一種功能梯度材料零件的3D打印裝置及3D打印成形方法與流程

本發明屬于3D打印技術領域，具體涉及一種功能梯度材料零件的3D打印裝置及3D打印成形方法。

背景技術：

功能梯度材料是指選用兩種性能不同的材料，通過連續地改變這兩種材料的組成和結構，使其界面消失，導致材料的性能隨著材料的組成和結構的變化而緩慢變化，形成功能梯度材料。因為功能梯度材料的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的，所以在某些應用領域，該材料比復合材料更有優勢，比如將功能梯度材料用作界面層來連接不相容的兩種材料，可以大大地提高粘結強度；將功能梯度材料用作涂層和界面層，可以減小殘余應力和熱應力;將功能梯度材料用作涂層和界面層，可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性等。功能梯度材料常用的制備方法有化學氣相沉積法、物理蒸鍍法、等離子噴涂法、自蔓延高溫合成法、粉末冶金法、化學氣相滲透法和電解析出法等。

3D打印技術，又稱增材制造技術，是指直接由三維模型快速實現任意復雜形狀三維物理實體的制造過程。3D打印技術具有加工周期短、成本低、自由成形制造、材料利用率高、設計和制造的一體化等特點，是近20年來制造領域中的一個革命性的技術突破。

金屬功能梯度材料常用的制備方法包括化學氣相沉積法、物理蒸鍍法、等離子噴涂法、自蔓延高溫合成法、粉末冶金法、化學氣相滲透法和電解析出法等，大多數方法均只能制備功能梯度涂層或坯料,不能直接制備成功能梯度材料零件。

中國發明專利說明書CN105499570A公開了一種在交變磁場中金屬陶瓷功能梯度零件的3D打印方法，利用金屬材料與陶瓷材料在交變磁場中的不同響應行為制備金屬陶瓷功能梯度零件。該發明中的3D打印方法不能用于金屬功能材料零件的3D打印。

中國發明專利說明書CN104923787A公開了一種梯度材料結構的3D打印方法，采用一套鋪粉裝置和一套鋪粉噴頭實現兩種材料的混合，并利用激光使粉末材料成形。該發明中的鋪粉噴頭采用氣體送粉，在噴粉時會對成形平臺上已有的粉末產生力的作用，導致成形平臺上的粉末被吹散，影響下一層的鋪粉，最終影響零件的成分梯度控制和尺寸控制。同時激光采用機械移動機構，精度和掃描速率都大大降低。

中國發明專利說明書CN104439243A公開了一種金屬梯度材料的激光3D打印制備方法，采用噴粉的方式，通過控制送粉器中的粉末組分比，達到控制金屬梯度的目的。該發明制備的零件尺寸精度差，而且未成形的粉末為混合粉末，難以回收利用。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種功能梯度材料零件的激光3D打印裝置及其3D打印成形方法，以解決現有技術種制備的功能梯度材料零件尺寸精度差、原料粉末浪費嚴重的問題。

本發明的技術方案為：一種功能梯度材料零件的3D打印裝置，包括密封殼體、激光熔融系統和控制系統，所述激光熔融系統的下方設有成形缸，所述成形缸的周圍設有工作臺，所述工作臺和成形缸的上表面在同一水平面上，所述密封殼體和工作臺圍成工作腔室；所述激光熔融系統的兩側設有送粉系統，還包括抽真空系統，所述抽真空系統與工作腔室貫通連接；所述成形缸的兩側設有收粉缸，所述收粉缸的上部設有平板，所述平板和成形缸的上表面在同一個水平面上；所述成形缸兩側的工作臺上設有鋪粉輥筒；所述控制系統控制平板和鋪粉輥筒左、右移動。

進一步地，所述激光熔融系統設置在密封殼體的頂部并向下伸入密封殼體內；所述成形缸的底部設有可沿成形缸側壁上、下移動的基板，所述基板的底部連接有升降系統；所述送粉系統與密封殼體貫通連接，所述送粉系統、激光熔融系統和升降系統分別與控制系統連接；所述送粉系統包括送粉缸，所述送粉缸的底部連接有導管，所述導管的末端設有送粉閥，所述導管向下伸入工作腔室。

