CN112893878B - 一种梯度材料粉末混合装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种梯度材料粉末混合装置和方法，其装置包括主混粉单元，其入口为大开口，出口为小开口，在主混粉单元可依次实现双漏斗近同步泄粉冲击混合、底部汇聚混合、底部气流冲击混合三种形式的混合效果；设置在主混粉单元的大开口侧的供粉及近同步泄粉冲击混合单元，包括设有供粉空间的供粉腔、控制供粉腔内的粉末泄入主混粉单元的供粉轴、斜向集粉板、垂直板；以及均布混合单元，包括两分散腔、和夹在两分散腔之间并连通两分散腔的集粉腔，通过分散腔上的放射状流道及倒梯形设置的收集腔设置，可实现粉末分散、混合、再分散，进一步混合粉末并将粉末均布为合适宽度。与现有技术相比，本发明能缩短混合时间、提高混合效果。

Description

一种梯度材料粉末混合装置及其方法

技术领域

本发明涉及梯度材料技术领域，特别是涉及一种梯度材料粉末混合装置及其方法。

背景技术

现有技术中，金属零件通过3D打印的方法进行生产，例如激光熔覆制造法、激光选区熔化法、电子束熔融沉积法，目前这些技术已应用到航空航天、医学零件、汽车制造等领域。然而，当前这些技术多用于单种金属材料的成型。随着技术的不断成熟，人们已不满足只使用单种金属材料进行3D打印。包括梯度材料零件在内的多材料金属零件3D打印技术正越来越受到重视。

梯度材料零件是一种由不同的材料在成分或结构上沿厚度或直径方向呈连续变化的新型复合材料零件。梯度材料零件的不同位置上布置不同的材料或结构，从而使得零件不同部位具有不同的性质或功能。而且零件内的材料成分或结构特征连续过渡，使不同的材料或结构之间得到良好结合，不至于在苛刻的使用条件下因性能不匹配而发生破坏。因此，梯度材料零件在工业及日常生活中有着巨大的应用潜力。目前梯度材料零件的成型方法多数为通过喷涂或气相沉积等方法在基体零件表面获得薄层的梯度材料层，其工艺复杂且效率低下。相对传统零件制造方法，3D打印(亦称增材制造)具有自动化程度高、易实现复杂结构成型、成型效率高等优点，在3D打印技术问世后，已逐步出现可实现梯度材料零件制造的3D打印工艺。

激光选区熔化(Selective Laser Melting-SLM)3D打印工艺是当前打印精度最高的金属零件3D打印工艺之一，成型时需采用刮板或辊轴逐层铺设粉末，即每次铺粉，都会铺设一层厚度的粉末。受每次需铺设一层粉末的原理限制，该工艺技术一般用于单种材料零件的成型，为实现梯度材料SLM成型，需要在执行激光选区熔化之前，通过刮板或辊轴在选区内铺设好所需成分的材料。为此，常采用以下两种方法获取不同成分的粉末材料：一种是预先调配法，按各部分的材料成分将预先混合好的粉末分别装入不同的漏斗中，成型过程中，需要用到哪一种梯度成分，则从对应的漏斗处泄下相应的梯度成分粉末，但对梯度材料零件而言可能出在多个梯度成分区域，因此相应地要求用到多个漏斗，从而导致设备构建成本以及体积的增加；另一种方法是实时调配法，实时按配比混合多种不同的粉末，这种方法只需要按基本构成材料的成分种类设置用于盛装原始粉末的漏斗并在成型时按比例及时调配即可，无需按配比分别设置不同的漏斗，具有缩小成型设备体积以及可获得多种不同的梯度材料成分的优势。

尽管实时调配法相对于预先调配法具有一定的优势，但是仍然存在一定的缺点，包括以下几个方面：

(1)由于需要在成型过程中实时混合粉末，因此会增加总成型时间，而传统的机械翻转式粉末混合装置，例如V型混合机、双锥型混合机，粉末混合时间一般需要5分钟以上，对梯度材料零件3D打印而言，由于用到不同的粉末材料，这就造成每次铺设不同类型的粉末材料前需要一次单独的实时混合粉末过程，势必大大降低3D打印的效率，失去与其它技术相比的优势。

(2)由于金属材料SLM成型时，必须通入保护气体以防止材料在成型过程中发生氧化，因此，实时混合粉末过程需要在保护气体内进行，同时粉末混合过程也不能将未混合好的粉末直接洒落到成型平台上。但是由于是实时混粉的装置也需要与SLM成型室、各漏斗集成为一体，且相互连通，采用传统的翻转式混合粉末装置，例如V型混合机，由于回转半径大，因粉末混合前需接入两漏斗按比例下泄的粉末因而难做到在翻转混合过程不洒落粉末，也很难将这类粉末混合装置集成到SLM设备内。

(3)由于梯度材料零件SLM成型过程中，涉及到不同的材料，而这些不同的材料，在成型的某个时刻，都有可能以不同的量进入到混粉装置中，在成型完某个材料区域后，必须要将混粉装置内残余的粉末清除干净，现有的粉末混合装置无法很好地解决这一问题。

(4)目前也有一些粉末气流混合的装置出现，但都不是针对3D打印实时混粉需求的，且仅能通过气流混合粉末，在混粉效率方面还不能很好满足3D打印需求，也不能适应混粉装置需与成型室连成一体设计的需求。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种能快速将粉末混合均匀的梯度材料粉末混合装置。

