一种功能梯度材料的成形装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种功能梯度材料的成形装置和方法，所述装置包括多通道环形同轴激光熔覆喷头用于将混有惰性保护气体的待熔覆粉末材料喷射至成形平台进行熔覆；光纤激光器发射激光束，经过激光束通道聚焦形成激光束焦点；控制器用于控制光纤激光器的激光输出功率、材料送粉器的送粉速度和流量控制阀的送粉量；多轴运动机构分别与多通道环形同轴激光熔覆喷头和控制器连接，控制器控制多轴运动机构在XYZ轴上运行，从而带动多通道环形同轴激光熔覆喷头运行。该装置和方法可实现功能梯度材料的三维打印成形，提升材料研发的速度，降低材料研发成本。料研发成本。料研发成本。

【技术实现步骤摘要】
一种功能梯度材料的成形装置和方法


[0001]本专利技术属于增材制造领域，尤其涉及一种功能梯度材料的成形装置和方法。

技术介绍

[0002]激光熔覆技术一般应用于现有缺陷零件的表面修复，或者在现有零件表面熔覆不同的合金材料以改善零件表面耐磨、耐腐蚀、耐热、抗氧化及电气特性。随着增材制造技术的发展，激光熔覆技术在增材制造
的应用也越发受到重视，同时，功能梯度材料在材料研究、生物医学等领域有着广泛的应用前景。目前，激光熔覆技术在增材制造
主要是复合金属打印成形，整个零件材料比例在打印成形前已经确定，在做梯度材料零件成形时，需要中断现有打印过程，重新配置复合材料各组分的比例，使得整个材料研发周期比较长，并且材料利用率低。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种功能梯度材料的成形装置和方法
[0004]为了解决上述技术问题，第一方面，公开了一种功能梯度材料的成形装置，包括：多通道环形同轴激光熔覆喷头、控制器、光纤激光器、多轴运动机构、成形平台、材料送粉器、流量控制阀和送粉管，
[0005]所述多通道环形同轴激光熔覆喷头，用于将混有惰性保护气体的待熔覆粉末材料喷射并汇聚至成形平台进行熔覆，包括激光束通道和两个以上的环形通道；每个环形通道均能够用作正压通道或者负压通道，所述正压通道用于压出惰性保护气体和粉末材料，所述负压通道用于吸出空气或者空气与多余粉末材料的混合；当环形通道用作正压通道时，环形通道通过连接通道与送粉管连接，送粉管与流量控制阀连接，流量控制阀通过送粉管与材料送粉器连接，每个材料送粉器中至多包括一种待熔覆粉末材料；
[0006]所述光纤激光器发射激光束，激光束经过激光束通道聚焦形成激光束焦点；两个以上的环形通道的喷射角度需要确保待熔覆粉末材料喷射后汇聚至激光束焦点处，所述激光束焦点初始位于成形平台的表面；
[0007]所述控制器与光纤激光器连接，用于实时控制光纤激光器的激光输出功率；控制器还分别与材料送粉器和流量控制阀连接，用于控制材料送粉器的送粉速度和流量控制阀的送粉量；
[0008]所述多轴运动机构分别与多通道环形同轴激光熔覆喷头和控制器连接，控制器控制多轴运动机构在XYZ轴上运行，从而带动多通道环形同轴激光熔覆喷头运行。
[0009]进一步地，所述多通道环形同轴激光熔覆喷头包括四个同轴腔体，由内至外依次为圆锥形内腔体、第一圆锥形腔体、第二圆锥形腔体和圆锥形外腔体，所述圆锥形内腔体和第一圆锥形腔体之间形成第一环形通道，所述第一圆锥形腔体和第二圆锥形腔体之间形成第二环形通道，所述第二圆锥形腔体和圆锥形外腔体之间形成第三环形通道；第一环形通
道在入口处设有第一口，在出口处形成第一环形口；第二环形通道在入口处设有第二口，在出口处形成第二环形口；第三环形通道在入口处设有第三口，在出口处形成第三环形口；多通道环形同轴激光熔覆喷头至少包括一组第一口、第二口和第三口；
[0010]第一圆锥形腔体的腔壁长度大于圆锥形内腔体的腔壁长度，第二圆锥形腔体的腔壁长度大于第一圆锥形腔体的腔壁长度，圆锥形外腔体的腔壁长度大于第二圆锥形腔体的腔壁长度。
