CN116944525B - 高能x射线协同衍射多平台增材制造设备、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高能X射线协同衍射多平台增材制造设备、系统和方法，该增材制造设备中布置了第一打印平台与第二打印平台，第二打印平台用于承载不止一层的材料被来自于第一方向的能量束逐层扫描以构建三维物体，第一打印平台用于承载至少一层材料被能量束扫描以形成熔池，以及在扫描进程中，被来自于第二方向的高能X射线透射熔池衍射成像，以获得熔池内组织物相的原位表征。本发明能够在增材制造设备中实现实时监测和分析材料熔池内部微观过程以及高效制造三维物体的复合需求。

Description

高能X射线协同衍射多平台增材制造设备、系统和方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种高能X射线衍射协调多平台增材制造设备、系统和方法。

背景技术

增材制造（Additive Manufacturing，AM）的原理是通过逐层堆积材料来构建三维物体。在3D打印成形过程中，材料熔池的快速移动对于材料微区熔炼过程中晶体组织相变以及微观组织结构的瞬态演变规律具有至关重要的影响。观察和理解熔池内部组织的晶体相变和瞬态演变对于深入研究增材制造过程中熔池的瞬态变化与最终组织性能之间的关系至关重要。

然而，现有的增材制造设备通常仅专注于构建三维物体的任务，缺乏实时监测和分析材料熔池内部微观过程的能力。这一技术限制了对晶体相变和组织演变的高分辨率观察，阻碍了对增材制造过程中材料性能和质量的深入理解和优化。

因此，当前亟需一种具备多功能性的增材制造设备，能够同时满足实时监测和分析材料熔池内部微观过程以及高效制造零件的复合需求。

发明内容

为了能够同时满足实时监测和分析材料熔池内部微观过程以及高效制造零件的复合需求，本发明第一方面提供了一种高能X射线协同衍射多平台增材制造设备，包括：一第一打印平台；一第二打印平台，用于承载不止一层的材料被来自于第一方向的能量束逐层扫描以构建至少一三维物体；其中，所述第一打印平台用于承载至少一层材料被所述能量束扫描以形成熔池，以及在扫描进程中，被来自于第二方向的高能X射线透射所述熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征。

优选地，所述第一打印平台接近于二维特征。

优选地，所述第一打印平台的宽度最小为所述熔池的宽度，最大为2mm。

优选地，在所述第一打印平台承载材料的扫描区域外侧设置有遮挡部，用于将材料限制在扫描区域内；其中，所述遮挡部至少在高于所述扫描区域的部分为透明材质。

优选地，在所述第一打印平台的一侧设置有进出风场，用于排除材料被所述能量束扫描时产生的烟雾。

优选地，增材制造设备还包括一光入射窗口，用于允许所述高能X射线透过所述光入射窗口照射所述熔池衍射成像；其中，所述第一打印平台承载的所述至少一层材料的高度被限制在与所述光入射窗口高度相匹配的范围内。

优选地，增材制造设备还包括一移动平台，用于控制设备在x-y平面内的移动，以调整所述光入射窗口在x-y平面内的位置。

优选地，增材制造设备还包括一倾角平台，用于至少控制所述第一打印平台沿x-y平面倾斜，以改变所述高能X射线在所述熔池的入射角度。

优选地，增材制造设备还包括一加热装置，用于对所述第一打印平台进行热传递。

优选地，在远离所述第一打印平台承载材料的一端设置有彼此连接的延伸部与导热部，其中，所述导热部至少一部分插入所述加热装置内。

优选地，所述第一打印平台与第二打印平台均设置在一打印舱内，所述打印舱的舱底设置有至少两个舱口；其中，所述第一打印平台设置在其中一个舱口上，所述第二打印平台设置在另一个舱口上。

优选地，所述第一打印平台可拆卸地设置在其所处的舱口上；在所述第一打印平台从其所处的舱口上拆卸后，所述第一打印平台原先所处舱口作为所述第二打印平台的至少一个材料供给口。

优选地，在所述至少两个舱口的下方均设置有一升降装置；其中，所述第二打印平台所处舱口下方的升降装置用于驱动所述第二打印平台升降；其中，在所述第一打印平台原先所处舱口作为所述第二打印平台的至少一个材料供给口时，所述第一打印平台原先所处舱口下方的升降装置用于驱动一供料器向所述材料供给口输出材料。

优选地，在所述第一打印平台的高度方向上设置有铺料部，用于移动地对所述第一打印平台上的材料进行均匀铺设。

优选地，在所述第一打印平台的高度方向上设置有储料部与送料部，所述送料部沿z轴方向穿入所述储料部，并在旋转状态下携带所述储料部内的至少一部分材料通过所述储料部与送料部之间的间隙向下运动，使其散落在所述第一打印平台上。

