块模组10；成型缸4在直线导轨3上移动，当需要更换工作仓2，并移动该工作仓2时停止，此时丝杠滑块模组10驱动成型缸4沿Z轴负方向(下降)移动，使成型缸4的顶面低于密封成型仓底板后停止，随后由皮带传动机构将成型缸4送入成型区域6的下方并停止；再启动丝杠滑块模组驱动成型缸4沿Z轴正方向(上升)移动，直至成型缸4的顶面(成型平面)与该工作仓2的成型区域6齐平；
所述铺粉导轨模组9设置在工作仓2的一侧，用于推动铺粉车8在储粉缸5、成型区域6和粉末收集缸7的上方移动，进而将储粉缸5内的粉末铺设至位于成型区域6的成型缸4内；铺设过程中，剩余粉末跌落至粉末收集缸7。
所述密封成型仓内还设有一个用于吸取成型缸4内粉末的吸粉系统。
所述吸粉系统包括：
设置在密封成型仓侧壁的滑轨11；
一安装在滑轨11上的移动滑块模组12；
一安装在移动滑块模组12上的机械臂13；
一安装在机械臂13上的吸粉头14；吸粉头14通过吸气管15连接外部吸气装置；
一控制器，用于控制移动滑块模组12和机械臂13的运动，已经用于控制吸气装置吸粉作业。
一种多工位多材料增材制造成型装置的成型方法，包括如下步骤：
S1、向每个储粉缸5中添加所需类型的金属粉末材料；
S2、对将要制造的零件建立三维实体模型分层并确定扫描方式以及成型缸4的移动时机；
S3、计算机确定激光装置1的激光功率和扫描速度，并将激光的功率、扫描速度，以及步骤S2确定的扫描方式输入到计算机中；
S4、计算机读取到的切片信息，根据切片信息中读取到的材料类型，确定当前成型缸4是否处于对应粉末材料类型的成型区域6内：
初始作业，若当前成型缸4处于该粉末材料对应的成型区域6内时，则铺粉车8直接铺粉，即在成型缸4的成型平面铺上一个层厚的粉末，然后打开激光装置1，根据步骤S3设定的功率、扫描速度和扫描方式开始激光成型；
若当前成型缸4不在该粉末材料对应的成型区域6内时，计算机控制丝杠滑块模组10驱动成型缸4沿Z轴负方向(下降)移动，使成型缸4的顶面低于密封成型仓底板后停止，随后由皮带传动机构将成型缸4送入下一个待作业工作仓2的成型区域6的下方并停止；再启动丝杠滑块模组10驱动成型缸4沿Z轴正方向(上升)移动，直至成型缸4的顶面(成型平面)与成型区域6齐平，完成成型缸4移动；启动铺粉车8对该成型缸4补粉，补充至与零件前一层成型面平面重合后，再铺一个层厚的粉末，然后激光装置1根据步骤S3设定的功率、扫描速度和扫描方式，继续开始激光成型作业；
所述成型缸(4)补粉，具体如下：
补粉前需要预先计算需要补充粉末的体积，当采用铺粉车(8)多次移动补粉方法时，还需计算铺粉车(8)的移动次数；
计算机设置储粉缸(5)和成型缸(4)每次沿Z轴上升或下降的高度为h；
储粉缸(5)和成型缸(4)的面积为S，为固定参数，将各个工作仓的储粉缸(5)内的打印材料分为材料A、材料B和材料C；
材料A、材料B和材料C的层厚分别设置为hA、hB、hC，层数为nA、nB、nC，对应材料部分的体积为VA、VB、VC、则需要补充的材料体积为：
V′A＝ShAnA-VA
V′B＝ShBnB-VB
V′C＝ShCnC-VC
铺粉车(8)需要移动的次数为：
S5、步骤S4激光成型作业完成后，计算机根据下层的切片信息，判断是否需要移动成型缸4到另一个工作仓2，若不需要，则跳过此步骤；
若需要，则由吸粉系统对该成型缸4内以及周围的粉末进行吸粉清理，吸粉完毕后，计算机控制成型缸4内的基板还原智当前切片层的高度；
S6、准备打印下一层，计算机进入下一层的切片信息，重复步骤S4和S5，直至打印出目标零件。
本发明相对于现有技术，至少具有如下的优点及效果：
1、本发明的成型缸是可以在不同工位间移动的，以以方便成型多材料零件，且同时也便于拆卸成型缸，进行维修工作。
