一种激光3D打印多金属材料成型装置及其工作方法

一种激光3d打印多金属材料成型装置及其工作方法
技术领域
1.本发明涉及增材制造技术领域，具体地说，涉及一种激光3d打印多金属材料成型装置及其工作方法。


背景技术：

2.作为增材制造技术中的一种，激光选区熔化(selective laser melting,slm)基于“离散 堆积”原理，利用三维设计软件设计三维模型，转化为二维数据信息转入到成型设备中，采用高能激光束作为热源对粉末原材料进行逐点熔化、逐道搭接、逐层叠加，无需模具和刀具，最终成形出具有复杂几何空间结构的高精度、高性能零部件，已广泛应用于航空航天、船舶海工、汽车工业、生物医疗等领域。
3.目前，国内的激光选区熔化设备只能成型一种材料，无法满足行业对于多种材料一体化零件成型的要求，一旦开舱换粉将影响成型的连续性，不利于性能的保障，限制了应用。中国专利cn106735218b公开了一种旋转式多缸多材料激光选区熔化成型装置与方法，旋转式成型缸机构和旋转式粉料缸机构并排设置在铺粉机构的一侧，旋转式成型缸机构的成型缸转轴和旋转式粉料缸机构的粉料缸转轴连成的直线与铺粉机构的直线导轨相平行，铺粉机构铺粉刷作业时，将旋转式粉料缸机构上的粉末平铺至旋转式成型缸机构上，供激光器在旋转式成型缸机构上方进行作业，实现异种材质和多个零件的循环加工，提高工作效率，但零件成型尺寸受到限制，送粉缸占据成型舱内部空间，且回收的粉末材料易受到污染。中国专利cn108907189a公开了一种基于金属3d打印的多材料成型装置与方法，利用漏粉嘴根据漏粉路径漏粉，将漏粉装置与铺粉装置有机结合，提高多材料适用性，但粉末仍然无法分开回收，且铺粉条运行过程中对漏粉管拉扯，容易造成漏粉管断开导致气体泄漏，引起扬尘。因此，需要研究一种满足多种材料成型、粉末原材料单独回收、兼顾送粉和铺粉优势的激光选区熔化设备。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决背景技术中存在的问题和不足，提供一种激光3d打印多金属材料成型装置及其工作方法。
5.本发明将不同金属粉末材料分别回收，兼具送粉机构的实时输送与铺粉机构的压实能力，实现了多种金属材料的一体化快速成型。
6.为达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：
7.一种激光3d打印多金属材料成型装置，包括光路系统，还包括底板、集粉模块、左立板、右立板、落粉模块、送粉机构、滑轨、滑动连接块、后刮刀、l型支架、储粉条和前刮刀，所述底板、左立板和右立板组成成型舱体，所述集粉模块位于所述底板下方前端，所述落粉模块和所述送粉机构位于所述底板上方后侧，所述送粉机构位于所述落粉模块后方。
8.所述左立板和所述右立板内侧平行设有一对所述滑轨，所述滑轨上方对称设有两对所述l型支架，所述储粉条的两端分别通过一个所述滑动连接块滑动设置在所述滑轨上，
所述储粉条一侧设有所述后刮刀，另一侧设有所述前刮刀。
9.所述底板上设有成型缸、第一成型基板、第二成型基板、第一活塞、第二活塞、收粉缸、落粉口和收粉通道，所述收粉缸设在所述底板前端，所述收粉缸与所述底板的交汇处形成所述落粉口，所述收粉缸下端连接有所述收粉通道，所述底板上位于所述收粉缸后方设有所述成型缸，所述成型缸内部设有所述第一成型基板和所述第二成型基板，所述第二成型基板环绕于所述第一成型基板外围，在所述第一成型基板下端设有所述第一活塞，在所述第二成型基板下端沿其周向设有四个所述第二活塞，所述光路系统设置在所述第一成型基板和所述第二成型基板上方；
