CN117862536A - 一种多金属材料的增材制造成型系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多金属材料的增材制造成型系统及其使用方法，该系统能够在同一个成型过程中，使用不同的金属材料粉末，实现多金属材料的混合和连接，从而制造出具有不同区域性能和功能的复杂结构的零件。该系统中，第二金属材料送粉组件通过将送粉装置与吸粉装置设置为一体结构，使用大流量铺粉和快速吸粉，实现铺粉与吸粉的同步进行，显著提高了成形效率和质量。该系统还设有在线监控单元、洗气净化组件、数据处理单元等部分，用于保证成形过程的安全和可控。该发明的使用方法包括将多金属材料的三维模型导入数据处理单元，对其进行切片处理和工艺参数生成，然后通过控制其他模块和组件的工作，实现多金属材料的增材制造成形。

Description

一种多金属材料的增材制造成型系统及其使用方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，涉及到粉末床熔融增材制造方法。具体是一种多金属材料的增材制造系统及多材料增材制造方法，通过将送粉装置与吸粉装置为一体结构，实现吸粉与铺粉同步进行以及高效率、高精度的多材料成形，特别适用于复杂、大尺寸零件制造。

背景技术

增材制造技术(Additive Manufacturing，AM)是一种基于离散-堆积原理，通过逐点、逐线、逐层实现三维结构复杂成形的制造方法，可以实现复杂精细结构的一体化成形，具有设计自由度高、材料利用率高、节能环保等优点。目前，这项技术已在航空航天的结构部件、汽车制造的定制化零件和医疗器械的植入物制造等领域得到了广泛应用，显示出其多样化的应用潜力。粉末床熔融增材制造(Powder Bed Fusion，PBF)是一种基于粉末床的增材制造方法，其原理是利用高能密度的激光束或电子束对粉末床进行扫描，将粉末熔化或部分熔化后固化，形成所需的截面层。然后降低粉末床高度，铺设新的粉末层，重复上述过程，直到完成整个零件的成形。粉末床熔融增材制造具有成形精度高、内部质量好的优点，是目前应用最广泛的增材制造方法之一。

目前的粉末床增材制造方法主要用来实现单一金属材料的增材制造，由于材料兼容性和过程控制的挑战，无法实现两种或者以上金属材料的多材料增材制造。多材料增材制造是指在同一零件中使用两种或者以上不同的金属材料进行增材制造，以实现不同区域具有不同的性能和功能，极大地拓宽了设计和应用的可能性。例如，该技术可以在航空航天中用于制造具有热管理功能的部件，在医疗领域制造具有不同弹性模量的植入物，多材料增材制造对于实现相变换热结构、固态电池、功能梯度材料等复杂结构具有显著优势，在航空航天、电子、医疗等领域有广阔应用前景，可以提升产品的性能和寿命，降低产品的重量和成本，增强产品的竞争力和创新性。因此，有必要开发一种面向金属材料的高性能、高效率多材料增材制造系统及方法。

多材料增材制造的主要技术问题在于第二种材料的铺粉和回收技术，需要自由、高效、准确的铺设第二种材料，同时需要激光扫描成形后快速的回收第二种材料，以免污染第一种材料的粉末。目前已公开有一些关于多材料增材制造的设备和方法，但都存在一定的缺陷和不足，例如：一个现有技术中公开了一种用于增材制造的设备及方法，主要包括一种独立运动送粉机构以及独立运动吸粉机构，利用送粉机构在成形面内移动来实现第二种粉末的铺设，其特征是使用了超声振动来辅助粉末下落，其吸粉机构包含有多个独立运动的真空吸嘴，用于回收不同种类的粉末。该现有技术的主要缺点在于成形效率低下，需要用精细(600μm)的送粉喷嘴和真空吸粉嘴来对多种材料进行粉末的铺设和回收，导致操作复杂度增加，效率较低。另外，该装置很难实现大尺寸零件的三维制造。另一个现有技术公开了一种多材料增材制造成型系统及方法，其使用的装置也同样包含有送粉装置和吸粉装置，但是其吸粉装置与送粉装置也是相互独立运行的，效率较低。

综上，现有多材料增材制造技术仍有改进的空间和需求，主要表现在：需要使用精细的送粉喷嘴和吸粉嘴从而导致成形效率低下、没有完全熔化的第二种材料难以回收从而导致材料利用率低、需要使用复杂的装置从而导致成本高昂等。因而，如何同步进行吸粉与铺粉，如何回收未完全熔化的第二种材料以及如何实现大流量铺粉和快速吸粉等是当前亟待解决的技术问题。

