CN115415553A - 三维多材料梯度粉层铺放装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及粉末冶金技术领域，提供了一种三维多材料梯度粉层铺放装置及方法，所述装置包括粉末下落量控制单元、动态混合单元及整体移动单元；粉末下落量控制单元包括储粉仓、阵列隔板、隔板驱动子单元、筛网以及筛网驱动子单元，通过阵列的可移动隔板控制沿阵列方向的不同位置上粉末下落速率，通过经驱动的筛网可平滑粉末下落速率，增加粉末下落可控性；动态混合单元使得粉末在下落过程中连续而均匀的混合。所述方法包括：在整体装置运动过程中，利用隔板阵列控制任意位置的粉末比例，经动态混合后形成三维多材料梯度粉层。与现有设备相比，本发明装置可精准控制粉末比例，可实现三维空间任意位置任意比例粉末放置，弥补当前行业空缺。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，特别涉及一种三维多材料梯度粉层铺放装置及方法。
背景技术
随着航天、航空、核能等关键技术领域的发展，服役条件愈发复杂严苛，传统工艺制备的单一材料部件已无法满足需求。在“合适的位置放置适宜的材料”一直是材料加工领域追求的目标，通过传统材料连接工艺如焊接、涂层、机械等手段形成多材料部件。
梯度材料增材制造，其自由度高、成形精度高、可控性强，因此备受关注。不过目前的增材制造中基于同轴送粉技术的DED技术存在精度和成型质量较低的问题，无法实现工业应用。而基于粉末床的增材制造具有精度高、无需其他支撑、粉末浪费少等优点，是实现梯度材料部件工业化应用的理想技术。目前的三维梯度粉末层铺放方式中，难以直接铺放复杂三维梯度粉层。仅有的三维铺粉方式中，CN109803775A描述了一种将粉末置于圆筒状的网外侧，通过一排执行器使粉末落下等方式来铺粉的方式，不过，该方式设备复杂，精度需求较高。还有一种CN201880043285.3描述的粉末铺放方式，通过下送粉来铺基体粉末，然后通过粉末负压吸收装置将粉末吸走，再通过一个超声波与微米管控制的喷嘴状粉末铺放器来定点铺放粉末，但是其只能铺放微区，并形成一个微型粉末堆，铺放效率较低。还有一种CN105618755A描述的方式，分别将一种粉末铺放并烧结/熔化后，通过刮刀清除后，再进行其他粉末的铺粉与烧结，最终完成层内多材料打印。不过上述三种方法都难以进行梯度粉末比例高精度控制，仅可以铺放预定的几种粉末，难以混合而形成梯度。其不同粉末烧结后直接以不同材料焊接的形式而存在，其界面易由于不同材料间物化性质的巨大差异而失效。
因此需要开发一种粉末比例可控的三维梯度粉层铺放方式，可以通过梯度过渡的方式强化不同材料间的连接，最大化增材制造自由度高的特点。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种三维多材料梯度粉层铺放装置及方法，该装置可精准控制粉末比例，可实现三维空间任意位置任意比例粉末放置。可用于粉末床增材制造，可用于粉末冶金粉末铺放。
本发明提出利用阵列的水平隔板控制各个位置粉末下落比例，利用动态混粉装置进行实时混合，整体装置移动后便可形成一次铺粉，粉层各个位置粉末比例可控，从而形成三维多材料梯度粉层。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种三维多材料梯度粉层铺放装置，包括粉末下落量控制单元、动态混合单元及整体移动单元；
所述粉末下落量控制单元，用于供给混合粉末，所述混合粉末在垂直于铺粉方向形成设定梯度，所述混合粉末包括两种或多于两种不同材料的粉末；
所述动态混合单元，设置在所述粉末下落量控制单元下方，用于将来自于所述粉末下落量控制单元的所述混合粉末进行混匀；
所述整体移动单元，用于承载所述粉末下落量控制单元和所述动态混合单元，并带动所述粉末下落量控制单元和所述动态混合单元在铺粉方向往返移动。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述粉末下落量控制单元包括两个或多个储粉仓、阵列隔板和筛网；