10.所述集粉模块包括三个集粉结构、螺旋杆、支柱、联轴器ⅲ和第三驱动电机，每个所述集粉结构包括集粉槽、导轨条、集粉盒、拉手和第三滑块，每个所述集粉结构中，一对所述导轨条平行设置于所述集粉槽内侧，所述集粉盒通过导轨条滑动安装于所述集粉槽中，所述集粉盒外端设置所述拉手，所述集粉槽底端设有所述第三滑块，所述第三滑块与所述螺旋杆传动连接，所述螺旋杆两端安装于所述支柱上，所述螺旋杆一端穿过所述支柱后通过所述联轴器ⅲ与所述第三驱动电机传动连接。
11.所述左立板底部位于所述成型缸上方设出气口，所述右立板底部位于成型缸上方开设进气口，所述左立板和所述右立板上端对应所述落粉模块位置分别设置左支架和右支架，所述右立板内侧位于所述右支架下方设有支座。
12.所述落粉模块包括落粉箱、夹持块、联轴器ⅳ、微电机、落粉通道和滚动扇叶，所述落粉箱上部为漏斗形的进口下部为矩形空心结构的所述落粉通道，所述落粉箱两端各设置一个所述夹持块，两个所述夹持块分别安装于所述左支架和所述右支架中，所述落粉通道内侧上部设有所述滚动扇叶，所述滚动扇叶一端穿过所述落粉箱通过所述联轴器ⅳ与所述微电机传动连接，所述微电机安装在所述支座上。
13.所述送粉机构包括第一驱动电机、联轴器ⅰ、第二驱动电机、联轴器ⅱ、第一丝杠、第一滑块、夹具ⅰ、第一送粉喷头、第一送粉管、第二丝杠、第二滑块、夹具ⅱ、第二送粉喷头和第二送粉管，所述第一丝杠和所述第二丝杠两端分别安装于两对所述l型支架上，所述第一丝杠一端通过所述联轴器ⅱ与所述第一驱动电机传动连接，所述第二丝杠一端通过所述联轴器ⅰ与所述第二驱动电机传动连接，所述第一丝杠上设有所述第一滑块，所述第一滑块前端设有所述夹具ⅰ，所述夹具ⅰ中夹装有所述第一送粉喷头，所述第一送粉喷头顶端伸出一根所述第一送粉管，所述第二丝杠上设有所述第二滑块，所述第二滑块前端设有所述夹具ⅱ，所述夹具ⅱ中夹装有所述第二送粉喷头，所述第二送粉喷头顶端伸出一根所述第二送粉管。
14.所述储粉条内设有空心结构的粉腔，所述储粉条上端不高于所述落粉箱下端以及所述第一送粉喷头下端喷嘴和第二送粉喷头端喷嘴，所述储粉条底端开设下粉口。
15.进一步，还包括加热器，所述的第一成型基板和所述第二成型基板的下端均设置所述加热器，所述光路系统采用的激光为贝塞尔光束。
16.进一步，所述集粉盒进口尺寸大于所述收粉通道的尺寸。
17.进一步，所述的螺旋杆的长度大于五个所述集粉槽的长度。
18.进一步，还包括粉末输送器，所述的第一送粉喷头和所述第二送粉喷头的喷嘴直径小于1mm，所述第一送粉管和所述第二送粉管进口与所述粉末输送器连接。
19.进一步，所述的滑动连接块由电机通过皮带驱动。
20.进一步，所述后刮刀和所述前刮刀的材质为高速钢，其底部设有弧形刀刃。
21.本发明还提供上述激光3d打印多金属材料成型装置的工作方法，包括如下步骤：
22.步骤一：连接惰性保护气体，使其从所述进气口进入，从所述出气口排出，根据零件成型尺寸，制作成型底板并根据其尺寸将所述成型底板安装在所述第一成型基板或第二成型基板上。
23.步骤二：根据成型零件材料属性要求，向所述落粉箱中加入第一种金属粉末材料，所述滑动连接块沿着所述滑轨移动，使所述储粉条置于所述落粉箱下端，启动所述第三驱动电机，所述第三滑块沿着螺旋杆运动，使第一个所述集粉结构的所述集粉盒置于所述收粉通道下端，控制所述微电机带动所述滚动扇叶转动，使第一种金属粉末材料沿着所述落粉通道落入所述粉腔中，所述滑动连接块沿着滑轨移动，带动所述储粉条经过所述成型底板，第一种金属粉末材料沿着所述下粉口落出，在所述后刮刀的作用下均匀铺在所述成型底板上，多余的第一种金属粉末材料从所述落粉口进入所述收粉缸中，经过所述收粉通道落至第一个所述集粉盒中，完成第一种金属粉末材料的回收。
