本發(fā)明涉及一種激光粉末床熔融超寬粒徑分布粉末低成本綠色成形裝置及其方法，屬于金屬構(gòu)件3d打印。

背景技術(shù)：

1、激光粉末床熔融技術(shù)(lpbf)是一種增材制造技術(shù)，它基于離散堆積的成形理念逐層熔覆沉積制備三維實(shí)體樣件，具體地，先周期性掃描完成數(shù)據(jù)切片以形成二維構(gòu)件截面，然后再沿成形方向通過層層疊加最終一體化成形復(fù)雜構(gòu)件。具有成形精度高，產(chǎn)能效益好等優(yōu)點(diǎn)目前已廣闊用于航空航天等領(lǐng)域。

2、目前，針對(duì)激光粉末床熔融(lpbf)鋪粉工藝主要分為兩大類，一類是鋪粉送粉方式，其主要是通過滾筒將位于成形平臺(tái)一側(cè)的儲(chǔ)粉缸中的粉末平鋪在成形平臺(tái)中，并通過刮刀處理進(jìn)行成形；另一類是上落粉送粉方式，其主要是利用粉末的重力，使粉末落入鋪粉裝置中。

3、在激光粉末床熔融(lpbf)過程中，飛濺是最常見的一種缺陷。飛濺落在粉末上會(huì)形成較大的金屬顆粒，從而產(chǎn)生氣孔等缺陷，影響構(gòu)件的表面質(zhì)量，并造成粉末的浪費(fèi)。若未經(jīng)篩選的粉末用于后續(xù)成形，粉末中的不均勻成分或雜質(zhì)，會(huì)嚴(yán)重影響構(gòu)件的強(qiáng)度、耐腐蝕性等。經(jīng)過有效的篩選工作，可以除去不均勻的顆粒，從而改善構(gòu)件的表面質(zhì)量和材料均勻性。但經(jīng)過多次篩選后，決定成形質(zhì)量的細(xì)粉的損失最為嚴(yán)重，并提高材料成形成本。

4、因此，在構(gòu)件增材制造過程中，如何在保證構(gòu)件的成形質(zhì)量的同時(shí)，顯著地降低構(gòu)件成形成本，是目前亟需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是提供一種激光粉末床熔融超寬粒徑分布粉末低成本綠色成形裝置及其方法，以保證構(gòu)件的成形質(zhì)量的同時(shí)，顯著地降低構(gòu)件成形成本。

2、為實(shí)現(xiàn)上述的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取如下的技術(shù)方案：

3、一種激光粉末床熔融超寬粒徑分布粉末低成本綠色成形裝置，包括落粉裝置組以及工控機(jī)，所述的落粉裝置組包括直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及分別與直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出端連接的兩個(gè)落粉組，兩個(gè)落粉組對(duì)應(yīng)為第一、第二落粉組；其中：

4、第一、第二落粉組并列布置，且每一個(gè)落粉組均包括有n個(gè)落粉單元，同時(shí)每一個(gè)落粉組所包括的各落粉單元均排成一列并沿著成形基板的縱向布置；

5、所述的落粉單元包括儲(chǔ)粉腔以及凹槽滾筒，且儲(chǔ)粉腔的下端通過落粉通道與凹槽滾筒連接；

6、兩個(gè)落粉組中，其中一個(gè)落粉組的各落粉單元中，每一個(gè)落粉單元的儲(chǔ)粉腔中均儲(chǔ)存有粒徑<50μm的小粒徑粉末；余下的一個(gè)落粉組的各落粉單元中，每一個(gè)落粉單元的儲(chǔ)粉腔中均儲(chǔ)存有粒徑>100μm的大粒徑粉末；

7、所述的工控機(jī)包括切片數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元以及網(wǎng)格特征化落粉控制單元；

8、所述的切片數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元，儲(chǔ)存有針對(duì)待成形構(gòu)件規(guī)劃的若干層二維切片數(shù)據(jù)，并能夠?qū)⒏鲗佣S切片數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)格特征化落粉控制單元；

9、所述的網(wǎng)格特征化落粉控制單元包括網(wǎng)格化處理模塊、網(wǎng)格特征化落粉判斷單元、網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)計(jì)算單元、網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元以及網(wǎng)格特征化落粉執(zhí)行單元；

