专利名称：一种直接制造梯度材料零件的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于激光快速成型领域，具体涉及一种直接制造梯度材料零件的装置。
背景技术：
在许多特殊条件下，零件将遇到异常的服役条件，要求材料的性能应随构件位置不同而改变。如齿轮使用时要求表面坚硬耐磨，内部有好的韧性；涡轮叶片主体必须高强度、高韧性和抗蠕变，它的表面必须耐热和抗氧化。遇到这些问题时，最好的解决办法是在零件的不同部位采用异种材料，以满足零件使用时不同环境的使用要求。现在可以制造多种材料的零件主要方法包括粉末冶金、等离子喷涂、气相沉积法、激光熔覆、离心铸造等， 这些技术在制造精细复杂零件、防氧化控制以及成型效率等方面存在还存在一些缺陷。选区激光熔化技术(SLM，Selective laser melting)，在国外已经广泛的应用于航空航天、医疗、汽车等行业，其能够成型任意的可焊金属材料，致密度稳定达到95%以上， 且能够成型任意复杂几何形状的零件。目前为止，国内外通过SLM技术进行零件加工，一次只成型一种材料，而且工艺复杂，效率不够理想。
发明内容本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种效率高、在成型堆积方向可以快速直接制造梯度材料零件的装置。本实用新型通过下述技术方案实现一种直接制造梯度材料零件的装置，包括中部设置有成型缸的底座，在成型缸底座的左右两侧分别设置有左侧铺粉系统和右侧铺粉系统，所述左侧铺粉系统包括柔性刮板和装粉料斗，所述右侧铺粉系统包括柔性刮板和装粉料斗，在成型缸的上方设置有与激光系统连接的θ聚焦镜，所述成型缸的下方设置有丝杆，所述成型缸底座的平面上设置有沿Z轴方向运动的旋转辊。所述装粉料斗的出料口呈“V”字型结构，所述柔性刮板设置于装粉料斗出料口的两侧。所述柔性刮板可以采用齿状薄不锈钢片。所述齿状薄不锈钢片的厚度为0. 03毫米 0. 1毫米，不锈钢片的齿片之间缝宽为 20 50微米。所述柔性刮板与出料口的高度差为20 100微米。与现有技术相比本实用新型的直接制造梯度材料零件的装置，不仅可以广泛的应用于航空航天、医疗、汽车等技术领域，在保证能够成型任意可焊金属材料致密度稳定达到 95%以上的同时，本实用新型具有结构简单，操作便捷，效率高、速度快、体积小、成本低等优点。
图1是本实用新型直接制造梯度材料零件的装置结构示意图。[0011]图2是图1中，柔性刮板与出料口的装配结构示意图。图3是成型件的下部分和上部分融合在一起的结构示意图。上述图中底座1 ；旋转辊2 ；柔性刮板3、3_1 ；装粉料斗4、9 ；粉末a、b ；聚焦后的激光束6 ；聚焦前的激光束7 ；聚焦镜8 ；左侧铺粉系统9 ；成型件的下部分11 ；成型件的上部分12 ；成型缸13 ；丝杠14 ；出料口 15。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述，但本实用新型的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。实施例如图1所示，本实用新型直接制造梯度材料零件的装置，包括中部设置有成型缸 13的底座1，在成型缸13底座1的左右两侧分别设置有左侧铺粉系统和右侧铺粉系统，所述左侧铺粉系统包括柔性刮板3和装粉料斗4，所述右侧铺粉系统包括柔性刮板3-1和装粉料斗9，在成型缸13的上方设置有与激光系统连接的聚焦镜8，所述成型缸13的下方设置有丝杆14，该丝杆14用于升降成型缸，所述成型缸13底座1的平面上设置有沿Z轴方向运动的旋转辊2。所述聚焦镜8可采用f-θ聚焦镜。所述装粉料斗4、9的出料口 15可以呈“V”字型结构，以保证金属粉末的均量漏粉。 所述柔性刮板3、3-1设置于装粉料斗4、9出料口的两侧。所述柔性刮板3、3_1可以采用齿状薄不锈钢片，一般左右装粉料斗至少安装两片，且交错叠加的方式组装在一起。所述齿状薄不锈钢片的厚度为0. 03毫米 0. 1毫米，不锈钢片的齿片之间缝宽大约为20 50微米。所述柔性刮板3、3_1与出料口 15的高度差大约为20 100微米，高度差可以根据需要调整与底座1平面的高度。首先，SLM工艺描述如下在计算机上设计出零件的三维实体模型，通过Magics 14. 0软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，通过轮廓数据生成控制激光束扫描的填充数据，将填充数据导入快速成型设备，设备将按照这些填充数据，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，伴随着成型缸的下降与铺粉系统的预置粉末，层层堆积获得任意形状的三维零件。