一种基于激光诱导击穿光谱的功能梯度材料增材制造系统的制作方法

1.本实用新型涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种基于激光诱导击穿光谱的功能梯度材料增材制造系统。


背景技术：

2.增材制造技术是通过材料逐步累积形成三维零件的一种技术，它通过三维造型软件对零件进行切片和扫描路径规划，然后利用高能激光束照向材料粉末，使材料粉末快速熔化和凝固，层层堆积形成所要的零件。
3.功能梯度材料即材料的组分和结构从材料的某一方位向另一方位连续地变化，使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型材料。现有的增材制造技术一般只能实现单一材料的成形制造，而无法实现功能梯度材料的成形制造。部分增材制造设备通过对铺粉装置的改进，可以实现多种材料粉末的混合，但由于混合粉末的配比难以精确地控制，因此难以制造高性能的功能梯度材料。
4.激光诱导击穿光谱（libs）技术是一种材料成分检测技术，该技术使用高能激光脉冲聚焦于样品表面，当高能激光聚焦于材料表面并达到光学击穿阈值时，样品被聚焦处的部分材料会转化成等离子状态，然后使用信号采集仪收集来自等离子体的光谱，并利用光谱仪分析收集到的光谱信息，从而可以准确确定被测样品的组成成分。libs检测具有实时、快速、现场原位检测和多元素同时检测的优点。另外，使用libs技术检测的样品状态可以是固态、液态甚至是气态，而且样品无需进行预处理。从原理上讲，激光诱导击穿光谱可以检测所有元素，如果已知待分析材料的成分，则可以使用libs来评估每种组成元素的相对丰度。
5.将激光诱导击穿光谱（libs）技术和增材制造技术进行结合，可以实现对不同材料混合粉末的配比进行精确检测的目的，从而实现高精度、高性能功能梯度材料的快速成形制造。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种基于激光诱导击穿光谱的功能梯度材料粉末预混合增材制造系统，具有材料混合粉末的配比精确检测、实时调节的特点。
7.本实用新型采用的技术方案是：
8.一种基于激光诱导击穿光谱的功能梯度材料增材制造系统，包括成形室，所述成形室内设有光纤激光器，所述的光纤激光器产生成形激光光束；成形激光光束依次通过光束隔离器、扩束镜、扫描振镜、f
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θ镜后，聚焦于成形室底部的成形缸内的混合粉末的表面，使混合粉末熔化；当成形激光光束离开混合粉末表面后，已经熔化的混合粉末凝固形成成形件；
9.成形室底部设有铺粉辊筒，铺粉辊筒将混合粉末均匀地铺平于成形缸已有混合粉末的上表面，多余的混合粉末在铺粉辊筒的作用下进入粉末回收缸成形缸底部设有第一升
降台回收缸底部设有第二升降台；
10.所述成形室内还设有用于产生混合粉末的粉末混合系统，所述粉末混合系统包括至少2个储粉罐，每个储粉罐底部均设有出粉口，出粉口设有由计算机控制的阀门；各个出粉口的粉末落入粉末预混合装置中；所述粉末预混合装置可以旋转或振动，以使粉末混合均匀；粉末预混合装置下方设有由计算机控制的阀门，可使粉末预混合装置内的粉末落入成形室底部；
11.所述粉末预混合装置上方设有libs粉末成分检测系统，libs粉末成分检测系统，包括libs激光器libs激光器通过x
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y扫描系统将检测激光束投射于粉末预混合装置中存储的混合粉末表面，在混合粉末表面制造阵列型的检测点，并将信号传输给计算机；光谱仪通过检测由检测激光束在混合粉末表面所制造的处于等离子体状态的检测点的光谱信息，得到混合粉末的成分与含量信息。
12.进一步的，所述的粉末预混合装置为漏斗状
13.进一步的，所述粉末预混合装置底部设有振动电机，且粉末预混合装置通过传动带与电机连接；所述振动电机使粉末预混合装置上下振动，电机通过传动带使粉末预混合装置转动。
14.进一步的，libs激光器、x
