一体化3D打印头装置、平台及熔丝送粉混合增材制造方法

一体化3d打印头装置、平台及熔丝送粉混合增材制造方法
技术领域
1.本发明属于金属增材制造和再制造修复领域，具体涉及一体化3d打印头装置、平台及熔丝送粉混合增材制造方法。


背景技术：

2.增材制造俗称3d打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，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。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法。按照技术种类划分，则有喷射成型、粘结剂喷射成型、光敏聚合物固化成型、材料挤出成型、激光粉末烧结成型、定向能量沉积成形等。
3.目前在金属3d打印技术方面，定向能量成积成形方式的激光送粉、熔丝增材制造技术由于其材料适应强、打印尺寸范围基本不受限制等优点，其相关技术在各个工业领域已经获得深入的推广和应用。聚焦激光送粉增材制造技术和激光熔丝增材制造技术，两者各自都有其鲜明的技术特点，其中：
4.激光送粉式3d打印的优点包括：高能束激光能量可聚焦成极小的光斑，金属粉末材料可以实现快速熔化，可进行微细件或者小特征局部加工，加工效率高，加工变形和热变形影响小；缺点在于：激光器价格昂贵，粉末利用率低、环境污染大。
5.激光熔丝3d打印技术优点：金属线材制备及成本比金属粉末更经济；金属线材利用率远高于粉末，甚至达到100％；线材定向能量沉积(ded)比粉末沉积更“整洁”；金属线材不会出现爆炸或引起人体呼吸问题；缺点在于：使用激光作为热源，丝材比粉末更难熔化，需要的能量输入更高，线材的输送以及直线度(缺乏直线度)可能会影响打印工艺稳定性。
6.当前，金属激光增材制造应用于航空航天、汽车、电力、航空、冶金、石油及航海等行业。国内外科研机构和企业院所关于激光熔覆送粉工艺装备和激光熔覆送丝工艺装备的研究和应用基本上处于并行关系，在激光送粉熔覆工艺和激光送丝熔覆工艺的开发和应用上各有侧重独立发展，且关于金属激光熔丝仍多采用旁轴送丝工艺和装备。一般来讲，激光旁轴送丝在工件打印过程中存在激光扫描方向性、离焦敏感性、受热不均匀性等问题，增大了成形控制系统的复杂性。目前还未出现将两者的优点结合起来开发兼顾同轴熔丝送粉3d打印制造工艺优点的技术。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一体化3d打印头装置、平台及熔丝送粉混合增材制造方法，解决了现有的激光旁轴送丝存在的上述不足。
8.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
9.本发明提供的一种激光同轴熔丝送粉混合增材制造方法，包括控制系统，所述控制系统分别与激光发射单元、送粉单元和送丝单元连接，其中，激光发射单元的发射端入射
在基板上形成熔池；所述送粉单元用于将金属粉末入射沉积在基板上上的聚焦光斑熔池中间位置处；所述送丝单元用于将金属丝材送入至基板上的聚焦光斑熔池中心处；同时，所述送丝单元置于送粉单元的内腔中，且与送粉单元同轴布置。
10.优选地，所述激光发射单元包括激光器和至少三个激光器输出头，其中，所述激光器的发射端分别与多个激光器输出头连接；该至少三个激光器输出头的输出端入射至聚焦耦合输出头的接收端；所述聚焦耦合输出头的输出端入射至基板上。
11.优选地，该至少三个激光器输出头以送丝单元的输出端为中心呈环形结构布置。
12.优选地，所述送粉单元包括送粉器、送粉管和送粉喷嘴，其中，所述送粉器的出料口连接送粉管的入料口，所述送粉管的出料口连接送粉喷嘴。
13.优选地，所述送粉单元还包括用于对送粉喷嘴位置进行微调的第一精密调节单元。
14.优选地，所述送丝单元包括金属丝盘、送丝组件、中心导管和送丝导嘴，其中，所述金属丝盘上的金属丝一端依次经过送丝组件和中心导管伸入至送丝导嘴内。