本发明的梯度材料粉末混合装置是通过如下方案实现：

主混粉单元，其纵截面为两端开口的倒梯形，其入口为大开口、出口为小开口；供粉及近同步泄粉冲击混合单元，所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元设置在所述主混粉单元的大开口侧；所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元包括设有第一供粉空间及第二供粉空间的供粉腔、第一供粉轴、第二供粉轴、第一斜向集粉板和第二斜向集粉板；所述第一斜向集粉板与所述第二斜向集粉板相对设置并向所述主混粉单元倾斜，所述第一斜向集粉板和所述第二斜向集粉板之间形成V字形空间，且所述第一斜向集粉板与所述第二斜向集粉板之间留有间隙；所述第一供粉轴位于所述第一供粉空间出口处，所述第二供粉轴位于所述第二供粉空间出口处，以分别控制所述第一供粉空间和所述第二供粉空间内的粉末经所述第一斜向集粉板、所述第二斜向集粉板进入所述主混粉单元；以及均布混合单元，所述均布混合单元包括两分散腔、和夹在两分散腔之间并连通两分散腔的集粉腔；所述分散腔的纵截面为两端开口的梯形，所述集粉腔的纵截面为两端开口的倒梯形，且一分散腔的小开口侧与所述主混粉单元的小开口侧连通；所述分散腔内设有两条以上从小开口向大开口方向放射的分流道；沿粉末泄落方向，所述分散腔的横截面面积逐渐增大，所述集粉腔的横截面面积逐渐减少。

相对于现有技术，本发明的梯度材料粉末混合装置在粉末受到重力作用自然泄落到成型室的过程中进行混合，缩短混合粉末的时间，提高成型效率，而且混合是反复多次进行的，充分的混合极大地提高了粉末混合的效果。

进一步，所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元还包括垂直板；所述垂直板设置在所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元的第一供粉空间和第二供粉空间之间、所述第一供粉轴和所述第二供粉轴的下面，并伸出到主混粉单元内部，垂直板下部两侧倒角，使两倒角面分别与所述第一斜向集粉板、第二斜向集粉板平行，以形成两条输粉通道；所述第一斜向集粉板与垂直板形成的V形槽将所述第一供粉空间下泄的粉末收集到对应输粉通道，所述第二斜向集粉板与垂直板形成的另一V形槽将所述第二供粉空间下泄的粉末收集到对应的另一输粉通道，两粉末流束在所述第一斜向集粉板与所述第二斜向集粉板形成的间隙间混合。通过设置垂直板得到的两个输粉通道，可有效防止两种粉末因密度不同、供给量不同等因素导致的粉末在间隙处流量差异过大造成的粉末混合不均。

进一步，还包括气体混合单元；所述气体混合单元包括气泵、进气管以及出气管；所述进气管与所述气泵的出气口连接；所述出气管与所述气泵的进气口连接；所述气泵位于所述主混粉单元外侧且通过所述进气管以及所述出气管与所述主混粉单元侧壁连通；所述进气管的连通口设置在靠近所述均布混合单元的一侧；所述出气管的连通口设置在靠近所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元的一侧。气体混合能进一步提高混合效果。

进一步，所述主混粉单元还包括电控阀门；所述电控阀门设置在所述主混粉单元出口附近。电控阀门能确保混合时间，使混合更充分。

进一步，所述主混粉单元设有粉末汇聚部；所述粉末汇聚部为设置在所述主混粉单元小开口侧并连通所述均布混合单元的通道；所述电控阀门设置在所述粉末汇聚部靠近主混粉单元出口处。通过设置粉末汇聚部使粉末汇聚再混合，提高混合效果。

进一步，还包括超声波振动块；所述超声波振动块设置在所述主混粉单元的外侧壁上。超声波振动有利于防止粉末颗粒粘附在装置内各零件内壁上，并保证漏斗泄出的粉末能全部排出装置外。

进一步，还包括控制单元；所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元还包括第一供粉电机及第二供粉电机，所述第一供粉电机带动所述第一供粉轴转动；所述第二供粉电机带动所述第二供粉轴转动；所述控制单元分别与所述第一供粉电机、所述第二供粉电机、所述电控阀门、所述气泵以及所述超声波振动块电连接并控制其开关。设置控制单元以实现自动化操作。

此外，本发明还提供一种梯度材料粉末混合方法，包括以下步骤：

(1)近同步泄粉冲击混合，进行近同步泄粉冲击混合时，分别控制两束粉末流在间隙处碰撞冲击并混合；

(2)底部汇聚-气流冲击多次循环混合：步骤(1)所得的混合粉末流，在横截面面积逐渐变小的空间内泄落并汇聚，实现底部汇聚混合；底部汇聚混合的粉末，在气流作用下向上抛起，粉末颗粒在空间相互冲撞混合，实现气流冲击混合；粉末在下跌过程中再次实现底部汇聚混合；如此反复，实现底部汇聚与气流冲击多次循环混合；

(3)均布混合，进行均布混合时，粉末材料通过放射状流道实现粉末分散均布、通过倒梯形设置的空腔实现粉末混合，按一次以上的分散均布-汇集-分散均布流程，进一步混合粉末并将粉末按一定的宽度均布。

与现有技术相比，本发明的梯度材料粉末混合方法在粉末受到重力作用自然下落过程中，结合气流冲击，实现多次混合，在提高混合效率的同时，提高混合的效果。

进一步，所述气流冲击混合步骤中的气流来自激光选区熔化增材制造设备的成型室内气体，不会引入外部空气。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明中梯度材料粉末混合装置纵向截面的整体结构示意图；

