本實(shí)用新型涉及一種同步鋪粉式金屬激光3D打印的送粉裝置與方法，屬激光3D打印技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，金屬激光熔覆或激光3D打印過程粉末供給方式主要有兩種，即鋪粉式和同步送粉式。鋪粉式粉末供給系統(tǒng)通過機(jī)械方式將金屬粉末在腔體的整個(gè)區(qū)域鋪上薄薄的一層，激光在指定區(qū)域進(jìn)行“選區(qū)熔化”，大部分的粉末并未利用；而同步送粉式粉末供給系統(tǒng)通過氣體或重力將金屬粉末送至激光光斑處，邊送粉邊熔化，大部分粉末被氣體吹走或者從基體彈走，粉末利用率很低。更重要的是，在載流氣體和保護(hù)氣體的沖擊下，熔池液面會(huì)發(fā)生明顯擾動(dòng)，從而對(duì)熔覆層的組織形態(tài)產(chǎn)生影響。在某些激光熔覆或激光金屬3D打印的探索性研究中，金屬粉末十分昂貴且稀有，需要高效利用，而打印室都被惰性氣體保護(hù)，因此載流氣體及保護(hù)氣體的作用減弱以致可以忽略。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是，為了提高粉末供給精度及效率，消除載流氣體和保護(hù)氣體對(duì)熔池的沖擊與擾動(dòng)，提高金屬激光3D打印的精度與效率，減少粉末浪費(fèi)，本實(shí)用新型提出一種同步鋪粉式金屬激光3D打印的送粉裝置。

實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：一種同步鋪粉式金屬激光3D打印的送粉裝置包括儲(chǔ)粉倉、送粉倉、送粉帶、鋪粉頭、主傳動(dòng)齒輪、從傳動(dòng)齒輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、橫梁、熔覆頭和外殼。

所述儲(chǔ)粉倉1固定在熔覆頭19之上并設(shè)置有進(jìn)粉口10，與送粉倉2滑動(dòng)配合；所述送粉倉2與從傳動(dòng)齒輪6固定安裝在一起，并通過滾動(dòng)軸承8固定在熔覆頭19之上；從傳動(dòng)齒輪6上設(shè)置有輸粉口22與儲(chǔ)粉倉1相連，儲(chǔ)粉倉1中的粉末9通過進(jìn)粉口10進(jìn)入儲(chǔ)粉倉1后通過輸粉口22進(jìn)入送粉倉2，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉末9的連續(xù)輸送；所述送粉倉2底部設(shè)置出粉口23，粉末9通過出粉口23被經(jīng)過的送粉帶3帶走并輸送至鋪粉頭4，然后在重力作用下均勻鋪展在基板17之上形成粉末層21，其寬度為1~10mm；所述從傳動(dòng)齒輪6與主傳動(dòng)齒輪5相互嚙合，主傳動(dòng)齒輪5在電機(jī)7驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)從傳動(dòng)齒輪6從而帶動(dòng)送粉倉2及送粉帶3一起繞熔覆頭19轉(zhuǎn)動(dòng)，通過程序設(shè)定與熔覆頭19做協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，以保證粉末層21始終位于激光光斑20前進(jìn)方向的正前方；所述電機(jī)7安裝在橫梁18上；所述鋪粉頭4通過外殼11固定在熔覆頭19之上，其內(nèi)部采用循環(huán)冷卻水冷卻，冷卻水15通過進(jìn)水口13進(jìn)入鋪粉頭4，并通過出水口14流出鋪粉頭4；所述激光光斑20照射在粉末層21之上，形成熔覆層，層層打印之后得到金屬激光3D打印樣品。

所述送粉帶3上均布大量的送粉斗24，起運(yùn)輸粉末之用，其寬度為1~20mm；所述送粉斗24在送粉帶3上橫向分布1~10個(gè)，其結(jié)構(gòu)可為倒圓錐臺(tái)、倒四棱錐臺(tái)、斗形；所述送粉帶3運(yùn)動(dòng)速度為0~1000mm/min；在驅(qū)動(dòng)輪12的驅(qū)動(dòng)下，送粉帶3可按照實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)連續(xù)送粉、改變送粉速度、暫停動(dòng)作；所述驅(qū)動(dòng)輪12與兩個(gè)從動(dòng)輪相對(duì)位置可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)送粉帶3下坡角度調(diào)節(jié)，下坡角度調(diào)節(jié)范圍30°~ 60°。

