[01285510]激光选区熔化直接制造梯度材料零件关键技术研发

功能梯度材料（Functionally Graded Materials-FGM）零件,是一种特殊的异质材料零件,即在零件的两种不同材料之间,通过材料成分呈梯度过渡,实现异种材料之间的连接,能有效克制异种材料之间因性能上的差异导致材料难以良好结合的情况,同时也能获得性能上的连续过渡,因而其在航空航天、医疗器械、仿生器械等领域都有广阔的应用前景。 激光选区熔化（Selective Laser Melting-SLM）是成型近终端金属零件的最好增材制造工艺之一,但受制于其铺粉原理,难以在成型过程中按需自由布置所需的不同种类材料,因此,目前仍难以自由制造梯度材料零件。解决其多种材料成分混配及供应、梯度材料增材制造数据模型构建等技术难题,实现梯度材料零件的激光选区熔化自由增材制造,具有重要的学术及应用意义。 本成果基于柔性清扫粉末+智能实时混配粉原理, 突破SLM直接制造梯度材料零件的技术难题, 研制了梯度材料零件 SLM 直接制造系统,系统能自由制造材料成分可梯度渐变过渡的零件。 本成果的关键技术包括： （1）在铺粉盒两侧分别设置高位柔性刮板以及低位柔性刮板,高位柔性刮板用于铺设粉末,低位柔性刮板用于清扫回收粉末。 （2）可行的梯度材料零件增材制造数据处理方法：梯度材料零件模型增材制造数据等于各子材料模型增材制造数据的加和,每个子材料模型的增材制造数据由m个装有扫描路径数据的HPGL 文件（m为梯度材料零件三维模型的总层数）+1个能表达材料配比的txt格式的材料文件组成。 （3）通过双漏斗盛装两种基础材料,梯度材料零件SLM成型过程中,系统根据当前打印的子材料模型的材料文件,定量供给不同配比的粉末,粉末经实时混合后,送至SLM成型室内,铺粉及执行激光选区熔化,逐层打印,实现梯度材料零件成型。 （4）激光选区熔化3D打印异质材料零件的最大难点在于,在同一层内,如何自由地布置不同的粉末材料,其核心问题是：如何在铺设一层粉末,选择性熔化粉末成型后,将同层内多余的粉末清除掉,再铺入另一种粉末。本成果采用这样一个巧妙的方法：激光选择性熔化金属粉末成型后,再如同采用扫帚将粉尘越过地面上凸起的小阶梯清扫走一样,低位柔性刮板将同一层内多余的粉末绕过已成型的实体清扫回收。 成型梯度材料零件时,首先根据成分梯度材料零件增材制造数据的获取方法设计三维模型并进行数据处理,获得增材制造数据后,将数据导入成型系统,用于控制成型缸下降、清粉、供粉、激光束扫描等操作。具体成型过程可描述如下： （1）设置相关成型参数,准备成型。 （2）成型平台下降一个层厚,准备铺粉。 （3）读取某组路径数据在当前层的扫描路径信息。 （4）打开本组路径数据文件夹的txt格式材料文件,读取对应的材料配比信息。 （5）两个定量漏斗按配比下泄定量粉末材料至实时混合装置中,若为单材料,直接将粉末泄出到铺粉盒中;若为混合成分材料,则充分完成混配操作后将粉末倒至铺粉盒中。铺粉盒载着按需配置好的粉末材料向右移动,高位柔性刮板将粉末平铺到成型平台上。如上次打印所用的材料成分与本次不同,则执行本操作前,须先通过振动将供粉、混粉、均粉流道上的粉末残留清除干净。 （6）激光束根据该组路径数据在当前层的扫描路径选择性地熔化金属粉末,执行SLM成型。 （7）若同层内存在梯度材料区域,铺粉盒返回,低位柔性刮板将当前层内多余粉末清除干净。每次将粉末落入铺粉盒前,低位柔性刮板对成型平台完成指定次数的清扫动作,以达到完全清除多余粉末、防止粉末污染的目的。 （8）重复步骤（3）-（8）,直至完成梯度材料零件当前层的成型。 转至步骤（2）,循环执行步骤（2）-（9）,直至完成整个梯度材料零件的SLM成型。 本成果较好解决了激光选区熔化增材制造梯度材料零件时的数据处理、粉末实时混合、同一层内多种梯度成分材料任意分布等难题,实现了激光选区熔化自由增材制造金属梯度材料零件,促进了材料制备、零件制造及 3D 打印技术的发展,并且在医用植入体、耐高温阀门等零件制造领域有良好应用前景 。