進一步地，所述送粉缸與導管可拆卸地連接在一起，打印過程中，可以根據需要方便地更換裝有不同粉末材料的送粉缸，實現多組份材料的打印。

進一步地，所述送粉缸與導管的連接處設有換料閥。

一種功能梯度材料零件的3D打印成形方法，包括如下步驟：

（1）建立功能梯度材料零件的三維模型，并切片分層，獲得各層二維打印圖形；

（2）根據功能梯度材料零件的尺寸和成分，設定打印每一層所需粉末材料的種類和質量，并依此設定好打印程序；

（3）打開抽真空系統，對工作腔室進行抽真空處理，使得工作腔室內的氧氣濃度降低至500ppm以下；

（4）將所需的粉末材料A和粉末材料B分別裝入左、右送粉系統內；

（5）將所需粉末材料鋪設于成形缸的表面，同時，用收粉缸收集多余的粉末材料，并用激光燒結熔融粉末材料，完成一層二維圖形的打印；

（6）調整已打印層的高度，使得已打印層和工作臺的上表面在同一水平面上，進行下一層二維圖形的打印；

（7）重復步驟（5）和步驟（6）的過程，直至完成整個功能梯度材料零件的3D打印；

（8）清除成形缸內的多余粉末材料，取出零件，并對零件進行熱處理，獲得功能梯度材料零件。

進一步地，所述粉末材料的粒徑為10~53μm。

進一步地，所述步驟中粉末材料A的具體鋪設方法如下：首先，控制左邊的送粉系統，使粉末材料A落到鋪設輥筒與成形缸之間的工作臺上，同時，控制平板向成形缸運動，使收粉缸上方形成閉口，控制平板向遠離成形缸的方向運動，使收粉缸的上方形成開口；然后，控制鋪設輥筒向成形缸方向滾動，推動粉末材料A向成形缸運動，并將粉末材料A鋪設在成形缸上，當鋪設輥筒運動到收粉缸上方時，多余的粉末材料A落入收粉缸；最后，控制鋪設輥筒返回初始位置。

進一步地，所述步驟中粉末材料B的具體鋪設方法如下：首先，控制左邊的送粉系統，使粉末材料B落到鋪設輥筒與成形缸之間的工作臺上，同時，控制平板向成形缸運動，使收粉缸上方形成閉口，控制平板向遠離成形缸的方向運動，使收粉缸的上方形成開口；然后，控制鋪設輥筒向成形缸方向滾動，推動粉末材料B向成形缸運動，并將粉末材料B鋪設在成形缸上，當鋪設輥筒運動到收粉缸上方時，多余的粉末材料B落入收粉缸；最后，控制鋪設輥筒返回初始位置。