24.步骤三：所述光路系统的激光沿着预定的轨迹扫描所述成型底板上的金属粉末材料，使所述金属粉末材料熔化成型，形成成型实体，当完成扫描后，所述第一活塞和所述第二活塞分别控制所述第一成型基板和所述第二成型基板下降一个层厚的高度，所述滑动连接块沿着所述滑轨反方向移动，所述前刮刀进行下一层铺粉。
25.步骤四：重复步骤三，直至第一种金属粉末材料全部成型完成。
26.步骤五：根据成型零件材料属性要求，将所述第一送粉管连通第二种金属粉末材料，进行第二种金属粉末材料的成型，所述滑动连接块沿着所述滑轨移动，使所述储粉条置于所述第一送粉喷头下方，第二种金属粉末材料沿着所述第一送粉管落入所述第一送粉喷头中，控制所述第二驱动电机，使所述第一滑块沿着所述第一丝杠移动，第二种金属粉末材料由所述第一送粉喷头的喷嘴落入所述粉腔中，控制所述第三驱动电机，使所述第三滑块沿着所述螺旋杆运动，使第二个所述集粉结构的所述集粉盒置于所述收粉通道下端，所述滑动连接块沿着所述滑轨移动，带动所述储粉条经过成型实体，第二种金属粉末材料沿着所述下粉口落出，在所述后刮刀的作用下均匀铺在成型实体上，多余的第二种金属粉末材料从所述落粉口进入所述收粉缸中，经过所述收粉通道落至第二个所述集粉盒中，完成第二种金属粉末材料的回收。
27.步骤六：重复步骤三，直至第二种金属粉末材料全部成型完成；
28.步骤七：根据成型零件材料属性要求，将所述第二送粉管连通第三种金属粉末材料，进行第三种金属粉末材料的成型，所述滑动连接块沿着所述滑轨移动，使所述储粉条置于所述第二送粉喷头下方，第三种金属粉末材料沿着所述第二送粉管落入所述第二送粉喷头中，控制第一驱动电机，使所述第二滑块沿着所述第二丝杠移动，第三种金属粉末材料由所述第二送粉喷头的喷嘴落入所述粉腔中，控制第三驱动电机，所述第三滑块沿着所述螺旋杆运动，使第三个所述集粉结构的所述集粉盒置于所述收粉通道下端，所述滑动连接块沿着所述滑轨移动，带动所述储粉条经过成型实体，第三种金属粉末材料沿着所述下粉口落出，在所述后刮刀的作用下均匀铺在成型实体上，多余的第三种金属粉末材料从所述落粉口进入所述收粉缸中，经过所述收粉通道落至第三个所述集粉盒中，完成第三种金属粉
末材料的回收。
29.步骤八：重复步骤三，直至第三种金属粉末材料全部成型完成。
30.本发明具有以下优点和有益效果：
31.(1)本发明将送粉机构和铺粉机构有机整合，不占据成型舱体空间，利用激光选区熔化技术的铺粉和压实功能，以及激光熔覆技术的实时送粉功能，突破了激光选区熔化技术只能成型单一材料的局限性，实现了多种金属材料的一体化快速成型，拓宽了应用领域。
32.(2)本发明设计的集粉模块可以分别回收不同粉末材料，避免了交叉污染，节约材料资源，降低加工成本。
33.(3)本发明的第一成型基板和第二成型基板同轴设置，根据零件尺寸和形状大小分别运动或共同运动，成型尺寸可调，节省粉末材料，适用性更强。
34.(4)本发明设置的双刮刀实现双向铺粉，节省打印时间，提高工作效率。
附图说明
35.附图1为本发明实施例三维结构示意图。
36.附图2为本发明实施例主视图。
37.附图3为本发明实施例中成型舱体俯视图。
38.附图4为本发明图3在a-a处的剖视图。
39.附图5为本发明图3在b-b处的剖视图。
40.附图6为本发明实施例中落粉箱结构示意图。
41.附图7为本发明实施例中送粉机构示意图。
