[发明专利]一种功能梯度材料零件的3D打印装置及3D打印成形方法

说明书

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种功能梯度材料零件的3D打印装置及3D打印成形方法。

背景技术

功能梯度材料是指选用两种性能不同的材料，通过连续地改变这两种材料的组成和结构，使其界面消失，导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成功能梯度材料。因为功能梯度材料的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的，所以在某些应用领域，该材料比复合材料更有优势，比如将功能梯度材料用作界面层来连接不相容的两种材料，可以大大地提高粘结强度；将功能梯度材料用作涂层和界面层，可以减小残余应力和热应力;将功能梯度材料用作涂层和界面层，可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性等。功能梯度材料常用的制备方法有化学气相沉积法、物理蒸镀法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法、粉末冶金法、化学气相渗透法和电解析出法等。

3D打印技术，又称增材制造技术，是指直接由三维模型快速实现任意复杂形状三维物理实体的制造过程。3D打印技术具有加工周期短、成本低、自由成形制造、材料利用率高、设计和制造的一体化等特点，是近20年来制造领域中的一个革命性的技术突破。

金属功能梯度材料常用的制备方法包括化学气相沉积法、物理蒸镀法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法、粉末冶金法、化学气相渗透法和电解析出法等，大多数方法均只能制备功能梯度涂层或坯料,不能直接制备成功能梯度材料零件。

中国发明专利说明书CN105499570A公开了一种在交变磁场中金属陶瓷功能梯度零件的3D打印方法，利用金属材料与陶瓷材料在交变磁场中的不同响应行为制备金属陶瓷功能梯度零件。该发明中的3D打印方法不能用于金属功能材料零件的3D打印。

中国发明专利说明书CN104923787A公开了一种梯度材料结构的3D打印方法，采用一套铺粉装置和一套铺粉喷头实现两种材料的混合，并利用激光使粉末材料成形。该发明中的铺粉喷头采用气体送粉，在喷粉时会对成形平台上已有的粉末产生力的作用，导致成形平台上的粉末被吹散，影响下一层的铺粉，最终影响零件的成分梯度控制和尺寸控制。同时激光采用机械移动机构，精度和扫描速率都大大降低。

中国发明专利说明书CN104439243A公开了一种金属梯度材料的激光3D打印制备方法，采用喷粉的方式，通过控制送粉器中的粉末组分比，达到控制金属梯度的目的。该发明制备的零件尺寸精度差，而且未成形的粉末为混合粉末，难以回收利用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种功能梯度材料零件的激光3D打印装置及其3D打印成形方法，以解决现有技术种制备的功能梯度材料零件尺寸精度差、原料粉末浪费严重的问题。

本发明的技术方案为：一种功能梯度材料零件的3D打印装置，包括密封壳体、激光熔融系统和控制系统，所述激光熔融系统的下方设有成形缸，所述成形缸的周围设有工作台，所述工作台和成形缸的上表面在同一水平面上，所述密封壳体和工作台围成工作腔室；所述激光熔融系统的两侧设有送粉系统，还包括抽真空系统，所述抽真空系统与工作腔室贯通连接；所述成形缸的两侧设有收粉缸，所述收粉缸的上部设有平板，所述平板和成形缸的上表面在同一个水平面上；所述成形缸两侧的工作台上设有铺粉辊筒；所述控制系统控制平板和铺粉辊筒左、右移动。

进一步地，所述激光熔融系统设置在密封壳体的顶部并向下伸入密封壳体内；所述成形缸的底部设有可沿成形缸侧壁上、下移动的基板，所述基板的底部连接有升降系统；所述送粉系统与密封壳体贯通连接，所述送粉系统、激光熔融系统和升降系统分别与控制系统连接；所述送粉系统包括送粉缸，所述送粉缸的底部连接有导管，所述导管的末端设有送粉阀，所述导管向下伸入工作腔室。

进一步地，所述送粉缸与导管可拆卸地连接在一起，打印过程中，可以根据需要方便地更换装有不同粉末材料的送粉缸，实现多组份材料的打印。

进一步地，所述送粉缸与导管的连接处设有换料阀。

一种功能梯度材料零件的3D打印成形方法，包括如下步骤：

（1）建立功能梯度材料零件的三维模型，并切片分层，获得各层二维打印图形；

（2）根据功能梯度材料零件的尺寸和成分，设定打印每一层所需粉末材料的种类和质量，并依此设定好打印程序；

（3）打开抽真空系统，对工作腔室进行抽真空处理，使得工作腔室内的氧气浓度降低至500ppm以下；

（4）将所需的粉末材料A和粉末材料B分别装入左、右送粉系统内；