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y扫描系统和光谱仪均通过光纤与计算机连接。
15.进一步的，所述成形室连接有保护气室，保护气室提供保护气体，防止粉末氧化，保护粉末的检测过程和成形过程。
16.进一步的，所述的计算机控制通过光谱仪得到粉末预混合装置中存储的混合粉末的成分与含量信息，根据混合粉末的成分与含量信息调节各个储粉罐中存储粉末进入粉末预混合装置的体积，实现混合粉末粉末成分比例的精确控制
17.本实用新型的有益效果是：
18.（1）利用激光诱导击穿光谱（libs）技术，可以精确检测多种混合粉末的粉末配比，并实时记录材料混合粉末的均匀性；
19.（2）可以利用激光诱导击穿光谱检测信息，对多种材料混合粉末的配比进行实时调节，从而实现高精度、高性能功能梯度材料的快速成形制造；
20.（3）粉末预混合装置，通过电机的转动和振动，可以使混合粉末混合地更加均匀。
附图说明
21.图1是本实用新型的结构示意图。
22.图2是本实用新型的粉末预混合装置的俯视图。
23.图3是本实用新型的功能梯度热电材料试样的结构示意图。
24.图中：1.成形室，2.保护气室，3.光纤激光器，3a.光纤一，4.光束隔离器，5.扩束镜，6.扫描振镜，7.f
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θ镜，8.成形件，9.混合粉末，10.成形激光光束，11.第一储粉罐，12.第一出粉口，13.第一阀门，14.第一阀门控制电机，14a.光纤二，15.第二储粉罐，16.第二出粉口，17.第二阀门，18.第二阀门控制电机，18a.光纤三，19.libs激光器，19a.光纤四，20.x
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y扫描系统，20a.光纤五，21.光谱仪，21a.光纤六，22.检测激光束，23.粉末预混合装置，24.电机，25.传动带，26.振动电机，27.铺粉辊筒，28.成形缸，29.第一升降台，30.粉末回收缸，31.第二升降台，32.计算机控制系统，33.检测点，34.第三阀门，35.第三阀门控制电机，
35a.光纤七，36.功能梯度热电材料。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。
26.如图1、图2所示，本实用新型包括粉末预混合装置，libs粉末成分检测系统，增材制造系统和控制系统。
27.所述的粉末混合系统，包括第一储粉罐11，第一出粉口12，第二储粉罐15，第二出粉口16，粉末预混合装置23；所述的第一出粉口12位于第一储粉罐11的下面，第二出粉口16位于第二储粉罐15的下面，不同类型的粉末材料分别储藏于第一储粉罐11或第二储粉罐15；第一储粉罐11中储存的粉末经过第一出粉口12后可落入粉末预混合装置23中，第二储粉罐15中储存的粉末经过第二出粉口16后也落入粉末预混合装置23中。
28.所述的libs粉末成分检测系统，包括libs激光器19，x
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y扫描系统20，光谱仪21；所述的libs激光器19通过x
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y扫描系统20将检测激光束22投射于粉末预混合装置23中存储的混合粉末9表面；所述的光谱仪21通过检测由检测激光束22在混合粉末9表面所制造的处于等离子体状态的检测点33的光谱信息，得到混合粉末9的成分与含量信息；
29.所述的增材制造系统，包括成形室1，保护气室2，光纤激光器3，光束隔离器4，扩束镜5，扫描振镜6，f
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θ镜7，铺粉辊筒27，成形缸28，第一升降台29，粉末回收缸30，第二升降台31；所述的光纤激光器3产生成形激光光束10；成形激光光束10通过光束隔离器4、扩束镜5、扫描振镜6、f