10、所述的網(wǎng)格化處理模塊，用于網(wǎng)格化成形基板上的鋪粉區(qū)域，以形成網(wǎng)格單元陣列；所述網(wǎng)格單元陣列，具有若干個(gè)網(wǎng)格單元，各網(wǎng)格單元沿著成形基板的橫向分布成m行、縱向分布成n列；

11、所述的網(wǎng)格特征化落粉判斷單元，基于網(wǎng)格化切片數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元傳輸過來的任一層二維切片數(shù)據(jù)，逐層判斷打印成形該層二維切片對(duì)應(yīng)的各網(wǎng)格單元內(nèi)是否存在需要成形待成形構(gòu)件的區(qū)域，直至完成所有二維切片數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的打印成形該層二維切片的鋪粉區(qū)域的各網(wǎng)格單元的判斷，并將所獲得的與二維切片數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格特征化落粉判斷結(jié)果傳輸至網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)計(jì)算單元；所述網(wǎng)格特征化落粉判斷單元在判斷任一層二維切片數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的打印成形該層二維切片的鋪粉區(qū)域的各網(wǎng)格單元時(shí)，當(dāng)判斷結(jié)果表明網(wǎng)格單元內(nèi)存在需要成形待成形構(gòu)件的區(qū)域，該網(wǎng)格單元記為生單元，反之記為死單元；

12、所述的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)計(jì)算單元，基于網(wǎng)格特征化落粉判斷單元傳輸過來的網(wǎng)格特征化落粉判斷結(jié)果，結(jié)合網(wǎng)格單元陣列本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算出與二維切片數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)，并將網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)地傳輸至網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；

13、網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)，并能夠?qū)⒕W(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)格特征化落粉執(zhí)行單元；

14、所述的網(wǎng)格特征化落粉執(zhí)行單元，包括兩個(gè)執(zhí)行子模塊；兩個(gè)執(zhí)行子模塊對(duì)應(yīng)為第一、第二執(zhí)行子模塊；其中：

15、所述的第一執(zhí)行子模塊，用于向直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)出第一執(zhí)行指令；直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在第一執(zhí)行指令的控制下，帶動(dòng)第一、第二落粉組沿著成形基板的橫向移動(dòng)，并逐行途經(jīng)成形基板上的網(wǎng)格單元陣列；

16、所述的第二執(zhí)行子模塊，用于根據(jù)網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元傳輸過來的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)，向第一、第二落粉組發(fā)出第二執(zhí)行指令；第一、第二落粉組在第二執(zhí)行指令的控制下，在抵達(dá)生單元時(shí)能夠通過自身的凹槽滾筒在生單元中鋪設(shè)小粒徑粉末，在抵達(dá)死單元時(shí)能夠通過自身的凹槽滾筒在死單元中鋪設(shè)大粒徑粉末，實(shí)現(xiàn)鋪粉區(qū)域的網(wǎng)格特征化落粉。

17、優(yōu)選地，所述第一落粉組的各落粉單元中，每一個(gè)落粉單元的儲(chǔ)粉腔中均儲(chǔ)存有粒徑<50μm的小粒徑粉末；所述第二落粉組的各落粉單元中，每一個(gè)落粉單元的儲(chǔ)粉腔中均儲(chǔ)存有粒徑>100μm的大粒徑粉末；

