一种多材料固态增材制造系统和方法与流程

本发明涉及增材制造领域，更具体地，涉及一种多材料固态增材制造系统和方法。

背景技术：

目前利用粉末进行多材料增材制造的方法主要有两类:①以混合粉末为原材料的方法，例如选区激光烧结、三维打印等方法；②以混合粉末和粘接剂为原材料的方法，该方法在打印过程中利用氧化反应或光固化反应将混合粉末粘接成形，然后高温烧结使粘接剂挥发，最终形成零件。但是以上两类方法有明显的缺陷：1)以熔化再凝固为基本原理的工艺，在选择和使用材料时受到熔点的制约，无法制造有熔点兼容问题的多材料。2)有些工艺只能完成一维或二维多材料复合结构的制造，无法实现三维尺度内材料分布和微结构制造。

以冷气动力为基础的固态增材制造工艺有望解决上述问题。其原理是利用高压气体推动粉末颗粒，通过缩放管产生超音速气固两相流，经加速的粉末在固体状态下以极高的速度撞击目标，粉末粒子产生强烈的塑性变形而牢固附着在目标表面。喷射制造最早用于喷涂，在20世纪80年代中后期，由前苏联科学家提出，被称为冷气体动力喷涂(coldgasdynamicspray,cgds)，简称冷喷涂。在2007年前后，冷喷涂工艺被引入增材制造领域，被称为coldgasdynamicfreeformfabrication。由于制造过程中颗粒是固态的，所以也称为solidstateadditivemanufacturing。

喷射制造工艺更多依赖于颗粒的动能。因此该技术具有如下的优点：1)加热温度远低于其熔点,颗粒基本上没有氧化、烧损和晶粒长大等现象。适用于温度敏感材料和纳氧化敏感材料，例如米晶、非晶碳化物材料等。2)对基体的热影响小,使沉积物与基体之间的热应力减少。3)沉积速度快，加工效率高。4)粉末颗粒可以回收再利用，经济环保。

目前以冷却动力为基础的增材制造方法，其主要缺点是①只能制造单一材料或者比例固定的多材料；②加工精度低且无法调节。目前喷管喷出点的分辨率比激光烧结的分辨率低了1～2个数量级，使得喷射增材制造工艺只能制造毛坯级的零件。

技术实现要素：

本发明的首要目的是提供一种多材料固态增材制造系统，能制造多材料的零件，且材料的比例可实时调节。

本发明的进一步目的是提供一种多材料固态增材制造方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种多材料固态增材制造系统，其特征在于，至少包括若干个供料器、混合装置、气动输送装置、喷管以及控制器，其中，所述若干个供料器中的每一个供料器供给一种材料的粉末，所述供料器在所述控制器控制下实时调整各个供料器的供粉速率，所述气动输送装置设置多个，在每个供料器各设置一个气动输送装置，在混合装置设置一个气动输送装置，其中，各种材料的粉末在气动装置推动下，经混合装置输送至喷管中包括以下两种情况中的其中一种：

a：所有供料器中的材料粉末先掉落至混合装置中，由混合装置的气动输送装置将材料粉末输送至喷管中；

b：所有供料器中的材料粉末分别由各自的气动输送装置输送到混合装置中，在由混合装置的气动输送装置将材料粉末输送至喷管中。

上述方案中系统所需的多材料粉末由多个供料器供给，通过控制器实时控制各个供料器的供粉速率，从而实时调节各个材料的配比。混合装置可以使用目前市面上的任意一种。

优选地，所述供料器包括料仓和定量供给装置，其中，所述材料的粉末放在料仓中，所述定量供给装置将料仓中的材料粉末输送至混合装置，所述定量供给装置在所述控制器控制下实时调整供粉速率。定量供给装置可采用目前市面上任意一种粉末的定量供给装置。

优选地，所述定量供给装置包括振动器或粉末刮板，所述定量供给装置控制供粉速率的方式包括控制定量供给装置振动器的振动频率或控制粉末刮板转速。

优选地，所述气动输送装置采用压缩气推动或负压吸附的方式使材料粉末跟随移动。

优选地，还包括荷电装置和环形电极，其中，荷电装置与混合装置相连，混合装置中的材料粉末经荷电装置输送至喷管，在荷电装置中，材料粉末被带上电荷，其电荷与环形电极的极性相同，环形电极设置于所述喷管外层，将喷管包围，所述喷管为轴对称形状，采用圆柱形喷管，带电荷的材料粉末在喷管内运动，受到同极性环形电极的排斥，逐渐向环形电极的轴线靠拢，所述环形电极与控制器连接，所述控制器控制环形电极的电压。

制造精度可以用喷射粉末的直径来表征，直径大则精度低，直径小则精度高。制造精度不高的原因是制造精度取决于喷嘴的结构和尺寸，传统的喷嘴是固定的结构和尺寸，所以精度是固定的，无法调节。通过使材料粉末带电，在喷管的外周设置同性电荷的电极，使材料粉末在喷管中向喷管轴线靠拢，因此，喷管喷出的粉末直径变小，相对应的，制造精度就提高。

