下送粉式梯度粉层铺放装置及铺放粉层方法
技术领域
本发明涉及梯度材料增材制造领域，特别涉及一种下送粉式梯度粉层铺放装置及铺放粉层方法。
背景技术
随着人类的社会的发展，人们对于材料的要求越来越复杂，其中有的需要两端材料性能不同，然而简单结合地将两个材料结合在一起会由于界面的存在而无法满足一些要求。梯度材料则通过材料的梯度过渡来缓和应力从而减少界面破坏，从而使得整个材料可以将不同的性能完美结合。梯度材料是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，现在是国际上的一项前沿技术。
梯度材料的传统制造方式主要是气相沉积、离心铸造、粉末冶金等技术。然而气相沉积技术加工慢、能耗高并且仅可用于薄的梯度材料制造；离心铸造技术只可用于圆柱状零件的生产；粉末冶金技术难以进行控制。
而随着增材制造技术的快速发展，通过增材制造技术制造梯度材料越来越引人注目。增材制造是一种基于数字化设计逐步累积成型的技术，是一次重大的技术革命。增材制造的离散性为在结构上的时间和空间上的控制提供了基础，有利于梯度材料的制备。从而，增材制造被认为是制备应力分布优化、成形性良好的梯度功能材料的有效途径。在众多的增材制造技术中，用金属粉末来制备梯度材料的又主要分为两种：一种是同轴送粉的方式，通过改变送粉比例来制造剃度材料，故控制不够精确，具有代表性的是直接金属沉积技术(direct Metal Deposition,DMD)；另一种是基于粉末床的梯度材料制备技术，具有代表性的是微喷射粘结成形技术(Binder jetting 3D printing)、电子束选区熔融技术(Electron beam melting,EBM)以及激光选区熔化技术(Selective laser melting,SLM)等。
传统的基于粉末床的增材制造累加过程中，无法更换粉末，所以传统的梯度材料制造过程中，通过逐层换粉的方式来制造梯度材料，通过层之间的粉末比例变化得到梯度材料。然而，通过该方式无法得到连续梯度材料，只能得到非连续梯度材料，并且换粉过程费时费力，增加粉末与人接触的时间，增加了对人与粉末污染的可能，从而影响制件质量与生产的可行性。
专利201810292599.9公开了一种基于选区激光熔化技术制备梯度材料的装置及方法，该方法通过上送粉混合技术实现了梯度粉层的铺放，但是该方法机构设计较为复杂，需要对传统粉床类增材制造设备进行结构改造。
本发明致力于开发一种利用基于粉末床的增材制造制备梯度材料的铺粉工艺与方法，可不通过设备结构改造，而对目前增材制造市场上占较大比例的下送粉式粉床类增材制造设备进行梯度材料功能升级，使得制备梯度材料更加简单高效。
发明内容
本发明的目的就是解决现有技术的不足，提供了一种下送粉式梯度粉层铺放装置及铺放粉层方法。该装置通过在储粉器内两个或两个以上的分区(单元格)完成梯度材料组分的分布，在铺粉过程中混合，同时铺展出在水平方向且垂直于铺粉方向上成分梯度变化的粉层，为基于粉末床的增材制造技术制备梯度材料提供基础。
本发明采用如下技术方案：
一种下送粉式梯度粉层铺放装置，用于梯度材料增材制造，所述装置包括刮粉器，以及在水平铺粉方向上依次设置的储粉器、混粉平台、工作平台及回收斗；所述刮粉器设置于所述储粉器、混粉平台、工作平台、回收斗的上方；
所述储粉器呈顶部开放的长方体状，所述储粉器被可拆卸的隔板分割为2个或多个分区，所述分区用于盛放不同种类的粉末；
所述混粉平台紧邻所述储粉器，呈水平放置，梯度比例的粉末在所述混粉平台上进行充分混合；
所述工作平台紧邻所述混粉平台，用以铺放混合后的打印粉层；所述工作平台竖直方向能上下移动；
所述回收斗紧邻所述工作平台，用以回收剩余粉末。
进一步的，所述储粉器底部由第一活塞封闭，第一活塞向上运动时将储粉器内的粉末输送至储粉器的顶部；
所述工作平台由底部的第二活塞和侧壁构成，为顶面开放的长方体状。
进一步的，所述储粉器顶沿、所述混粉平台、所述工作平台顶沿、所述回收斗上沿处于同一水平面内，称之工作平面。
