一种3D打印制备梯度功能材料的方法及装置与流程

一种3d打印制备梯度功能材料的方法及装置
技术领域
1.本发明属于金属增材成型领域，具体涉及一种3d打印制备梯度功能材料的方法及装置。


背景技术：

2.通过一般方式制备的材料，其分散相是接近均匀分布的，整体材料的性能也基本一致，但是在某些工况下，希望同一零件的不同位置具有不同的性质或功能，同时希望不同性能的材料能够完美的结合在一起，因此梯度功能材料由此诞生。
3.激光选区熔化(slm)技术因其成形精度高、质量好，可以实现复杂结构零件的一体式成形制造，在各行各业应用越来越多。slm成形过程中材料经历了快速熔化-快速凝固的循环热交替作用，获得的组织晶粒细小，制件性能远超铸件水平。但是常规slm技术难以准确控制晶粒生长尺寸，无法制备满足不同性能要求的梯度功能材料。
4.因此，本发明提出了一种3d打印制备梯度功能材料的方法及装置，利用高能超声增强的方式在不同区域打印具有不同微观组织的结构，同时借助声波探测器实时监测可能存在的微裂纹/孔隙缺陷，然后通过脉冲激光对不同区域选择性的进行冲击强化。


技术实现要素：

5.为此，本发明提供一种3d打印制备梯度功能材料的方法及装置，利用高能超声增强的方式在不同区域打印具有不同微观组织的结构，同时借助声波探测器实时监测可能存在的微裂纹/孔隙缺陷，然后通过脉冲激光对不同区域选择性的进行冲击强化。
6.本发明的3d打印制备梯度功能材料的方法，包括如下步骤：
7.根据3d打印的梯度功能材料制备顺序确定成型区，根据各成型区的性能要求确定参与制备的材料种类；
8.利用连续激光熔融参与制备的材料后形成多个材料性能不同的成型区，在各成型区内的基料位于熔融态时，根据梯度功能材料的性能要求选择是否向成型区发射高能超声波以改变晶相结构；
9.实时探测各成型区的熔池形成和熔池凝固过程中声波信号的变化，获取各成型区内的声学图像并标记具有图像缺陷的区域，向被标记的区域发射脉冲激光再次熔融。
10.进一步的，根据各成型区的性能要求确定参与制备的材料种类后，以预先制备或实时制备的方式混合参与制备的材料为基料。
11.进一步优选地，实时探测各成型区的熔池形成和熔池凝固过程中声波信号的变化具体为，向各成型区内发射不改变梯度功能材料的晶相结构的探测声波后接收反射声波信息。
12.进一步优选地，所述高能超声波的频率为5-10mhz。
13.进一步优选地，发射连续激光和脉冲激光时，由不同的激光发射设备单独发射。
14.本发明还提供一种3d打印制备梯度功能材料的装置，包括金属增材3d 打印机，所
述金属增材打印机具有储料室和成型室，由所述储料室向所述成型室内送料后执行3d打印，在所述成型室内设有成型基板，还包括激光发射模块、超声波发射模块和声波探测模块；
15.所述激光发射模块位于所述成型室顶部，包括连续激光发射系统和脉冲激光发射系统；
16.所述连续激光发射系统用于熔融金属粉末后执行3d打印，所述脉冲激光系统用于3d打印的冲击强化，修复3d打印物体的裂纹缺陷；
17.所述超声发射模块和所述声波探测模块均设于所述成型基板底部；
18.所述超声发射模块用于向梯度功能材料发射高能超声波改变晶体结构；
19.所述声波探测模块用于向梯度功能材发射声波并连接计算模块生成声学图像。
20.进一步的，所述储料室内具有多个料仓，在各料仓内独立存储不同的金属材料和辅料。
21.进一步的，所述料仓还包括预制仓，所述预制仓内根据加工需求预先混合参与制备的材料种类。
22.本发明还提供一种计算机存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行3d打印制备梯度功能材料的方法。
23.本发明还提供一种电子设备，包括处理器和用于存储所述处理器可执行指令的存储器，所述处理器用于执行3d打印制备梯度功能材料的方法。
24.本发明的上述技术方案，相比现有技术具有以下优点：
25.本发明利用高能超声增强的方式在不同区域打印具有不同微观组织的结构，同时借助声波探测器实时监测可能存在的微裂纹/孔隙缺陷，然后通过脉冲激光对不同区域选择性的进行冲击强化。
附图说明
26.图1是本发明实施例提供的方法的流程示意图；
27.图2是本发明实施例提供的电子设备的框图。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.本发明的3d打印制备梯度功能材料的方法，包括如下步骤：
30.根据3d打印的梯度功能材料制备顺序确定成型区，根据各成型区的性能要求确定参与制备的材料种类；以预先制备或实时制备的方式混合参与制备的材料为基料。
31.利用连续激光熔融参与制备的材料后形成多个材料性能不同的成型区，在各成型区内的基料位于熔融态时，根据梯度功能材料的性能要求选择是否向成型区发射高能超声波以改变晶相结构；所述高能超声波的频率为 5-10mhz，所述高能超声波可以明显地改变金属材料在晶粒形成过程中的晶粒大小和材料性能。
32.向各成型区内发射不改变梯度功能材料的晶相结构的探测声波后接收反射声波信息，实时探测各成型区的熔池形成和熔池凝固过程中声波信号的变化，获取各成型区内的声学图像并标记具有图像缺陷的区域，向被标记的区域发射脉冲激光再次熔融。发射连续激光和脉冲激光时，由不同的激光发射设备单独发射。