优选地，所述第一打印平台与第二打印平台不在一个平面上；所述能量束的发生装置分别向所述第一打印平台与第二打印平台上的材料扫描时，处在不同的高度上。

与现有技术相比，本发明提供的一种高能X射线协同衍射多平台增材制造设备，通过使用第一打印平台以承载扫描熔池的材料并配合高能X射线进行衍射成像，实现了对熔池内部组织物相的原位表征，能够有效监测和分析材料在制造过程中的晶体结构，有助于提高制造质量、精确控制成形过程，以及优化材料性能，从而广泛应用于制造复杂零部件和提升材料研发领域的实验和测试。并且在满足增材制造材料凝固过程分析的同时，还在增材制造设备中布置了允许进行常规零件打印的第二打印平台，提供了更广泛的应用灵活性。此外，采用多平台集成设置可有效减少制造设备的投资成本和占地面积，提高了生产效率和资源利用率。

本发明第二方面提供了一种增材制造系统，包括前文所描述的增材制造设备以及一高能X射线装置，该高能X射线装置用于从第二方向发射高能X射线透射熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征。

本发明第三方面提供了一种高能X射线协同衍射多平台增材制造方法，应用在前文所描述的增材制造设备上，所述方法包括：第一工序：控制能量束从第一方向上对第一打印平台承载的至少一层材料进行扫描以形成熔池，并在扫描进程中，控制高能X射线从第二方向发射高能X射线透射熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征；第二工序：控制所述能量束从第一方向上对第二打印平台承载的不止一层的材料逐层扫描以构建至少一三维物体。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的增材制造设备的结构示意图；

图2、3是本发明一实施例的遮挡部的结构示意图；

图4是本发明一实施例的压盘的结构示意图；

图5是本发明一实施例的进出风场的结构示意图；

图6是本发明一实施例的加热装置的结构示意图，其中，(a)具体示出了第一打印平台与加热装置未接触前的状态，(b)具体示出了第一打印平台与加热装置接触后的状态；

图7是本发明一实施例的第一打印平台的结构示意图；

图8是本发明一实施例的增材制造设备的结构示意图；

图9是图8所示的打印舱与光学系统的左侧示意图；

图10是本发明一实施例的第一打印平台与第一光入射窗口以及第二光入射窗口的位置关系示意图；

图11、12分别是本发明一实施例的第一打印平台在不同倾斜方向下的示意图；

图13、14、15分别是本发明一实施例的增材制造设备的结构示意图；

图16是本发明一实施例的增材制造系统的结构示意框图；

图17是本发明一实施例的送料机构的结构示意图。

附图标记列表

100 增材制造设备；

101 第一打印平台；

101' 扫描区域；

102 第二打印平台 ；

103 能量束 ；

104 三维物体；

105 熔池；

106 高能X射线；

107a 第一遮挡部；

107b 第二遮挡部；

107c 第三遮挡部

107d 第四遮挡部；

108 压盘；

109 进出风场；

110 加热装置；

111 延伸部；

111a 平面段；

111b 弯曲段；

112 导热部；

113 盛料台；

114a 第一光入射窗口；

114b 第二光入射窗口；

115a 第一观察窗口；

115b 第二观察窗口；

116 打印舱；

117a 第一观察相机；

117b 第二观察相机；

118 移动平台；

119 倾角平台；

120 舱底；

120a 第一舱口；

120b 第二舱口；

120c 第三舱口；

121a 第一丝杠运动单元；

121b 第二丝杠运动单元；

121c 第三丝杠运动单元；

122a 第一供料器；

122b 第二供料器；

123 成形缸；

124 铺料部；

124a 第一刮刀；

124b 第二刮刀

125 送料部；

125a 螺杆；

125b 旋转驱动装置；

126 储料部；

126a 料仓；

126b 漏料筒；

127 支撑架；

200 光学系统；

201 激光器；

202 准直器；

203 振镜；

204 场镜；

300 增材制造系统；

400 高能X射线装置。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明的一实施例，增材制造设备100呈现出图1所示的结构。该增材制造设备100中布置了两个打印平台，分别为第一打印平台101与第二打印平台102。

其中，第二打印平台102被配置为一常规打印平台，用于在其上方以增材制造的方式构建三维物体104，例如零件。具体而言，通过从S1方向发射的能量束103，例如电子束或激光束，对铺设在第二打印平台102上的材料进行逐层扫描。通过精确控制能量束103的扫描位置、强度和焦点等，实现对材料的选区烧结或熔融，使其逐层沉积，从而在第二打印平台102上构建出具有复杂几何形状的三维物体104。

