[发明专利]一种梯度材料结构的快速成形系统及方法

说明书

本发明涉及快速成形制造领域，特别涉及一种梯度材料结构的快速成形系统，包括：控制模块、送粉模块和加工模块；所述送粉模块包括混粉器和送粉器，所述送粉器至少为两个，每个所述送粉器中粉料成分不同；各送粉器分别与所述混粉器连接；所述加工模块包括激光器和沉积加工头；所述控制模块用于根据需要成形的梯度材料结构的性能和结构特性进行分析，并根据分析结果分别控制送粉模块和加工模块工作。本发明实现了各材料及其结构的成分连续过渡调节，改善了现有异种材料连接结构中因为材料界面原因而出现的结构性能突变问题，使得成分梯度结构制造易于实现，更加适应整体结构的使用性能要求，同时粉末利用率高，成型速度快，装置结构简单。

技术领域

本发明涉及快速成形制造领域，特别涉及一种梯度材料结构的快速成形系统及方法。

背景技术

增材制造技术又名3D打印或者快速成型。3D打印是近年来较为热门的加工制造技术，其具有较快的加工速度并能够加工各种形状复杂的零部件。但目前金属的3D打印仍局限于单一材料的结构的打印，在同一结构中混合使用不同的材料以打印具有梯度性能特征的3D打印方法将是一种创新的、极具发展潜力的加工技术。它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料或者熔丝，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件)，目前随着该技术日益成熟，该技术已经越来越多用于零部件的直接制造。目前在金属部件制造方面，主要有激光选区烧结(SLS)、激光选区熔化(SLM)、激光同轴送粉直接制造、电子束熔丝成型(EBAM)、电子束熔化成型(EBM)等方法。这几种方法都不同程度存在着局限，几种采用激光为热源的增材制造方法和电子束熔化成型均采用粉末为成型原材料，电子熔丝成型采用金属丝材作为成型原材料，尽管成形速度快，但成型精度较低，难以成型制造精度较高的零件，仅能用于零件毛坯的制造。

金属结构快速成形按照其填充材料的方式可主要分为：熔丝沉积、选区烧结和同步送粉三种技术方法。目前这三种方法，主要应用于均质材料的增材制造，在梯度成分材料的增材制造方面未有实质性突破。

在现有的金属材料快速成形技术中，熔丝沉积方法原理上可利用多种丝材交替送进填充，以实现成形结构的成分变化，但受到丝材成形和送丝装置空间干涉以及成分偏析等因素，难以实现成分梯度特征。选区烧结和同步送粉方法均采用粉末填充方式，但由于目前未能有效处理粉末材料的成分调控，因此尚未解决成分梯度金属结构快速成形的核心技术问题。

发明内容

基于上述情况，有必要提供一种梯度材料结构的快速成形系统及方法。

一种梯度材料结构的快速成形系统，包括：控制模块、送粉模块和加工模块；

所述送粉模块与所述控制模块信号连接，与所述加工模块管道连接；所述送粉模块包括混粉器和送粉器，所述送粉器至少为两个，每个所述送粉器中粉料成分不同；各送粉器分别与所述混粉器连接；

所述加工模块与所述控制模块信号连接；所述加工模块包括激光器和沉积加工头；

所述控制模块用于根据需要成形的梯度材料结构的性能和结构特性进行分析，并根据分析结果分别控制送粉模块和加工模块工作。

进一步的，所述控制模块还包括根据需要成形的梯度材料结构的性能和结构特性进行三维建模，并对三维模型进行分层同时对每层成分进行梯度结构分析。

再进一步的，所述对每层成分进行梯度结构分析具体包括根据三维模型的分层信息解析得到每层材料组分信息、轮廓信息，成形路径规划信息。

作为一种改进，所述控制模块根据每层材料组分信息精确控制各独立组分送粉器的送粉量，经混粉器混合后传输至沉积加工头，所述控制模块同时控制激光器和沉积加工头按照规划的成形路径进行加工。