图2为本发明中供粉及近同步泄粉冲击混合单元的结构示意图；

图3为本发明中混粉单元的结构示意图；

图4为本发明中主混粉单元的三维结构示意图；

图5为本发明中均布混合单元纵向截面的结构示意图；

图6为本发明中梯度材料粉末混合方法的流程图；

图7为本发明实施例中梯度材料零件结构中其中一层材料结构示意图。

具体实施方式

本发明的梯度材料粉末混合装置实现同时结合了双漏斗近同步泄粉冲击混合、底部汇聚混合、气流冲击混合、下泄粉末均布混合四个步骤的混合。除气流冲击混合外，其余步骤都发生在粉末重力自流过程中，因此不额外增加总成型时间，能快速地将粉末材料混合均匀。

请参阅图1，本发明的梯度材料粉末混合装置包括供粉及近同步泄粉冲击混合单元10、主混粉单元20、气体混合单元30、均布混合单元40以及分别与之电连接的控制单元(图未示)。所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元10设置在所述主混粉单元20的顶部，所述气体混合单元30与所述主混粉单元20连通，所述均布混合单元40设置在所述主混粉单元20的底部并与3D打印的成型室(图未示)连接。在所述控制单元的控制下，粉末材料在所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元10泄粉的过程中进行近同步泄粉冲击混合，并在所述主混粉单元20内进行底部汇聚混合，与此同时所述气体混合单元30进行气流冲击混合，设置气流混合单元30的执行时间，气流冲击混合-底部汇聚混合可交互反复进行。气流混合单元30的执行时间到达后，粉末材料在所述均布混合单元40中再次进行下泄粉末均布混合后排出本梯度材料粉末混合装置并进入成型室进行粉末铺设以为进行激光选区熔化成型做准备。

其中请参阅图2，所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元10包括供粉腔110、供粉电机120、供粉轴130、第一斜向集粉板140、第二斜向集粉板150、垂直板160。所述供粉腔110内设有一块隔板113将其分隔成两个用于放入不同成分的粉末材料的第一供粉空间111及第二供粉空间112，粉末材料从所述供粉空间的入口放入，从靠近所述主混粉单元20一侧的出口泄出。所述供粉电机120固定在所述供粉腔110的侧壁上并与所述控制单元电连接，所述控制单元控制其开关。各供粉空间的出口处均架设有所述供粉轴130，第一供粉空间111设有第一供粉轴131并由第一供粉电机121控制其回转，第二供粉空间112设有第二供粉轴132并由第二供粉电机122控制其回转，每根供粉轴都设有1个以上的凹槽，用于装入供粉空间上泄下的粉末，通过所述控制单元控制两根供粉轴同时启动，并可以以不同的速度旋转，在相同的时间内完成一定容积比的粉末泄出，进而实现两供粉空间内的粉末接近同步泄出。

在所述供粉轴130转动过程中，所述供粉轴130的凹槽朝向所述供粉腔110时，粉末落入所述供粉轴130的凹槽内；所述供粉轴130的凹槽朝向所述主混粉单元20时，粉末从所述供粉轴130的凹槽向所述主混粉单元20掉落；所述供粉轴130停止转动时，粉末材料停止从所述供粉腔110泄落；第一斜向集粉板140安装在第一供粉空间111下方，并朝向所述主混粉单元20倾斜；第二斜向集粉板150安装在第二供粉空间112下方，并朝向所述主混粉单元20倾斜；两斜向集粉板合成中间有一间隙的V字形空间，这一间隙形成用于与所述主混粉单元20连通的开口170；优选地，所述第一斜向集粉板140与所述第二斜向集粉板150的夹角为90°以上130°以下以提高泄出速度提高冲突力度；所述垂直板160安装在所述隔板113下端，将所述两斜向集粉板形成的V字形空间分隔为两个更小的小V形空间，垂直板160下部两侧倒角，使两倒角面分别与所述第一斜向集粉板140、第二斜向集粉板150平行，以形成第一输粉通道180及第二输粉通道190；所述第一斜向集粉板140与垂直板160形成的小V形空间将对应第一供粉空间111下泄的粉末收集到第一输粉通道180，所述第二斜向集粉板150与垂直板160形成的另一小V形空间将对应第二供粉空间112下泄的粉末收集到对应的第二输粉通道190，受两输粉通道约束，两粉末流束以接近等流量方式排出，在所述开口170处碰撞冲击混合。通过设置垂直板得到的两个输粉通道，可有效防止两种粉末因密度不同、供给量不同等因素导致的粉末在间隙处流量差异太大造成的粉末混合不均。

请参阅图3及图4，所述主混粉单元20的纵向截面为两端开口的倒梯形，其入口为大开口，出口为小开口。所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元10设置在其大开口侧，所述均布混合单元40与所述主混粉单元20的小开口侧连通，在远离所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元10方向上，所述主混粉单元20的横截面面积逐步缩小。优选地，所述主混粉单元20的横截面为长方形且其上端口的长度及宽度与所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元10的相同以提高所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元10与所述主混粉单元20过渡位置的密封性。所述主混粉单元20与所述均布混合单元40之间设有电控阀门220，所述电控阀门220与所述控制单元电连接并在其控制下开关。进一步，所述主混粉单元20的小开口侧连有粉末汇聚部210，所述均布混合单元40与所述粉末汇聚部210连通，且所述电控阀门220设置在所述均布混合单元40与所述粉末汇聚部210之间以控制两者之间的连通或关断。从所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元10的开口170落下的粉末材料均在所述粉末汇聚部210汇聚混合；优选地，所述粉末汇聚部210的中空通道横截面为正方形。

