异质材料选择性激光增材制造铺粉装置及增材制造方法
阅读说明：本技术 异质材料选择性激光增材制造铺粉装置及增材制造方法 (Heterogeneous material selective laser additive manufacturing powder laying device and additive manufacturing method ) 是由 王文权 任晓雪 张新戈 王蕾 任东亭 王铎 樊慧璋 吴大振 徐临超 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种异质材料选择性激光增材制造铺粉装置及增材制造方法,所述异质材料选择性激光增材制造铺粉装置包括控制器和床身,所述床身的顶部固连有圆环形支撑架,所述圆环形支撑架的内部设置有工作台,所述工作台的中心位置开设有成型腔,所述工作台上位于成型腔的周边均匀开设有三个相邻设置的送粉腔和三个相邻设置的回收腔,且三个送粉腔与三个回收腔关于成型腔呈中心对称布置,所述圆环形支撑架的顶部滑动连接有由动力装置一驱动的圆环支架,所述圆环支架的顶部固连有环形板,所述环形板的内部设置有由动力装置二驱动的刮粉板。采用该铺粉装置的增材制造方法可以高效率、高精度地实现复杂形状异质材料零件的一体化增材制造。(The invention provides a heterogeneous material selective laser additive manufacturing powder paving device and an additive manufacturing method, wherein the heterogeneous material selective laser additive manufacturing powder paving device comprises a controller and a lathe bed, the top of the lathe bed is fixedly connected with a circular ring-shaped support frame, a workbench is arranged inside the circular ring-shaped support frame, a forming cavity is formed in the center of the workbench, three adjacent powder conveying cavities and three adjacent recovery cavities are uniformly formed in the periphery of the forming cavity on the workbench, the three powder conveying cavities and the three recovery cavities are arranged in a central symmetry mode relative to the forming cavity, a circular ring support driven by a first power device is connected to the top of the circular ring-shaped support frame in a sliding mode, an annular plate is fixedly connected to the top of the circular ring support frame, and a powder scraping plate driven by a second power device is arranged inside the annular plate. The additive manufacturing method adopting the powder spreading device can realize the integrated additive manufacturing of the heterogeneous material parts with complex shapes with high efficiency and high precision.)