发明内容

(一)发明目的

针对现有技术的上述缺陷和不足，为解决多材料增材制造的粉末处理等方面的技术难题，尤其是在多材料增材制造中存在的成形效率低、材料回收效果差以及难以实现大尺寸零件制造等技术问题，本发明旨在提供一种多金属材料的增材制造成型系统及使用方法，通过将送粉装置与吸粉装设置为一体结构，使用大流量铺粉和快速吸粉，实现铺粉与吸粉的同步进行，显著提高了成形效率。同时，送粉装置设计为两级粉仓结构，其中一级粉仓位于成形室外侧，二级粉仓固定于送粉装置上，这种设计使得本发明可以实现大尺寸零件的连续成形。进一步地，本发明还包含有视觉相机用于辅助第二粉末材料的铺设和回收过程，实现了铺粉和回收精确化的目的。

(二)技术方案

为实现该发明目的，解决其技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明的第1个发明目的在于提供一种多金属材料的增材制造成型系统，包括材料沉积成形室、光束熔化模块、第一金属材料铺粉组件、第二金属材料送粉组件，其特征在于：

--所述材料沉积成形室采用高强度耐高温材料制备并整体形成为一封闭舱室，其底壁上至少设有一顶部开口的成形工作腔，且所述成形工作腔内设有一与驱动元件传动连接并以受控方式上下移动的成形基板；

--所述光束熔化模块整体设置在所述材料沉积成形室的顶壁上，用于提供熔化第一金属材料及第二金属材料原料粉末的精细高能射线热源；

--所述第一金属材料铺粉组件整体设置在所述材料沉积成形室内，至少包括一第一金属材料储粉腔和一第一金属材料铺粉移动平台，其中，

所述第一金属材料储粉腔整体为一顶部开口形成在所述材料沉积成形室的底壁上的腔体，其腔体内设有一与驱动元件传动连接并以受控方式上下移动的推料柱塞，且该储粉腔在第一水平方向上位于所述成形工作腔的一侧，

所述第一金属材料铺粉移动平台至少包括一滑轨横梁和一滑块刮刀，其中，所述滑轨横梁设置在所述材料沉积成形室的底壁上并沿第一水平方向延伸，所述滑块刮刀通过其滑块底座以可滑动方式设置在所述滑轨横梁上且滑块底座与驱动元件传动连接，并在其滑块底座的带动下可由所述储粉腔的顶部开口越过所述成形工作腔的顶部开口并可原路返回；

--所述第二金属材料送粉组件整体设置在所述材料沉积成形室内，至少包括一可沿第一水平方向左右移动的X滑台横梁、一设置在所述X滑台横梁上并可沿沿垂直于第一水平方向的第二水平方向前后移动的Y滑台支架以及固定设置在所述Y滑台支架上的至少一第二金属材料二级储粉仓、一挤粉装置和一真空吸粉管路，还包括一设置在所述材料沉积成形室外的第二金属材料一级储粉仓，其中，

所述X滑台横梁整体沿第二水平方向延伸，其前后两端设置的滑块底座分别设置在两相对布置并沿第一水平方向延伸的支撑横梁上，且至少其中一滑块底座与驱动元件传动连接并在第一水平方向上以受控方式左右移动，

所述Y滑台支架通过其滑块底座设置在所述X滑台横梁上，且滑块底座与驱动元件传动连接并在第二水平方向上以受控方式前后移动，所述挤粉装置居中设置在Y滑台支架上，所述二级储粉仓、真空吸粉管路分别布置在所述挤粉装置的左右两侧，且所述真空吸粉管路与挤粉装置之间保持刚性连接，

所述挤粉装置包括至少一与驱动元件传动连接的螺杆挤出式送粉头，所述螺杆挤出式送粉头整体沿垂直方向延伸且其出粉口在垂直方向上临近所述材料沉积成形室的底壁布置，

所述第二金属材料一级储粉仓通过管路与软管连接的方式与所述第二金属材料二级储粉仓的顶部进口连通，所述第二金属材料二级储粉仓的底部出口通过管路与所述螺杆挤出式送粉头的管状侧壁连通，

所述真空吸粉管路整体为刚性管状部件，至少其下部管段整体沿垂直方向延伸并在水平方向上临近所述螺杆挤出式送粉头的管状侧壁布置，且其下部管段的进粉口在垂直方向上临近所述材料沉积成形室的底壁布置，其上部管段的出粉口通过管路以软管连接的方式与设置在所述材料沉积成形室外的真空抽吸设备连通。

优选地，所述材料沉积成形室至少包括有顶壁、底壁和四周侧壁，所述成形工作腔的顶部开口不超过所述底壁的水平基准面且其四周侧壁沿垂直方向向下延伸，所述成形工作腔内的成形基板与驱动元件传动连接并沿其四周侧壁在垂直方向上以受控方式可上下移动。