18、所述第一、第二落粉組在直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，逐行途經(jīng)網(wǎng)格單元陣列的過程中，當(dāng)處于橫向的兩個(gè)網(wǎng)格單元，其中一個(gè)為生單元，另一個(gè)為死單元時(shí)，所述第一、第二落粉組在第二執(zhí)行指令的控制下，先啟動(dòng)處于行進(jìn)方向前方的落粉單元，使其通過自身的凹槽滾筒在對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元中完成鋪粉操作后，再啟動(dòng)處于行進(jìn)方向后方的落粉單元，使其通過自身的凹槽滾筒在對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元中完成鋪粉操作；當(dāng)處于橫向的兩個(gè)以上的網(wǎng)格單元均為生單元時(shí)，在第二執(zhí)行指令的控制下，所述第一落粉組中相應(yīng)的落粉單元從抵達(dá)這一連續(xù)分布的生單元的第一個(gè)生單元開始啟動(dòng)，通過自身的凹槽滾筒在相應(yīng)的生單元中鋪設(shè)小粒徑粉末，直至完成這一連續(xù)分布的生單元的最后一個(gè)生單元的鋪粉操作；當(dāng)處于橫向的兩個(gè)以上的網(wǎng)格單元均為死單元時(shí)，在第二執(zhí)行指令的控制下，所述第二落粉組中相應(yīng)的落粉單元從抵達(dá)這一連續(xù)分布的死單元的第一個(gè)死單元開始啟動(dòng)，通過自身的凹槽滾筒在相應(yīng)的死單元中鋪設(shè)大粒徑粉末，直至完成這一連續(xù)分布的死單元的最后一個(gè)死單元的鋪粉操作。

19、優(yōu)選地，所述的網(wǎng)格特征化落粉判斷單元通過快速行進(jìn)算法fmm獲得與二維切片數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)。

20、優(yōu)選地，所述的各落粉單元中，儲(chǔ)粉腔上均設(shè)置有連接接口；

21、所述第一落粉組的各落粉單元中，每一個(gè)落粉單元的連接接口均與第一輸粉管連接，第一輸粉管中輸送的粉末為粒徑<50μm的小粒徑粉末；

22、所述第二落粉組的各落粉單元中，每一個(gè)落粉單元的連接接口均與第二輸粉管連接，第二輸粉管中輸送的粉末為粒徑>100μm的大粒徑粉末。

23、本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)目的是提供一種激光粉末床熔融超寬粒徑分布粉末低成本綠色成形方法，包括如下步驟：

24、步驟一、規(guī)劃待成形構(gòu)件的二維切片數(shù)據(jù)：

25、采用切片軟件將待成形構(gòu)件切片，以獲得若干層二維切片數(shù)據(jù)；

26、步驟二、網(wǎng)格化成形基板上的鋪粉區(qū)域：

27、將成形基板上的鋪粉區(qū)域網(wǎng)格化，以形成網(wǎng)格單元陣列；

28、所述網(wǎng)格單元陣列，具有若干個(gè)網(wǎng)格單元，各網(wǎng)格單元沿著成形基板的橫向分布成m行、縱向分布成n列；

29、步驟三、確定待成形構(gòu)件的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)：

30、步驟3.1、獲取網(wǎng)格特征化落粉判斷結(jié)果：

31、基于步驟一獲得的二維切片數(shù)據(jù)，逐層判斷打印成形該層二維切片時(shí)，鋪粉區(qū)域的各網(wǎng)格單元內(nèi)是否存在需要成形待成形構(gòu)件的區(qū)域，直至完成所有二維切片數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的打印成形該層二維切片的鋪粉區(qū)域的各網(wǎng)格單元的判斷，從而獲得與二維切片數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格特征化落粉判斷結(jié)果；

32、在判斷任一層二維切片數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的打印成形該層二維切片的鋪粉區(qū)域的各網(wǎng)格單元時(shí)，當(dāng)判斷結(jié)果表明網(wǎng)格單元內(nèi)存在需要成形待成形構(gòu)件的區(qū)域，該網(wǎng)格單元記為生單元，反之記為死單元；

33、步驟3.2、計(jì)算網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)：

34、基于步驟3.1所獲得的與二維切片數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格特征化落粉判斷結(jié)果，結(jié)合網(wǎng)格單元陣列本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算出與二維切片數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)，以啟動(dòng)/制停第一、第二落粉組中相應(yīng)的落粉單元，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格單元陣列的網(wǎng)格特征化落粉；

35、步驟四、裝配落粉裝置組：

36、落粉裝置組包括直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及分別與直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出端連接的兩個(gè)落粉組，兩個(gè)落粉組對(duì)應(yīng)為第一、第二落粉組；其中：

37、第一、第二落粉組并列布置，且每一個(gè)落粉組均包括有n個(gè)落粉單元，同時(shí)每一個(gè)落粉組所包括的各落粉單元均排成一列并沿著成形基板的縱向布置；