技术领域
本发明涉及一种异质材料选择性激光增材制造铺粉装置及增材制造方法，属于增材制造技术领域。
背景技术
随着科技的不断发展和进步，对零件综合性能的要求越来越高，单一材质零件通常很难满足需求；或者即使某种材质性能比较理想，也往往经济成本较高，不适合在工程中普遍应用。因此，为了能让零件同时具有良好的力学性能和使用寿命并降低经济成本，将不同特性材料组成异质零件得到越来越广泛的应用。
迄今为止，异质材料零件的制造主要还是采用铆接、螺栓、轧制等机械连接技术，以及焊接、粘接等制造技术。机械连接生产效率低、工艺操作复杂、密封性差，而且不能实现异质材料高强度的结合，除此之外，机械连接一般采用搭接结构，浪费原材料，不利于结构轻量化。焊接技术由于可以实现异质金属材料的冶金结合，但是，受零件结构尺寸、形状和装配要求以及焊接制造技术方法本身的限制，以及异种金属材的物理性能(熔点、密度、热导率、线膨胀系数等)的较大差异、极易形成脆性金属间化合物及互溶性等问题，对于复杂形状和高性能要求的异种金属材料零件采用焊接技术进行制造存在较大的难度。粘接技术是利用结构胶与被连接异质材料材料间产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力，实现有效连接的一种工艺。但是，由于不同材料间的热膨胀系数存在一定差异，异质材料连接时，会出现固化变形和脱胶等问题，制约了其力学性能。
选择性激光增材制造技术是通过激光熔化或烧结粉末材料，逐层堆积而进行增材制造，该技术可以精确调控材料成分、能量输入、制造精度等，实现零件不同部位具有不同的成分和性能，进而实现材料—结构—功能的一体化设计和制造，在制造异质材料方面具有特有优势。因此，开发异质材料选择性激光增材制造的装备和技术将有利于促进复杂形状的高性能异质材料零件在航空、航天、机械装备和医疗等领域的应用，具有重要的实用价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种异质材料选择性激光增材制造铺粉装置及增材制造方法，采用该铺粉装置的增材制造方法可以高效率、高精度地实现复杂形状异质材料零件的一体化增材制造。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种异质材料选择性激光增材制造铺粉装置，它包括控制器和床身，所述床身的顶部固连有圆环形支撑架，所述圆环形支撑架的内部设置有工作台，所述工作台的中心位置开设有成型腔，所述工作台上位于成型腔的周边均匀开设有三个相邻设置的送粉腔和三个相邻设置的回收腔，且三个送粉腔与三个回收腔关于成型腔呈中心对称布置，所述圆环形支撑架的顶部滑动连接有由动力装置一驱动的圆环支架，所述圆环支架的顶部固连有环形板，所述环形板的内部设置有由动力装置二驱动的刮粉板，且沿送粉腔向回收腔的前进方向，所述刮粉板的前侧面为内凹弧面；所述刮粉板的中心投影位于成型腔、任意一送粉腔和任一回收腔的中心连线上，所述刮粉板的单次行程大于关于成型腔中心对称的送粉腔与回收腔之间的最大距离，所述送粉腔、成型腔和回收腔的直径相等，所述刮粉板的宽度大于送粉腔、成型腔和回收腔的直径。
优选的，所述工作台上位于相邻的送粉腔和回收腔之间的位置设置有反光板，所述环形板中与送粉腔对应的一端内壁中间位置固连有与反光板对应的光电开关，所述光电开关与控制器电性连接。
优选的，所述动力装置一包括与床身固连的电机，所述电机与控制器电性连接，所述电机的输出端顶部固连有主动齿轮，所述圆环支架为与主动齿轮啮合的外齿轮。
优选的，所述动力装置二包括与环形板的外侧固连的驱动电机，所述驱动电机与控制器电性连接，所述环形板的内部设置有相互平行的丝杠和导向杆，所述导向杆的两端分别与环形板的内壁固连，所述丝杠的一端与环形板转动连接、另一端与驱动电机的输出轴固连，所述驱动电机固定安装在环形板上，所述刮粉板的顶部固连有刮粉板支架，所述刮粉板支架的一端开设有与丝杠螺纹连接的螺纹孔、另一端开设有与导向杆配合的通孔。