优选地，所述第一金属材料储粉腔的四周侧壁沿垂直方向向下延伸，其腔体内设置的推料柱塞与驱动元件传动连接并沿其四周侧壁在垂直方向上以受控方式可上下移动。

优选地，所述第一金属材料铺粉移动平台中，其滑轨横梁的底部固定支撑在所述材料沉积成形室的底壁上并沿第一水平方向延伸，所述滑块刮刀包括一以可滑动方式设置在所述滑轨横梁上的滑块底座和一固定设置在所述滑块底座上的刮刀部件，滑块底座与驱动元件传动连接而沿所述滑轨横梁在第一水平方向上以受控方式左右移动，所述刮刀部件沿第二水平方向延伸且其底部顶抵在所述材料沉积成形室的底壁上，且所述刮刀部件在其滑块底座的带动下可沿第一水平方向由所述第一金属材料储粉腔的顶部开口越过所述成形工作腔的顶部开口并可原路返回。

优选地，所述增材制造成型系统还设有一在线监控单元，用于对多金属材料的增材制造成形过程中的铺粉质量以及粉末清理质量进行在线观察，该在线监控单元至少包括若干视觉成像设备，各所述视觉成像设备分布设置在所述材料沉积成形室的策略性位置，以捕捉成形过程中的关键视觉信息，所述关键视觉信息至少包括铺粉过程、粉末回收过程、激光照射区域以及成形金属层冷却状态图像信息。通过图像处理和分析技术，在线监控单元能够精确评估铺粉均匀性、激光熔化的质量以及成型后金属层的完整性。此外，系统能够实时监测和分析粉末清理过程，确保去除多余粉末的效率和完整性，减少材料浪费，并防止不同金属材料间的交叉污染。

进一步地，所述在线监控单元的各视觉成像设备中，其中至少一视觉成像设备设于所述材料沉积成形室的顶壁以捕捉激光熔化区域的整体视角并监测熔化过程和成形质量，至少一视觉成像设备设于所述材料沉积成形室的侧壁以提供成形区域的侧视图并用以评估铺粉层的均匀性和厚度，至少一视觉成像设备设于铺粉和送粉区的上方以实时监控粉末的铺设和送粉行为而确保粉末铺设的准确性，至少一视觉成像设备靠近所述真空吸粉管路下部管段的进粉口位置进行布置以观察粉末回收过程并监测粉末的清理效率，至少一视觉成像设备设置在所述成形基板的正上方以监控成形基板上粉末层的铺设情况和激光熔化后的冷却过程。

优选地，所述增材制造成型系统还设有一洗气净化组件，用于对所述材料沉积成形室抽真空并充入惰性保护气体，以保证多金属材料的增材制造成形过程中的气氛质量，该洗气净化组件包括：

至少一设置在所述材料沉积成形室外部的真空抽气设备，且所述真空抽气设备通过管路与所述材料沉积成形室的内部空间连通，用于将材料沉积成形室内的空气抽出，降低成形室内的氧含量，防止金属材料的氧化；

至少一设置在所述材料沉积成形室外部的惰性保护气源，且所述惰性保护气源通过管路与所述材料沉积成形室的内部空间连通，用于向材料沉积成形室内充入惰性保护气体。

优选地，所述增材制造成型系统还设有一数据处理单元，用于对多金属材料的三维模型进行切片处理并生成每一层的截面图形和工艺参数，并至少与所述光束熔化模块、第一金属材料铺粉组件、第二金属材料送粉组件、洗气净化组件、在线监控单元通信连接，该数据处理单元包括：

至少一输入接口，用于接收用户输入的多金属材料的三维模型文件；

至少一切片模块，用于对所述三维模型文件进行切片处理，将其分解为多个平行的二维层，每一层对应一个截面图形；

至少一参数生成模块，用于根据所述截面图形和所需成形的多金属材料的特性，生成每一层的工艺参数；

至少一控制模块，用于根据所述截面图形和工艺参数，控制光束熔化模块、第一金属材料铺粉组件、第二金属材料送粉组件、洗气净化组件和在线监控系统的工作，实现多金属材料的增材制造成形过程的控制。

本发明的第2个发明目的在于提供一种上述多金属材料的增材制造成型系统的使用方法，其特征在于，所述使用方法至少包括以下步骤：

SS1.将所需成形的多金属材料的三维模型导入数据处理单元，对其进行切片处理，得到每一层的截面图形和工艺参数；

SS2.将第一金属材料粉末填充在第一金属材料铺粉组件中的储粉仓内，将第二金属材料粉末分别填充在第二金属材料送粉组件中的一级储粉仓和二级储粉仓内，启动洗气净化组件，将材料沉积成形室抽真空并充入保护气，使成形室内的氧含量降低到一预设水平；

SS3.启动第一金属材料铺粉组件，利用滑块刮刀在成形基板上铺设第一金属材料粉末层，启动光束熔化模块，根据数据处理单元的指令，沿着第一层截面图形的轮廓和填充区域，对第一金属材料粉末层进行激光熔化，形成第一金属材料的第一层成形层；

