[发明专利]复合结构金属构件选区激光熔化增材制造装置及工作方法

说明书

本发明复合结构金属构件选区激光熔化增材制造装置，其特征在于：包括刮刀装置、刮刀运动机构、主体部分和激光同轴供粉‑吸粉装置；其中刮刀装置包括两个安装座和设在两个安装座之间的刮刀安装架，所述刮刀安装架内固定设有刮刀；所述刮刀运动机构包括滑轨和滑动连接在滑轨上的滑块，所述安装座固定在滑块上；所述主体部分包括并排的铺粉缸、成形缸和回收缸，所述刮刀能够将铺粉缸表面上的金属粉末推入成形缸和回收缸；所述激光同轴供粉‑吸粉装置包括激光头、送粉枪、吸粉枪、固定架、送粉腔、吸粉腔、第一连接管、机械臂，所述机械臂连接架体，该复合结构金属构件装置和工作方法可实现复合结构异种金属构件的精确供粉、粉末回收和增材成形，同时避免异种粉末之间的相互污染。

技术领域

本发明涉及一种复合结构金属构件选区激光熔化增材制造装置及工作方法。

背景技术

选择性激光熔化 (Selective Laser Melting，SLM)，是金属材料增材制造中的一种主要技术途径，该技术选用激光作为能量源，按照三维CAD（Computer Aided Design）切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件；采用SLM技术能够快速制造复杂形状或结构件成形一体化的高性能金属构件，零件近乎全致密且成形精度高，已经逐步占据了国防工业、航空航天等高端制造市场（文献1：刘婷婷,章林.选区激光熔化金属增材制造实验质量控制[J].实验技术与管理,2022,39(09):48-53）；然而，该技术目前仅限于在每一层上打印单一材料，在许多应用中，例如某些航空发动机部件、适形冷却模具、医疗植入物和功能梯度结构的制造，需要通过多种材料的复合达到其不同使用目的（文献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，需要设计一种可以打印多种材料的选区激光熔化装置来满足复合结构金属构件的增材制造需求。

目前SLM成形设备的主要工作原理如下：成形缸降至工作表面以下，降落高度根据要求可调节，然后铺粉缸升高，使金属粉末高于工作表面；然后刮刀沿着工作表面从粉缸到成形缸水平移动，将粉末均匀铺送到成形缸表面；最后按照预先设置的路径，通过激光扫描铺设好的金属粉末使其熔化并冷却凝固成形，这种设备结构只能进行单一材料的铺设，不能满足多材料的构件制造。

因此，现有文献通过改进了SLM成形设备，以实现多材料的SLM制造，文献3（中国专利公开号CN106180711B）中公开了一种面向粉末材料的选区激光熔化铺粉工艺，主要功能是通过多个喷头在粉末床定点精准铺放不同材料组分的粉末，然后通过SLM制造能够实现不同部位之间材料连续梯度变化，沿材料配比线进行铺粉，通过各个流量控制器相互配合，可以得到不同配比的混合粉末；文献4（中国专利公开号CN110576607B）中公开了一种功能梯度结构的SLM增材制造设备，该发明采用具有旋转功能的送粉装置，在实现双侧送粉的同时有效的减小了设备的体积；同时，可以实现功能梯度结构的打印送粉；铺粉装置往复运动均进行铺粉工作，不存在空行程，有效的提高了铺粉效率；两个压粉装置实现两次压粉，有效的提高了粉床的致密度，零件的成形质量能得到很好的改善；但是，以上方法均只能实现多元混合金属粉末的激光增材制造，无法制备具有异种金属复合结构的构件；文献5（中国专利公开号CN103978211B）中介绍了一种异质材料选区激光熔化的铺粉及回收装置，包括一个可以沿水平固定导轨移动的铺粉装置和多个铺粉槽；一个可以覆盖成形缸平面的吸附罩，可以将一种材料固化后的剩余粉末进行吸附，然后再铺设另一种材料进行固化；但这种设计中，过大的吸附罩会对激光扫描装置造成干扰，且吸附效果不佳，此外，成形基面残留的金属粉末容易污染其他种类的金属粉末。