优选的，所述圆环支架与圆环形支撑架的滑动连接结构为：所述圆环形支撑架的顶部固连有圆环轨道，所述圆环支架的底部均匀固连有多个与圆环轨道滑动配合的滑块。
优选的，所述成型腔的内腔中设置有控制成型的活塞一，所述送粉腔的内腔中设置有控制送粉的活塞二，所述回收腔的内腔中设置有控制回收的活塞三。
优选的，所述电机和驱动电机为步进电机或伺服电机。
优选的，所述圆环支架的底部均匀固连有四个与圆环轨道滑动配合的滑块。
本发明还提供了一种采用上述异质材料选择性激光增材制造铺粉装置的异质材料选择性激光增材制造方法，它包括如下步骤：
S1：在计算机上建立零件的三维模型，然后将所述零件的三维模型转成格式SLT并导入到选区激光熔化成形设备中；
S2：将所需要的铝粉、铜粉和钢粉材料分别放入三个送粉腔内，所述铝粉、铜粉和钢粉均为球形或近似球形，所述铝粉、铜粉和钢粉的平均粒径均为30μm，并且氧含量均低于1000ppm；
S3：首先进行钢部分的成型，铺粉时，控制钢粉的送粉腔内的活塞二向上移，控制成型腔内的活塞一下移，驱动电机正转并带动丝杠同步转动，使刮粉板沿丝杠和导向杆移动，从而通过刮粉板将钢粉送至成型腔内，刮粉板越过成型腔后，驱动电机反转，使刮粉板回退，使刮粉板再次越过成型腔；
S4：调整激光器的激光进行聚焦，使激光熔化成型腔内的钢粉末，激光器的激光波长为1070±10nm，激光器的最大功率为400w，激光聚焦后的光斑直径为0.1nm，在氩气保护下，采用激光功率250w、激光扫描速率600mm/s成型钢粉末，以形成零件中的钢部分；
S5：激光完成后，驱动电机正转带动刮粉板移动并将成型腔内的废料送至与钢粉的送粉腔中心对称的回收腔内，然后驱动电机反转带动刮粉板回退至初始位置，完成一个铺粉周期；
S6：重复步骤S4和S5，直至钢部分完全成型完毕；
S7：然后进行铜部分的成型：启动电机，电机带动主动齿轮转动，主动齿轮带动圆环支架及环形板旋转预设角度至刮粉板到达铜粉的送粉腔处，控制铜粉的送粉腔内的活塞二向上移，控制成型腔内的活塞一下移，驱动电机正转并带动丝杠同步转动，使刮粉板沿丝杠和导向杆移动，从而通过刮粉板将铜粉送至成型腔内，刮粉板越过成型腔后，驱动电机反转，使刮粉板回退，使刮粉板再次越过成型腔；在氩气保护下，采用激光功率200w、激光扫描速率500mm/s成型铜粉末，以形成零件中的铜部分；激光完成后，驱动电机正转带动刮粉板移动并将成型腔内的废料送至与铜粉的送粉腔中心对称的回收腔内，然后驱动电机反转带动刮粉板回退至初始位置，完成一个铺粉周期；
S8：重复步骤S7，直至铜部分完全成型完毕；
S9：最后进行铝部分的成型：启动电机，电机带动主动齿轮转动，主动齿轮带动圆环支架及环形板旋转，当光电开关检测到相应的反光板后，光电开关将相应的信号反馈给控制器，控制机控制电机停止转动，此时刮粉板到达铝粉的送粉腔处，控制铝粉的送粉腔内的活塞二向上移，控制成型腔内的活塞一下移，驱动电机正转并带动丝杠同步转动，使刮粉板沿丝杠和导向杆移动，从而通过刮粉板将铝粉送至成型腔内，刮粉板越过成型腔后，驱动电机反转，使刮粉板回退，使刮粉板再次越过成型腔；在氩气保护下，采用激光功率380w、激光扫描速率400mm/s成型铝粉末，以形成零件中的铝部分；激光完成后，驱动电机正转带动刮粉板移动并将成型腔内的废料送至与铝粉的送粉腔中心对称的回收腔内，然后驱动电机反转带动刮粉板回退至初始位置，完成一个铺粉周期；
S10：重复步骤S9，直至铝部分完全制作完毕；
S11：待零件冷却后，清除表面浮粉，得到零件；
S12：电机反转，电机带动主动齿轮转动，主动齿轮带动圆环支架及环形板旋转，当光电开关检测到相应的反光板后，光电开关将相应的信号反馈给控制器，控制机控制电机停止转动，此时，刮粉板到达钢粉的送粉腔处，等待下一次作业。
优选的，所述激光器为光纤激光器、CO2激光器、Nd:YAG激光器或半导体激光器。