SS4.启动第二金属材料送粉组件，利用螺杆挤出式送粉头和真空吸粉管路，实现铺粉与吸粉的同步进行，即在成形基板上的指定区域铺设第二金属材料粉末层的同时，将成形基板上的多余或未熔化的第二金属材料粉末吸走，启动光束熔化模块，根据数据处理单元的指令，沿着第一层截面图形的指定区域，对第二金属材料粉末层进行激光熔化，形成第二金属材料的第一层成形层，与第一金属材料的第一层成形层相连接；

SS5.重复步骤SS3、SS4，直到完成所有层的成形，得到多金属材料的三维零件，停止光束熔化模块、第一金属材料铺粉组件、第二金属材料送粉组件和洗气净化组件的工作；

SS6.将成形基板从成形室中取出，将多金属材料的三维零件从成形基板上分离，并至少进行后续的去除支撑结构、表面处理和/或热处理工序，得到最终的多金属材料的零件。

优选地，上述步骤SS2中，启动洗气净化组件，将材料沉积成形室抽真空并充入保护气，使成形室内的氧含量降低到低于200ppm。

(三)技术效果

同现有技术相比，本发明的多金属材料的增材制造成型系统及其使用方法，具有以下有益且显著的技术效果：

(1)本发明实现了多金属材料的增材制造成形，拓展了增材制造的应用范围和功能性。本发明能够在同一个成型过程中，使用不同的金属材料粉末，实现多金属材料的混合和连接，从而制造出具有不同区域性能和功能的复杂结构的零件，例如相变换热结构、固态电池、功能梯度材料等，这些零件在航空航天、电子、医疗等领域有广阔的应用前景，可以提升产品的性能和寿命，降低产品的重量和成本。

(2)本发明通过将送粉装置与吸粉装置设置为一体结构，使用大流量铺粉和快速吸粉，实现铺粉与吸粉的同步进行，显著提高了成形效率，同时减少了粉末的浪费和污染，提高了材料利用率和纯度。本发明还通过送粉装置的两级粉仓结构和视觉相机的辅助功能，实现了大尺寸零件的连续成形和精确成形，提高了成形质量和稳定性。

(3)本发明通过洗气净化组件，对材料沉积成形室抽真空并充入惰性保护气体，以保证成形过程中的气氛质量，防止金属材料的氧化，保护金属材料的性能。本发明还通过数据处理单元，对多金属材料的三维模型进行切片处理和工艺参数生成，并与其他模块和组件通信连接，实现多金属材料的增材制造成形过程的控制。本发明还通过在线监控单元，对成形过程中的铺粉质量、粉末清理质量、激光照射区域和成形金属层冷却状态进行在线观察和评估，及时发现和解决问题，保证成形的精度和可靠性。

附图说明

图1所示为本发明的多金属材料的增材制造成型系统示意图；

图2所示为第一金属材料铺粉组件及第二金属材料送粉组件结构示意图；

图3所示为多金属材料的增材制造成型系统的使用方法流程示意图；

附图标记说明：

材料沉积成形室10，光束熔化模块20，第一金属材料铺粉组件30，滑轨横梁31，滑块刮刀32，第二金属材料送粉组件40，X滑台横梁41，Y滑台支架42，第二金属材料二级储粉仓43，挤粉装置44，真空吸粉管路45。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容。在附图中，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。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

实施例1

如图1、2所示，本发明的多金属材料的增材制造成型系统，包括材料沉积成形室10、光束熔化模块20、第一金属材料铺粉组件30、第二金属材料送粉组件40。

本发明的增材制造成型系统中，材料沉积成形室10整体形成为一封闭舱室，并至少包括一顶壁、一底壁和四周侧壁，其底壁上至少设有一顶部开口的成形工作腔，成形工作腔的顶部开口不超过底壁的水平基准面且其四周侧壁沿垂直方向向下延伸，且成形工作腔内设有一与驱动元件传动连接并沿其四周侧壁在垂直方向上以受控方式可上下移动的成形基板。光束熔化模块20整体设置在材料沉积成形室10的顶壁上，用于提供熔化第一金属材料及第二金属材料原料粉末的精细高能射线热源。

本发明的增材制造成型系统中，第一金属材料铺粉组件30整体设置在材料沉积成形室10内，至少包括一第一金属材料储粉腔和一第一金属材料铺粉移动平台，其中，第一金属材料储粉腔整体为一顶部开口形成在材料沉积成形室的底壁上且四周侧壁沿垂直方向向下延伸的腔体，其腔体内设有一与驱动元件传动连接并沿其四周侧壁在垂直方向上以受控方式可上下移动的推料柱塞，且第一金属材料储粉腔在第一水平方向上位于成形工作腔的一侧。