42.附图8为本发明实施例中送粉机构正视图。
43.图中：1、底板，101、成型缸，102、第一成型基板，103、第二成型基板，104、第一活塞，105、第二活塞，106、收粉缸，107、落粉口，108、收粉通道，2、集粉模块，201、集粉槽，202、导轨条，203、集粉盒，204、拉手，205、第三滑块，206、螺旋杆，207、支柱，208、联轴器ⅲ，209、第三驱动电机，3、左立板，301、出气口，302、左支架，303、第一驱动电机，304、联轴器ⅰ，4、右立板，401、进气口，402、右支架，403、第二驱动电机，404、联轴器ⅱ，405、支座，5、落粉模块，501、落粉箱，502、夹持块，503、联轴器ⅳ，504、微电机，505、落粉通道，506、滚动扇叶，6、第一丝杠，601、第一滑块，602、夹具ⅰ，603、第一送粉喷头，604、第一送粉管，7、第二丝杠，701、第二滑块，702、夹具ⅱ，703、第二送粉喷头，704、第二送粉管，8、滑轨，9、滑动连接块，10、后刮刀，11、l型支架，12、储粉条，121、粉腔，122、下粉口，13、前刮刀。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的
方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.实施例
48.如图1所示，一种激光3d打印多金属材料成型装置，包括光路系统，底板1、集粉模块2、左立板3、右立板4、落粉模块5、送粉机构、滑轨8、滑动连接块9、后刮刀10、l型支架11、储粉条12和前刮刀13，所述底板1、左立板3和右立板4组成成型舱体，所述集粉模块2位于所述底板1下方前端，所述落粉模块5和所述送粉机构位于所述底板1上方后侧，所述送粉机构位于所述落粉模块5后方。所述左立板3和所述右立板4内侧平行设有一对所述滑轨8，所述滑轨8上方对称设有两对所述l型支架11，所述储粉条12的两端分别通过一个所述滑动连接块9滑动设置在所述滑轨8上，所述储粉条12一侧设有所述后刮刀10，另一侧设有所述前刮刀13。
49.如图1、图2、图3和图4所示，所述底板1上设有成型缸101、第一成型基板102、第二成型基板103、第一活塞104、第二活塞105、收粉缸106、落粉口107和收粉通道108，所述收粉缸106设在所述底板1前端，所述收粉缸106与所述底板1的交汇处形成所述落粉口107，所述收粉缸106下端连接有所述收粉通道108，所述底板1上位于所述收粉缸106后方设有所述成型缸101，所述成型缸101内部设有所述第一成型基板102和所述第二成型基板103，所述第二成型基板103环绕于所述第一成型基板102外围，在所述第一成型基板102下端设有所述第一活塞104，在所述第二成型基板103下端沿其周向设有四个所述第二活塞105，所述光路系统设置在所述第一成型基板102和所述第二成型基板103上方。
50.如图2所示，所述集粉模块2包括三个集粉结构、螺旋杆206、支柱207、联轴器ⅲ208和第三驱动电机209，每个所述集粉结构包括集粉槽201、导轨条202、集粉盒203、拉手204和第三滑块205，每个所述集粉结构中，一对所述导轨条202平行设置于所述集粉槽201内侧，所述集粉盒203通过导轨条202滑动安装于所述集粉槽201中，所述集粉盒203外端设置所述拉手204，所述集粉槽201底端设有所述第三滑块205，所述第三滑块205与所述螺旋杆206传动连接，所述螺旋杆206两端安装于所述支柱207上，所述螺旋杆206一端穿过所述支柱207后通过所述联轴器ⅲ208与所述第三驱动电机209传动连接。
