[發明專利]復合結構金屬構件選區激光熔化增材制造裝置及工作方法

在審

• 申請號: 202310021912.6
• 申請日: 2023-01-07
• 公開（公告）號: CN115815631A
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 黃曄;梁啟;向紅亮;鄭開魁;牟剛;李瀟雄
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: B22F12/55
• 分類號: B22F12/55;B22F10/28;B22F10/73;B22F12/67;B33Y30/00;B33Y10/00
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 林捷;蔡學俊

本發明復合結構金屬構件選區激光熔化增材制造裝置，其特征在于：包括刮刀裝置、刮刀運動機構、主體部分和激光同軸供粉?吸粉裝置；其中刮刀裝置包括兩個安裝座和設在兩個安裝座之間的刮刀安裝架，所述刮刀安裝架內固定設有刮刀；所述刮刀運動機構包括滑軌和滑動連接在滑軌上的滑塊，所述安裝座固定在滑塊上；所述主體部分包括并排的鋪粉缸、成形缸和回收缸，所述刮刀能夠將鋪粉缸表面上的金屬粉末推入成形缸和回收缸；所述激光同軸供粉?吸粉裝置包括激光頭、送粉槍、吸粉槍、固定架、送粉腔、吸粉腔、第一連接管、機械臂，所述機械臂連接架體，該復合結構金屬構件裝置和工作方法可實現復合結構異種金屬構件的精確供粉、粉末回收和增材成形，同時避免異種粉末之間的相互污染。

技術領域

本發明涉及一種復合結構金屬構件選區激光熔化增材制造裝置及工作方法。

背景技術

選擇性激光熔化 (Selective Laser Melting，SLM)，是金屬材料增材制造中的一種主要技術途徑，該技術選用激光作為能量源，按照三維CAD（Computer Aided Design）切片模型中規劃好的路徑在金屬粉末床層進行逐層掃描，掃描過的金屬粉末通過熔化、凝固從而達到冶金結合的效果，最終獲得模型所設計的金屬零件；采用SLM技術能夠快速制造復雜形狀或結構件成形一體化的高性能金屬構件，零件近乎全致密且成形精度高，已經逐步占據了國防工業、航空航天等高端制造市場（文獻1：劉婷婷,章林.選區激光熔化金屬增材制造實驗質量控制[J].實驗技術與管理,2022,39(09):48-53）；然而，該技術目前僅限于在每一層上打印單一材料，在許多應用中，例如某些航空發動機部件、適形冷卻模具、醫療植入物和功能梯度結構的制造，需要通過多種材料的復合達到其不同使用目的（文獻2：WeiC, Li L, Zhang X, et al. 3D printing of multiple metallic materials viamodified selective laser melting[J]. CIRP Annals, 2018, 67(1): 245-248），因此，需要設計一種可以打印多種材料的選區激光熔化裝置來滿足復合結構金屬構件的增材制造需求。

目前SLM成形設備的主要工作原理如下：成形缸降至工作表面以下，降落高度根據要求可調節，然后鋪粉缸升高，使金屬粉末高于工作表面；然后刮刀沿著工作表面從粉缸到成形缸水平移動，將粉末均勻鋪送到成形缸表面；最后按照預先設置的路徑，通過激光掃描鋪設好的金屬粉末使其熔化并冷卻凝固成形，這種設備結構只能進行單一材料的鋪設，不能滿足多材料的構件制造。

因此，現有文獻通過改進了SLM成形設備，以實現多材料的SLM制造，文獻3（中國專利公開號CN106180711B）中公開了一種面向粉末材料的選區激光熔化鋪粉工藝，主要功能是通過多個噴頭在粉末床定點精準鋪放不同材料組分的粉末，然后通過SLM制造能夠實現不同部位之間材料連續梯度變化，沿材料配比線進行鋪粉，通過各個流量控制器相互配合，可以得到不同配比的混合粉末；文獻4（中國專利公開號CN110576607B）中公開了一種功能梯度結構的SLM增材制造設備，該發明采用具有旋轉功能的送粉裝置，在實現雙側送粉的同時有效的減小了設備的體積；同時，可以實現功能梯度結構的打印送粉；鋪粉裝置往復運動均進行鋪粉工作，不存在空行程，有效的提高了鋪粉效率；兩個壓粉裝置實現兩次壓粉，有效的提高了粉床的致密度，零件的成形質量能得到很好的改善；但是，以上方法均只能實現多元混合金屬粉末的激光增材制造，無法制備具有異種金屬復合結構的構件；文獻5（中國專利公開號CN103978211B）中介紹了一種異質材料選區激光熔化的鋪粉及回收裝置，包括一個可以沿水平固定導軌移動的鋪粉裝置和多個鋪粉槽；一個可以覆蓋成形缸平面的吸附罩，可以將一種材料固化后的剩余粉末進行吸附，然后再鋪設另一種材料進行固化；但這種設計中，過大的吸附罩會對激光掃描裝置造成干擾，且吸附效果不佳，此外，成形基面殘留的金屬粉末容易污染其他種類的金屬粉末。