请参阅图1，所述气体混合单元30包括气泵310、进气管320以及出气管330。所述气泵310设置在所述主混粉单元20外侧且与所述控制单元电连接，所述控制单元控制其开关。所述进气管320一端与所述气泵310的出气口连接，另一端与所述主混粉单元20的侧壁连通且其连通口靠近所述电控阀门220，且位于电控阀门220上方。优选地，所述进气管320与所述粉末汇聚部210的侧壁连通。所述出气管330一端与所述气泵310的进气口连接，另一端与所述主混粉单元20的侧壁连通且其连通口靠近所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元10，从而避免在底部气流冲击混合阶段外部气体进入所述主混粉单元20内以减少对粉末材料的氧化。

请参阅图5，所述均布混合单元40包括第一分散腔410、集粉腔420以及第二分散腔430。其中所述第一分散腔410、所述集粉腔420以及所述第二分散腔430的纵截面均为两端开口的梯形，所述集粉腔420在所述第一分散腔410与所述第二分散腔430之间并与之连通。所述第一分散腔410的小开口侧固定在粉末汇聚部210上并通过螺钉等与之连通，其大开口侧与所述集粉腔420的大开口侧相接，所述第二分散腔430的小开口侧与所述集粉腔420的小开口侧相接，沿粉末泄落方向，所述第一分散腔410与所述第二分散腔430的横截面面积逐渐增大，所述集粉腔420的横截面面积逐渐减少，从而形成“拓宽-收窄-拓宽”式空间大小规则变化的内部腔体结构。所述第一分散腔410以及所述第二分散腔430均内设有多个流道板411，且所述流道板411由所述第一分散腔410以及所述第二分散腔的小开口侧向大开口侧方向放射排布从而形成多个放射状的分流道412。从所述粉末汇聚部210泄出的粉末材料沿所述第一分散腔410、所述集粉腔420以及所述第二分散腔430流动，通过所述分流道412时将点团状的粉末材料分散均布，通过所述集粉腔420时汇集混合。通过所述均布混合单元40的内部结构使得从所述粉末汇聚部210泄出的粉末材料经过分散均布-汇集-分散均布的过程，粉末材料进一步得到混合。优选地，串联两个以上的均布混合单元40，相邻的两均布混合单元40中通过其中一个均布混合单元40的大开口侧与另一均布混合单元40的小开口侧相互连通而串联在一起，通过多个均布混合单元40的串联提高混合效果。进一步，以所述第二分散腔430大开口为所述均布混合单元40的粉末材料出口，且所述第二分散腔430大开口与SLM成型室(图未示)内刮板宽度相同，以便粉末经第二分散腔430分散均布为与刮板等宽的粉末束，进而保证刮板能将粉末在成型平台铺满一层。

进一步，在所述主混粉单元20外侧壁上通过螺钉等设置一个以上的超声波振动块230，所述超声波振动块230由与所述控制单元电连接的超声波发生器驱动，在粉末材料混合阶段以及完成混合后2秒到10秒内所述超声波振动块230保持振动，使得在混合及流动过程中不会粘附在装置内各零件内壁上，并保证漏斗泄出的粉末能全部排出装置外。

基于上述梯度材料粉末混合装置的结构，对本发明的梯度材料粉末混合方法进行说明，请参阅图6，本发明的梯度材料粉末混合方法包括如下步骤：

步骤S10：不同成分粉末材料的近同步泄粉冲击混合阶段。

将不同基本成分的粉末材料分别放入不同的供粉空间中，所述控制单元根据梯度材料零件的成分分别控制设置在两供粉空间出口的供粉轴130在相同的时间内，以不同的回转速度泄出粉末，实现两供粉空间的粉末近同步下泄，不同成分的粉末材料分别从两所述供粉空间泄出后沿所述第一斜向集粉板140以及所述第二斜向集粉板150向下移动，分别经第一输粉通道180、第二输粉通道190，在所述开口170处汇聚，两股粉末流束将相冲击碰撞，实现第一次粉末混合。

步骤S20：底部汇聚-气流冲击多次循环混合阶段。

从所述开口170流入所述主混粉单元20的粉末材料在重力作用下向下落下，直接或沿所述主混粉单元20的内壁掉落到所述主混粉单元20的底部，即所述粉末汇聚部210，由于所述主混粉单元20的内壁逐渐变小，因此粉末材料在所述主混粉单元20的底部再次汇聚混合。此时所述控制单元控制所述电控阀门220处于关闭状态。

当粉末材料聚集到所述粉末汇聚部210后，所述控制单元控制所述气泵310启动2秒以上20秒以下，气体从所述进气管320进入所述粉末汇聚部210以从所述主混粉单元20的底部向上冲击粉末材料，粉末颗粒在空间相互冲撞混合，实现气流冲击混合，粉末材料上抛到一定程度后在重力作用下粉末材料又重新下落到所述粉末汇聚部210中并填补刚被气体冲走粉末形成的空隙。如此循环持续2-20s，粉末颗粒得到充分混合，在上抛的粉末下落过程中，同样亦受横截面积逐步缩小的主混粉单元20影响，下落过程逐步被汇聚，与其它粉末颗粒进一步混合，如此反复，实现底部汇聚与气流冲击多次循环混合。优选地，在此阶段控制所述超声波振动块230持续振动以防止粉末停留在所述主混粉单元20的内壁。