15.优选地，所述送丝单元还包括用于对中心导管位置进行微调的第二精密调节单元。
16.一种移动系统平台，所述该移动系统平台上安装有所述的一体化3d打印头装置。
17.一种激光同轴熔丝送粉混合增材制造方法，包含以下步骤：
18.步骤1，利用权利要求1-7中任一项所述的一体化打印头装置进行熔池光斑共聚焦调整；
19.步骤2，根据待加工的产品类型规划3d打印工艺流程。
20.优选地，步骤2中，根据待加工的产品类型规划3d打印工艺流程的具体方法是：
21.通过送粉单元进行3d打印的工艺流程：
22.送粉单元和气体保护单元处于工作状态，送丝单元处于关闭状态；利用送粉单元进行熔融固化成型打印；
23.通过送丝单元进行3d打印的工艺流程：
24.送丝单元和气体保护单元处于工作状态，送粉单元处于关闭状态；利用送丝单元进行熔融固化成型打印；
25.通过送丝单元和送粉单元进行3d打印的工艺流程：
26.送粉单元和气体保护单元处于工作状态，送丝单元处于关闭状态；利用送粉单元进行熔融固化成型打印；
27.送粉单元关闭，送丝单元打开，利用送丝单元进行熔融固化成型打印，得到最终的产品；
28.通过送丝单元和送粉单元同时进行3d打印的工艺流程：
29.送粉单元、送丝单元和气体保护单元处于工作状态；按照工艺要求的材料配置关系，利用送粉单元和送丝单元将金属粉末和金属丝同时送入至熔池光斑处进行熔融固化成型打印。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31.本发明提供的一体化3d打印头装置，能够同时兼顾激光送粉和激光熔丝的工艺优点；在金属3d打印增材制造过程中，利用该发明的方法和装置，在需要高效率时使用熔丝金
属3d打印以提高制造效率，在需要制造包含精细和局部特征部位的零件时切换为激光送粉3d打印以实现细小特征的近净成型，进一步可以利用金属丝材和粉材的双通道送进模式，进行异种金属材料的在激光熔池的动态混合，以实现新合金材料零件的创新开发和金属复合材料的一体化混合制造。
32.该工艺方法可单独将丝材或者粉末送入环形阵列激光器输出头共聚焦产生的圆形光斑内进行熔融成型；可优先使用金属丝材熔融成型，提高打印效率，若遇到由于丝材干涉无法成型的部位或者具有高精度要求的部位，可替换使用激光送粉熔覆制造；与此同时，还可通过按需可控的双通道打印方式，将金属粉末和丝材按照一定的控制要求、比例、时间等进行打印沉积，形成包含多种材料混合的金属零件。
附图说明
33.图1为本发明实施例中一体化打印头送粉熔覆打印工艺；
34.图2为本发明实施例中一体化打印头送丝熔覆打印工艺；
35.图3为本发明实施例中一体化打印头送粉、送丝熔覆打印工艺；
36.图4为本发明实施例中一体化打印头丝、粉同送熔覆打印工艺；
37.图5为本发明实施例中一体化打印头的结构原理图主视图；
38.图6为本发明实施例中一体化打印头的结构原理图左视图；
39.图7为激光光束光斑耦合聚焦示意图；
40.其中，1、运动机构；2、一体化打印头；2-1、控制系统；2-2、金属丝盘，2-3、送粉器；2-4、光束分束耦合器；2-5、激光器，2-6、送丝软管；2-7、送丝组件；2-8、送粉管道；2-9、多束光纤；2-10、送粉管、2-11、第一送丝导嘴微调机构；2-12、第二送丝导嘴微调机构；2-13-1、第一激光器输出头；2-13-2、第二激光器输出头；2-13-3、第三激光器输出头；2-14、输出头光路；2-15、气体保护导嘴；2-16、第一送粉喷嘴微调机构；2-17、第二送粉喷嘴微调机构；2-18、基板；
41.3、送粉喷嘴；4、送丝导嘴；5、金属粉末；6、熔池，7、气体保护；8、打印工件；9、金属丝材；10、丝材打印工件；11、第一一体化打印头位置；12、第二一体化打印头位置；13、丝材熔道；14、粉末熔道；15、异种材料构件；16、多工艺成型零件16；17、中心导管。
具体实施方式