[0011]进一步地，第一环形通道、第二环形通道和第三环形通道均为正压通道，所述流量控制阀包括第一流量控制阀、第二流量控制阀和第三流量控制阀，材料送粉器包括第一材料送粉器、第二材料送粉器和第三材料送粉器，
[0012]第一环形通道通过连接通道与送粉管连接，送粉管与第一流量控制阀连接，第一流量控制阀通过送粉管与第一材料送粉器连接；第二环形通道通过连接通道与送粉管连接，送粉管与第二流量控制阀连接，第二流量控制阀通过送粉管与第二材料送粉器连接；第三环形通道通过连接通道与送粉管连接，送粉管与第三流量控制阀连接，第三流量控制阀通过送粉管与第三材料送粉器连接。
[0013]进一步地，所述激光束通道内设有透镜，激光束经透镜聚焦形成圆锥形激光光束，所述激光束焦点为圆锥形激光光束的焦点。
[0014]进一步地，所述功能梯度材料的成形装置还包括水冷机，用于冷却多通道环形同轴激光熔覆喷头和光纤激光器；
[0015]水冷机的激光器冷却用出水口和进水口通过出水管和进水管分别与光纤激光器的进水口和出水口连接，水冷机的多通道环形同轴激光熔覆喷头冷却用出水口和进水口通过出水管和进水管分别与多通道环形同轴激光熔覆喷头的进水口和出水口连接。
[0016]进一步地，所述材料送粉器设有粉量检测传感器和送粉伺服电机，当粉量检测传感器检测到待熔覆粉末材料不足时，能够进行提示；控制器通过控制送粉伺服电机的转速，从而控制送粉速度。
[0017]进一步地，所述功能梯度材料的成形装置还包括余粉收集装置，用于收集多通道环形同轴激光熔覆喷头出口处多余的粉末。
[0018]第二方面公开了一种功能梯度材料的成形方法，使用上述功能梯度材料的成形装置，包括：
[0019]步骤1，获取功能梯度材料三维数据模型，对所述功能梯度材料三维数据模型进行路径规划和工艺信息处理，获取功能梯度材料的分层信息，计算每一层的路径信息、材料送粉器的目标送粉速度和光纤激光器的激光输出功率；所述路径信息包括路径宽度；
[0020]步骤2，根据激光输出功率，计算控制器输出的电压模拟量；根据电压模拟量控制光纤激光器的输出功率；
[0021]步骤3，计算透镜至成形平台的距离，根据所述距离调整多通道环形同轴激光熔覆喷头在Z轴方向的初始位置；同时预热成形平台；
[0022]步骤4，根据步骤1计算得出的材料送粉器的目标送粉速度，使用PID算法实时调整材料送粉器的送粉速度和流量控制阀的送粉量；
[0023]步骤5，根据功能梯度材料每一层的路径信息，从多通道环形同轴激光熔覆喷头喷射的待熔覆粉末材料在激光束焦点处混合熔化，堆积成形，从而获得所述功能梯度材料。
[0024]进一步地，所述步骤1中对所述功能梯度材料三维数据模型进行路径规划和工艺信息处理包括：对连续的功能梯度材料三维数据模型做离散分层处理，获得离散分层的材料比例中间值；将所述离散分层的材料比例中间值作为所述分层的梯度信息，计算所在分层的路径信息、待熔覆粉末材料的混料比例和激光输出功率，生成的指令代码格式为：
[0025]G1 X<pos>Y<pos>Z<pos>M<rate>N<rate>O<rate>P<power>
[0026]其中，G1表示直线运动指令，X<pos>Y<pos>Z<pos>分别表示XYZ三轴的目的坐标，M<rate>N<rate>O<rat本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功能梯度材料的成形装置，其特征在于，包括多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)、控制器(2)、光纤激光器(104)、多轴运动机构、成形平台(40)、材料送粉器、流量控制阀和送粉管，所述多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)，用于将混有惰性保护气体的待熔覆粉末材料喷射并汇聚至成形平台(40)进行熔覆，包括激光束通道(60)和两个以上的环形通道；每个环形通道均能够用作正压通道或者负压通道，所述正压通道用于压出惰性保护气体和粉