步骤S30：粉末材料的均布混合阶段。

气流冲击混合完成后，打开所述电控阀门220打开，粉末材料从所述粉末汇聚部210流入所述均布混合单元40并分别经过所述第一分散腔410、所述集粉腔420以及所述第二分散腔430，在所述分流道412的作用下经历分散均布-汇集-分散均布的混合过程后排出该梯度材料粉末混合装置。在此过程中以及装置内基本没有粉末颗粒泄出后2-10秒内，所述控制单元控制所述超声波振动块230保持振动，以保证该梯度粉末混合装置内的粉末颗粒全部泄出。通过所述均布混合单元40，一方面将下泄的粉末进一步混合，另一方面，将粉末流束整理成SLM成型室内刮板相同的宽度，以便刮板能将粉末在成型平台铺满一层，所述均布混合单元40由两个设有放射状分流道412的第一分散腔410与第二分散腔430之间夹着一个集粉腔420组成，带放射状流道的所述第一分散腔410与所述第二分散腔430可将粉末由点团状自放射状流道分散均布开来，横截面面积逐渐变小的集粉腔420则又可将分散均布开来的粉末又汇聚在一起，通过分散均布-汇集-分散均布，实现粉末的进一步混合。通过依次设置多组分散腔-集粉腔-分散腔，可以获得更优的混合效果。

与现有技术相比，本发明的梯度材料粉末混合方法在粉末受到重力作用自然下落过程中，结合气流冲击，实现多次混合，在提高混合效率的同时，提高混合的效果。

进一步，所述气流冲击混合步骤中的气流来自激光选区熔化增材制造设备的成型室内气体，不会引入外部空气。

实施例：

在本实施例中，采用本发明所提供的梯度材料粉末混合方法并结合本发明所提供的梯度材料粉末混合装置制作梯度材料零件。

其中，该梯度材料粉末混合装置中，所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元10由一隔板113将所述供粉腔110分隔为第一供粉空间111和第二供粉空间112，所述第一斜向集粉板140安装在第一供粉空间111下方，并朝向所述主混粉单元20倾斜；第二斜向集粉板150安装在第二供粉空间112下方，并朝向所述主混粉单元20倾斜；两斜向集粉板合成中间有一间隙的V字形空间，这一间隙形成用于与所述主混粉单元20连通的开口170；所述隔板113位于所述开口170正上方，所述垂直板160安装在所述隔板113下端，将所述两斜向集粉板形成的V字形空间分隔为两个更小的小V形空间，垂直板160下部两侧倒角，使两倒角面分别与所述第一斜向集粉板140、第二斜向集粉板150平行，以形成第一输粉通道180及第二输粉通道190；所述第一斜向集粉板140与垂直板160形成的小V形空间将对应第一供粉空间111下泄的粉末收集到第一输粉通道180，所述第二斜向集粉板150与垂直板160形成的另一小V形空间将对应第二供粉空间112下泄的粉末收集到对应的第二输粉通道190，受两输粉通道约束，两粉末流束以接近等流量方式排出，在所述开口170处碰撞冲击混合。所述第一供粉空间111与所述第一斜向集粉板140之间设有第一供粉轴131，所述第二供粉空间112与所述第二斜向集粉板150之间设有第二供粉轴132，第一供粉电机121带动所述第一供粉轴131回转，第二供粉电机122带动所述第二供粉轴132回转。所述第一供粉轴131以及所述第二供粉轴132均为花键形轴，其供粉量由自身的旋转时间以及速度决定，所述第一供粉轴131以及所述第二供粉轴132回转的起始时间以及持续时间相同，但速度可根据不同的梯度成分比例由所述控制单元调节，以保证能接近同步地泄出粉末。所述第一供粉电机121以及所述第二供粉电机122为步进电机。所述主混粉单元20为通过铸造或3D打印配合机加工制成的一体结构。所述电控阀门220包括阀板221以及控制电机222。所述控制电机222为步进电机，且电机轴穿过所述粉末汇聚部210的侧壁，所述阀板221固定在所述控制电机222的电机轴末端。所述阀板221为横截面与所述粉末汇聚部210中空通道的横截面面积相同的块体，其高度均小于横截面内的长与宽，且一端固定在位于所述粉末汇聚部210内侧的控制电机222电机轴上。当所述阀板221的横截面朝向所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元10时，所述电控阀门220处于关闭状态；当所述控制电机222带动所述阀板221由所述阀板221的横截面朝向所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元10状态绕所述控制电机222的电机轴转动90度后，所述电控阀门220处于完全打开状态，粉末材料下泄。优选地，所述阀板221上设有防止所述电控阀门220关闭时粉末泄漏的密封胶条。一个接近开关223垂直于水平方向安装在电机安装座225上，一块感应铁224安装在所述控制电机222电机轴上并位于所述粉末汇聚部210外侧，且使阀板221处于关闭状态时感应铁224能与接近开关223共轴；所述接近开关223与所述控制单元电连接。当需要关闭阀板221时，电机轴旋转到感应铁224与接近开关223共轴时，接近开关223将到位信号反馈给控制单元，控制单元控制控制电机222停止转动，实现阀板关闭到位；当需要开启阀板221时，控制单元控制控制电机222以接近开关223所在位置为位置零点，旋转90度然后停止，这时阀板221到达开启状态。