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θ镜7后，聚焦于混合粉末9的表面，使混合粉末9熔化；当成形激光光束10离开混合粉末9表面后，已经熔化的混合粉末9凝固形成成形件8；所述的光束隔离器4用于阻挡反射激光；所述的扩束镜5用于对光束进行扩展，改善光束的准直特性；所述的扫描振镜6用于改变成形激光光束10的路径；所述的f
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θ镜7用于将成形激光光束10在混合粉末9的成形表面上形成均匀大小的聚焦光斑；所述的铺粉辊筒27用于将混合粉末9均匀地铺平于成形缸28已有混合粉末9的上表面，多余的混合粉末9在铺粉辊筒27的作用下进入粉末回收缸30；当一层混合粉末9熔化成形完成以后，第一升降台29下降一层的高度，铺粉辊筒27重新开始铺粉，开始新的一层的打印工作；第二升降台31通过下降的方式，调节粉末回收缸30中贮存粉末的高度，使粉末高度不高于成形室1的底面。
30.所述的控制系统，包括光纤一3a，第一阀门13，第一阀门控制电机14，光纤二14a，第二阀门17，第二阀门控制电机18，光纤三18a，光纤四19a，光纤五20a，光纤六21a，电机24，传动带25，振动电机26，计算机控制系统32，第三阀门34，第三阀门控制电机35，光纤七35a；所述的计算机控制系统32与光纤一3a，光纤二14a，光纤三18a，光纤四19a，光纤五20a，光纤六21a，光纤七35a相连接；所述的计算机控制系统32通过光纤一3a控制光纤激光器3产生成形激光光束10；所述的第一阀门控制电机14与第一阀门13相连接，可以控制第一阀门13的开闭，因此，所述的计算机控制系统32通过光纤二14a控制第一阀门控制电机14，并间接地控制第一阀门13的开闭；所述的第二阀门控制电机18与第二阀门17相连接，可以控制第二阀门17的开闭，因此，所述的计算机控制系统32通过光纤三18a控制第二阀门控制电机18，并间接地控制第二阀门17的开闭；所述的计算机控制系统32通过光纤四19a控制libs激光器19产生检测激光束22，并通过光纤五20a控制x
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y扫描系统20来改变检测激光束22的方向，使其能够在粉末预混合装置23中的混合粉末9表面上取得多个检测点33；所述的计算机
控制系统32通过光纤六21a控制光谱仪21，检测检测点33的光谱信息，进而得到混合粉末9的成分与含量信息；所述的第三阀门控制电机35与第三阀门34相连接，可以控制第三阀门34的开闭，因此，所述的计算机控制系统32通过光纤七35a控制第三阀门控制电机35，并间接地控制第三阀门34的开闭；所述的电机24通过传动带25带动粉末预混合装置23转动，振动电机26与粉末预混合装置23相连接，位于粉末预混合装置23的下方，使粉末预混合装置23发生振动。
31.所述的第一储粉罐11或第二储粉罐15的数量不受限制，储粉罐的数量可根据粉末材料种类的增多而增加。
32.所述的粉末预混合装置23为漏斗形状的容器，下方有开口，可将混合粉末9铺于成形室1的底面上。
33.所述的保护气室2与成形室1相连，保护气室2提供保护气体，防止粉末氧化，保护粉末的检测过程和成形过程；
34.所述的计算机控制系统32通过光谱仪21检测得到的粉末预混合装置23中存储的混合粉末9的成分与含量信息，调节第一储粉罐11和第二储粉罐15中存储粉末进入粉末预混合装置23的体积，进而实现混合粉末9粉末成分比例的精确控制。
35.如图1、图2所示，所述的x
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y扫描系统20可以改变检测激光束22的方向，通过在混合粉末9表面制造阵列型的检测点33，并将信号传输给计算机控制系统32，来精确分析粉末预混合装置23中存储的混合粉末9的成分及含量。
36.为能进一步了解本实用新型的本实用新型内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