所述两个或多于两个储粉仓，用于盛放两种或多于两种粉末；所述储粉仓的底部设置有多个所述阵列隔板，阵列方向垂直于铺粉方向；所述阵列隔板的下方紧贴设置所述筛网；
所述阵列隔板能沿垂直阵列方向水平移动，用于控制相应储粉仓的底部开口大小；通过可移动的阵列隔板可控制沿阵列方向的不同位置上粉末下落速率和下落量；可在阵列方向上形成设定粉末梯度；
所述阵列隔板对应设置隔板驱动子单元，用于驱动所述阵列隔板水平往返移动；每块阵列隔板均单独驱动；隔板驱动子单元可为阵列的电机与齿轮齿条、连杆、蜗轮蜗杆等机械连接装置，也可为阵列的压电装置及机械连接转置等；
所述筛网对应设置筛网驱动子单元，用于驱动所述筛网产生机械振动；通过经驱动的筛网可平滑粉末下落速率，增加粉末下落可控性。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述粉末下落量控制单元包括两个储粉仓；两个储粉仓为并排设置的两个独立储粉仓，或在一个大的仓体内加竖向隔板形成；
两个储粉仓共用所述阵列隔板，每块所述阵列隔板的中部开有落粉孔；当所述阵列隔板水平移动时，所述落粉孔在两个储粉仓之间分配大小，控制两种粉末的落下比例；
所述阵列隔板驱动子单元设置在两个储粉仓的一侧。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述粉末下落量控制单元包括多于两个储粉仓；储粉仓的排列方式为：单个独立储粉仓并排设置，每个独立储粉仓均对应设置独立的阵列隔板、阵列隔板驱动子单元、筛网和筛网驱动子单元；
所有储粉仓共用一个所述动态混合单元及所述整体移动单元。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述粉末下落量控制单元包括多于两个储粉仓；储粉仓的排列方式为：两个储粉仓为一组储粉仓，多于一组储粉仓并排设置；每组储粉仓共用所述阵列隔板、阵列隔板驱动子单元、筛网及筛网驱动子单元；
所有储粉仓共用一个所述动态混合单元及所述整体移动单元。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述储粉仓，可为漏斗形的外壳。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述筛网位于储粉仓的出口处，该筛网孔径为粉末粒径的2～7倍，该筛网不振动时粉末滞留于上方，当其振动时粉末可均匀下落。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述动态混合单元包括外壳、叶片及辅助流动子单元；
所述叶片为长方形或类长方形，所述叶片为多个，每个所述叶片均沿阵列方向水平固定在所述外壳的内壁，多个所述叶片自上而下间隔交错固定在所述内壁相对的两侧，用于所述混合粉末落下时经过多个所述叶片的阻挡后充分混匀；粉末在下落的过程中落在该叶片阵列中，粉末在下落过程中可连续而充分的进行混合；
所述辅助流动子单元通过所述外壳传递振动至多个所述叶片，使得粉末在下落过程中不沾在叶片及外壳中；
所述外壳上方连接所述粉末下落量控制单元的出口处，下方开有狭长出口，从而可高精度控制粉末沉积的位置。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述叶片表面光滑，且所述叶片所在平面倾斜设置；
和/或，所述辅助流动子单元为超声波振子或振动马达，用于将振动传递给每个所述叶片。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述整体移动单元为电机驱动或气动驱动。可以为框架、电机及对应机械装置，也可为气动装置等。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述整体移动单元、隔板驱动子单元及筛网驱动子单元均可由计算机进行控制。