末材料，所述负压通道用于吸出空气或者空气与多余粉末材料的混合；当环形通道用作正压通道时，环形通道通过连接通道(9)与送粉管连接，送粉管与流量控制阀连接，流量控制阀通过送粉管与材料送粉器连接，每个材料送粉器中至多包括一种待熔覆粉末材料；所述光纤激光器(104)发射激光束(50)，激光束(50)经过激光束通道(60)聚焦形成激光束焦点(70)；两个以上的环形通道的喷射角度需要确保待熔覆粉末材料喷射后汇聚至激光束焦点(70)处，所述激光束焦点(70)初始位于成形平台(40)的表面；所述控制器(2)与光纤激光器(104)连接，用于实时控制光纤激光器(104)的激光输出功率；控制器(2)还分别与材料送粉器和流量控制阀连接，用于控制材料送粉器的送粉速度和流量控制阀的送粉量；所述多轴运动机构分别与多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)和控制器(2)连接，控制器(2)控制多轴运动机构在XYZ轴上运行，从而带动多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)运行。2.根据权利要求1所述的一种功能梯度材料的成形装置，其特征在于，所述多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)包括四个同轴腔体，由内至外依次为圆锥形内腔体(103)、第一圆锥形腔体(102)、第二圆锥形腔体(202)和圆锥形外腔体(302)，所述圆锥形内腔体(103)和第一圆锥形腔体(102)之间形成第一环形通道(10)，所述第一圆锥形腔体(102)和第二圆锥形腔体(202)之间形成第二环形通道(20)，所述第二圆锥形腔体(202)和圆锥形外腔体(302)之间形成第三环形通道(30)；第一环形通道(10)在入口处设有第一口(901)，在出口处形成第一环形口(101)；第二环形通道(20)在入口处设有第二口(902)，在出口处形成第二环形口(201)；第三环形通道(30)在入口处设有第三口(903)，在出口处形成第三环形口(301)；多通道环形同轴激光熔覆喷头(1)至少包括一组第一口(901)、第二口(902)和第三口(903)；第一圆锥形腔体(102)的腔壁长度大于圆锥形内腔体(103)的腔壁长度，第二圆锥形腔体(202)的腔壁长度大于第一圆锥形腔体(102)的腔壁长度，圆锥形外腔体(302)的腔壁长度大于第二圆锥形腔体(202)的腔壁长度。3.根据权利要求2所述的一种功能梯度材料的成形装置，其特征在于，第一环形通道(10)、第二环形通道(20)和第三环形通道(30)均为正压通道，所述流量控制阀包括第一流量控制阀(105)、第二流量控制阀(108)和第三流量控制阀(110)，材料送粉器包括第一材料送粉器(106)、第二材料送粉器(107)和第三材料送粉器(109)，第一环形通道(10)通过连接通道(9)与送粉管连接，送粉管与第一流量控制阀(105)连接，第一流量控制阀(105)通过送粉管与第一材料送粉器(106)连接；第二环形通道(20)通过连接通道(9)与送粉管连接，送粉管与第二流量控制阀(108)连接，第二流量控制阀(108)通过送粉管与第二材料送粉器(107)连接；第三环形通道(30)通过连接通道(9)与送粉管连接，送粉管与第三流量控制阀(110)连接，第三流量控制阀(110)通过送粉管与第三材料送
粉器(109)连接。4.根据权利要求3所述的一种功能梯度材料的成形装置，其特征在于，所述激光束通道(60)内设有透镜(80)，激光束(50)经透镜(80)聚焦形成圆锥形激光光束，所述激光束焦点(70)为圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏俊，陈晨，唐文来，许赟，
申请(专利权)人：南京智能高端装备产业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：