该梯度材料零件的其中一层材料成分分布请参阅图7，a为316L不锈钢单材料区域，b为由体积比为80％的316L不锈钢与20％青铜材料混合的梯度材料区域，c为由体积比为50％的316L不锈钢与50％青铜材料混合的梯度材料区域，d为由体积比为20％的316L不锈钢与80％青铜材料构成的梯度材料区域，e为青铜单材料区域。在SLM成型过程中，一般每层的层厚为30-50微米，由于SLM增材制造过程采用的铺粉装置是基于粉末床的刮板平铺一层粉末至成型平台上实现粉末预置的原理，因此，每次的粉末供应量至少为单层粉末量。假设所述第一供粉轴131和所述第二供粉轴132的结构一致，每根轴上都设置有6个花键槽，每4个花键槽的容积对应一层粉末量，即所述第一供粉轴131或所述第二供粉轴132回转时花键槽越过供粉空间正下方的数量大于或等于4个时，可铺满一层的粉末。在启动该梯度材料粉末混合装置进行粉末材料混合前，在所述第一供粉空间111内放入青铜粉，在所述第二供粉空间112内放入316L不锈钢粉，按成型顺序是区域a->区域b->区域c->区域d->区域e混合粉末并铺设该层粉末材料，其过程如下：

第一步：铺设区域a。

判定当前材料区域a是采用316L不锈钢粉的单材料区域后，由于无需进行粉末混合，可直接进行铺粉。在所述控制单元控制下，所述超声波振粉块230振动并使所述电控阀门220处于打开的状态，所述第二供粉轴132回转使轴上4个花键槽依次越过供粉空间正下方，将4个单元的316L不锈钢粉末泄落到所述主混粉单元20内，经过所述粉末汇聚部210进入所述均布混合单元40，所述均布混合单元40最终将粉末分散均布成与SLM成型室内刮板等宽度的粉末流束，最后排到成型室内，为该层材料区域a的激光扫描成型前的铺粉操作提供好所需的粉末材料。在装置内基本没有粉末颗粒泄出后2-10秒内，所述控制单元控制所述超声波振动块230仍保持振动，以保证漏斗泄出的粉末能全部排出该梯度粉末混合装置。

第二步：铺设区域b。

判定当前材料区域b的材料成分由体积比为80％的316L不锈钢与20％青铜材料混合而成后。在所述控制单元控制下，所述超声波振粉块230振动并使所述电控阀门220处于关闭的状态，在所述第一供粉轴131旋转使轴上1个花键槽越过供粉空间正下方以泄落1个单位的青铜粉末的同时，所述第二供粉轴132回转使轴上4个花键槽越过供粉空间正下方以泄落4个单位的316L不锈钢，4个单位的316L不锈钢粉末与1个单元的青铜粉末几乎同时泄落到所述主混粉单元20内，通过控制单元控制第二供粉轴132的回转速度为第一供粉轴131的回转速度的4倍，使两供粉轴在相同的时间内完成两种粉末的大致同步泄出，并在所述主混粉单元20内的开口170处相遇对冲混合，实现粉末的初步混合。当初步混合的粉末继续在重力的作用下向下跌入所述粉末汇聚部210时，实现首次粉末底部汇聚混合，这时开启所述气泵310，所述气泵310经所述进气管320输出的气流进入所述粉末汇聚部210，自下向上冲击粉末，所述粉末汇聚部210的粉末向上运动，粉末颗粒在半空中相互碰撞混合，总有粉末颗粒上升到一定距离后偏离水平方向上的原始位置，导致新水平方向位置上的气流上冲力不足以支持这些粉末颗粒在空中，因而在重力作用下跌落并填补刚被冲走粉末形成的空隙然后再被抛起，如此循环持续2-20s，粉末颗粒将得到充分混合，在上抛的粉末下落过程中，同样亦受所述主混粉单元20横截面积逐步缩小的影响，下落过程逐步被汇聚，与其它粉末颗粒进一步混合，即底部汇聚混合与气流冲击混合同步反复进行。在所述气泵310启动2-20s后，所述气泵310停止，粉末重新在重力作用下落入所述粉末汇聚部210，这时控制所述电控阀门220打开，粉末下泄到所述均布混合单元40中。带放射状流道的第一分散腔410可将粉末由点团状变为放射状流道分散均布开来，所述集粉腔420则又可将分散均布开来的粉末又汇聚在一起，然后通过所述第二分散腔430分散均布，通过分散均布-汇集-分散均布，实现粉末的进一步混合以及最终将粉末分散均布成与SLM成型室内刮板等宽度的粉末流束。最终，粉末自所述均布混合单元40进一步混合及分散均布后，倾倒到成型室内，为该层材料区域b的激光扫描成型前的铺粉操作提供好所需的粉末材料。整个混粉过程以及在装置内基本没有粉末颗粒泄出后2-10秒内，所述超声波振粉块230保持振动，使粉末在混合及流动过程中不会粘附在装置内各零件内壁上，并保证漏斗泄出的粉末能全部排出装置外。