51.如图1和图2所示，所述左立板3底部位于所述成型缸101上方设出气口301所述右立板4底部位于所述成型缸101上方开设进气口401，所述左立板3和所述右立板4上端对应所述落粉模块5位置分别设置左支架302和右支架402，所述右立板4内侧位于所述右支架402下方设有支座405；
52.如图5和图6所述，所述落粉模块5包括落粉箱501、夹持块502、联轴器ⅳ503、微电机504、落粉通道505和滚动扇叶506，所述落粉箱501上部为漏斗形的进口下部为矩形空心结构的所述落粉通道505，所述落粉箱501两端各设置一个所述夹持块502，两个所述夹持块502分别安装于所述左支架302和所述右支架402中，所述落粉通道505内侧上部设有所述滚
动扇叶506，所述滚动扇叶506一端穿过所述落粉箱501通过所述联轴器ⅳ503与所述微电机504传动连接，所述微电机504安装在所述支座405上。
53.如图3、图7和图8所示，所述送粉机构包括第一驱动电机303、联轴器ⅰ304、第二驱动电机403、联轴器ⅱ404、第一丝杠6、第一滑块601、夹具ⅰ602、第一送粉喷头603、第一送粉管604、第二丝杠7、第二滑块701、夹具ⅱ702、第二送粉喷头703和第二送粉管704，所述第一丝杠6和所述第二丝杠7两端分别安装于两对所述l型支架11上，所述第一丝杠6一端通过所述联轴器ⅱ404与所述第一驱动电机303传动连接，所述第二丝杠7一端通过所述联轴器ⅰ304与所述第二驱动电机403传动连接，所述第一丝杠6上设有所述第一滑块601，所述第一滑块601前端设有所述夹具ⅰ602，所述夹具ⅰ602中夹装有所述第一送粉喷头603，所述第一送粉喷头603顶端伸出一根所述第一送粉管604，所述第二丝杠7上设有所述第二滑块701，所述第二滑块701前端设有所述夹具ⅱ702，所述夹具ⅱ702中夹装有所述第二送粉喷头703，所述第二送粉喷头703顶端伸出一根所述第二送粉管704；
54.如图5所示，所述储粉条12内设有空心结构的粉腔121，所述储粉条12上端不高于所述落粉箱501下端以及所述第一送粉喷头603下端喷嘴和第二送粉喷头703下端喷嘴，所述储粉条12底端开设下粉口122。
55.还包括加热器，所述的第一成型基板102和所述第二成型基板103的下端均设置所述加热器，所述光路系统采用的光为贝塞尔光束，所述加热器和所述管路系统图中未示出。
56.如图1所示，所述集粉盒203进口尺寸大于所述收粉通道108的尺寸。
57.如图1所示，所述的螺旋杆206的长度大于五个所述集粉槽201的长度。
58.还包括粉末输送器，所述粉末输送器图中未示出，所述的第一送粉喷头603和所述第二送粉喷头703的喷嘴直径小于1mm，所述第一送粉管604和所述第二送粉管704进口与所述粉末输送器连接。
59.所述的滑动连接块9由电机通过皮带驱动。
60.所述后刮刀10和所述前刮刀13的材质为高速钢，其底部设有弧形刀刃。
61.工作方法
62.上述激光3d打印多金属材料成型装置的工作方法，包括如下步骤：
63.步骤一：连接惰性保护气体，使其从所述进气口401进入，从所述出气口301排出，根据零件成型尺寸，制作成型底板并根据其尺寸将所述成型底板安装在所述第一成型基板102或第二成型基板103上。