38、所述第一落粉組的各落粉單元中，每一個(gè)落粉單元的儲(chǔ)粉腔中均儲(chǔ)存有粒徑<50μm的小粒徑粉末；所述第二落粉組的各落粉單元中，每一個(gè)落粉單元的儲(chǔ)粉腔中均儲(chǔ)存有粒徑>100μm的大粒徑粉末；

39、步驟五、啟動(dòng)落粉裝置組鋪粉：

40、按照步驟三獲得的打印成形當(dāng)前二維切片對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)，啟動(dòng)落粉裝置組在鋪粉區(qū)域內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格特征化落粉；

41、第六、刮平：

42、采用刮刀將鋪粉區(qū)域內(nèi)的粉末刮平；

43、第七、激光成形打印：

44、采用激光打印成形設(shè)備按照步驟一規(guī)劃出的當(dāng)前二維切片對(duì)應(yīng)的二維切片數(shù)據(jù)，打印成形當(dāng)前二維切片；

45、重復(fù)步驟五至步驟七，逐層完成所有二維切片打印，即可獲得待成形構(gòu)件。

46、優(yōu)選地，步驟五中，落粉裝置組的鋪粉過程，具體包括如下步驟：

47、步驟5.1、啟動(dòng)直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：

48、啟動(dòng)直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以同步帶動(dòng)第一、第二落粉組沿著成形基板的橫向前移；

49、所述第一落粉組的各落粉單元，在直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，逐行途經(jīng)網(wǎng)格單元陣列；

50、所述第二落粉組的各落粉單元，在直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，逐行途經(jīng)網(wǎng)格單元陣列；

51、步驟5.2、啟動(dòng)第一落粉組或/和第二落粉組；

52、所述第一落粉組的各落粉單元，在抵達(dá)網(wǎng)格單元陣列中對(duì)應(yīng)的生單元時(shí)，在步驟3.2所獲得的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)的控制下，啟動(dòng)第一落粉組的相應(yīng)落粉單元，通過自身的凹槽滾筒在對(duì)應(yīng)的生單元中鋪設(shè)小粒徑粉末；

53、所述第二落粉組的各落粉單元，在抵達(dá)網(wǎng)格單元陣列中對(duì)應(yīng)的死單元時(shí)，在步驟3.2所獲得的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)的控制下，啟動(dòng)第二落粉組的相應(yīng)落粉單元，通過自身的凹槽滾筒在對(duì)應(yīng)的死單元中鋪設(shè)大粒徑粉末。

54、優(yōu)選地，步驟3.2中，在計(jì)算網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)網(wǎng)格單元陣列中處于橫向的兩個(gè)網(wǎng)格單元，其中一個(gè)為生單元，另一個(gè)為死單元時(shí)，針對(duì)該生單元、死單元計(jì)算出的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)，能夠確保先啟動(dòng)處于行進(jìn)方向前方的落粉單元，使其通過自身的凹槽滾筒在對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元中完成鋪粉操作后，再啟動(dòng)處于行進(jìn)方向后方的落粉單元，使其通過自身的凹槽滾筒在對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元中完成鋪粉操作；當(dāng)網(wǎng)格單元陣列中處于橫向的兩個(gè)以上的網(wǎng)格單元均為生單元時(shí)，針對(duì)該連續(xù)分布的生單元計(jì)算出的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)，能夠確保第一落粉組中相應(yīng)的落粉單元從抵達(dá)這一連續(xù)分布的生單元的第一個(gè)生單元開始啟動(dòng)，通過自身的凹槽滾筒在相應(yīng)的生單元中鋪設(shè)小粒徑粉末，直至完成這一連續(xù)分布的生單元的最后一個(gè)生單元的鋪粉操作；當(dāng)處于橫向的兩個(gè)以上的網(wǎng)格單元均為死單元時(shí)，針對(duì)該連續(xù)分布的死單元計(jì)算出的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)，能夠確保第二落粉組中相應(yīng)的落粉單元從抵達(dá)這一連續(xù)分布的死單元的第一個(gè)死單元開始啟動(dòng)，通過自身的凹槽滾筒在相應(yīng)的死單元中鋪設(shè)大粒徑粉末，直至完成這一連續(xù)分布的死單元的最后一個(gè)死單元的鋪粉操作。