进一步的，当粉末种类为2种时，所述隔板为单块的直板或曲板，将所述储粉器的供粉区域的水平截面分割为三角形、梯形或曲面形状。
进一步的，当粉末种类为3种或3种以上时，所述隔板为2块或多块的直板或曲板，将所述储粉器的供粉区域的水平截面分割为多个三角形或可组合为长方形的多个形状。
进一步的，所述隔板与储粉器的供粉区域具有接触面，所述隔板可拆卸连接于储粉器。
进一步的，所述刮粉器包括刮刀、及用于安装所述刮刀和限制粉末的侧板。
进一步的，所述混粉平台沿铺粉方向的长度能根据粉末需要混合的程度进行调节。
一种利用上述的下送粉式梯度粉层铺放装置铺放粉层的方法所述方法包括：
储粉：在储粉器中放置隔板，将不同种类的粉末分别放置在储粉器的相应分区中；
铺粉：将隔板取出，储粉器底部的第一活塞上升，使得粉末上升；同时工作平台底部第二活塞下降；刮刀将储粉器中具有梯度比例分布的粉末刮起，在混粉平台上刮动过程中粉末进行混合；随后混合好的粉末铺展并沉积于工作平台上，多余粉末刮至回收斗中；
等待该层粉末通过热熔融或粘接剂结合后，进行下一次铺粉；重复此过程即得。
进一步的，所述粉末的材质为聚合物、陶瓷或金属。
进一步的，粉末混合后，粉层在垂直于铺粉方向上粉末呈梯度分布，在铺粉方向上粉末均匀分布。
本发明的有益效果为：与现有的梯度材料增材制造铺粉技术相比，可以更加高效地得到可制备连续梯度材料的粉层，通过直接铺粉的方式保证了每层粉末的梯度分布比例基本不变，保持了粉层的稳定性，并且可通过不同的隔板自由调整其梯度分布，过程又非常简单，为高效率地得到连续梯度材料提供了基础。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种下送粉式梯度粉层铺放装置的结构示意图(半剖)。
图2所示为实施例装置的剖面示意图。
图3所示为二相粉末储粉器截面形状示意图(分区为2个梯形)。
图4所示为二相粉末储粉器截面形状示意图(分区为2个三角形)。
图5所示为二相粉末储粉器截面形状示意图(分区为2个曲面形)。
图6所示为三相粉末储粉器的截面形状示意图。
图7所示为实施例中装置的关键尺寸图。
其中：1-刮粉器；2-储粉器；3-混粉平台；4-工作平台；5-回收斗；6-隔板；7-第一活塞；8-第二活塞。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
实施例1
如图1、图2所示，本发明实施例一种下送粉式梯度粉层铺放装置，用于梯度材料增材制造，所述装置包括刮粉器1以及水平方向依次设置的储粉器2、混粉平台3、工作平台4、回收斗5；所述储粉器2底部由第一活塞7封闭，加上侧壁与隔板6共同组成，隔板6位于供粉区域中间且可与之分离，两种或多种不同的粉末储存在由隔板6分隔开的不同分区，从而不同种类的粉末在同一截面形成梯度比例混合，隔板6的形状决定了粉末组分的梯度分布；所述混粉平台3位于储粉器2与工作平台4之间，在所述混粉平台3上粉末进行混合，通过控制混粉平台3沿铺粉方向的长度与刮粉器1移动速度配合控制粉末混合的程度；所述工作平台4设置于混粉平台3后与混粉平台3邻接，用于粉层的打印；所述回收斗5设置于工作平台4后与工作平台4邻接；铺粉中多余的粉末储存于所述回收斗5中；所述刮粉器1设置于储粉器2顶沿、混粉平台3、工作平台4顶沿、回收斗5上沿组成的平面上方。
优选的，所述储粉器2为顶部开口的长方体状，当粉末种类为2种时，储粉器2中的隔板6将供粉区域水平截面分割为梯形、三角形或者其他可组合为长方形的两个形状，分别如图3(分割为2个梯形)、图4(分割为2个三角形)、图5(分割为2个曲线图形)所示，当粉末种类为3种及以上时，可以通过隔板6将供粉区域水平截面分割三角形、或者其他一些可组合为长方形的形状，如图6(分割为3个三角形)所示；优选的，所述隔板6可以将供粉区域分割为如上形状，可以被制作为长方形的平板，以及其他平板或者曲板，隔板6在与供粉区域接触区域可以有接触面，使得隔板6可以稳定置于供粉区域，且易于拆卸。
优选的，所述混粉平台3连接于储粉器2与工作平台4的侧壁顶沿，处于铺粉平面。