装粉料斗4、9内分别装有粉末a和粉末b。零件开始成型前，装有粉末a的左侧铺粉系统先向底座1平面上铺粉，在底座1平面上预置一层20 100微米厚度的粉末a，激光根据零件当前层的填充路径扫描，层扫描结束后，调整丝杆14，使成型缸13下降20 100 微米的层厚，装有粉末a的左侧铺粉系统重新在底座1平面上预置一层粉末，激光调入下一层填充数据继续扫描，直到堆积方向的粉末a材料成型完成。当成型到两种材料的临界位置时，装有粉末b的右侧铺粉系统开始工作，而装有粉末a的左侧铺粉系统停止工作，粉末b的成型顺序与粉末a类似，只是对应铺粉系统的运行方向相反。在粉末a与粉末b材料的结合界面，考虑到不同材料热物性差别，肯定产生较大的应力集中，导致界面处产生裂纹。为解决界面裂纹问题可以从两方面考虑(1)材料的选择是关键，尽量选取热物性相似，材料熔化后相互间具有良好的润湿效果的粉末材料，(2)从SLM成型工艺进行优化。在粉末a与粉末b材料界面处，因材料的熔点不同、对激光吸收率不同，需要适时的改变激光能量输入，在多种材料的界面处尽量采用薄的层厚，如 20 30微米，或者采用单层扫描2 3次的方式提高界面的结合强度。整个加工过程在通有保护气体的加工室中进行，以避免金属在高温下与其它气体发生反应。虽然本实用新型的功能可以采用三缸方式实现，但是相比于本专利中的单缸结构，在机器的体积、成本上将有很大的优势。另外，针对堆积方向为多种材料的零件成型，一个难点是如何在成型后回收粉末， 保证材料重复使用，本专利建议两种粉末间采用具有一定粒度分布差别的粉末，如粉末a 的粒度分布范围为15 25微米，而粉末b的粒度分布范围为40 60微米，当零件加工完成后，通过筛子将粉末分开，保证循环利用。如图3所示，下面以成型零件的上部分12为铜，下部分11为工具钢为例，介绍该实用新型的工作原理首先由左侧铺粉系统在成底座1平面上预置工具钢的粉末a，旋转辊 2将粉末a刮压平，然后电脑控制激光系统的聚焦后激光束6按照该层的扫描数据扫描，熔化第一种粉末a，调整丝杆14使成型缸13下降，左侧铺粉系统重新预置一层粉末，层层加工，直至加工到成型零件下部分11 (工具钢)与成型零件上部分12 (Cu)的临界层。然后， 再由右侧铺粉系统9将粉末b预置到已成型一定高度的工具钢零件表面，改变激光扫描参数，以保证粉末b(Cu)与工具钢已成型层之间的牢固结合。同时为了保证两种材料界面之间的结合强度，需要在临界层进行反复扫描，以提高工具钢/Cu材料临界层的结合，最终获得Z轴方向的多种材料堆积成型，获得下部11为工具钢，上部为12为铜的成型件。如上所述便可较好的实现本实用新型。上述实施例仅为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种直接制造梯度材料零件的装置，其特征在于包括中部设置有成型缸的底座， 在成型缸底座的左右两侧分别设置有左侧铺粉系统和右侧铺粉系统，所述左侧铺粉系统包括柔性刮板和装粉料斗，所述右侧铺粉系统包括柔性刮板和装粉料斗，在成型缸的上方设置有与激光系统连接的聚焦镜，所述成型缸的下方设置有丝杆，所述成型缸底座的平面上设置有沿Z轴方向运动的旋转辊。
2.根据权利要求1所述的直接制造梯度材料零件的装置，其特征在于所述聚焦镜为 f-θ聚焦镜。
3.根据权利要求1或2所述的直接制造梯度材料零件的装置，其特征在于所述装粉料斗的出料口呈“V”字型结构，所述柔性刮板设置于装粉料斗出料口的两侧，所述柔性刮板为齿状薄不锈钢片。
4.根据权利要求3所述的直接制造梯度材料零件的装置，其特征在于所述齿状薄不锈钢片的厚度为0. 03毫米 0. 1毫米，不锈钢片的齿片之间缝宽为20微米 50微米。
5.根据权利要求3所述的直接制造梯度材料零件的装置，其特征在于所述柔性刮板与出料口的高度差为20微米 100微米。
专利摘要本实用新型公开了一种直接制造梯度材料零件的装置，包括中部设置有成型缸的底座，在成型缸底座的左右两侧分别设置有左侧铺粉系统和右侧铺粉系统，左侧铺粉系统包括柔性刮板和装粉料斗，右侧铺粉系统包括柔性刮板和装粉料斗，在成型缸的上方设置有与激光系统连接的f-θ聚焦镜，成型缸底座的平面上设置有沿Z轴方向运动的旋转辊，装粉料斗的出料口呈“V”字型结构，柔性刮板呈齿状薄不锈钢片。与现有技术相比本实用新型不仅可以广泛的应用于航空航天、医疗、汽车等技术领域，在保证能够成型任意可焊金属材料致密度稳定达到95％以上的同时，本实用新型具有结构简单，操作便捷，效率高、速度快、体积小、成本低等优点。
文档编号B22F3/105GK202062079SQ201120087909
公开日2011年12月7日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者卢建斌, 杨永强, 王迪, 苏旭彬 申请人:华南理工大学