其中，第一打印平台101被配置为一测试打印平台，主要用于实验性或测试性的打印目的，以便探索新的制造工艺、材料或参数配置。在增材制造设备100中，第一打印平台101被配置为接受至少一层材料的铺设，以便通过来自S1方向发射的能量束103扫描以在其表面形成熔池105。能量束103在材料表面作用的同时，第一打印平台101被来自于S2方向的高能X射线106透射穿过熔池105，进行衍射成像，以获得熔池105内部组织物相的原位表征信息，从而为实验性打印过程提供了实时的材料微观结构信息，有助于了解不同条件下的打印效果，进一步优化制造过程。

需要强调的是，虽然图1示出的第一打印平台101在本实施例中被描述为测试打印平台，但其功能并不仅限于实验性打印，根据需要也可以用于实际生产中。同样的，用于实际生产的第二打印平台102根据需要也可以与第一打印平台101置换功能，用于测试打印。

高能X射线106是由例如X射线发生器或同步辐射装置等射线源提供，该射线源能够发出呈束状的高能X射线106以穿透位于射线路径中的熔池105。示例性的，高能X射线106从第一打印平台101的一侧进入，沿x轴穿过熔池105的横截面，在穿过熔池105时，与熔池105内部的材料发生相互作用，这种相互作用会导致高能X射线106的散射，其中一部分会在材料内部与晶体结构发生相互作用，进而发生衍射。而在第一打印平台101的另一侧，布置有一个成像检测器，用于捕捉经过衍射的高能X射线106的图像，该成像检测器可以测量衍射图案的强度和方向，由此获得包含了关于材料内部组织物相信息的X射线衍射图像，这些图像可能显示出不同晶体方向的衍射峰，其位置和强度提供了关于晶体结构的线索，通过分析这些图像，可以确定熔池105内部的晶体结构、晶粒尺寸和取向等微观特性，进而实现原位获得有关熔池105内部组织物相的微观结构信息，且这个过程是实时的，可以在对第一打印平台101的增材制造过程中不断进行。

为了确保高能X射线106有效穿透熔池105并透过第一打印平台101，一些实施例中的第一打印平台101被设置为接近于二维特征，也即在x轴方向上的宽度较窄，以最小化高能X射线106的吸收和散射，使得高能X射线106在穿越第一打印平台101时保持足够的强度，以进行透射并进一步衍射成像。

示例性的，第一打印平台101的宽度被设置为最小为熔池105的宽度，最大为2mm。

设置第一打印平台101的最小宽度为熔池105的宽度确保平台可以完全覆盖整个熔池105，使得平台能够允许能量束103在其上方完成熔池105的扫描形成，以及使得高能X射线106能够透射整个熔池105，从而获取熔池105内部组织物相的完整信息。虽然接近于二维特征的设计有助于减小吸收和散射，但平台仍然需要足够的宽度来保持结构的稳定性，以支持熔池105的构建过程，在此基础上的一个优选实施方式是将第一打印平台101的最大宽度限制在2mm。

根据本发明的一实施例，第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d呈现出图2所示的结构。在第一打印平台101承载材料的扫描区域101'外侧，具体在第一打印平台101的外侧，设置有能够将材料限制在扫描区域101'内的第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d，避免材料从扫描区域101'溢出。应理解，扫描区域101'是指能量束103作用在第一打印平台101承载材料上的区域，其可以如图2示出的等于第一打印平台101表面覆盖的区域，也可以在其它情况下小于第一打印平台101表面覆盖的区域，但即便在极端情况下也不可以小于一个熔池105所覆盖的面积。

示例性的，例如当扫描区域101'在长度（y轴）方向上小于第一打印平台101的长度时，可以仅在扫描区域101'外侧设置第一遮挡部107a与第二遮挡部107b，而不设置宽度（x轴）方向上的第三遮挡部107c与第四遮挡部107d。应理解，以扫描区域101'为基准面，第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d至少要高于扫描区域101'一个熔池105的高度，或者一层材料的高度。

为了确保高能X射线106在扫描区域101'的顺利透射，第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d在高于扫描区域101'的部分设置为透明材质。

在一示例中，第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d的底部部分（低于扫描区域101'的部分）由非透明、高密度材料构成，例如金属或陶瓷；第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d的顶部部分（高于扫描区域101'的部分）由透明材料构成，通常是便于高能X射线106较佳透射的材质，同时具有耐高温性质，例如玻璃碳、氧化铝陶瓷玻璃、高硼硅玻璃等。

在另一示例中，第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d的整体均由透明材料构成。

根据本发明的一实施例，第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d呈现出图3所示的结构。其与图2示出的第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d的区别在于，图3所示的第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d设置在扫描区域101'外侧，具体设置在第一打印平台101与外部平面的结合处，使得第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d在高于扫描区域101'的部分即为该第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d的整体部分。在此设置下，第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d的整体部分均由透明材料构成。