另一方面，本发明还提供了一种三维多材料梯度粉层铺放方法，所述方法使用上述的三维多材料梯度粉层铺放装置，所述方法包括：
S1、将两种或多于两种粉末放入对应的储粉仓内；
S2、在沿铺粉方向的某个特定位置，控制每个阵列隔板沿垂直阵列方向的水平移动量，对应储粉仓的下部开口达到设定大小，相应量的两种或多于两种粉末按设定比例从储粉缸底部开口处流出到筛网上；控制筛网振动，粉末匀速落下进入动态混合单元(筛网振动停止时，粉末停止下落)；
S3、经步骤S2后的粉末经过动态混合单元的多个交错设置叶片后，在铺粉方向混合均匀，同时在阵列方向保持设定梯度，通过设置于动态混合单元底部的狭长出口进行铺放；
S4、随着所述装置在铺粉方向整体匀速移动，实现在每个特定位置的粉末按设定比例铺放。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，阵列隔板的水平移动由隔板驱动子单元驱动，筛网振动由筛网驱动子单元驱动；
步骤S3中，辅助流动子单元将振动传递至每个叶片；辅助流动子单元为超声波振子或振动马达；
整体移动单元、隔板驱动子单元和筛网驱动单元均与计算机信号连接。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在控制落粉的过程中，考虑粉末从储粉仓落下的时间，从而对提前量进行补偿。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，本发明装置可通过激光等反馈手段进行闭环控制，进一步增加粉末控制精度。
本发明的有益效果为：可精准控制粉末层的粉末比例，可实现三维空间任意位置任意比例粉末放置，从而实现三维多材料梯度粉层放置，可弥补当前行业空缺。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种三维多材料梯度粉层铺放装置的结构示意图。
图2所示为图1局部(阵列隔板、筛网)放大示意图。
图3所示为图1隔板及驱动单元的示意图。
图4所示为实施例2一种三维多材料梯度粉层铺放装置的结构示意图。
图5所示为明实施例3一种三维多材料梯度粉层铺放装置的结构示意图。
图6所示为本发明实施例一种三维多材料梯度粉层铺放过程的示意图。
图中：1-储粉仓，2-竖向隔板，3-隔板驱动单元，4-阵列隔板(多块)，5-筛网，6-动态混合单元的外壳，7-辅助流动子单元，8-叶片。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
本发明实施例一种三维多材料梯度粉层铺放装置，包括粉末下落量控制单元、动态混合单元及整体移动单元；所述粉末下落量控制单元，用于供给在垂直于铺粉方向形成设定梯度的混合粉末，所述混合粉末包括两种或多于两种不同材料的粉末；所述动态混合单元，设置在所述粉末下落量控制单元下方，用于将来自于所述粉末下落量控制单元的所述混合粉末进行混匀；所述整体移动单元，用于承载所述粉末下落量控制单元和所述动态混合单元，并带动所述粉末下落量控制单元和所述动态混合单元在铺粉方向往返移动。
实施例1
如图1所示，在本实施例中，所述粉末下落量控制单元包括两个储粉仓1；两个储粉仓1为并排设置的两个独立储粉仓，或在一个大的仓体内加竖向隔板2形成(如图1所示)。
所述储粉仓1的底部设置有多个所述阵列隔板4，阵列方向垂直于铺粉方向；所述阵列隔板4能沿垂直阵列方向水平移动，用于控制相应储粉仓1的底部开口大小；所述阵列隔板4的下方紧贴设置所述筛网5。
两个储粉仓1共用所述阵列隔板4，每块所述阵列隔板4的中部开有落粉孔；当所述阵列隔板4水平移动时，所述落粉孔在两个储粉仓1之间分配大小，控制两种粉末的落下比例。
所述阵列隔板驱动子单元设置在两个储粉仓1的一侧；用于驱动所述阵列隔板4水平往返移动；每块阵列隔板4均单独驱动。阵列隔板驱动子单元可采用多种形式，例如：可为阵列的电机与齿轮齿条、连杆、蜗轮蜗杆等机械连接装置，也可为阵列的压电装置及机械连接转置等。如图3所示为一种驱动装置直接驱动隔板。