55、優(yōu)選地，還包括步驟第八、粉末回收：在待成形構(gòu)件打印成形后，回收剩余粉末并過篩，以篩選出適宜的大粒徑粉末。

56、基于上述的技術(shù)目的，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的優(yōu)勢(shì)：

57、(1)不同粒徑的粉末的制備成本也不盡相同，小粒徑粉末(<50μm)制備成本較高，而大粒徑粉末(>100μm)制備成本降低到三分之一左右。因此，本發(fā)明在鋪粉時(shí)采用網(wǎng)格特征化落粉方式進(jìn)行鋪粉，以在成形構(gòu)件區(qū)域鋪設(shè)成形所需的小粒徑粉末，而在構(gòu)件成形以外區(qū)域鋪設(shè)大粒徑粉末，由此可見，本發(fā)明可對(duì)鋪粉區(qū)域的不同部分進(jìn)行特征性鋪粉，在不改變產(chǎn)品成形質(zhì)量的前提下，大大降低了構(gòu)件成形過程中的粉末成本，極大地提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

58、(2)本發(fā)明所采用的網(wǎng)格特征化落粉方式，首先將鋪粉區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化劃分，以形成mxn網(wǎng)格單元陣列，然后基于周期性的二維切片數(shù)據(jù)，逐層判斷打印成形該層二維切片對(duì)應(yīng)的各網(wǎng)格單元內(nèi)是否存在需要成形待成形構(gòu)件的區(qū)域，直至完成所有二維切片數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的打印成形該層二維切片的鋪粉區(qū)域的各網(wǎng)格單元的判斷，從而獲得與二維切片數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)，最后基于所獲得的網(wǎng)格特征化落粉數(shù)據(jù)在鋪粉區(qū)域進(jìn)行鋪粉，即在參與成形的網(wǎng)格單元內(nèi)鋪設(shè)小粒徑粉末，而不參與成形的網(wǎng)格單元內(nèi)鋪設(shè)大粒徑粉末。由此可見，本發(fā)明所述的網(wǎng)格特征化落粉方式為鋪粉區(qū)域的不同部分進(jìn)行特征化鋪粉提供了可能。

59、(3)本發(fā)明采用了雙落粉組的方式進(jìn)行落粉，即第一落粉組與第二落粉組。第一落粉組控制小粒徑粉末的鋪設(shè)而第二落粉組控制大粒徑粉末的鋪設(shè)，兩個(gè)落粉組協(xié)同鋪設(shè)粉末。大大降低了數(shù)控的成本，同時(shí)在鋪粉的同時(shí)在落粉單元中配置了儲(chǔ)粉腔與輸粉管可以進(jìn)行長(zhǎng)距離的傳輸-落粉，能夠在lpbf中成形較大構(gòu)件。

60、(4)本發(fā)明采用了生死單元的方式控制單元的落粉。本發(fā)明將成形區(qū)域劃分若干個(gè)單元，運(yùn)用fmm處理的成形面距離場(chǎng)信息與劃分網(wǎng)格單元信息進(jìn)行對(duì)比，判斷計(jì)算值的正負(fù)以此來判斷生死單元，即判斷每一單元是否位于成形面。工控機(jī)將處理的生死單元信息傳輸至落粉組后，落粉組進(jìn)行粉末鋪設(shè)?？梢耘袛嗑W(wǎng)格單元是否位于成形面，若該網(wǎng)格單元的方程解有正數(shù)，則證明該單元內(nèi)有成形區(qū)域出現(xiàn)，該單元參與成形為“生單元”記為“1”；若該單元中的方程解全為負(fù)數(shù)，則證明該單元內(nèi)沒有成形區(qū)域出現(xiàn)，該單元不參與構(gòu)件的直接成形為“死單元”記為“0”。將輸出的“0”，“1”信息傳輸?shù)铰浞劢M中，當(dāng)落粉組運(yùn)動(dòng)到“生單元”時(shí)工控機(jī)傳輸信號(hào)為“1”，第一落粉組落粉；當(dāng)落粉組運(yùn)動(dòng)到“死單元”時(shí)工控機(jī)傳輸信號(hào)為“0”，第二落粉組落粉。。