根据本发明的一实施例，压盘108呈现出图4所示的结构。在第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d的外部设置有压盘108，其主要作用是提供额外的稳定支撑，确保第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d在增材制造过程中保持固定。通过引入压盘108的设置可以有效减轻设备振动和材料运动等因素对第一遮挡部107a、第二遮挡部107b、第三遮挡部107c以及第四遮挡部107d的影响，有助于确保第一打印平台101在增材制造过程中始终保持在正确的位置，进而确保高能X射线的顺利透射，进行原位监测和衍射成像。

根据本发明的一实施例，进出风场109呈现出图5所示的结构。在第一打印平台101的一侧设置有进出风场109。材料的烧结或熔融过程中会产生烟雾颗粒物，并在第一打印平台101的附近集聚，而设置进出风场109能够将这些集聚的烟雾颗粒物吹散，保持工作环境的清洁。此外，集聚的烟雾颗粒物可能会对高能X射线的穿透性造成干扰，降低其效率，通过设置进出风场109，可以有效地排除这些干扰因素，确保高能X射线能够顺利穿透，以进行准确的监测和成像。在具体的结构设置中，可将进出风场109布置在第二遮挡部107b一侧压盘108的上方，进出风场109在面对第一打印平台101的一侧设置有多个进风孔，以产生流速均匀的风场，从而排除集聚在第一打印平台101附近的烟雾颗粒物。

根据本发明的一实施例，加热装置110呈现出图6所示的结构。第一打印平台101呈现出图7所示的结构。在图6中，(a)具体示出了第一打印平台101与加热装置110未接触前的状态，(b)具体示出了第一打印平台101与加热装置110接触后的状态。

较详细地，在增材制造设备中布置了一加热装置110，该加热装置110可以通过热传导的方式将热能传递给第一打印平台101。为了有效实现加热装置110对第一打印平台101的热传递，如图7所示，在远离第一打印平台101承载材料的一端设置了具有连接性的延伸部111与导热部112。其中，延伸部111由一体成型的平面段111a与弯曲段111b构成，平面段111a位于弯曲段111b的上方，弯曲段111b在底部宽度最大，从底部至顶部呈逐渐收缩状态，最终与平面段111a、第一打印平台101结合形成一舌型体，这种舌型体有利于弯曲段111b底部的热量向上传递，以达到第一打印平台101对材料的加热需求。此外，导热部112被设置为一端与延伸部111连接，另一端插入加热装置110内，如图6所示，导热部112能够与加热装置110内部的孔隙相匹配，插入其中，从而将加热装置110产生的热量传递给第一打印平台101。

此外，通过对加热装置110的控制，可以调整对第一打印平台101传递的温度，以适应不同类型的材料和工艺要求，以改善材料的粘附性、熔化性和流动性，有助于获得更精确的成形结果。

继续参考图6-7，一些实施例的增材制造设备配备了一个盛料台113，该盛料台113被设置在导热部112的上方。具体来说，盛料台113的中间部分设置有一与弯曲段111b的形状相适配的开槽，其中盛料台113通过这个适配的开槽卡在导热部112的上方，与弯曲段111b的底部结合在一起。通过该盛料台113的设置，能够对从上方溢出的材料进行收集，以便二次利用。

根据本发明的一实施例，增材制造设备100呈现出图8-9所示的结构。增材制造设备100具有一个打印舱116，前文所述的第一打印平台101与第二打印平台102均设置在该打印舱116内，其中该打印舱116由六个面构成，在两个侧面分别设置了由透明材质制成的第一光入射窗口114a与第二光入射窗口114b。

在测试打印过程中，高能X射线106从第一光入射窗口114a穿入，然后照射到第一打印平台101上的熔池105以发生衍射，随后，高能X射线106从第二光入射窗口114b穿出，并在该窗口的外侧进行成像。作为一种可选方案，高能X射线106也可以被设置为从第二光入射窗口114b穿入，然后照射到第一打印平台101上的熔池105以发生衍射，随后，高能X射线106从第一光入射窗口114a穿出，并在该窗口的外侧进行成像。具体路径可以根据实际需要来选择，以实现高能X射线106在测试打印过程中的精确引导和成像，确保监测和表征的准确性。

图10示出了第一打印平台101与第一光入射窗口114a、第二光入射窗口114b的位置关系，参考图10所示，第一打印平台101承载的材料的高度被限制在与第一光入射窗口114a、第二光入射窗口114b高度相匹配的范围h1内，即第一打印平台101可以处于h1限制内的任意位置上，即第一打印平台101可以在h1范围内的任何位置上进行定位，且通过将第一打印平台101的高度与第一光入射窗口114a、第二光入射窗口114b的高度相匹配，从而限制材料的高度范围，确保在测试打印过程中，只有位于第一光入射窗口114a、第二光入射窗口114b高度范围内的材料受到高能X射线106的照射和成像。