所述筛网5对应设置筛网驱动子单元，用于驱动所述筛网5产生机械振动。所述筛网5位于储粉仓1的出口处，该筛网5孔径为粉末粒径的2～7倍，在该比例范围内，筛网5不振动时粉末滞留于上方，当其振动时粉末可均匀下落。
所述动态混合单元包括外壳6、叶片8及辅助流动子单元7；所述叶片8为长方形或类长方形，所述叶片8为多个，每个所述叶片8均沿阵列方向水平固定在所述外壳6的内壁，多个所述叶片8自上而下间隔交错固定在所述内壁相对的两侧，用于所述混合粉末落下时经过多个所述叶片8的阻挡后充分混匀。
所述辅助流动子单元7通过所述外壳6传递振动至多个所述叶片8，所述叶片8表面光滑，且所述叶片8所在平面倾斜设置；所述外壳6上方连接所述粉末下落量控制单元的出口处，下方开有狭长出口。优选的，所述辅助流动子单元7为超声波振子或振动马达，用于将振动传递给每个所述叶片8。
所述整体移动单元为电机驱动或气动驱动，可以为框架、电机及对应机械装置，也可为气动装置等。
所述整体移动单元、隔板驱动子单元及筛网驱动子单元均与计算机信号连接。
实施例2
如图4所示，本实施例与实施例1不同仅在于粉末下落量控制单元，包括多于两个储粉仓1；储粉仓1的排列方式为：单个独立储粉仓1并排设置，每个独立储粉仓1均对应设置独立的阵列隔板4、阵列隔板驱动子单元、筛网5和筛网驱动子单元；每个阵列隔板4单独设置针对某个储粉仓1的落粉孔，阵列隔板4水平移动时可控制该储粉仓1特定位置的落粉速率和落粉量。
所有储粉仓1共用一个所述动态混合单元及所述整体移动单元。
实施例3
如图5所示，本实施例与实施例1、2不同仅在于粉末下落量控制单元，包括多于两个储粉仓1；储粉仓1的排列方式为：两个储粉仓1为一组储粉仓，多于一组储粉仓并排设置；每组储粉仓共用所述阵列隔板4、阵列隔板驱动子单元、筛网5及筛网驱动子单元；每组储粉仓之间留有空间以便安装阵列隔板驱动子单元。
所有储粉仓1共用一个所述动态混合单元及所述整体移动单元。
具体使用时，当粉末数量为双数，可充入每个储粉仓1；当粉末数量为单数时，可空缺某个或某几个储粉仓1，其余储粉仓1充入不同粉末。
实施例4
本发明实施例一种三维多材料梯度粉层铺放方法，使用上述的三维多材料梯度粉层铺放装置，所述方法包括：
S1、将两种或多于两种粉末放入对应的储粉仓1内；
S2、在沿铺粉方向的某个特定位置，控制每个阵列隔板4沿垂直阵列方向的水平移动量，对应储粉仓1的下部开口达到设定大小，如图6所示，相应的两种或多于两种粉末按设定比例从储粉仓1底部开口处流出到筛网5上；控制筛网5振动，粉末匀速落下进入动态混合单元；
S3、经步骤S2后的粉末经过动态混合单元的多个交错设置叶片8后，在铺粉方向混合均匀，同时在阵列方向保持设定梯度，通过设置于动态混合单元底部的狭长出口进行铺放；
S4、随着所述装置在铺粉方向整体匀速移动，实现在每个特定位置的粉末按设定比例铺放。
优选的，步骤S2中，阵列隔板4的水平移动由隔板驱动子单元驱动，筛网5振动由筛网驱动子单元驱动；
步骤S3中，辅助流动子单元7将振动传递至每个叶片8；辅助流动子单元7为超声波振子或振动马达；
整体移动单元、隔板驱动子单元和筛网驱动单元均由计算机控制。
本发明能控制每层粉末在两个维度(阵列方向和铺粉方向)均呈设定的梯度分布，再在各层间实现第三个维度的梯度分布，最终实现三维粉末设定梯度分布，较佳实施例可实现三维粉末任意梯度分布，大大扩展了适用范围。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (10)
1.一种三维多材料梯度粉层铺放装置，其特征在于，所述装置包括粉末下落量控制单元、动态混合单元及整体移动单元；
所述粉末下落量控制单元，用于供给混合粉末，所述混合粉末在垂直于铺粉方向形成设定梯度，所述混合粉末包括两种或多于两种不同材料的粉末；
所述动态混合单元，设置在所述粉末下落量控制单元下方，用于将来自于所述粉末下落量控制单元的所述混合粉末进行混匀；
