[发明专利]一种可用于多材料复合制造的3D打印成形系统

说明书

本发明公开了一种可用于多材料复合制造的3D打印成形系统，包括：成形台，用于对3D打印出的工件进行支撑；粉材铺设机构，用于在成形台上铺设3D打印用原料粉末；丝材输送机构，用于将3D打印用原料丝材输送至成形台；3D打印头，用于利用汇聚于一点的激光光束对原料粉末或/和原料丝材进行熔融后在成形台上堆叠成工件；运动机构，用于驱动成形台沿X轴、Y轴和Z轴方向运动。3D打印头保持不动，通过运动机构带动成形台运动从而完成工件的成形。相对于现有的3D打印系统，本发明的3D打印成形系统可以实现输送丝材与铺粉粉材为不同材料的多材料复合制造，且能够实现大尺寸工件成形，并保证成形区域内的成形质量一致性。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种可用于多材料复合制造的3D打印成形系统。

背景技术

3D打印技术，又称增材制造技术，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。

对于一些熔点较高的材料，一般都是选择高能束烧结/熔化的方式，目前用于直接制造功能零件的三维打印成形工艺主要有：激光选区烧结/熔化(SLS/SLM)、电子束选区熔化(EBM)、激光近净成形(LENS)等，而根据应用端的需求来看，激光选区烧结/熔化技术目前应用最为广泛。然而这些工艺都只能成型单一材质，而实际使用过程中，多材料零件能够满足不同工况的要求，例如，喷气发动机的某些部件可以用几种不同的金属材料整体打印，有些部分因为要直接与热源接触，可以使用比较耐高温的金属合金；而该部分的另一面侧可以使用更易散热的金属材料，但要更轻、更强和密度较低，以削减重量。传统加工中，常用焊接和粉末冶金方式制备多材料复合零件，但是其成型外型有较多的约束，无法满足实际应用中复杂形状的要求。因此，基于金属3D打印的多材料复合成型装置应运而生。例如，中国专利号CN201821172067.3的实用新型专利，提供了一种基于金属3D打印的多材料成型装置，其通过增设漏粉装置的数量，使得可同时采用同一性状(均为粉末)但不同材质的金属粉末材料进行成型作业，同时，通过规划可移动激光系统的扫描路径和漏粉路径来进行成型作业。又如申请号201710244858.6的发明专利申请，其提供了一种激光选区融化与送丝复合多材料成型装置与成型方法，其通过增设可移动的丝材输送机构结合铺粉装置来实现不同性状(丝材和粉末)的金属材料进行成型作业。再如申请号202010045527.1的发明专利申请，其提供了一种多模式丝粉混合激光增材制造系统与方法，其通过将供粉管路、送丝管路与激光头集成在一起，并由六轴机器人带动一起在固定的成形台上运动进行增材制造成形。但是，对于大尺寸成形件需求，这三种装置还存在较大的问题：①以激光为能量源、振镜为运动控制的模式，即加工平台只做升降运动或者固定不动，激光通过扫描振镜系统在加工平面内进行加工成形，由于采用单一光源和单一光学系统会限制其成形幅面，同时其成形效率也较为低下，而采用多光源多光学系统，随之将带来扫场拼接、风场设置、光斑一致性等很多复杂问题。②随着成形体积的增加，在成形过程中激光产生的烟尘总量和单位时间的烟尘量都将急剧，烟尘的存在必然会影响激光的透过率以及一致性，从而影响到整个零部件的质量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种可用于多材料复合制造的3D打印成形系统，既能实现单一粉基的增材制造，又能实现单一丝基的增材制造，还能实现丝基和粉基的复合制造，并解决因振镜系统带来的成形幅面限制问题。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种可用于多材料复合制造的3D打印成形系统，包括：成形台，用于对3D打印出的工件进行支撑；粉材铺设机构，用于在成形台上铺设3D打印用原料粉末；丝材输送机构，用于将3D打印用原料丝材输送至成形台；3D打印头，用于利用汇聚于一点的激光光束对原料粉末或/和原料丝材进行熔融后在成形台上堆叠成工件；运动机构，用于驱动成形台沿X轴、Y轴和Z轴方向运动。