33.具体地，当某一个成型区由熔融态凝固后，开始加工下一个成型区或者同时加工多个成型区，由于超声波具有集束特点，可以定向地探测某一个成型区的声学图像，高能超声波也可以定向地改变某一个成型区熔融态时的晶相，因此连续激光和脉冲激光也由不同的激光发射设备单独发射，以实现同时加工多个梯度性能的成型区需求。
34.本发明还提供一种3d打印制备梯度功能材料的装置，包括金属增材 3d打印机，所述金属增材打印机具有储料室和成型室，由所述储料室向所述成型室内送料后执行3d打印，在所述成型室内设有成型基板，还包括激光发射模块、超声波发射模块和声波探测模块；所述激光发射模块位于所述成型室顶部，包括连续激光发射系统和脉冲激光发射系统；所述连续激光发射系统用于熔融金属粉末后执行3d打印，所述脉冲激光系统用于3d 打印的冲击强化，修复3d打印物体的裂纹缺陷；所述超声发射模块和所述声波探测模块均设于所述成型基板底部，所述超声发射模块和所述声波探测模块均设于所述成型基板底部；所述超声发射模块用于向梯度功能材料发射高能超声波改变晶体结构；所述声波探测模块用于向梯度功能材发射声波并连接计算模块生成声学图像。本发明利用高能超声增强的方式在不同区域打印具有不同微观组织的结构，同时借助声波探测器实时监测可能存在的微裂纹/孔隙缺陷，然后通过脉冲激光对不同区域选择性的进行冲击强化。
35.所述储料室内具有多个料仓，在各料仓内独立存储不同的金属材料和辅料，所述料仓还包括预制仓，所述预制仓内根据加工需求预先混合参与制备的材料种类。在本实施例中，可选择地预先混合参与制备的材料为基料或者根据制备需求实时地改变材料的配比以满足梯度性能需求。
36.在本实施例中，声学图像的生成通过计算模块连接电子设备生成。
37.下面，参考图2来描述根据本技术实施例的电子设备。该电子设备可以是第一设备和第二设备中的任一个或两者、或与它们独立的单机设备，该单机设备可以与第一设备和第二设备进行通信，以从它们接收所采集到的输入信号。
38.图2示出了根据本技术实施例的电子设备的框图。
39.如图2所示，电子设备10包括一个或多个处理器11和存储器12。
40.处理器11可以是中央处理单元(cpu)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备10中的其他组件以执行期望的功能。
41.存储器12可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(ram)和/ 或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(rom)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器11可以运行所述程序指令，以实现上文所述的本实施例中3d打印制备梯度功能材料的方法以及/或者其他期望的功能。在所述计算机可读存储介质中还可以存储诸如输入信号、信号分量、噪声分量等各种内容。
42.在一个示例中，电子设备10还可以包括：输入装置13和输出装置14，这些组件通过
总线系统和/或其他形式的连接机构(未示出)互连。
43.在该电子设备是单机设备时，该输入装置13可以是通信网络连接器，用于从第一设备和第二设备接收所采集的输入信号。
44.此外，该输入设备13还可以包括例如键盘、鼠标等等。
45.该输出装置14可以向外部输出各种信息，包括确定出的距离信息、方向信息等。该输出设备14可以包括例如显示器、扬声器、打印机、以及通信网络及其所连接的远程输出设备等等。
46.当然，为了简化，图2中仅示出了该电子设备10中与本技术有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，电子设备10还可以包括任何其他适当的组件。
47.除了上述方法和设备以外，本技术的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本技术各种实施例的3d打印制备梯度功能材料的方法中的步骤。
48.所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本技术实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如java、c++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
49.此外，本技术的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本技术各种实施例的3d打印制备梯度功能材料的方法中的步骤。
50.所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
51.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。