继续参考图8-9。在一些实施例中，在第一光入射窗口114a与第二光入射窗口114b的上方还分别设置了由透明材质制成的第一观察窗口115a与第二观察窗口115b，以允许透过其观察到增材制造过程中的关键细节和事件。此外，在第一观察窗口115a与第二观察窗口115b的外侧布置了相应的第一观察相机117a与第二观察相机117b，以捕捉并记录增材制造过程中的视觉信息，例如材料的熔融、扫描路径、熔池的形成等。

图8-9对图1-3描述的能量束103的发生装置也进行了一种形态下的示出。该发生装置为一光学系统，主要由激光器201、准直器202、振镜203以及场镜204等部件构成。其中，激光器201能够产生激光束，激光束从激光器201发出后，进入准直器202进行准直，以确保激光束的直线传播；而振镜203用于控制激光束的方向，可以通过调整其角度来改变激光束的位置，从而使其精确地照射到第一打印平台101或第二打印平台102上；场镜204则用于对激光束进行成形和聚焦，其可以调整激光束的横截面形状和焦距，以满足具体的打印需求。这些部件相互配合，将激光器201生成的激光束精确导向到第一打印平台101或第二打印平台102上，从而实现了能量束103的精确照射和扫描。

在一些实施例中，增材制造设备100具有移动平台118。在图8的示例中，该移动平台118为设置在增材制造设备100底部的四个滚轮，用于在操作人员的控制下使增材制造设备100在x-y平面移动，以调整第一光入射窗口114a与第二光入射窗口114b在x-y平面内的位置。除了滚轮之外，移动平台118还可以采用其它装置，例如使用由线性导轨和电动驱动装置构成的导轨系统以实现增材制造设备100在x-y平面的精确位置控制。

在一些实施例中，增材制造设备100具有倾角平台119，用于控制第一打印平台101沿x-y平面倾斜，以改变高能X射线在熔池的入射角度。在图8的示例中，倾角平台119设置在支撑架127的下方，支撑架127设置在打印舱116的下方，即倾角平台119通过调整支撑架127的倾斜角度，以实现对设置在打印舱116内的第一打印平台在x-y平面的倾斜调整。

在一些特定应用中，如金属3D打印或其它增材制造过程，研究熔池的形貌对于确保零件质量和性能至关重要。倾角平台119允许在打印过程中动态调整打印舱116的倾斜角度。例如，用户可能需要在一次打印过程中观察同一材料的不同截面，以了解不同区域的晶体结构或熔池行为。在此考量下，通过倾角平台119的控制以倾斜打印舱116，以改变高能X射线的入射角度，从而在不同的方向上照射熔池，以获得更全面的测试结果，有助于优化制造过程和材料选择。此外，倾角平台119的设置还可以帮助研究熔池中的温度梯度和相变现象，通过调整倾角，可以模拟不同条件下的熔池行为，对于深入了解材料的性质具有一定帮助。

图11-12示出了在不同倾斜方向下的第一打印平台101，且描述出了高能X射线106对不同倾斜方向下的第一打印平台101的影响。图11具体展示了当第一打印平台101沿着x-y平面顺时针旋转α度时，高能X射线106入射角度的变化（需要在微观视角下分辨），即该旋转可以导致高能X射线106以不同的角度进入第一打印平台101，并相应地穿透熔池105。与图11相反，图12展示了当第一打印平台101沿x-y平面逆时针旋转α度时，高能X射线106入射角度的变化，逆时针旋转可以实现类似的效果，即改变高能X射线106的入射角度以研究熔池的不同方面。

在一个示例中，α的取值范围被设置在-10°至10°之间，即：-10°≤α≤10°。在此设置条件下，当α等于0度时，第一打印平台101不倾斜，高能X射线106以垂直于第一打印平台101的角度进入；当α大于0度时，第一打印平台101向顺时针方向旋转，导致高能X射线106以较小的正角度进入；当α小于0度时，第一打印平台101向逆时针方向旋转，导致高能X射线106以较小的负角度进入。

根据本发明的一实施例，增材制造设备的一部分呈现出图13所示的结构。打印舱的舱底120设置有第一舱口120a与第二舱口120b，在本实施例中，第一打印平台101设置在第一舱口120a上，第二打印平台102设置在第二舱口120b上。在其它的实施例中，两者的位置关系可以互换，即第一打印平台101设置在第二舱口120b上，第二打印平台102设置在第一舱口120a上。

图13描述的示例中，第一舱口120a的下方设置有第一供料器122a，第二舱口120b的下方设置有成形缸123，第一供料器122a的下方设置有第一丝杠运动单元121a，成形缸123的下方设置有第二丝杠运动单元121b。在将第一打印平台101安装在第一舱口120a上时，其下方的第一供料器122a与第一丝杠运动单元121a不工作；在将第一打印平台101从第一舱口120a上拆卸后，第一舱口120a作为第二打印平台102的一个材料供给口，以便触发第二打印平台102的打印工作。