進一步地，所述步驟（8）中熱處理過程的溫度為400~600℃。

進一步地，所述步驟（8）中熱處理的時間為4~8h。

本發明相對于現有技術，具有如下有益效果：

（1）可分別收集不同種類的粉末材料原料，提高粉末材料的回收再利用率，避免粉末材料的浪費；

（2）采用該裝置3D打印成形的零件質量穩定、尺寸精度高；

（3）適用范圍廣，可實現原料種類多的功能梯度材料零件的3D打印成形。

附圖說明

圖1是本發明第一種實施方式功能梯度材料的3D打印裝置的結構示意圖。

圖2是本發明第一種實施方式中噴管零件的外形結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

圖1是本發明第一種實施方式功能梯度材料的3D打印裝置的結構示意圖。該功能梯度材料零件的3D打印裝置，包括密封殼體22、激光熔融系統1和控制系統14，激光熔融系統1設置在密封殼體22的頂部并向下伸入密封殼體22內，所述激光熔融系統1的正下方設有成形缸2，所述成形缸2的周圍設有工作臺21，所述工作臺21和成形缸2的上表面在同一水平面上，所述密封殼體22和工作臺21圍成工作腔室23；所述成形缸2的底部設有可沿成形缸2側壁上、下移動的基板20，所述基板20的底部連接有升降系統15；所述激光熔融系統1的兩側設有送粉系統，所述送粉系統與密封殼體22貫通連接，所述送粉系統、激光熔融系統1和升降系統15分別與控制系統14連接，還包括抽真空系統13，所述抽真空系統13與工作腔室23貫通連接；所述成形缸2的兩側分別設有收粉缸11和收粉缸12，所述收粉缸11和收粉缸12的上部分別設有平板9和平板10，所述平板9和平板10與成形缸2的上表面均在同一個水平面上；所述成形缸2左、右兩側的工作臺21上分別設有鋪粉輥筒7和鋪粉輥筒8；所述控制系統14控制平板9、平板10、鋪粉輥筒7和鋪粉輥筒8左、右移動。

其中，左、右送粉系統分別包括送粉缸3和送粉缸4，所述送粉缸3和送粉缸4的底部分別可拆卸地連接有導管5和導管6，所述導管5和導管6的末端分別設有送粉閥18和送粉閥19，所述導管5和導管6向下伸入工作腔室23；送粉缸3與導管5的連接處設有換料閥16；送粉缸4與導管6的連接處設有換料閥17，這樣可以根據需要更換送粉缸3或送粉缸4，以實現2種以上粉末原料組成的零件的打印成形。

本實施方式中，功能梯度材料零件的3D打印成形方法，包括如下步驟：

（1）建立功能梯度材料零件的三維模型，并切片分層，獲得各層二維打印圖形；

（2）根據功能梯度材料零件的尺寸和成分，設定打印每一層所需粉末材料的種類和質量，并依此設定好打印程序；

（3）打開抽真空系統13，對工作腔室23進行抽真空處理，使得工作腔室23內的氧氣濃度降低至500ppm以下；

（4）將所需的粉末材料A和粉末材料B分別裝入左、右送粉系統內；

（5）將所需粉末材料鋪設于成形缸2的表面，同時，用收粉缸11和收粉缸12分別收集多余的粉末材料B和粉末材料A，并用激光燒結熔融粉末材料，完成一層二維圖形的打印；

（6）調整已打印層的高度，使得已打印層和工作臺21的上表面在同一水平面上，進行下一層二維圖形的打印；

（7）重復步驟（5）和步驟（6）的過程，直至完成整個功能梯度材料零件的3D打印；

（8）清除成形缸2內的多余粉末材料，取出零件，并對零件進行熱處理，獲得功能梯度材料零件。

所述粉末材料的粒徑為10~53μm。

所述步驟（5）中粉末材料A的具體鋪設方法如下：控制左邊的送粉系統，使粉末材料A落到鋪設輥筒7與成形缸2之間的工作臺21上，同時，控制平板9向成形缸2運動，使收粉缸11上方形成閉口，控制平板10向遠離成形缸2的方向運動，使收粉缸12的上方形成開口，然后控制鋪設輥筒7向成形缸2方向滾動，推動粉末材料A向成形缸2運動，并將粉末材料A鋪設在成形缸2上，當鋪設輥筒7運動到收粉缸12上方時，多余的粉末材料A落入收粉缸12；最后，控制鋪設輥筒7返回初始位置。

所述步驟（5）中粉末材料B的具體鋪設方法如下：控制左邊的送粉系統，使粉末材料B落到鋪設輥筒8與成形缸2之間的工作臺21上，同時，控制平板10向成形缸2運動，使收粉缸12上方形成閉口，控制平板9向遠離成形缸2的方向運動，使收粉缸11的上方形成開口，然后控制鋪設輥筒8向成形缸2方向滾動，推動粉末材料B向成形缸2運動，并將粉末材料B鋪設在成形缸2上，當鋪設輥筒8運動到收粉缸11上方時，多余的粉末材料B落入收粉缸11；最后，控制鋪設輥筒7返回初始位置。