2、本发明无需进行手动清理粉末，机械臂可以自动清理粉末，避免人工清理粉末时粉末对人体造成危害，同时也避免设备多次停机开机造成的麻烦。
3、本发明可以成型两种及以上的多材料零件，不仅如此，由于成型缸是可以移动的，在不同工位间可以放置不同类型的激光器，以便于更好地成型对应的材料，且进一步的，还能够进行减材等后处理加工工艺。
附图说明
图1是本发明的多工位多材料激光增材制造成型方法的流程图；
图2是本发明多工位多材料激光增材制造成型装置的结构示意图；
图3是本发明的吸粉系统结构示意图；
图4是本发明的成型缸移动过程动态示意图一；
图5是本发明的成型缸移动过程动态示意图二；
图6是本发明的成型缸移动过程动态示意图三；
图7是本发明的成型缸移动过程动态示意图四。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
如图1-7所示。本发明公开了一种多工位多材料增材制造成型装置，包括激光装置1和密封成型仓；
在密封成型仓的内部，并列设有有多组独立作业的工作仓2；
每组工作仓2均设有一个独立的激光装置1；
其中，多组独立作业的工作仓2共用一个在直线导轨3上移动的成型缸4；
每组工作仓2包括储粉缸5、成型区域6、粉末收集缸7、铺粉车8和驱动铺粉车8运动的铺粉导轨模组9；所述储粉缸5、成型区域6和粉末收集缸7依次设置在密封成型仓的底部；所述成型区域6是一个开设在密封成型仓底板上的开口；
所述成型缸4包括丝杠滑块模组10；成型缸4在直线导轨3上移动，当需要更换工作仓2，并移动该工作仓2时停止，此时丝杠滑块模组10驱动成型缸4沿Z轴负方向(下降)移动，使成型缸4的顶面低于密封成型仓底板后停止，随后由皮带传动机构将成型缸4送入成型区域6的下方并停止；再启动丝杠滑块模组驱动成型缸4沿Z轴正方向(上升)移动，直至成型缸4的顶面(成型平面)与该工作仓2的成型区域6齐平；
所述铺粉导轨模组9设置在工作仓2的一侧，用于推动铺粉车8在储粉缸5、成型区域6和粉末收集缸7的上方移动，进而将储粉缸5内的粉末铺设至位于成型区域6的成型缸4内；铺设过程中，剩余粉末跌落至粉末收集缸7。
所述密封成型仓内还设有一个用于吸取成型缸4内粉末的吸粉系统。
所述吸粉系统包括：
设置在密封成型仓侧壁的滑轨11；
一安装在滑轨11上的移动滑块模组12；
一安装在移动滑块模组12上的机械臂13；
一安装在机械臂13上的吸粉头14；吸粉头14通过吸气管15连接外部吸气装置；
一控制器，用于控制移动滑块模组12和机械臂13的运动，已经用于控制吸气装置吸粉作业。
一种多工位多材料增材制造成型装置的成型方法，包括如下步骤：
S1、向每个储粉缸5中添加所需类型的金属粉末材料；
S2、对将要制造的零件建立三维实体模型分层并确定扫描方式以及成型缸4的移动时机；
S3、计算机确定激光装置1的激光功率和扫描速度，并将激光的功率、扫描速度，以及步骤S2确定的扫描方式输入到计算机中；
S4、计算机读取到的切片信息，根据切片信息中读取到的材料类型，确定当前成型缸4是否处于对应粉末材料类型的成型区域6内：
初始作业，若当前成型缸4处于该粉末材料对应的成型区域6内时，则铺粉车8直接铺粉，即在成型缸4的成型平面铺上一个层厚的粉末，然后打开激光装置1，根据步骤S3设定的功率、扫描速度和扫描方式开始激光成型；
若当前成型缸4不在该粉末材料对应的成型区域6内时，计算机控制丝杠滑块模组10驱动成型缸4沿Z轴负方向(下降)移动，使成型缸4的顶面低于密封成型仓底板后停止，随后由皮带传动机构将成型缸4送入下一个待作业工作仓2的成型区域6的下方并停止；再启动丝杠滑块模组10驱动成型缸4沿Z轴正方向(上升)移动，直至成型缸4的顶面(成型平面)与成型区域6齐平，完成成型缸4移动；启动铺粉车8对该成型缸4补粉，补充至与零件前一层成型面平面重合后，再铺一个层厚的粉末，然后激光装置1根据步骤S3设定的功率、扫描速度和扫描方式，继续开始激光成型作业；