37.如图3所示，功能梯度材料由两种或多种复合且成分和结构呈连续梯度变化的材料，如功能梯度热电材料36，由低温材料碲化铋（bi2te3）和中温材料碲化铅（pbte）组成，低温材料碲化铋（bi2te3）适用于低温区间，中温材料碲化铅（pbte）适用于中温区间，碲化铋和碲化铅的配比从1:0逐渐地过渡到0:1，实现功能梯度热电材料36的热电性能的连续变化，从而使功能梯度热电材料36在整个温差区间内都具备较好的热电转换性能。
38.为了制造这种功能梯度热电材料36，如图1、图2、图3所示，计算机控制系统32首先根据打印的具体阶段，确定低温材料碲化铋（bi2te3）和中温材料碲化铅（pbte）的配比。然后，计算机控制系统32通过光纤二14a控制第一阀门控制电机14，并间接地控制第一阀门13的开闭时间，使一定量的bi2te3粉末从第一储粉罐11内下落至粉末预混合装置23中，同时，计算机控制系统32通过光纤三18a控制第二阀门控制电机18，并间接地控制第二阀门17的开闭时间，使一定量的pbte粉末从第二储粉罐15内下落至粉末预混合装置23中。粉末预混合装置23在电机24和传动带25的带动下发生转动，在振动电机26的作用下发生振动，使粉末混合均匀。
39.高性能的功能梯度热电材料36需要热电材料在各个区域都能达到精确的混合比例，而初步的预混合过程由于存在粉末下落较快，粉末下落速度不均匀等各种不可控因素，容易导致预混合粉末的混合比例偏离既定的比例。因此需要通过激光诱导击穿光谱（libs）装置检测粉末的成分和比例，通过反馈对粉末的混合比例进行调整。
40.计算机控制系统32通过光纤四19a控制libs激光器19产生检测激光束22，并通过光纤五20a控制x
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y扫描系统20来改变检测激光束22的方向，使其能够在粉末预混合装置23
中的混合粉末9表面上取得多个检测点33。检测点33会在激光束22的作用下产生等离子体，并发出光谱信息。随后，计算机控制系统32通过光纤六21a控制光谱仪21，检测检测点33上等离子体的光谱信息，进而得到混合粉末9的成分与含量信息；最后，计算机控制系统32通过光谱仪21收集到的信息，对第一阀门13和第二阀门17的开闭进行微调，使适量的bi2te3粉末和pbte粉末下落至粉末预混合装置23中，同时粉末预混合装置23进行转动和振动，使粉末进一步混合均匀。
41.计算机控制系统32通过光纤七35a控制第三阀门控制电机35，并间接地控制第三阀门34的开闭，让粉末预混合装置23中的混合粉末9下落到成形室1的底面上，再通过铺粉辊筒27将混合粉末9均匀地铺平于成形缸28已有混合粉末9的上表面，多余的混合粉末9在铺粉辊筒27的作用下进入粉末回收缸30。
42.计算机控制系统32通过光纤一3a控制光纤激光器3产生成形激光光束10，成形激光光束10通过光束隔离器4、扩束镜5、扫描振镜6、f
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θ镜7后，聚焦于混合粉末9的表面，使混合粉末9熔化。当成形激光光束10离开混合粉末9表面后，已经熔化的混合粉末9凝固形成成形件8。光束隔离器4用于阻挡反射激光；扩束镜5用于对光束进行扩展，改善光束的准直特性；扫描振镜6用于改变成形激光光束10的路径；f
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θ镜7用于将成形激光光束10在混合粉末9的成形表面上形成均匀大小的聚焦光斑。
43.当一层混合粉末9熔化成形完成以后，第一升降台29下降一层的高度，铺粉辊筒27重新开始铺粉，开始新的一层的打印工作；第二升降台31通过下降的方式，调节粉末回收缸30中贮存粉末的高度，使粉末高度不高于成形室1的底面。保护气室2与成形室1相连，保护气室2提供保护气体，防止粉末氧化，保护粉末的检测过程和成形过程。
44.加工完成的功能梯度热电材料36的结构如图3所示。
45.上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。