第三步：铺设区域c。

判定当前材料区域c的材料成分由体积比为50％的316L不锈钢与50％青铜材料混合而成后。在所述控制单元控制下，所述超声波振粉块230振动并使所述电控阀门220处于关闭的状态，在所述第一供粉轴131旋转使轴上2个花键槽越过供粉空间正下方以泄落2个单位的青铜粉末的同时，所述第二供粉轴132使轴上2个花键槽越过供粉空间正下方以泄落2个单位的316L不锈钢，通过控制单元控制第二供粉轴132的回转速度与第一供粉轴131的回转速度相同，使两供粉轴在相同的时间内完成两种粉末的大致同步泄出，并在所述主混粉单元20内的开口170处相遇对冲混合，实现粉末的初步混合。当初步混合的粉末继续在重力的作用下向下跌入所述粉末汇聚部210时，实现首次粉末底部汇聚混合，这时开启所述气泵310，所述气泵310经所述进气管320输出的气流到所述主混粉单元20内并从底部向上冲击粉末，所述粉末汇聚部210的粉末向上运动，粉末颗粒在半空中相互碰撞混合，总有粉末颗粒上升到一定距离后偏离水平方向上的原始位置，导致新水平方向位置上的气流上冲力不足以支持这些粉末颗粒在空中，因而在重力作用下跌落并填补刚被冲走粉末形成的空隙然后再被抛起，如此循环持续2-20s，粉末颗粒将得到充分混合，在上抛的粉末下落过程中，同样亦受所述主混粉单元20横截面积逐步缩小的影响，下落过程逐步被汇聚，与其它粉末颗粒进一步混合，即底部汇聚混合与气流冲击混合同步反复进行。在所述气泵310启动2-20s后，所述气泵310停止，粉末重新在重力作用下落入所述粉末汇聚部210，这时控制所述电控阀门220打开，粉末下泄到所述均布混合单元40中。带放射状流道的第一分散腔410可将粉末由点团状变为放射状流道分散均布开来，所述集粉腔420则又可将分散均布开来的粉末又汇聚在一起，然后通过所述第二分散腔430分散均布，通过分散均布-汇集-分散均布，实现粉末的进一步混合以及最终将粉末分散均布成与SLM成型室内刮板等宽度的粉末流束。最终，粉末自所述均布混合单元40进一步混合及分散均布后，倾倒到成型室内，为该层材料区域c的激光扫描成型前的铺粉操作提供好所需的粉末材料。整个混粉过程以及在装置内基本没有粉末颗粒泄出后2-10秒内，所述超声波振粉块230保持振动，使粉末在混合及流动过程中不会粘附在装置内各零件内壁上，并保证漏斗泄出的粉末能全部排出装置外。

第四步：铺设区域d。

判定当前材料区域d的材料成分由体积比为20％的316L不锈钢与80％青铜材料混合而成后。在所述控制单元控制下，所述超声波振粉块230振动并使所述电控阀门220处于关闭的状态，在所述第一供粉轴131旋转使轴上4个花键槽越过供粉空间正下方以泄落4个单位的青铜粉末的同时，所述第二供粉轴132使轴上1个花键槽越过供粉空间正下方以泄落1个单位的316L不锈钢，1个单位的316L不锈钢粉末与4个单元的青铜粉末同时泄落到所述主混粉单元20内，通过控制单元控制第一供粉轴131的回转速度为第二供粉轴132的回转速度的4倍，使两供粉轴在相同的时间内完成两种粉末的大致同步泄出，并在所述主混粉单元20内的开口170处相遇对冲混合，实现粉末的初步混合。当初步混合的粉末继续在重力的作用下向下跌入所述粉末汇聚部210时，实现首次粉末汇聚混合，这时开启所述气泵310，所述气泵310经所述进气管320输出的气流到所述主混粉单元20内并从底部向上冲击粉末，所述粉末汇聚部210的粉末向上运动，粉末颗粒在半空中相互碰撞混合，总有粉末颗粒上升到一定距离后偏离水平方向上的原始位置，导致新水平方向位置上的气流上冲力不足以支持这些粉末颗粒在空中，因而在重力作用下降落并填补刚被冲走粉末形成的空隙然后再被抛起，如此循环持续2-20s，粉末颗粒将得到充分混合，在上抛的粉末下落过程中，同样亦受所述主混粉单元20横截面积逐步缩小的影响，下落过程逐步被汇聚，与其它粉末颗粒进一步混合，即底部汇聚混合与气流冲击混合同步反复进行。在所述气泵310启动2-20s后，所述气泵310停止，粉末重新在重力作用下落入所述粉末汇聚部210，这时控制所述电控阀门220打开，粉末下泄到所述均布混合单元40中。带放射状流道的第一分散腔410可将粉末由点团状变为放射状流道分散均布开来，所述集粉腔420则又可将分散均布开来的粉末又汇聚在一起，然后通过所述第二分散腔430分散均布，通过分散均布-汇集-分散均布，实现粉末的进一步混合以及最终将粉末分散均布成与SLM成型室内刮板等宽度的粉末流束。最终，粉末自所述均布混合单元40进一步混合及分散均布后，倾倒到成型室内，为该层材料区域d的激光扫描成型前的铺粉操作提供好所需的粉末材料。整个混粉过程以及在装置内基本没有粉末颗粒泄出后2-10秒内，所述超声波振粉块230保持振动，使粉末在混合及流动过程中不会粘附在装置内各零件内壁上，并保证漏斗泄出的粉末能全部排出装置外。

第五步：铺设区域e。

判定当前材料区域e是采用青铜粉的单材料区域后，由于无需进行粉末混合，可直接进行铺粉。在所述控制单元控制下，所述超声波振粉块230振动并使所述电控阀门220处于打开的状态，所述第一供粉轴131回转使轴上4个花键槽越过供粉空间正下方，将4个单元的青铜粉末泄落到所述主混粉单元20内，经过所述粉末汇聚部210进入所述均布混合单元40，所述均布混合单元40最终将粉末分散均布成与SLM成型室内刮板等宽度的粉末流束，最后排到成型室内，为该层材料区域e的激光扫描成型前的铺粉操作提供好所需的粉末材料。在装置内基本没有粉末颗粒泄出后2-10秒内，所述控制单元控制所述超声波振动块230仍保持振动，以保证漏斗泄出的粉末能全部排出该梯度粉末混合装置。