42.为了对本发明作出进一步的说明，通过下面实施例对本发明提供的一种激光同轴熔丝送粉混合增材制造工艺方法及一体化3d打印头装置进行详细的说明。
43.如图1至图7所示，本发明提供的一种激光同轴熔丝送粉一体化3d打印头装置，包括控制系统，所述控制系统分别与激光发射单元、送粉单元、送丝单元和气体保护单元连接，其中，激光发射单元的发射端入射在基板上；所述送粉单元用于将金属粉末入射沉积在基板上的聚焦光斑中间位置处；
44.所述送丝单元用于将金属丝材送入至基板上的聚焦光斑中心处；
45.所述气体保护单元用于对打印熔池区域建立局部的气氛保护。
46.所述激光发射单元包括激光器2-5、光束分束耦合器2-4、激光器输出头(2-13-1、2-13-2、2-13-3)，其中，所述激光器2-5的发射端入射至光束分束耦合器2-4的接收端，所述
光束分束耦合器2-4的输出端通过光纤2-9分别连接有至少三个激光输出头。
47.所述激光发射单元包括激光器2-5、多束光纤2-9、激光器输出头(2-13-1、2-13-2、2-13-3)，其中，所述激光器2-5的发射端入射至多束光纤2-9的接收端，所述多束光纤2-9的输出端分别连接有至少三个激光输出头。
48.该至少三个激光器输出头的发射端入射至基板2-18上。
49.该至少三个激光器输出头呈环形结构布置。
50.该至少三个激光器输出头的椭圆形光斑在基板2-18的水平面上的投影为共聚焦的接近圆形的光斑。
51.所述送粉单元包括送粉器2-3、送粉管道2-8、送粉管2-10和送粉喷嘴3，其中，所述送粉器2-3的出料口通过送粉管道2-8连接送粉管2-10的入料口，所述送粉管2-10的出料口连接送粉喷嘴3。
52.所述送粉单元还包括用于对送粉喷嘴3位置进行微调的第一精密调节单元。
53.所述第一精密调节单元包括第一送粉喷嘴微调机构2-16和第二送粉喷嘴微调机构2-17，其中，第一送粉喷嘴微调机构2-16和第二送粉喷嘴微调机构2-17均固定安装与一体化打印头上2上，且两者微调机构的前端与送粉喷嘴3相互接触，同时，两者的夹角为90
°
。
54.所述送丝单元包括金属丝盘2-2、送丝软管2-6、送丝组件2-7、中心导管和送丝导嘴4，其中，所述金属丝盘2-2上的金属丝一端依次经过送丝软管2-6、送丝组件2-7和中心导管17伸入至送丝导嘴4内。
55.所述送丝单元还包括用于对中心导管位置进行微调的第二精密调节单元。
56.所述第二精密调节单元包括第一送丝导嘴微调机构2-11和第二送丝导嘴微调机构2-12，其中，第一送丝导嘴微调机构2-11和第二送丝导嘴微调机构2-12固定安装与一体化打印头上2上，且两者微调机构的前端与中心导管3相互接触，同时两者的夹角为90
°
。
57.所述送粉管2-10和送丝管2-6均安装在一体化打印头2安装壳体的上端，且送粉管套装在送丝管上；所述送丝导嘴4、中心导管17置于送粉喷嘴3的内腔中；所述送粉管、送丝管、送粉喷嘴、中心导管和送丝导嘴均是同轴布置。
58.所述送粉喷嘴3和送丝导嘴4均采用螺纹连接的方式固定在打印头安装壳体的下端，且其出口均置于打印头安装壳体的外侧。
59.所述气体保护单元包括气体保护导嘴2-15，其中，所述气体保护导嘴2-15安装在打印头安装壳体的下端，且所述送粉喷嘴3和送丝导嘴4置于气体保护导嘴2-15的内腔中。
60.所述激光输出头的发射端与一体化打印头回转中心轴线之间设置有一定的倾角。
61.本发明提供一种移动系统平台，所述该移动系统平台上安装有该一体化3d打印头装置；所述移动系统平台包括机床、机器人或者其它可按照成型指令进行精密运动的设备。
62.本发明还提供一种激光同轴熔丝送粉混合增材制造方法，包含以下步骤：
63.步骤1，利用该一体化打印头装置进行熔池光斑共聚焦调整，具体如图5至图7所示：
64.s11，通过控制系统2-1将激光器2-5打开，激光器2-5发射的激光通过光束分束耦合器2-4形成多束激光光束，多数激光光束通过光纤2-9输送至三个激光器输出头(2-13-1、2-13-2、2-13-3)；