所述鋪粉頭4為中空?qǐng)A錐環(huán)結(jié)構(gòu)，其上設(shè)置有進(jìn)水口13、出水口14；內(nèi)部圓錐孔母線與軸線之間的角度在30°~ 60°，從而調(diào)節(jié)粉末鋪展均勻性。

所述主傳動(dòng)齒輪5直徑為10~50mm，主傳動(dòng)齒輪5和從傳動(dòng)齒輪6直徑比1:1~1:5。

所述送粉倉2與從傳動(dòng)齒輪6固定在一起，通過從傳動(dòng)齒輪6與主傳動(dòng)齒輪5相嚙合并在電機(jī)7驅(qū)動(dòng)下與熔覆頭19協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即熔覆頭19在運(yùn)動(dòng)軌跡上轉(zhuǎn)動(dòng)θ角度，送粉倉2繞熔覆頭19相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)θ角度，以保證粉末層21始終均勻鋪展在激光光斑20的正前方；送粉倉2轉(zhuǎn)動(dòng)速度0~100 r/min。

所述滾動(dòng)軸承8內(nèi)圈固定在熔覆頭19之上，外圈與所述的送粉倉2緊密配合，并保證送粉倉2能夠運(yùn)動(dòng)自如。

所述鋪粉頭4通過外殼11固定在熔覆頭19之上，外殼11上設(shè)置有窗口16，供主傳動(dòng)齒輪5進(jìn)入與從傳動(dòng)齒輪6相嚙合。

所述儲(chǔ)粉倉1、送粉倉2、外殼11均采用透明材料，以便于觀察。

與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實(shí)用新型的有益效果是，

本實(shí)用新型以同步鋪粉方式，金屬粉末通過送粉倉、送粉帶、鋪粉頭在重力的作用下將粉末平穩(wěn)均勻的鋪展在基板之上，減小了粉末的流動(dòng)速度，降低了粉末對(duì)基板表面的沖擊，減少了粉末從基板反彈的可能性，從而大大提高粉末利用率。本實(shí)用新型采用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以通過程序設(shè)定使送粉倉與熔覆頭協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，保證粉末層始終位于激光光斑的正前方；本實(shí)用新型的送粉帶，可在驅(qū)動(dòng)程序的指導(dǎo)下完成連續(xù)送粉、改變送粉速度等動(dòng)作，也可配合送粉倉的轉(zhuǎn)動(dòng)暫停送粉（如熔覆頭180°急轉(zhuǎn)彎時(shí)，送粉倉繞熔覆頭旋轉(zhuǎn)180°，在此期間送粉帶暫停送粉）以減少粉末的浪費(fèi)。本實(shí)用新型采用的鋪粉頭與基板距離、熔覆頭出光口與鋪粉頭相對(duì)位置可調(diào)，從而能保證激光光斑以聚焦的狀態(tài)輻照在金屬粉末之上。本實(shí)用新型的送粉帶由大量的送粉斗組成，通過對(duì)連續(xù)粉流的離散化完成對(duì)金屬粉末的可控送粉（改變送粉速率、粉末層寬度、粉末層厚度等），提高粉末利用率。

本實(shí)用新型適用于具有保護(hù)氣氛室的3D打印過程，粉末的輸送與鋪展過程中不涉及載流氣體與保護(hù)氣體，從而消除了氣體及粉末對(duì)熔池的沖擊與擾動(dòng)，改善打印層內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)一致性與方向性。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為送粉帶平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為送粉帶橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為送粉倉與熔覆頭協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)示意圖；