具体地，在第二打印平台102上进行零件打印时，第一丝杠运动单元121a驱动第一供料器122a内储存的材料向上运动以在第一舱口120a处溢出，通过控制设置在舱底120上方的一刮刀（未示出）沿x轴方向运动以将在第一舱口120a处溢出的材料带动至第二打印平台102上方铺平。接着通过控制光学系统按照预定的扫描轨迹发射能量束，对铺设在第二打印平台102上的材料进行烧结或熔融，至此完成一层材料的制造。在此之后，第二丝杠运动单元121b驱动安装在成形缸123内的第二打印平台102下降预设高度，以便进行下一层的材料铺设和加工。这个过程会重复，直到整个零件的最终成形。

根据本发明的一实施例，增材制造设备的一部分呈现出图14所示的结构。打印舱的舱底120分别设置有第一舱口120a、第二舱口120b及第三舱口120c，第一打印平台101设置在第一舱口120a上，第二打印平台102设置在第二舱口120b上。除了保持第一舱口120a与第二舱口120b下方对应设置的第一供料器122a、第一丝杠运动单元121a与成形缸123、第二丝杠运动单元121b之外，在第三舱口120c下方依次设置了第二供料器122b与第三丝杠运动单元121c。当第一打印平台101安装在第一舱口120a上时，第三丝杠运动单元121c驱动第二供料器122b以透过第三舱口120c与刮刀向第二打印平台102上方供料，在此设置下，无需拆除第一打印平台101也可在打印舱内实现在第二打印平台102上的零件打印工作。作为一种选择，也可以将第一打印平台101从第一舱口120a上拆卸，以使第一供料器122a在第一丝杠运动单元121a的驱动下从与第二供料器122b相反的供料方向对第二打印平台102供料，且在此设置下，即在第一供料器122a对第二打印平台102供料时，第二供料器122b可在刮刀的作用下对第二打印平台102上的余料进行收集，同样的，当第二供料器122b对第二打印平台102供料时，第一供料器122a也可对第二打印平台102上的余料进行收集。

在一些实施例中，第一打印平台101与第二打印平台102不在一个平面上，即在z轴方向上布置在不同的高度上。由于在不同的高度上的第一打印平台101与第二打印平台102共用同一套光学系统200，该光学系统200的焦距是固定的，因此在不同打印平台上进行激光扫描时，会造成散焦问题。例如，当光学系统的焦距适配第一打印平台101时，若需要在第二打印平台102进行扫描成形，由于第二打印平台102在z轴更远的距离上，光学系统200聚焦的光斑将难以在第二打印平台102上聚焦，从而无法完成相应的打印过程，为了解决散焦问题，本实施例的增材制造设备中设置了如图15示出的可升降的光学系统200。

参考图15所示，在本发明的一实施例中，光学系统200被配置为可沿z轴进行升降，以实现在向第一打印平台101与第二打印平台102上的材料进行扫描时，处在不同的z轴高度上。例如，在进行第一打印平台101的成形时，光学系统200可以调整其位置和焦距，以确保光斑准确地聚焦在第一打印平台101上。然后，当需要在第二打印平台102上进行扫描成形时，光学系统200可以升降到适当的高度，以确保光斑能够准确地聚焦在第二打印平台102上。这种灵活性和升降功能有助于消除光学系统200的散焦问题，从而保证了高质量的打印过程。示例性的，所描述的可升降的光学系统200具体可以通过一种机械或电动装置（例如丝杆升降装置）来实现，以确保在不同高度的打印平台上实现精确的焦点聚焦。

参考图13中A部在某一视角下的放大示意部分，在本发明的一些实施例中，在第一打印平台101的高度方向上设置有送料机构，该送料机构由铺料部124、储料部126以及送料部125等部件构成。送料部125沿z轴方向穿入储料部126，并在旋转状态下携带储料部126内的至少一部分材料通过储料部126与送料部125之间的间隙向下运动，使其散落在第一打印平台101上。铺料部124用于移动地对第一打印平台101上的材料进行均匀铺设。

储料部126具有一接收材料的开口。其中，该开口可以设置为完全敞开状态，使材料能够自由进入；也可以设置为半敞开状态，使材料在一定限制下进入；甚至在某些情况下，该开口可以设置为仅保留一个能供材料顺利进入的通孔即可。相应的，也可以在该开口上设置一能被启闭的密封盖，从而避免材料在高速运转状态下从储料部126中溢出。

送料部125被设置为沿z轴方向穿入储料部126，优选与储料部126的纵向轴线重合。送料过程中的送料部125被控制为旋转状态，并在该旋转状态的作用下携带着储料部126内的至少一部分材料到储料部126与送料部125之间的间隙中，并随着送料部125的旋转向下运动。在此过程中，材料最终从该间隙中脱离，并逐渐散落在第一打印平台101上。其中，该间隙具有一定的几何形状和尺寸，以至少保证材料的最小物理构成单元（例如材料的颗粒）能够在该间隙内自由流动。