优选地，所述荷电装置内有高压电极，高压电极将荷电装置内部的气体电离，材料粉末经过荷电装置后，穿行电离气体时，材料粉末被带上电荷。

优选地，所述荷电装置为粉管，所述材料粉末在粉管中输送时，材料粉末与粉管摩擦从而使材料粉末带电。

一种多材料固态增材制造方法，包括以下步骤：

s1：若干个供料器在控制器控制下，实时调整供粉速率；

s2：各种材料的粉末在气动输送装置推动下，经混合装置输送至喷管中，在气流和电场的共同作用下从喷管输出，其中包括以下两种情况中的其中一种：

a：所有供料器中的材料粉末先掉落至混合装置中，有混合装置的气动输送装置将材料粉末输送至喷管中；

b：所有供料器中的材料粉末分别由各自的气动输送装置输送到混合装置中，在由混合装置的气动输送装置将材料粉末输送至喷管中。

优选地，材料粉末从混合装置输送至喷管前，还经过电荷装置，材料粉末经过电荷装置后，被带上电荷，带上电荷的材料粉末在设置有环形电极的喷管中向喷管的轴线靠拢，最后从喷管输出。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明采用多个供料器，每个供料器的供料速率分别独立控制，实现各个材料的配比可实时调节，从而能制造功能梯度材料，而不仅仅是配比固定的复合材料；通过荷电装置和正电极，实时控制制造精度，可以兼顾制造速度和成形精度：在零件中间位置可以低精度快速喷射粉末，在零件边缘位置可以高精度喷射慢速喷射粉末。

附图说明

图1为实施例1中的多材料固态增材制造系统示意图。

图2为实施例2中的多材料固态增材制造系统示意图。

图3为实施例2中的喷管与正电极的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种多材料固态增材制造系统，如图1，包括若干个供料器、混合装置、气动输送装置、喷管以及控制器，其中，所述若干个供料器中的每一个供料器供给一种材料的粉末，所述供料器在所述控制器控制下实时调整各个供料器的供粉速率，所述气动输送装置设置多个，在每个供料器各设置一个气动输送装置，在混合装置设置一个气动输送装置，其中，各种材料的粉末在气动装置推动下，经混合装置输送至喷管中为：

a：所有供料器中的材料粉末先掉落至混合装置中，由混合装置的气动输送装置将材料粉末输送至喷管中；

所述供料器包括料仓和定量供给装置，其中，所述材料的粉末放在料仓中，所述定量供给装置将料仓中得到材料粉末输送至混合装置，所述定量供给装置在所述控制器控制下实时调整供粉速率。

所述定量供给装置包括振动器或粉末刮板，所述所述定量供给装置控制供粉速率的方式包括控制振动频率或控制粉末刮板转速。

所述气动输送装置采用压缩气推动或负压吸附的方式使材料粉末跟随移动。

在具体实施过程中，一种多材料固态增材制造系统，包括以下步骤：

s1：若干个供料器在控制器控制下，实时调整供粉速率；

s2：各种材料的粉末在气动输送装置推动下，经混合装置输送至喷管中，从喷管输出，其中分为以下两种情况：

a：所有供料器中的材料粉末先掉落至混合装置中，有混合装置的气动输送装置将材料粉末输送至喷管中；

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，各种材料的粉末在气动装置推动下，经混合装置输送至喷管中为：

b：所有供料器中的材料粉末分别由各自的气动输送装置输送到混合装置中，在由混合装置的气动输送装置将材料粉末输送至喷管中。

实施例3

本实施例提供一种多材料固态增材制造系统，如图2，在实施例1或2的基础上，还包括荷电装置和环形电极，其中，荷电装置与混合装置相连，混合装置中的材料粉末经荷电装置输送至喷管，在荷电装置中，材料粉末被带上电荷，其电荷与环形电极的极性相同，环形电极设置于所述喷管外层，将喷管包围，所述喷管为轴对称形状，采用圆柱形喷管，带电荷的材料粉末在喷管内运动，受到同极性环形电极的排斥，逐渐向环形电极的轴线靠拢，所述环形电极与控制器连接，所述控制器控制环形电极的电压。

所述荷电装置内有高压电极，高压电极将荷电装置内部的气体电离，材料粉末经过荷电装置后，穿行电离气体时，材料粉末被带上电荷。

在具体实施过程中，一种多材料固态增材制造系统，材料粉末从混合装置输送至喷管前，还经过电荷装置，材料粉末经过电荷装置后，被带上电荷，带上电荷的材料粉末在设置有环形电极的喷管中向喷管的轴线靠拢，最后从喷管输出。

实施例4

本实施例在实施例3的基础上，所述荷电装置为粉管，所述材料粉末在粉管中输送时，材料粉末与粉管摩擦从而使材料粉末带电。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。