64.步骤二：根据成型零件材料属性要求，向所述落粉箱501中加入第一种金属粉末材料，所述滑动连接块9沿着所述滑轨8移动，使所述储粉条12置于所述落粉箱501下端，启动所述第三驱动电机209，所述第三滑块205沿着螺旋杆206运动，使第一个所述集粉结构的所述集粉盒203置于所述收粉通道108下端，控制所述微电机504带动所述滚动扇叶506转动，使第一种金属粉末材料沿着所述落粉通道505落入所述粉腔121中，所述滑动连接块9沿着滑轨8移动，带动所述储粉条12经过所述成型底板，第一种金属粉末材料沿着所述下粉口122落出，在所述后刮刀10的作用下均匀铺在所述成型底板上，多余的第一种金属粉末材料从所述落粉口107进入所述收粉缸106中，经过所述收粉通道108落至第一个所述集粉盒203中，完成第一种金属粉末材料的回收。
65.步骤三：所述光路系统的激光沿着预定的轨迹扫描所述成型底板上的金属粉末材
料，使所述金属粉末材料熔化成型，形成成型实体，当完成扫描后，所述第一活塞104和所述第二活塞105分别控制所述第一成型基板102和所述第二成型基板103下降一个层厚的高度，所述滑动连接块9沿着所述滑轨8反方向移动，所述前刮刀13进行下一层铺粉。
66.步骤四：重复步骤三，直至第一种金属粉末材料全部成型完成。
67.步骤五：根据成型零件材料属性要求，将所述第一送粉管604连通第二种金属粉末材料，进行第二种金属粉末材料的成型，所述滑动连接块9沿着所述滑轨8移动，使所述储粉条12置于所述第一送粉喷头603下方，第二种金属粉末材料沿着所述第一送粉管604落入所述第一送粉喷头603中，控制所述第二驱动电机403，使所述第一滑块601沿着所述第一丝杠6移动，第二种金属粉末材料由所述第一送粉喷头603的喷嘴落入所述粉腔121中，控制所述第三驱动电机209，使所述第三滑块205沿着所述螺旋杆206运动，使第二个所述集粉结构的所述集粉盒203置于所述收粉通道108下端，所述滑动连接块9沿着所述滑轨8移动，带动所述储粉条12经过成型实体，第二种金属粉末材料沿着所述下粉口122落出，在所述后刮刀10的作用下均匀铺在成型实体上，多余的第二种金属粉末材料从所述落粉口107进入所述收粉缸106中，经过所述收粉通道108落至第二个所述集粉盒203中，完成第二种金属粉末材料的回收。
68.步骤六：重复步骤三，直至第二种金属粉末材料全部成型完成。
69.步骤七：根据成型零件材料属性要求，将所述第二送粉管704连通第三种金属粉末材料，进行第三种金属粉末材料的成型，所述滑动连接块9沿着所述滑轨8移动，使所述储粉条12置于所述第二送粉喷头703下方，第三种金属粉末材料沿着所述第二送粉管704落入所述第二送粉喷头703中，控制第一驱动电机303，使所述第二滑块701沿着所述第二丝杠7移动，第三种金属粉末材料由所述第二送粉喷头703的喷嘴落入所述粉腔121中，控制第三驱动电机209，所述第三滑块205沿着所述螺旋杆206运动，使第三个所述集粉结构的所述集粉盒203置于所述收粉通道108下端，所述滑动连接块9沿着所述滑轨8移动，带动所述储粉条12经过成型实体，第三种金属粉末材料沿着所述下粉口122落出，在所述后刮刀10的作用下均匀铺在成型实体上，多余的第三种金属粉末材料从所述落粉口107进入所述收粉缸106中，经过所述收粉通道108落至第三个所述集粉盒203中，完成第三种金属粉末材料的回收。
70.步骤八：重复步骤三，直至第三种金属粉末材料全部成型完成。
71.本方法实施例中已in718/316l/cusn三种合金为例，第一种金属粉末材料为in718，第二种金属粉末材料为316l，第三种金属粉末材料为cusn。
72.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。