65.s12，该三个激光器输出头(2-13-1、2-13-2、2-13-3)将光束经过聚焦耦合输出头
2-14进行耦合光束，耦合形成的光斑将熔池光斑6-1变换为熔池光斑6-2；
66.s13，通过两个送丝导嘴微调机构(2-11、2-12)将经过中心导管17，送丝导嘴4送出的金属丝9在水平面内进行调整至熔池光斑6-2中间；
67.s14，通过送粉导嘴的微调机构(2-16、2-17)将送粉导嘴3送出的金属粉末9在水平面内调整至熔池光斑6-2中间；
68.步骤2，根据待加工的产品类型规划3d打印工艺流程，其中，通过送粉增材制造3d打印的工艺流程，如图1、图5、图6所示：
69.s21a，利用控制系统2-1使送粉器2-3、激光器2-5处于工作状态，且送丝组件2-7停止工作；气体保护导嘴(2-15)打开，利用其构建气体保护7；
70.s22a，送粉器2-3通过送粉管道2-8和送粉管2-10将金属粉末5送至送粉喷嘴3；
71.s23a，送粉喷嘴3输出的金属粉末5进入在基板2-18上形成的熔池光斑6-2处进行熔融固化成型；
72.s24a，控制系统2-1根据预先设定的指令驱动运动机构1，构建所需要的的零件形状，最终打印成型打印零件8；
73.通过送丝增材制造3d打印的工艺规划，如图2、5、6所示：
74.s21 b，使用控制系统2-1使送丝组件器2-7、激光器2-5处于工作状态、送粉器2-3停止工作，气体保护导嘴2-15打开，利用其构建气体保护7；
75.s22b，送丝组件2-7通过送粉管道2-6将金属丝盘2-2的金属丝9送至送丝导嘴4；
76.s23b，送丝导嘴4输出的金属丝9进入在基板2-18上形成的熔池光斑6-2处进行熔融固化成型；
77.s24b，控制系统2-1根据预先设定的指令驱动运动机构1，根据工艺规划构件所需要的的零件形状，最终打印成型打印零件8；
78.通过送粉、送丝增材制造3d打印的工艺规划，如图3、5、6所示：
79.s21c，使用控制系统2-1使送粉器2-3、激光器2-5处于工作状态、送丝组件2-7停止工作，气体保护导嘴2-15打开，利用其构建气体保护7；
80.s22c，送粉器2-3通过送粉管道2-8和送粉管2-10将金属粉末5送至送粉喷嘴3；
81.s23c，送粉喷嘴3输出的金属粉末5进在基板2-18上形成的熔池光斑6-2处进行熔融固化成型；
82.s24c，控制系统2-1根据预先设定的指令驱动运动机构1，根据工艺规划构件所需要的的零件形状，运动机构1移动至第一一体化打印头位置11，最终打印成型打印零件13；
83.s25c，在打印零件13完成后，无需更换相关组件，使用控制系统2-1使送丝组件器2-7处于工作状态、送粉器2-3停止工作，气体保护导嘴2-15打开，利用其构建气体保护7；
84.s26c，送丝组件2-7通过送丝管道2-6将金属丝盘2-2的金属丝9送至送丝导嘴4；
85.s27c，送丝导嘴4输出的金属丝9进入熔池光斑6-2处在打印零件13上继续熔融固化成型；
86.s28c，控制系统2-1根据预先设定的指令驱动运动机构1，根据工艺规划构件所需要的的零件形状，打印成型零件14，运动机构1移动至第二一体化打印头位置12，最终打印成型多工艺成型零件16；
87.通过粉、丝同送的增材制造3d打印工艺规划，如图4、5、6所示：
88.s21 d，使用控制系统2-1使送丝组件器2-7、送粉器2-3、激光器2-5处于工作状态，气体保护导嘴2-15打开，其构建气体保护7；
89.s22d，根据控制系统2-1相关材料要求配比，送丝组件2-7通过送粉管道2-6将金属丝盘2-2的金属丝9送至送丝导嘴4，送粉器2-3通过送粉管道2-8和送粉管2-10将金属粉末5送至送粉喷嘴3；
90.s23d，送丝导嘴4输出的金属丝9，送粉器2-3通过送粉管道2-和送粉管2-10将金属粉末5，按照控制系统2-1要求的材料配置关系，同时进入形成的熔池光斑6-2处进行熔融固化成型；