铺料部124用于在第一打印平台101上移动铺料，以对散落在第一打印平台101上的材料进行均匀铺设，从而形成可供进一步制造的材料层。

根据本发明的一实施例，送料机构呈现出图17所示的结构。参考图17所示，在一些实施例中，送料部125被设置为由螺杆125a以及用于驱动螺杆125a旋转的旋转驱动装置125b构成。螺杆125a的一端与旋转驱动装置125b连接，另一端从储料部126中穿过并向下延伸了一段距离，螺杆125a的延伸段起到了输送和推动材料的作用，当旋转驱动装置125b启动时能够驱动螺杆125a旋转，使得螺杆125a在旋转状态下将储存在储料部126内的材料带动向下运动。

在一些实施例中，储料部126被设置为由料仓126a与漏料筒126b构成。料仓126a与漏料筒126b被设计成一体成型或者通过其它连接方式紧密连接在一起，形成一个整体式的储料部126。

在储料部126中，料仓126a内储存有材料，漏料筒126b从料仓126a底部起始，向下延伸至少一段距离，以将送料部125的螺杆125a从料仓126a底部起始向下延伸的部分包裹在内，即漏料筒126b的高度至少等于螺杆125a在料仓126a下方的高度，以便于控制材料的输送。漏料筒126b的设计有助于引导和定向螺杆125a携带的材料，通过漏料筒126b与送料部125之间的间隙，材料可以受到一定的控制，确保沿特定路径向下运动。

在一些实施例中，铺料部124与送料部125分离设置，铺料部124由单独的动力源进行移动驱动以在第一打印平台101上移动铺料。

在一些实施例中，铺料部124呈现出如图17所示的结构。铺料部124与送料部125被集成设置，例如可以通过一安装座连接在一起。在此配置下，送料部125负责向第一打印平台101输送和供应材料，铺料部124则负责对第一打印平台101上的材料进行均匀地铺设，并且，铺料部124间隔地设置在送料部125的附近。

示例性的，铺料部124被设置为由两个刮刀构成，分别为第一刮刀124a与第二刮刀124b，第一刮刀124a与第二刮刀124b分别位于送料部125的两侧，例如第一刮刀124a位于送料部125的左侧，第二刮刀124b位于送料部125的右侧。

在一些实施例中，漏料筒126b的底部作为铺料部124使用，以在一次操作中完成送料和铺设任务。应理解，漏料筒126b的底部具有材料的释放口以及具有一定尺寸的边缘部分，即漏料筒126b的底部不仅充当材料的释放口，还具有一定尺寸的边缘部分，这一部分可以用来控制和分布材料在第一打印平台101上。

根据本发明的一实施例，提供一种如图16所示的增材制造系统300。该增材制造系统300由前文描述的增材制造设备100以及一高能X射线装置400构成，该高能X射线装置400被配置为从第二方向发射高能X射线透射熔池衍射成像，以获得熔池5内组织物相的原位表征。

具体而言，在增材制造系统300中，高能X射线装置400被布置在适当的位置，以确保高能X射线可以穿透熔池，并在透射后进行衍射成像。通过这种配置，增材制造系统300能够实现对熔池内部组织物相的原位表征。

在一个具体的示例中，增材制造系统300包括一台增材制造设备100，其具有第一打印平台和第二打印平台，以及一个高能X射线装置400，该高能X射线装置400被精确地定位在第二方向，以使高能X射线能够透射穿过第一打印平台上的熔池。作为高能X射线装置400的一部分，成像检测器位于高能X射线装置400的输出端，也就是高能X射线穿过第一打印平台的熔池并衍射穿出后的位置，该成像检测器可以捕捉高能X射线的衍射图像，然后将这些图像传输到计算机系统进行分析和处理，以获得熔池内部组织物相的原位表征信息，从而有助于调整打印参数，以获得所需的材料特性。

在发明的一些实施例中，提供一种高能X射线协同衍射多平台增材制造方法，该方法由以下两个不同的工序构成，即第一工序与第二工序。在第一打印平台与第二打印平台共用同一套光学系统时，第一工序与第二工序错开进行；而当第一打印平台与第二打印平台不共用统一套光学系统，例如使用双激光时，第一工序与第二工序可以同步进行。

第一工序：控制能量束从第一方向上对第一打印平台承载的至少一层材料进行扫描以形成熔池，并在扫描进程中，控制高能X射线从第二方向发射高能X射线透射熔池衍射成像，以获得熔池内组织物相的原位表征。