第一金属材料铺粉移动平台至少包括一滑轨横梁31和一滑块刮刀32，其中，其滑轨横梁31的底部固定支撑在材料沉积成形室的底壁上并沿第一水平方向延伸，滑块刮刀32包括一以可滑动方式设置在滑轨横梁31上的滑块底座和一固定设置在滑块底座上的刮刀部件，滑块底座与驱动元件传动连接而沿滑轨横梁31在第一水平方向上以受控方式左右移动，刮刀部件沿第二水平方向延伸且其底部顶抵在材料沉积成形室的底壁上，且刮刀部件在其滑块底座的带动下可沿第一水平方向由第一金属材料储粉腔的顶部开口越过成形工作腔的顶部开口并可原路返回。

本发明的增材制造成型系统中，第二金属材料送粉组件40整体设置在材料沉积成形室10内，至少包括一可沿第一水平方向左右移动的X滑台横梁41、一设置在X滑台横梁41上并可沿第二水平方向前后移动的Y滑台支架42以及固定设置在Y滑台支架42上的至少一第二金属材料二级储粉仓43、一挤粉装置44和一真空吸粉管路45，还包括一设置在材料沉积成形室外的第二金属材料一级储粉仓，其中，X滑台横梁41整体沿第二水平方向延伸，其前后两端设置的滑块底座分别设置在两相对布置并沿第一水平方向延伸的支撑横梁上，且至少其中一滑块底座与驱动元件传动连接并在第一水平方向上以受控方式左右移动。Y滑台支架42通过其滑块底座设置在X滑台横梁41上，且滑块底座与驱动元件传动连接并在第二水平方向上以受控方式前后移动，挤粉装置居中设置在Y滑台支架42上，第二金属材料二级储粉仓43、真空吸粉管路45分别布置在挤粉装置44的左右两侧，且真空吸粉管路45与挤粉装置44之间保持刚性连接。挤粉装置44包括至少一与驱动元件传动连接的螺杆挤出式送粉头，螺杆挤出式送粉头整体沿垂直方向延伸且其出粉口在垂直方向上临近材料沉积成形室的底壁布置。第二金属材料一级储粉仓通过管路与软管连接的方式与第二金属材料二级储粉仓43的顶部进口连通，第二金属材料二级储粉仓43的底部出口通过管路与螺杆挤出式送粉头的管状侧壁连通。真空吸粉管路45整体为刚性管状部件，至少其下部管段整体沿垂直方向延伸并在水平方向上临近螺杆挤出式送粉头的管状侧壁布置，且其下部管段的进粉口在垂直方向上临近材料沉积成形室的底壁布置，其上部管段的出粉口通过管路以软管连接的方式与设置在材料沉积成形室外的真空抽吸设备连通。

本发明的多金属材料的增材制造成型系统，其工作原理为：

该系统通过将第二金属材料送粉组件中的挤粉装置和真空吸粉管路设置为一体结构，实现了铺粉与吸粉的同步进行，即在利用第一金属材料铺粉组件中的滑块刮刀在成形基板上铺设第一金属材料粉末的同时，利用第二金属材料送粉组件中的真空吸粉管路将成形基板上的多余或未熔化的第二金属材料粉末吸走，从而避免了粉末的混合和污染，提高了成形质量和效率。该系统通过利用第二金属材料送粉组件中的螺杆挤出式送粉头和真空吸粉管路，实现了高效的粉末处理，即通过控制螺杆挤出式送粉头的转动，将第二金属材料粉末以大流量从二级储粉仓中挤出，通过出粉口喷射到成形基板上的指定区域，形成第二金属材料粉末层，同时通过控制真空吸粉管路的吸力，将成形基板上的第二金属材料粉末以快速的速度吸走，通过出粉口输送到真空抽吸设备中进行回收，从而减少了粉末的浪费和成形时间。该系统通过设计为两级粉仓结构的第二金属材料送粉组件，实现了大尺寸零件的连续成形，通过将第二金属材料粉末分别存放在位于成形室外侧的一级储粉仓和固定于送粉装置上的二级储粉仓中，通过管路和软管的连接方式进行输送，从而保证了第二金属材料粉末的充足供应，使得本发明可以根据零件的尺寸和形状，连续地进行多层次的成形过程，无需中断或更换粉末。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例作为其技术方案的进一步补充。

本发明的多金属材料的增材制造成型系统还设有在线监控单元、洗气净化组件、数据处理单元，在线监控单元用于对多金属材料的增材制造成形过程中的铺粉质量以及粉末清理质量进行在线观察，洗气净化组件用于对材料沉积成形室抽真空并充入惰性保护气体，以保证增材制造成形过程中的气氛质量。数据处理单元用于对多金属材料的三维模型进行切片处理并生成每一层的截面图形和工艺参数，并至少与光束熔化模块、第一金属材料铺粉组件、第二金属材料送粉组件、洗气净化组件、在线监控单元通信连接。

该在线监控单元至少包括若干视觉成像设备，各视觉成像设备分布设置在材料沉积成形室的策略性位置，以捕捉成形过程中的关键视觉信息，关键视觉信息至少包括铺粉过程、粉末回收过程、激光照射区域以及成形金属层冷却状态图像信息。通过图像处理和分析技术，在线监控单元能够精确评估铺粉均匀性、激光熔化的质量以及成型后金属层的完整性。此外，系统能够实时监测和分析粉末清理过程，确保去除多余粉末的效率和完整性，减少材料浪费，并防止不同金属材料间的交叉污染。