所述成型缸(4)补粉，具体如下：
补粉前需要预先计算需要补充粉末的体积，当采用铺粉车(8)多次移动补粉方法时，还需计算铺粉车(8)的移动次数；
计算机设置储粉缸(5)和成型缸(4)每次沿Z轴上升或下降的高度为h；
储粉缸(5)和成型缸(4)的面积为S，为固定参数，将各个工作仓的储粉缸(5)内的打印材料分为材料A、材料B和材料C；
材料A、材料B和材料C的层厚分别设置为hA、hB、hC，层数为nA、nB、nC，对应材料部分的体积为VA、VB、VC、则需要补充的材料体积为：
V′A＝ShAnA-VA
V′B＝ShBnB-VB
V′C＝ShCnC-VC
铺粉车(8)需要移动的次数为：
S5、步骤S4激光成型作业完成后，计算机根据下层的切片信息，判断是否需要移动成型缸4到另一个工作仓2，若不需要，则跳过此步骤；
若需要，则由吸粉系统对该成型缸4内以及周围的粉末进行吸粉清理，吸粉完毕后，计算机控制成型缸4内的基板还原智当前切片层的高度；
S6、准备打印下一层，计算机进入下一层的切片信息，重复步骤S4和S5，直至打印出目标零件。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种多工位多材料增材制造成型装置，包括激光装置(1)和密封成型仓；其特征在于：
在密封成型仓的内部，并列设有多组独立作业的工作仓(2)；
每组工作仓(2)均设有一个独立的激光装置(1)；
其中，多组独立作业的工作仓(2)共用一个在直线导轨(3)上移动的成型缸(4)；
每组工作仓(2)包括储粉缸(5)、成型区域(6)、粉末收集缸(7)、铺粉车(8)和驱动铺粉车(8)运动的铺粉导轨模组(9)；所述储粉缸(5)、成型区域(6)和粉末收集缸(7)依次设置在密封成型仓的底部；所述成型区域(6)是一个开设在密封成型仓底板上的开口；
所述成型缸(4)包括丝杠滑块模组(10)；成型缸(4)在直线导轨(3)上移动，当需要更换工作仓(2)，并移动该工作仓(2)时停止，此时丝杠滑块模组(10)驱动成型缸(4)沿Z轴负方向移动，使成型缸(4)的顶面低于密封成型仓底板后停止，随后由皮带传动机构将成型缸(4)送入成型区域(6)的下方并停止；再启动丝杠滑块模组驱动成型缸(4)沿Z轴正方向移动，直至成型缸(4)的顶面与该工作仓(2)的成型区域(6)齐平；
所述铺粉导轨模组(9)设置在工作仓(2)的一侧，用于推动铺粉车(8)在储粉缸(5)、成型区域(6)和粉末收集缸(7)的上方移动，进而将储粉缸(5)内的粉末铺设至位于成型区域(6)的成型缸(4)内；铺设过程中，剩余粉末跌落至粉末收集缸(7)；
所述密封成型仓内还设有一个用于吸取成型缸(4)内粉末的吸粉系统；
所述吸粉系统包括：
设置在密封成型仓侧壁的滑轨(11)；
一安装在滑轨(11)上的移动滑块模组(12)；
一安装在移动滑块模组(12)上的机械臂(13)；
一安装在机械臂(13)上的吸粉头(14)；吸粉头(14)通过吸气管(15)连接外部吸气装置；
一控制器，用于控制移动滑块模组(12)和机械臂(13)的运动，用于控制吸气装置吸粉作业。
2.一种权利要求1所述多工位多材料增材制造成型装置的成型方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、向每个储粉缸(5)中添加所需类型的金属粉末材料；
S2、对将要制造的零件建立三维实体模型分层并确定扫描方式以及成型缸(4)的移动时机；