第二工序：控制能量束从第一方向上对第二打印平台承载的不止一层的材料逐层扫描以构建至少一三维物体。

该方法的具体实施流程与前文描述的增材制造设备的操作过程具有一致性，在此不进行赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“示例性的”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (15)

1.一种高能X射线协同衍射多平台增材制造设备，包括：

一第一打印平台；

一第二打印平台，用于承载不止一层的材料被来自于第一方向的能量束逐层扫描以构建至少一三维物体；

其特征在于，所述第一打印平台用于承载至少一层材料被所述能量束扫描以形成熔池，以及在扫描进程中，被来自于第二方向的高能X射线透射所述熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征；

所述第一打印平台与第二打印平台不在一个平面上，在所述第一打印平台的高度方向上设置有送料机构，所述送料机构包括储料部与送料部，所述送料部沿z轴方向穿入储料部并在旋转状态下携带储料部内的至少一部分材料通过储料部与送料部之间的间隙向下运动，使其散落在所述第一打印平台上；该间隙至少保证材料的最小物理构成单元在该间隙内自由流动；所述储料部具有漏料筒，所述漏料筒的底部具有材料的释放口以及用于控制和分布第一打印平台上材料的边缘部分；

其中，用于发生所述能量束的光学系统可沿z轴升降，以实现在分别向所述第一打印平台与第二打印平台上的材料扫描时，处在不同的z轴高度上。

2.根据权利要求1所述的增材制造设备，其特征在于，

所述第一打印平台接近于二维特征。

3.根据权利要求2所述的增材制造设备，其特征在于，

所述第一打印平台的宽度最小为所述熔池的宽度，最大为2mm。

4.根据权利要求1所述的增材制造设备，其特征在于，

在所述第一打印平台承载材料的扫描区域外侧设置有遮挡部，用于将材料限制在扫描区域内；

其中，所述遮挡部至少在高于所述扫描区域的部分为透明材质。

5.根据权利要求1所述的增材制造设备，其特征在于，

在所述第一打印平台的一侧设置有进出风场，用于排除材料被所述能量束扫描时产生的烟雾。

6.根据权利要求1所述的增材制造设备，其特征在于，

还包括一光入射窗口，用于允许所述高能X射线透过所述光入射窗口照射所述熔池衍射成像；

其中，所述第一打印平台承载的所述至少一层材料的高度被限制在与所述光入射窗口高度相匹配的范围内。

7.根据权利要求6所述的增材制造设备，其特征在于，

还包括一移动平台，用于控制设备在x-y平面内的移动，以调整所述光入射窗口在x-y平面内的位置。

8.根据权利要求1所述的增材制造设备，其特征在于，

还包括一倾角平台，用于至少控制所述第一打印平台沿x-y平面倾斜，以改变所述高能X射线在所述熔池的入射角度。

9.根据权利要求1所述的增材制造设备，其特征在于，

还包括一加热装置，用于对所述第一打印平台进行热传递。

10.根据权利要求9所述的增材制造设备，其特征在于，

在远离所述第一打印平台承载材料的一端设置有彼此连接的延伸部与导热部，其中，所述导热部至少一部分插入所述加热装置内。

11.根据权利要求1所述的增材制造设备，其特征在于，

所述第一打印平台与第二打印平台均设置在一打印舱内，所述打印舱的舱底设置有至少两个舱口；

其中，所述第一打印平台设置在其中一个舱口上，所述第二打印平台设置在另一个舱口上。

12.根据权利要求11所述的增材制造设备，其特征在于，

所述第一打印平台可拆卸地设置在其所处的舱口上；在所述第一打印平台从其所处的舱口上拆卸后，所述第一打印平台原先所处舱口作为所述第二打印平台的至少一个材料供给口。

13.根据权利要求12所述的增材制造设备，其特征在于，

在所述至少两个舱口的下方均设置有一升降装置；

其中，所述第二打印平台所处舱口下方的升降装置用于驱动所述第二打印平台升降；

其中，在所述第一打印平台原先所处舱口作为所述第二打印平台的至少一个材料供给口时，所述第一打印平台原先所处舱口下方的升降装置用于驱动一供料器向所述材料供给口输出材料。

14.一种增材制造系统，其特征在于，包括：

权利要求1-13任一项所述的增材制造设备；以及

一高能X射线装置，用于从第二方向发射高能X射线透射熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征。

15.一种高能X射线协同衍射多平台增材制造方法，应用在权利要求1-13任一项所述的增材制造设备上，其特征在于，所述方法包括：

第一工序：控制能量束从第一方向上对第一打印平台承载的至少一层材料进行扫描以形成熔池，并在扫描进程中，控制高能X射线从第二方向发射高能X射线透射熔池衍射成像，以获得所述熔池内组织物相的原位表征；

第二工序：控制所述能量束从第一方向上对第二打印平台承载的不止一层的材料逐层扫描以构建至少一三维物体。