所述整体移动单元，用于承载所述粉末下落量控制单元和所述动态混合单元，并带动所述粉末下落量控制单元和所述动态混合单元在铺粉方向往返移动。
2.如权利要求1所述的三维多材料梯度粉层铺放装置，其特征在于，所述粉末下落量控制单元包括两个或多个储粉仓、阵列隔板和筛网；
所述两个或多于两个储粉仓，用于盛放两种或多于两种粉末；所述储粉仓的底部设置有多个所述阵列隔板，阵列方向垂直于铺粉方向；所述阵列隔板的下方紧贴设置所述筛网；
所述阵列隔板能沿垂直阵列方向水平移动，用于控制相应储粉仓的底部开口大小；
所述阵列隔板对应设置隔板驱动子单元，用于驱动所述阵列隔板水平往返移动；每块阵列隔板均单独驱动；
所述筛网对应设置筛网驱动子单元，用于驱动所述筛网产生机械振动。
3.如权利要求2所述的三维多材料梯度粉层铺放装置，其特征在于，所述粉末下落量控制单元包括两个储粉仓；两个储粉仓为并排设置的两个独立储粉仓，或在一个大的仓体内加竖向隔板形成；
两个储粉仓共用所述阵列隔板，每块所述阵列隔板的中部开有落粉孔；当所述阵列隔板水平移动时，所述落粉孔在两个储粉仓之间分配大小，控制两种粉末的落下比例；
所述阵列隔板驱动子单元设置在两个储粉仓的一侧。
4.如权利要求2所述的三维多材料梯度粉层铺放装置，其特征在于，所述粉末下落量控制单元包括多于两个储粉仓；储粉仓的排列方式为：单个独立储粉仓并排设置，每个独立储粉仓均对应设置独立的阵列隔板、阵列隔板驱动子单元、筛网和筛网驱动子单元；
所有储粉仓共用一个所述动态混合单元及所述整体移动单元。
5.如权利要求2所述的三维多材料梯度粉层铺放装置，其特征在于，所述粉末下落量控制单元包括多于两个储粉仓；储粉仓的排列方式为：两个储粉仓为一组储粉仓，多于一组储粉仓并排设置；每组储粉仓共用所述阵列隔板、阵列隔板驱动子单元、筛网及筛网驱动子单元；
所有储粉仓共用一个所述动态混合单元及所述整体移动单元。
6.如权利要求2所述的三维多材料梯度粉层铺放装置，其特征在于，所述动态混合单元包括外壳、叶片及辅助流动子单元；
所述叶片为长方形或类长方形，所述叶片为多个，每个所述叶片均沿阵列方向水平固定在所述外壳的内壁，多个所述叶片自上而下间隔交错固定在所述内壁相对的两侧，用于所述混合粉末落下时经过多个所述叶片的阻挡后充分混匀；
所述辅助流动子单元通过所述外壳传递振动至多个所述叶片；
所述外壳上方连接所述粉末下落量控制单元的出口处，下方开有狭长出口。
7.如权利要求6所述的三维多材料梯度粉层铺放装置，其特征在于，所述叶片表面光滑，且所述叶片所在平面倾斜设置；
和/或，所述辅助流动子单元为超声波振子或振动马达，用于将振动传递给每个所述叶片。
8.如权利要求1所述的三维多材料梯度粉层铺放装置，其特征在于，所述整体移动单元为电机驱动或气动驱动。
9.一种三维多材料梯度粉层铺放方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1-8任一项所述的三维多材料梯度粉层铺放装置，所述方法包括：
S1、将两种或多于两种粉末放入对应的储粉仓内；
S2、在沿铺粉方向的某个特定位置，控制每个阵列隔板沿垂直阵列方向的水平移动量，对应储粉仓的下部开口达到设定大小，相应量的两种或多于两种粉末按设定比例从储粉缸底部开口处流出到筛网上；控制筛网振动，粉末匀速落下进入动态混合单元；
S3、经步骤S2后的粉末经过动态混合单元的多个交错设置叶片后，在铺粉方向混合均匀，同时在阵列方向保持设定梯度，通过设置于动态混合单元底部的狭长出口进行铺放；
S4、随着所述装置在铺粉方向整体匀速移动，实现在每个特定位置的粉末按设定比例铺放。
10.如权利要求9所述的三维多材料梯度粉层铺放方法，其特征在于，
步骤S2中，阵列隔板的水平移动由隔板驱动子单元驱动，筛网振动由筛网驱动子单元驱动；
步骤S3中，辅助流动子单元将振动传递至每个叶片；辅助流动子单元为超声波振子或振动马达；
整体移动单元、隔板驱动子单元和筛网驱动单元均与计算机信号连接。
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