其中：1為儲(chǔ)粉倉，2為送粉倉，3為送粉帶，4為鋪粉頭，5為主傳動(dòng)齒輪，6為從傳動(dòng)齒輪，7為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，8為滾動(dòng)軸承，9為金屬粉末，10為進(jìn)粉口，11為外殼，12為驅(qū)動(dòng)輪，13為進(jìn)水口，14為出粉口，15為冷卻水，16為窗口，17為基板，18為橫梁，19為熔覆頭，20為激光光斑，21為粉末鋪展層，22為輸粉口，23為出粉口，24為送粉斗。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳述：

本實(shí)施例一種同步鋪粉式金屬激光3D打印的送粉裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括儲(chǔ)粉倉1、送粉倉2、送粉帶3、鋪粉頭4、主傳動(dòng)齒輪5、從傳動(dòng)齒輪6、驅(qū)動(dòng)電機(jī)7、橫梁18、熔覆頭19和外殼11。

本實(shí)施例中金屬粉末9采用Inconel 625 高溫合金粉末，粉末為球狀，粒徑為40~100μm。通過激光3D打印制備一塊尺寸為50mm×50mm×50mm的樣品，掃描路徑采用“S”形，激光光斑直徑3mm，搭接率50%，掃描速度300mm/min，激光功率1000W。

如圖1所示，金屬粉末9從進(jìn)粉口10裝進(jìn)儲(chǔ)粉倉1，儲(chǔ)粉倉1固定在熔覆頭19之上；粉末9通過輸粉口22流入送粉倉2直至填滿；此時(shí)送粉帶3處于靜止?fàn)顟B(tài)，粉末9不會(huì)從出粉口流出；調(diào)整鋪粉頭4與基板17之間的距離為4mm，光斑直徑為3mm；啟動(dòng)送粉帶3，輸送粉末9至鋪粉頭4，在重力作用下粉末9沿著鋪粉頭4內(nèi)壁均勻平滑鋪展在基板17之上，形成粉末層21，粉末層21寬度約為4mm，在本實(shí)施例中送粉速度30mm/min，送粉帶3寬度為8mm，寬度方向分布送粉斗24為4個(gè)，送粉斗結(jié)構(gòu)可為倒圓錐臺(tái)或倒四棱錐臺(tái)，在本實(shí)施例中采用倒四棱錐臺(tái)，如圖2和圖3所示。打開激光器電源產(chǎn)生激光光斑20，輻照在粉末層21之上并發(fā)生熔化，形成熔覆層。

根據(jù)程序設(shè)定，掃描路徑中短邊不出光，以改善直角轉(zhuǎn)彎處熔覆精度；通過配合熔覆頭19運(yùn)動(dòng)軌跡，即當(dāng)熔覆頭19順時(shí)針轉(zhuǎn)過180°作反方向掃描時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)7帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪5逆時(shí)針轉(zhuǎn)過180°帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪6順時(shí)針轉(zhuǎn)過180°，從而使送粉倉2繞熔覆頭19相對(duì)于原來方向同樣順時(shí)針轉(zhuǎn)過180°，以保證粉末層21始終位于激光光斑20的正前方；配合送粉倉2運(yùn)動(dòng)軌跡，送粉帶3的驅(qū)動(dòng)輪12在送粉倉2轉(zhuǎn)動(dòng)過程中停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使粉末9停留在送粉斗24之中，減少粉末浪費(fèi)。本實(shí)施例送粉倉與熔覆頭協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)如圖4所示。

本實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)電機(jī)7轉(zhuǎn)動(dòng)速度為30 r/min，傳動(dòng)齒輪5直徑為20mm，傳動(dòng)齒輪5與傳動(dòng)齒輪6直徑比為1:2。

鋪粉頭4通過外殼11固定在熔覆頭19之上，工作時(shí)儲(chǔ)粉倉1、鋪粉頭4、外殼11固定不動(dòng)，傳動(dòng)齒輪6、送粉倉2、送粉帶3繞熔覆頭19轉(zhuǎn)動(dòng)，送粉帶3在驅(qū)動(dòng)輪12帶動(dòng)下作循環(huán)運(yùn)動(dòng)；鋪粉頭4材料可用銅合金以增強(qiáng)冷卻效果，內(nèi)部中空，循環(huán)冷卻水15從進(jìn)水口13進(jìn)入，從出水口14流出，本實(shí)施例中冷卻水流量在為20L/min。