本发明的有益效果：本发明中的异质材料选择性激光增材制造铺粉装置可通过刮粉板的往复运动以及环形板带动刮粉板的旋转运动实现定量取粉、异型金属自动取粉的目的，满足多种取粉要求，增加了设备功能设计的自由选择性，装置结构简单，可靠性强，适用性广。环形板旋转极限位置设置有与光电开关配合的反光板，可实现自动控制。该装置可实现异型金属烧结自动送粉，避免人工换粉，保证了生产效率和工艺质量。采用该铺粉装置的增材制造方法能够实现复杂形状的异质多材料零件的设计和高效、高质制造。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明中异质材料选择性激光增材制造铺粉装置的结构示意图。
图2为图1中工作台上送粉腔、成型腔和回收腔的剖视结构示意图。
图3为本发明中异质材料选择性激光增材制造铺粉装置的送粉腔、成型腔和回收腔的分布示意图。
图中，1、刮粉板，2、送粉腔，3、活塞二，4、成型腔，5、活塞一，6、回收腔，7、活塞三，8、工作台，9、床身，10、圆环形支撑架，11、圆环轨道，12、圆环支架，13、环形板，14、丝杠，15、刮粉板支架，16、滑块，17、导向杆，18、主动齿轮，19、电机，20、驱动电机，21、零件，22、激光器。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
一种异质材料选择性激光增材制造铺粉装置，它包括控制器和床身9，所述床身9的顶部固连有圆环形支撑架10，所述圆环形支撑架10的内部设置有工作台8，所述工作台8的中心位置开设有成型腔4，所述工作台8上位于成型腔4的周边均匀开设有三个相邻设置的送粉腔2和三个相邻设置的回收腔6，且三个送粉腔2与三个回收腔6关于成型腔4呈中心对称布置，所述成型腔4的内腔中设置有控制成型的活塞一5，所述送粉腔2的内腔中设置有控制送粉的活塞二3，所述回收腔6的内腔中设置有控制回收的活塞三7。所述圆环形支撑架10的顶部滑动连接有由动力装置一驱动的圆环支架12，所述圆环支架12与圆环形支撑架10的滑动连接结构为：所述圆环形支撑架10的顶部固连有圆环轨道11，所述圆环支架12的底部均匀固连有多个与圆环轨道11滑动配合的滑块16，优选圆环支架12的底部均匀固连有四个与圆环轨道11滑动配合的滑块16。通过滑块16与圆环轨道11滑动配合保证了圆环支架12顺畅、稳定的转动。
所述圆环支架12的顶部固连有环形板13，所述环形板13的内部设置有由动力装置二驱动的刮粉板1，且沿送粉腔2向回收腔6的前进方向，所述刮粉板1的前侧面为内凹弧面，这种结构的刮粉板1可防止送粉过程中粉末外溢，防止因粉末外溢流失而影响零件21的成型效果；所述刮粉板1的中心投影位于成型腔4、任意一送粉腔2和任一回收腔6的中心连线上，所述刮粉板1的单次行程大于关于成型腔4中心对称的送粉腔2与回收腔6之间的最大距离，所述送粉腔2、成型腔4和回收腔6的直径相等，所述刮粉板1的宽度大于送粉腔2、成型腔4和回收腔6的直径，以保证刮粉板1可以完全覆盖送粉腔2和成型腔4。
所述工作台8上位于相邻的送粉腔2和回收腔6之间的位置设置有反光板，所述环形板13中与送粉腔2对应的一端内壁中间位置固连有与反光板对应的光电开关，所述光电开关与控制器电性连接。两组相邻的送粉腔2和回收腔6之间的两个反光板与光电开关的配合，可实现环形板13的正转和反转极限位置的控制，进行送粉位置的自动、快速调节。
所述动力装置一包括与床身9固连的电机19，所述电机19为步进电机或伺服电机，所述电机19与控制器电性连接，所述电机19的输出端顶部固连有主动齿轮18，所述圆环支架12为与主动齿轮18啮合的外齿轮。通过电机19驱动主动齿轮18正转或反转，主动齿轮18带动圆环支架12转动，圆环支架12带动环形板13和刮粉板1同步转动，实现送粉位置的转换。
所述动力装置二包括与环形板13的外侧固连的驱动电机20，所述驱动电机20为步进电机或伺服电机，所述驱动电机20与控制器电性连接，所述环形板13的内部设置有相互平行的丝杠14和导向杆17，所述导向杆17的两端分别与环形板13的内壁固连，所述丝杠14的一端与环形板13转动连接、另一端与驱动电机20的输出轴固连，所述驱动电机20固定安装在环形板13上，所述刮粉板1的顶部固连有刮粉板支架15，所述刮粉板支架15的一端开设有与丝杠14螺纹连接的螺纹孔、另一端开设有与导向杆17配合的通孔。通过驱动电机20驱动丝杠14正转或反转，丝杠14的转动使刮粉板1沿其移动，刮粉板1移动过程中通过导向杆17对其另一端进行限位，保证刮粉板1移动的稳定性。