在线监控单元的各视觉成像设备中，其中至少一视觉成像设备设于材料沉积成形室的顶壁以捕捉激光熔化区域的整体视角并监测熔化过程和成形质量，至少一视觉成像设备设于材料沉积成形室的侧壁以提供成形区域的侧视图并用以评估铺粉层的均匀性和厚度，至少一视觉成像设备设于铺粉和送粉区的上方以实时监控粉末的铺设和送粉行为而确保粉末铺设的准确性，至少一视觉成像设备靠近真空吸粉管路下部管段的进粉口位置进行布置以观察粉末回收过程并监测粉末的清理效率，至少一视觉成像设备设置在成形基板的正上方以监控成形基板上粉末层的铺设情况和激光熔化后的冷却过程。

该洗气净化组件包括：至少一设置在材料沉积成形室外部的真空抽气设备，且真空抽气设备通过管路与材料沉积成形室的内部空间连通，用于将材料沉积成形室内的空气抽出，降低成形室内的氧含量，防止金属材料的氧化；至少一设置在材料沉积成形室外部的惰性保护气源，且惰性保护气源通过管路与材料沉积成形室的内部空间连通，用于向材料沉积成形室内充入惰性保护气体。

该数据处理单元包括：至少一输入接口，用于接收用户输入的多金属材料的三维模型文件；至少一切片模块，用于对三维模型文件进行切片处理，将其分解为多个平行的二维层，每一层对应一个截面图形；至少一参数生成模块，用于根据截面图形和所需成形的多金属材料的特性，生成每一层的工艺参数；至少一控制模块，用于根据截面图形和工艺参数，控制光束熔化模块、第一金属材料铺粉组件、第二金属材料送粉组件、洗气净化组件和在线监控系统的工作，实现多金属材料的增材制造成形过程的控制。

实施例3

在实施例1、2的基础上，本实施例重点介绍上述多金属材料的增材制造成型系统的使用方法，如图3所示，该使用方法至少包括以下步骤：

SS1.将所需成形的多金属材料的三维模型导入数据处理单元，对其进行切片处理，得到每一层的截面图形和工艺参数；

SS2.将第一金属材料粉末填充在第一金属材料铺粉组件中的储粉仓内，将第二金属材料粉末分别填充在第二金属材料送粉组件中的一级储粉仓和二级储粉仓内，启动洗气净化组件，将材料沉积成形室抽真空并充入保护气，使成形室内的氧含量降低到一预设水平，优选使成形室内的氧含量降低到低于200ppm；

SS3.启动第一金属材料铺粉组件，利用滑块刮刀在成形基板上铺设第一金属材料粉末层，启动光束熔化模块，根据数据处理单元的指令，沿着第一层截面图形的轮廓和填充区域，对第一金属材料粉末层进行激光熔化，形成第一金属材料的第一层成形层；

SS4.启动第二金属材料送粉组件，利用螺杆挤出式送粉头和真空吸粉管路，实现铺粉与吸粉的同步进行，即在成形基板上的指定区域铺设第二金属材料粉末层的同时，将成形基板上的多余或未熔化的第二金属材料粉末吸走，启动光束熔化模块，根据数据处理单元的指令，沿着第一层截面图形的指定区域，对第二金属材料粉末层进行激光熔化，形成第二金属材料的第一层成形层，与第一金属材料的第一层成形层相连接；

SS5.重复步骤SS3、SS4，直到完成所有层的成形，得到多金属材料的三维零件，停止光束熔化模块、第一金属材料铺粉组件、第二金属材料送粉组件和洗气净化组件的工作；

SS6.将成形基板从成形室中取出，将多金属材料的三维零件从成形基板上分离，并至少进行后续的去除支撑结构、表面处理和/或热处理工序，得到最终的多金属材料的零件。

该使用方法利用了上述多金属材料的增材制造成型系统的先进技术特性，包括高效的铺粉与吸粉一体化操作、精密的光束熔化控制、实时的在线监控，以及优化的洗气净化流程，确保了增材制造过程的高效率和零件的高品质。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种多金属材料的增材制造成型系统，包括材料沉积成形室、光束熔化模块、第一金属材料铺粉组件、第二金属材料送粉组件，其特征在于：

--所述材料沉积成形室采用高强度耐高温材料制备并整体形成为一封闭舱室，其底壁上至少设有一顶部开口的成形工作腔，且所述成形工作腔内设有一与驱动元件传动连接并以受控方式上下移动的成形基板；