至此，打印完一层的材料。如下一层的材料分布仍如当前层一样，则反复执行第一到第五步，直至完成整个零件的3D打印工作。

相比于现有技术，本发明的以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种梯度材料粉末混合装置，其特征在于：包括

主混粉单元，其纵截面为两端开口的倒梯形，其入口为大开口、出口为小开口；

供粉及近同步泄粉冲击混合单元，所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元设置在所述主混粉单元的大开口侧；所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元包括设有第一供粉空间及第二供粉空间的供粉腔、第一供粉轴、第二供粉轴、第一斜向集粉板和第二斜向集粉板；所述第一斜向集粉板与所述第二斜向集粉板相对设置并向所述主混粉单元倾斜，所述第一斜向集粉板和所述第二斜向集粉板之间形成V字形空间，且所述第一斜向集粉板与所述第二斜向集粉板之间留有间隙；所述第一供粉轴位于所述第一供粉空间出口处，所述第二供粉轴位于所述第二供粉空间出口处，以分别控制所述第一供粉空间和所述第二供粉空间内的粉末经所述第一斜向集粉板、所述第二斜向集粉板进入所述主混粉单元；以及

均布混合单元，所述均布混合单元包括两分散腔、和夹在两分散腔之间并连通两分散腔的集粉腔；所述分散腔的纵截面为两端开口的梯形，所述集粉腔的纵截面为两端开口的倒梯形，且一分散腔的小开口侧与所述主混粉单元的小开口侧连通；所述分散腔内设有两条以上从小开口向大开口方向放射的分流道；沿粉末泄落方向，所述分散腔的横截面面积逐渐增大，所述集粉腔的横截面面积逐渐减少。

2.根据权利要求1所述的梯度材料粉末混合装置，其特征在于：所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元还包括垂直板；所述垂直板设置在所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元的第一供粉空间和第二供粉空间之间、所述第一供粉轴和所述第二供粉轴的下面，并伸出到主混粉单元内部，将所述第一斜向集粉板与所述第二斜向集粉板形成的V字形空间分隔为两个小V形空间，垂直板下部两侧倒角，使两倒角面分别与所述第一斜向集粉板、第二斜向集粉板平行，以形成两条输粉通道；所述第一斜向集粉板与垂直板形成的小V形空间将所述第一供粉空间下泄的粉末收集到对应输粉通道，所述第二斜向集粉板与垂直板形成的另一小V形空间将所述第二供粉空间下泄的粉末收集到对应的另一输粉通道，两粉末流束在所述第一斜向集粉板与所述第二斜向集粉板形成的间隙间混合。

3.根据权利要求2所述的梯度材料粉末混合装置，其特征在于：还包括气体混合单元；所述气体混合单元包括气泵、进气管以及出气管；所述进气管与所述气泵的出气口连接；所述出气管与所述气泵的进气口连接；所述气泵位于所述主混粉单元外侧且通过所述进气管以及所述出气管与所述主混粉单元侧壁连通；所述进气管的连通口设置在所述主混粉单元侧壁靠近所述均布混合单元的一侧；所述出气管的连通口设置在所述主混粉单元侧壁靠近所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元的一侧。

4.根据权利要求3所述的梯度材料粉末混合装置，其特征在于：所述主混粉单元还包括电控阀门；所述电控阀门设置在所述主混粉单元出口附近。

5.根据权利要求4所述的梯度材料粉末混合装置，其特征在于：所述主混粉单元设有粉末汇聚部；所述粉末汇聚部为设置在所述主混粉单元小开口侧并连通所述均布混合单元的通道；所述电控阀门设置在所述粉末汇聚部靠近主混粉单元出口处。

6.根据权利要求5所述的梯度材料粉末混合装置，其特征在于：还包括超声波振动块；所述超声波振动块设置在所述主混粉单元的外侧壁上。

7.根据权利要求6所述的梯度材料粉末混合装置，其特征在于：还包括控制单元；所述供粉及近同步泄粉冲击混合单元还包括第一供粉电机及第二供粉电机，所述第一供粉电机带动所述第一供粉轴转动；所述第二供粉电机带动所述第二供粉轴转动；所述控制单元分别与所述第一供粉电机、所述第二供粉电机、所述电控阀门、所述气泵以及所述超声波振动块电连接并控制其开关。

8.一种梯度材料粉末混合方法，使用权利要求1到7中任一项所述的梯度材料粉末混合装置，其特征在于，包括以下步骤：

（1）近同步泄粉冲击混合，进行近同步泄粉冲击混合时，分别控制两束粉末流在间隙处碰撞冲击并混合；

（2）底部汇聚-气流冲击多次循环混合：步骤（1）所得的混合粉末流，在横截面面积逐渐变小的空间内泄落并汇聚，实现底部汇聚混合；底部汇聚混合的粉末，在气流作用下向上抛起，粉末颗粒在空间相互冲撞混合，实现气流冲击混合；粉末在下跌过程中再次实现底部汇聚混合；如此反复，实现底部汇聚与气流冲击多次循环混合；

（3）均布混合，进行均布混合时，粉末材料通过放射状流道实现粉末分散均布、通过倒梯形设置的集粉腔实现粉末汇聚，按一次以上的分散-汇聚-分散流程，进一步混合粉末并将粉末均布为成型室刮板宽度。

9.根据权利要求8所述的梯度材料粉末混合方法，其特征在于：所述气流冲击混合步骤中的气流来自激光选区熔化增材制造设备的成型室内气体，不会引入外部空气。

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