本发明还提供了一种采用上述异质材料选择性激光增材制造铺粉装置的异质材料选择性激光增材制造方法，它包括如下步骤：
S1：在计算机上建立零件21的三维模型，然后将所述零件21的三维模型转成格式SLT并导入到选区激光熔化成形设备中；
S2：将所需要的铝粉、铜粉和钢粉材料分别放入三个送粉腔2内，所述铝粉、铜粉和钢粉均为球形或近似球形，所述铝粉、铜粉和钢粉的平均粒径均为30μm，并且氧含量均低于1000ppm；
S3：首先进行钢部分的成型，铺粉时，控制钢粉的送粉腔2内的活塞二3向上移，控制成型腔4内的活塞一5下移，驱动电机20正转并带动丝杠14同步转动，使刮粉板1沿丝杠14和导向杆17移动，从而通过刮粉板1将钢粉送至成型腔4内，刮粉板1越过成型腔4后，驱动电机20反转，使刮粉板1回退，使刮粉板1再次越过成型腔4；
S4：调整激光器22的激光进行聚焦，使激光熔化成型腔4内的钢粉末，所述激光器10为光纤激光器、CO2激光器、Nd:YAG激光器或半导体激光器，激光器22的激光波长为1070±10nm，激光器22的最大功率为400w，激光聚焦后的光斑直径为0.1nm，在氩气保护下，采用激光功率250w、激光扫描速率600mm/s成型钢粉末，以形成零件中的钢部分；
S5：激光完成后，驱动电机20正转带动刮粉板1移动并将成型腔4内的废料送至与钢粉的送粉腔2中心对称的回收腔6内，然后驱动电机20反转带动刮粉板1回退至初始位置，完成一个铺粉周期；
S6：重复步骤S4和S5，直至钢部分完全成型完毕；
S7：然后进行铜部分的成型：启动电机19，电机19带动主动齿轮18转动，主动齿轮18带动圆环支架12及环形板13旋转预设角度至刮粉板1到达铜粉的送粉腔2处，控制铜粉的送粉腔2内的活塞二3向上移，控制成型腔4内的活塞一5下移，驱动电机20正转并带动丝杠14同步转动，使刮粉板1沿丝杠14和导向杆17移动，从而通过刮粉板1将铜粉送至成型腔4内，刮粉板1越过成型腔4后，驱动电机20反转，使刮粉板1回退，使刮粉板1再次越过成型腔4；在氩气保护下，采用激光功率200w、激光扫描速率500mm/s成型铜粉末，以形成零件中的铜部分；激光完成后，驱动电机20正转带动刮粉板1移动并将成型腔4内的废料送至与铜粉的送粉腔2中心对称的回收腔6内，然后驱动电机20反转带动刮粉板1回退至初始位置，完成一个铺粉周期；
S8：重复步骤S7，直至铜部分完全成型完毕；
S9：最后进行铝部分的成型：启动电机19，电机19带动主动齿轮18转动，主动齿轮18带动圆环支架12及环形板13旋转，当光电开关检测到相应的反光板后，光电开关将相应的信号反馈给控制器，控制机控制电机19停止转动，此时刮粉板1到达铝粉的送粉腔2处，控制铝粉的送粉腔2内的活塞二3向上移，控制成型腔4内的活塞一5下移，驱动电机20正转并带动丝杠14同步转动，使刮粉板1沿丝杠14和导向杆17移动，从而通过刮粉板1将铝粉送至成型腔4内，刮粉板1越过成型腔4后，驱动电机反转，使刮粉板1回退，使刮粉板1再次越过成型腔4；在氩气保护下，采用激光功率380w、激光扫描速率400mm/s成型铝粉末，以形成零件中的铝部分；激光完成后，驱动电机20正转带动刮粉板1移动并将成型腔4内的废料送至与铝粉的送粉腔2中心对称的回收腔6内，然后驱动电机20反转带动刮粉板1回退至初始位置，完成一个铺粉周期；
S10：重复步骤S9，直至铝部分完全制作完毕；
S11：待零件冷却后，清除表面浮粉，得到零件；
S12：电机19反转，电机19带动主动齿轮18转动，主动齿轮18带动圆环支架12及环形板13旋转，当光电开关检测到相应的反光板后，光电开关将相应的信号反馈给控制器，控制机控制电机19停止转动，此时，刮粉板1到达钢粉的送粉腔2处，等待下一次作业。
本发明中未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。