S3、计算机确定激光装置(1)的激光功率和扫描速度，并将激光的功率、扫描速度，以及步骤S2确定的扫描方式输入到计算机中；
S4、计算机读取到的切片信息，根据切片信息中读取到的材料类型，确定当前成型缸(4)是否处于对应粉末材料类型的成型区域(6)内：
初始作业，若当前成型缸(4)处于该粉末材料对应的成型区域(6)内时，则铺粉车(8)直接铺粉，即在成型缸(4)的成型平面铺上一个层厚的粉末，然后打开激光装置(1)，根据步骤S3设定的功率、扫描速度和扫描方式开始激光成型；
若当前成型缸(4)不在该粉末材料对应的成型区域(6)内时，计算机控制丝杠滑块模组(10)驱动成型缸(4)沿Z轴负方向移动，使成型缸(4)的顶面低于密封成型仓底板后停止，随后由皮带传动机构将成型缸(4)送入下一个待作业工作仓(2)的成型区域(6)的下方并停止；再启动丝杠滑块模组(10)驱动成型缸(4)沿Z轴正方向移动，直至成型缸(4)的顶面与成型区域(6)齐平，完成成型缸(4)移动；启动铺粉车(8)对该成型缸(4)补粉，补充至与零件前一层成型面平面重合后，再铺一个层厚的粉末，然后激光装置(1)根据步骤S3设定的功率、扫描速度和扫描方式，继续开始激光成型作业；
S5、步骤S4激光成型作业完成后，计算机根据下层的切片信息，判断是否需要移动成型缸(4)到另一个工作仓(2)，若不需要，则跳过此步骤；
若需要，则由吸粉系统对该成型缸(4)内以及周围的粉末进行吸粉清理，吸粉完毕后，计算机控制成型缸(4)内的基板还原智当前切片层的高度；
S6、准备打印下一层，计算机进入下一层的切片信息，重复步骤S4和S5，直至打印出目标零件。
3.根据权利要求2所述多工位多材料增材制造成型装置的成型方法，其特征在于，步骤S4中所述成型缸(4)补粉，具体如下：
补粉前需要预先计算需要补充粉末的体积，当采用铺粉车(8)多次移动补粉方法时，还需计算铺粉车(8)的移动次数；
计算机设置储粉缸(5)和成型缸(4)每次沿Z轴上升或下降的高度为h；
储粉缸(5)和成型缸(4)的面积为S，为固定参数，将各个工作仓的储粉缸(5)内的打印材料分为材料A、材料B和材料C；
材料A、材料B和材料C的层厚分别设置为hA、hB、hC，层数为nA、nB、nC，对应材料部分的体积为VA、VB、VC、则需要补充的材料体积为：
V′A＝ShAnA-VA
V′B＝ShBnB-VB
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铺粉车(8)需要移动的次数为：
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| CN104668563A (zh) * | 2015-02-13 | 2015-06-03 | 华中科技大学 | 一种具有高粉末原料利用率的高能束增材制造方法与设备 |
| CN112517923A (zh) * | 2020-11-06 | 2021-03-19 | 西安交通大学 | 一种基于slm设备实现多材料增材制造成型的装置及方法 |
| CN112974853A (zh) * | 2021-02-23 | 2021-06-18 | 宁波大学 | 一种直接成型金属聚合物复合材料的3d打印设备及方法 |
| CN113232296A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-08-10 | 上海工程技术大学 | 一种用于激光增材制造的铺粉装置及铺粉方法 |
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2022
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