下面以一個噴管零件的3D打印成形為例來說明本發明，該噴管零件的頂部為TC4材料，底部為316L材料，具體如圖2。

該零件的具體打印成形具體步驟如下：

（1）首先，在控制系統14中建立該零件的三維模型，并切片分層，獲得一系列二維打印圖形；

（2）然后，設定打印每一層所需金屬粉末材料的種類，設定切片分層厚度為0.04mm，設定距零件底部30mm~50mm處為成分梯度區間，設定該區間以上為TC4材料，設定該區間以下為316L材料，以距零件底部30mm處為基準，從下往上每23層為一個循環單元，設定第n個循環單元內（24＞n），第1層至第n層為TC4材料，第n+1層至第23層為316L材料，例如第1個循環單元內，第1層為TC4材料，第2~23層為316L材料；第22個循環單元內，第1至第22層為TC4材料，第23層為316L材料，按此規律設定成分梯度區間每一層的材料種類；

（3）利用抽真空系統13對密閉腔室23進行抽真空處理，使得密閉腔室23內的氧氣濃度降低至500ppm以下；

（4）將316L金屬粉末材料裝入送粉缸3內，將TC4金屬粉末材料裝入送粉缸4內；

（5）根據設定的零件二維打印圖形和金屬粉末材料種類，將相應的金屬粉末鋪設于成形缸2表面，并控制激光燒結熔融金屬粉末材料。例如，當某層選定金屬粉末材料為316L時，則導管5中換料閥16和送粉閥18開啟，落入一定量的316L金屬粉末材料到輥筒7與成形缸2之間，同時，平板9向成形缸2運動，使收粉缸11上方形成閉口，平板10向遠離成形缸2方向運動，使收粉缸12上方形成開口，然后輥筒7向成形缸2方向滾動，推動316L金屬粉末材料向成形缸2運動，當輥筒7運動到收粉缸12上方時，多余的316L金屬粉末材料落入收粉缸12，最后，輥筒7返回初始位置；在控制系統14中設定好激光打印參數，設定激光光斑為0.1mm，激光功率為190W，激光掃描速率為800mm/s，激光搭接率為1.2，開始打印；當某層選定金屬粉末材料為TC4時，則導管6中換料閥17和送粉閥8開關啟動，落入一定量的TC4金屬粉末材料到輥筒8與成形缸2之間，同時，平板10向成形缸2運動，使收粉缸12上方形成閉口，平板9向遠離成形缸2方向運動，使收粉缸11上方形成開口，然后輥筒8向成形缸2方向滾動，推動TC4金屬粉末材料向成形缸2運動，當輥筒8運動到收粉缸11上方時，多余的TC4金屬粉末材料落入收粉缸11，最后，輥筒8返回初始位置，激光系統開始打印，激光光斑為0.1mm，激光功率為190W，激光掃描速率為1200mm/s，激光搭接率為1；

（6）調整已打印層的高度，使得已打印層和工作臺21的上表面在同一水平面上，進行下一層二維圖形的打印；

（7）控制系統14判斷零件是否已經完成3D打印，重復步驟（5）；若完成，則停止打印；

（8）完成零件打印后，清除成形缸2內的多余金屬粉末，取出零件；

（9）對零件進行真空熱處理，熱處理溫度為500℃，熱處理時間為5h，最終形成金屬功能梯度材料零件。

對獲得的金屬功能梯度材料零件進行檢測，結果發現，零件尺寸精度為±0.1mm。另外，收粉缸11中收集的TC4粉末材料質量為3.8kg，收粉缸12中收集的316L粉末材料質量為4.3kg。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非是對本發明作其他形式的限制，任何熟悉本領域的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例應用于其他領域，但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍然屬于本發明技術方案的保護范圍。本發明的3D打印裝置及打印方法具有成形質量高、零件尺寸精度高等優點，而且可以實現組分復雜的零件的3D打印成形，如組分由3種及3種以上的粉末組成的零件，也可以用本發明的3D打印裝置打印。