优选的，所述混粉平台3沿铺粉方向的长度能根据粉末需要混合的程度进行调节。
优选的，所述工作平台4由底部第二活塞8与侧壁组成，为顶面开放的长方体状。
优选的，所述回收斗5也为顶面开放的长方体状。
优选的，所述刮粉器1包括刮刀以及用于安装刮刀和限制粉末的侧板，刮刀可以将储粉器2中的梯度分布粉末刮动，并在刮动过程中进行混合，最后铺放于工作平台4中，最终粉末沿铺粉方向比例分布不变，而在垂直于铺粉方向保持梯度比例。
优选的，所述粉末梯度材料的材质为有机物、陶瓷、金属等增材制造材料。
实施例2
本发明实施例一种利用上述的下送粉式梯度粉层铺放装置铺放粉层的方法，包括如下步骤：
储粉：将隔板6置于储粉器2中，将不同种类的粉末分别置于相应分区内；
铺粉：将隔板6取出，储粉器2底部第一活塞7上升，使得粉末上升，同时工作平台4底部第二活塞8下降，刮刀将该具有梯度比例分布的粉末刮起，在刮动过程中进行混合，随后铺展并沉积于工作平台4中，多余粉末刮至回收斗5中；
等待该层粉末通过热熔融或者粘接剂结合后，进行下一次铺粉，并且重复此过程。
传统的梯度材料如果通过粉末床进行增材制造，只能通过“逐层换粉”的方式得到梯度材料，并且得到的是非连续梯度材料，而中国发明专利201810292599.9公开了一种基于选区激光熔化技术制备梯度材料的装置及方法，然而粉末沉积过程较为复杂，利用本发明的装置与方法，可以更加简单、高效的得到可制备连续梯度材料的粉层，本发明利用带隔板6的储粉器2来控制材料梯度分布，利用铺粉过程的混合保证了每层粉末的梯度分布比例基本不变，同时在铺粉方向上粉末分布均匀，保持了粉层的稳定性。
实施例3
本实例是在实施例1的基础上，进一步作为实施的一种具体方案。
首先进行实验的装置部分关键参数如图7所示。
在宽度为100mm、长度为100mm的储粉器2中，用隔板6将储粉器2分隔为两个梯形，如图3所示，梯形短边长度为5mm，分别在储粉器2的两个分区中加入直径为3mm的316L不锈钢颗粒和GH4169高温合金粉末，粉末刮平后把中间隔板6取出，储粉器2底部第一活塞7上升3mm。
接着，刮粉器1的刮刀以0.1m/s的平移速度，将储粉器2顶部的粉末刮走，并且通过长度为500mm的混粉平台3，在此过程中粉末同时在铺粉方向上进行混合；工作平台4底部第二活塞8下降30μm，随后粉末沉积于宽度为100mm，长度为60mm的工作平台4中，多余粉末被刮入回收斗5中；如此重复。
经过五次铺粉得到了整体粉末lacey混合指数为94.5％的粉末层，除了第一层铺粉由于硬且光滑的底部不同于后续的粉末层，lacey混合指数为78.1％，后续粉末层lacey混合指数均稳定于90％之上，同时整体粉末床的粉末随着梯度分布方向的相对位置变化的斜率为0.741。
实施例4
本实例是在实施例1的基础上，进一步作为实施的另一种具体方案。
在宽度为120mm、长度为120mm的储粉器2中，用隔板6将储粉器2分隔为两个三角形，如图4所示，分别在储粉器2的两个分区中加入直径为0.2mm的两种覆膜砂，粉末刮平后把中间隔板6取出，储粉器2底部第一活塞7上升0.15mm。
接着，刮粉器1的刮刀以0.025m/s的平移速度，将储粉器2顶部的粉末刮走，并且通过长度为50mm的混粉平台3，在此过程中粉末同时在铺粉方向上进行混合；工作平台4底部第二活塞8下降0.15mm，随后粉末沉积于宽度为120mm，长度为120mm的工作平台4中，多余粉末被刮入回收斗5中；如此重复。
经过10次铺粉得到了整体粉末lacey混合指数为98.2％的粉末层，整体粉末床的粉末随着梯度分布方向的相对位置变化的斜率为0.976。
本发明通过对储粉器2中的粉末进行分隔，并通过刮粉器1在送粉过程中的混合作用将分布放置的两相或多相粉末在铺粉方向上充分混合，并保持在垂直于铺粉方向上的成分比例；该方法可不通过设备结构改造，而对目前增材制造市场上占较大比例的下送粉式粉床类增材制造设备进行梯度材料功能升级。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