--所述光束熔化模块整体设置在所述材料沉积成形室的顶壁上，用于提供熔化第一金属材料及第二金属材料原料粉末的精细高能射线热源；

--所述第一金属材料铺粉组件整体设置在所述材料沉积成形室内，至少包括一第一金属材料储粉腔和一第一金属材料铺粉移动平台，其中，

所述第一金属材料储粉腔整体为一顶部开口形成在所述材料沉积成形室的底壁上的腔体，其腔体内设有一与驱动元件传动连接并以受控方式上下移动的推料柱塞，且该储粉腔在第一水平方向上位于所述成形工作腔的一侧，

所述第一金属材料铺粉移动平台至少包括一滑轨横梁和一滑块刮刀，其中，所述滑轨横梁设置在所述材料沉积成形室的底壁上并沿第一水平方向延伸，所述滑块刮刀通过其滑块底座以可滑动方式设置在所述滑轨横梁上且滑块底座与驱动元件传动连接，并在其滑块底座的带动下可由所述储粉腔的顶部开口越过所述成形工作腔的顶部开口并可原路返回；

--所述第二金属材料送粉组件整体设置在所述材料沉积成形室内，至少包括一可沿第一水平方向左右移动的X滑台横梁、一设置在所述X滑台横梁上并可沿沿垂直于第一水平方向的第二水平方向前后移动的Y滑台支架以及固定设置在所述Y滑台支架上的至少一第二金属材料二级储粉仓、一挤粉装置和一真空吸粉管路，还包括一设置在所述材料沉积成形室外的第二金属材料一级储粉仓，其中，

所述X滑台横梁整体沿第二水平方向延伸，其前后两端设置的滑块底座分别设置在两相对布置并沿第一水平方向延伸的支撑横梁上，且至少其中一滑块底座与驱动元件传动连接并在第一水平方向上以受控方式左右移动，

所述Y滑台支架通过其滑块底座设置在所述X滑台横梁上，且滑块底座与驱动元件传动连接并在第二水平方向上以受控方式前后移动，所述挤粉装置居中设置在Y滑台支架上，所述二级储粉仓、真空吸粉管路分别布置在所述挤粉装置的左右两侧，且所述真空吸粉管路与挤粉装置之间保持刚性连接，

所述挤粉装置包括至少一与驱动元件传动连接的螺杆挤出式送粉头，所述螺杆挤出式送粉头整体沿垂直方向延伸且其出粉口在垂直方向上临近所述材料沉积成形室的底壁布置，

所述第二金属材料一级储粉仓通过管路与软管连接的方式与所述第二金属材料二级储粉仓的顶部进口连通，所述第二金属材料二级储粉仓的底部出口通过管路与所述螺杆挤出式送粉头的管状侧壁连通，

所述真空吸粉管路整体为刚性管状部件，至少其下部管段整体沿垂直方向延伸并在水平方向上临近所述螺杆挤出式送粉头的管状侧壁布置，且其下部管段的进粉口在垂直方向上临近所述材料沉积成形室的底壁布置，其上部管段的出粉口通过管路以软管连接的方式与设置在所述材料沉积成形室外的真空抽吸设备连通。

2.根据权利要求1所述的多金属材料的增材制造成型系统，其特征在于，所述材料沉积成形室至少包括有顶壁、底壁和四周侧壁，所述成形工作腔的顶部开口不超过所述底壁的水平基准面且其四周侧壁沿垂直方向向下延伸，所述成形工作腔内的成形基板与驱动元件传动连接并沿其四周侧壁在垂直方向上以受控方式可上下移动。

3.根据权利要求1所述的多金属材料的增材制造成型系统，其特征在于，所述第一金属材料储粉腔的四周侧壁沿垂直方向向下延伸，其腔体内设置的推料柱塞与驱动元件传动连接并沿其四周侧壁在垂直方向上以受控方式可上下移动。

4.根据权利要求1所述的多金属材料的增材制造成型系统，其特征在于，所述第一金属材料铺粉移动平台中，其滑轨横梁的底部固定支撑在所述材料沉积成形室的底壁上并沿第一水平方向延伸，所述滑块刮刀包括一以可滑动方式设置在所述滑轨横梁上的滑块底座和一固定设置在所述滑块底座上的刮刀部件，滑块底座与驱动元件传动连接而沿所述滑轨横梁在第一水平方向上以受控方式左右移动，所述刮刀部件沿第二水平方向延伸且其底部顶抵在所述材料沉积成形室的底壁上，且所述刮刀部件在其滑块底座的带动下可沿第一水平方向由所述第一金属材料储粉腔的顶部开口越过所述成形工作腔的顶部开口并可原路返回。

5.根据权利要求1所述的多金属材料的增材制造成型系统，其特征在于，所述增材制造成型系统还设有一在线监控单元，用于对多金属材料的增材制造成形过程中的铺粉质量以及粉末清理质量进行在线观察，该在线监控单元至少包括若干视觉成像设备，各所述视觉成像设备分布设置在所述材料沉积成形室的策略性位置，以捕捉成形过程中的关键视觉信息，所述关键视觉信息至少包括铺粉过程、粉末回收过程、激光照射区域以及成形金属层冷却状态图像信息。