91.s24d，控制系统2-1根据预先设定的指令驱动运动机构1，根据工艺规划构件所需要的的零件形状，最终打印成型异种材料构件15。
92.本发明能够分别单独使用同轴送丝通道和送粉通道分别将金属丝材或者粉末送入环形阵列激光器输出头共聚焦产生的圆形光斑内进行熔融成型，实现金属零件的3d打印制造和修复；
93.当需要打印成型或者修复复杂零件时，一方面由于丝材干涉无法成型的部位或者具有高精度要求的部位可使用送粉打印制造，另一方面需要快速成型的部位可以使用金属丝材熔融成型，提高打印效率，需要送粉和送丝打印工艺的连续切换；通过同步熔丝、送粉的双通道打印，将金属粉末和丝材按照一定的控制要求、比例、时间打印沉积形成多种材料混合金属零件。
94.进一步的需要进行制造精密零件或者进行精密的零件修复时，使用控制系统将送粉器、激光器打开、保护气体打开，阵列输出头的输出光束在基板或者零件上建立熔池，送粉器将通过一体化打印头内部的送粉通道将金属粉末送入熔池中，移动平台按照控制系统指令进行多轴插补运动，带动一体化3d打印头在基板上完成零件的制造或者修复；
95.进一步的需要进行高效率的零件制造或者修复工作时，首先使用控制系统将送丝系统、激光器打开、一体化打印头保护气体打开，激光器安装在一体化打印头上的阵列输出头在基板或者零件上建立熔池，送丝系统将金属丝送入熔池中，移动平台按照控制系统指令进行多轴插补运动，带动一体化3d打印头在基板上完成零件的打印或者修复；
96.进一步的在需要不更换增材制造打印头的情况下，即可完成高精度和高效率的零件打印或者修复时，先使用控制系统将送丝系统、激光器打开、一体化打印头保护气体打开，激光器安装在一体化打印头上的阵列输出头在基板或者零件上建立熔池，送丝系统将金属丝送入熔池中，移动平台按照控制系统指令进行多轴插补运动，完成激光同轴送粉打印和修复的相关工艺，完成相关指令后，送粉器停止工作；然后立即开启送丝器，将金属丝材送入一体化打印头上阵列输出头在基板或者零件上建立熔池，在送粉打印的零件或者修复部位，继续利用丝材进行材料的熔融添加，实现在不需要更换打印头的条件下，实现粉末打印和丝材打印的任意切换。
97.进一步的需要进行混合金属材料零件的制造或者修复时，使用控制系统将送丝系统、送粉器、激光器打开、一体化打印头保护气体打开，一体化3d打印头上的阵列输出头输出的光束在基板或者零件上建立熔池，送丝器通过同轴送丝通道金属丝材送入熔池中，送粉器通过送粉管道将粉末也同时送入熔池中，其中送丝速度和送粉速度按照控制系统指令进行编程设计，将两种不同金属按照配比关系送入熔池中，移动平台按照控制系统指令进
行多轴插补运动，带动一体化打印头在基板上完成零件的制造或者零件修复，形成多种材料混合的金属零件的制造或者修复。
98.该激光同轴熔丝送粉混合增材制造方法及一体化3d打印头装置能够同时兼顾激光送粉和激光熔丝3d打印各自的技术优点，具体地：
99.(1)环形阵列的多个激光输出头提供高效的激光功率，而线材和粉末材料输送占据独立通道，可以分别实现同轴送粉熔融增材制造成型和同轴送丝熔融增材制造成型；
100.(2)粉末和线材同时沉积的过程中进行双模式送料，实现两种不同金属材料的动态混合熔融工艺，实现多相混合的金属复合材料在线制造；
101.(3)使用一种激光器进行多光束输出的分割，实现多路环形阵列激光能量输出，节约成本，减小设备占地空间
102.(4)入射光束呈角度入射在水平面的投影为圆形光斑，从而多光束的聚焦光斑旁瓣能量小，能量集中且分布均匀，使熔池小，打印成型精度高
103.(5)提出并开发一种无需更换喷嘴的光内同轴送丝、送粉功能的集成装置，能够分别实现金属丝材与聚焦光斑、粉末熔池与聚焦光斑对准的在线调整；
104.(6)环形阵列多光束同轴熔丝送粉一体化3d打印头的同轴送丝、送粉熔覆具有专门的惰性气体气氛保护喷嘴，提高打印材料的性能。