6.根据权利要求5所述的多金属材料的增材制造成型系统，其特征在于，所述在线监控单元的各视觉成像设备中，其中至少一视觉成像设备设于所述材料沉积成形室的顶壁以捕捉激光熔化区域的整体视角并监测熔化过程和成形质量，至少一视觉成像设备设于所述材料沉积成形室的侧壁以提供成形区域的侧视图并用以评估铺粉层的均匀性和厚度，至少一视觉成像设备设于铺粉和送粉区的上方以实时监控粉末的铺设和送粉行为而确保粉末铺设的准确性，至少一视觉成像设备靠近所述真空吸粉管路下部管段的进粉口位置进行布置以观察粉末回收过程并监测粉末的清理效率，至少一视觉成像设备设置在所述成形基板的正上方以监控成形基板上粉末层的铺设情况和激光熔化后的冷却过程。

7.根据权利要求5所述的多金属材料的增材制造成型系统，其特征在于，所述增材制造成型系统还设有一洗气净化组件，用于对所述材料沉积成形室抽真空并充入惰性保护气体，以保证多金属材料的增材制造成形过程中的气氛质量，该洗气净化组件包括：

至少一设置在所述材料沉积成形室外部的真空抽气设备，且所述真空抽气设备通过管路与所述材料沉积成形室的内部空间连通，用于将材料沉积成形室内的空气抽出，降低成形室内的氧含量，防止金属材料的氧化；

至少一设置在所述材料沉积成形室外部的惰性保护气源，且所述惰性保护气源通过管路与所述材料沉积成形室的内部空间连通，用于向材料沉积成形室内充入惰性保护气体。

8.根据权利要求7所述的多金属材料的增材制造成型系统，其特征在于，所述增材制造成型系统还设有一数据处理单元，用于对多金属材料的三维模型进行切片处理并生成每一层的截面图形和工艺参数，并至少与所述光束熔化模块、第一金属材料铺粉组件、第二金属材料送粉组件、洗气净化组件、在线监控单元通信连接，该数据处理单元包括：

至少一输入接口，用于接收用户输入的多金属材料的三维模型文件；

至少一切片模块，用于对所述三维模型文件进行切片处理，将其分解为多个平行的二维层，每一层对应一个截面图形；

至少一参数生成模块，用于根据所述截面图形和所需成形的多金属材料的特性，生成每一层的工艺参数；

至少一控制模块，用于根据所述截面图形和工艺参数，控制光束熔化模块、第一金属材料铺粉组件、第二金属材料送粉组件、洗气净化组件和在线监控系统的工作，实现多金属材料的增材制造成形过程的控制。

9.一种权利要求8所述的多金属材料的增材制造成型系统的使用方法，其特征在于，所述使用方法至少包括以下步骤：

SS1.将所需成形的多金属材料的三维模型导入数据处理单元，对其进行切片处理，得到每一层的截面图形和工艺参数；

SS2.将第一金属材料粉末填充在第一金属材料铺粉组件中的储粉仓内，将第二金属材料粉末分别填充在第二金属材料送粉组件中的一级储粉仓和二级储粉仓内，启动洗气净化组件，将材料沉积成形室抽真空并充入保护气，使成形室内的氧含量降低到一预设水平；

SS3.启动第一金属材料铺粉组件，利用滑块刮刀在成形基板上铺设第一金属材料粉末层，启动光束熔化模块，根据数据处理单元的指令，沿着第一层截面图形的轮廓和填充区域，对第一金属材料粉末层进行激光熔化，形成第一金属材料的第一层成形层；

SS4.启动第二金属材料送粉组件，利用螺杆挤出式送粉头和真空吸粉管路，实现铺粉与吸粉的同步进行，即在成形基板上的指定区域铺设第二金属材料粉末层的同时，将成形基板上的多余或未熔化的第二金属材料粉末吸走，启动光束熔化模块，根据数据处理单元的指令，沿着第一层截面图形的指定区域，对第二金属材料粉末层进行激光熔化，形成第二金属材料的第一层成形层，与第一金属材料的第一层成形层相连接；

SS5.重复步骤SS3、SS4，直到完成所有层的成形，得到多金属材料的三维零件，停止光束熔化模块、第一金属材料铺粉组件、第二金属材料送粉组件和洗气净化组件的工作；

SS6.将成形基板从成形室中取出，将多金属材料的三维零件从成形基板上分离，并至少进行后续的去除支撑结构、表面处理和/或热处理工序，得到最终的多金属材料的零件。

10.根据权利要求9所述的使用方法，其特征在于，上述步骤SS2中，启动洗气净化组件，将材料沉积成形室抽真空并充入保护气，使成形室内的氧含量降低到低于200ppm。