本實(shí)用新型涉及一種增/減材混合制造平臺，尤其是針對梯度材料復(fù)雜零件的增/減材混合制造平臺，屬于增/減材混合制造設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

增材制造技術(shù)依據(jù)CAD數(shù)據(jù)逐層累加材料直接制造實(shí)體零件的成形原理，給制造技術(shù)從傳統(tǒng)的宏觀外形制造向宏微結(jié)構(gòu)一體化制造發(fā)展提供了新契機(jī)，隨著零件性能要求的提高，復(fù)合材料或梯度材料零件成為迫切需要發(fā)展的產(chǎn)品，而增材制造具有微量單元的堆積過程，每個堆積單元可通過變化材料實(shí)現(xiàn)一個零件中不同材料的復(fù)合，實(shí)現(xiàn)控形和控性的制造。

雖然目前增材制造技術(shù)在航空航天、醫(yī)療、汽車制造等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用，但現(xiàn)階段市場上選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)，選區(qū)激光熔化(SLM)增材制造技術(shù)中無法進(jìn)行材料成分改變，只能制造單一材料的零件。同時，單一的增材制造技術(shù)制造的具有復(fù)雜內(nèi)外表面特征的零件存在幾何精度與表面質(zhì)量不理想的情況，需要通過后處理來提高零件的質(zhì)量特征、緩解殘余應(yīng)力，限制了增材制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

而多軸數(shù)控減材加工技術(shù)可以對復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行高效、高精度加工，獲得理想的加工質(zhì)量，因此，將增材制造技術(shù)和減材制造技術(shù)集成在同一個平臺上，可以充分利用增/減材制造的相對優(yōu)勢，有助于有復(fù)雜內(nèi)外特征的零件的制造，得到理想的幾何精度和表面質(zhì)量，提高零件的材料利用率、復(fù)雜性和功能性。但現(xiàn)有增/減材一體機(jī)，主要針對單一材料的復(fù)雜零件的制造，不能實(shí)現(xiàn)不同部位材料成分的改變，無法滿足梯度材料、兼具復(fù)雜性與功能性及高精度零件的制造需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種增/減材混合制造平臺，用于梯度材料、兼具復(fù)雜性與功能性及高精度特性的復(fù)雜零件的精密制造，實(shí)現(xiàn)梯度材料復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)與性能可控成形。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：一種增/減材混合制造平臺，用于梯度材料復(fù)雜零件的精密制造，包括成型缸、成型基板、多材料送粉系統(tǒng)、多材料激光掃描系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、平臺基體，其特征在于：所述的成型基板通過移動機(jī)構(gòu)安裝在所述的成型缸上，所述的多材料送粉系統(tǒng)與所述的平臺基體可動連接，所述的多材料激光掃描系統(tǒng)固連在平臺基體上，所述的刀具系統(tǒng)與平臺基體可動連接；所述的多材料送粉系統(tǒng)包括多材料粉末容器和噴嘴組，所述的多材料粉末容器至少包括兩個存儲艙，用于存放成型零件所需的不同粉末材料；所述的噴嘴組至少包括兩個噴嘴，用于將存放在存儲艙的不同粉末材料精確分送到所述的成型基板上；一個噴嘴對應(yīng)一個存儲艙，每個噴嘴分別安裝在對應(yīng)的存儲艙的底部，各噴嘴上分別安裝有壓電元件，各噴嘴連同對應(yīng)的存儲艙在可動連接機(jī)構(gòu)的帶動下，能夠面向成型基板上對應(yīng)的鋪粉層位置設(shè)置，當(dāng)壓電元件上施加高頻電壓后，使之產(chǎn)生高頻超聲振動，用于在成型基板相應(yīng)的位置上精確鋪設(shè)對應(yīng)的粉末材料；所述的多材料激光掃描系統(tǒng)包括兩種激光器和兩套掃描振鏡系統(tǒng)，用于針對不同材料特性的粉末，采用不同的激光器和掃描振鏡系統(tǒng)對所述的各噴嘴在成型基板上鋪設(shè)的粉層選擇性掃描并固化；所述的刀具系統(tǒng)包括刀具主軸組件、主軸頭和加工刀具，用于當(dāng)所述的成型基板上的成型零件的疊層厚度達(dá)到微銑削加工中不產(chǎn)生切屑的最小切削厚度時，原位對成型零件進(jìn)行精密微銑削加工。

作為進(jìn)一步改進(jìn)，本實(shí)用新型所述的多材料激光掃描系統(tǒng)中的兩種激光器分別是光纖激光器和二氧化碳激光器，所述的掃描振鏡系統(tǒng)包括振鏡掃描器和光學(xué)系統(tǒng)，所述的振鏡掃描器是三維動態(tài)聚焦振鏡，所述的光學(xué)系統(tǒng)包括反射鏡、擴(kuò)束鏡和保護(hù)鏡。

作為進(jìn)一步改進(jìn)，本實(shí)用新型所述的多材料粉末容器通過x、y兩個方向的移動機(jī)構(gòu)安裝在平臺基體上，各噴嘴連同對應(yīng)的存儲艙通過x、y兩個方向的移動機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)x、y兩個方向的移動。

作為進(jìn)一步改進(jìn)，本實(shí)用新型所述的刀具主軸組件通過x、y、z三個方向移動機(jī)構(gòu)安裝在平臺基體上，刀具主軸組件端部的主軸頭安裝有A、C或B、C兩個方向的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，所述的加工刀具安裝在刀具主軸組件端部的主軸頭的連接孔內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)x、y、z三個方向的移動和A、C或B、C兩個方向的轉(zhuǎn)動。

本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型的一種增/減材混合制造平臺，改變了現(xiàn)有選區(qū)激光燒結(jié)/熔化(SLS/SLM)技術(shù)中單一材料粉末的供粉方式以及增材制造的零件幾何精度及表面質(zhì)量不高的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了梯度材料零件宏微結(jié)構(gòu)一體化制造，提高了零件的材料利用率、復(fù)雜性和功能性，同時提高了零件的幾何精度和表面質(zhì)量。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的平臺總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是多材料送粉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是多材料粉末存儲艙與多噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是多材料激光掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是刀具系統(tǒng)原位微銑削加工示意圖。

附圖中的零部件序號如下：成型缸1、成型基板2、多材料送粉系統(tǒng)3、多材料激光掃描系統(tǒng)4、刀具系統(tǒng)5、平臺基體6、多材料粉末容器7、甲種粉末存儲艙7a、乙種粉末存儲艙7b、噴嘴組8、甲噴嘴8a、乙噴嘴8b、壓電元件9、掃描振鏡系統(tǒng)10、激光器11、成型零件12、刀具主軸組件13、主軸頭14、加工刀具15

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步地說明：

本實(shí)用新型的一種增/減材混合制造平臺，包括成型缸、成型基板、多材料送粉系統(tǒng)、多材料激光掃描系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、平臺基體，其特征在于：所述的成型基板通過移動機(jī)構(gòu)安裝在所述的成型缸上，所述的多材料送粉系統(tǒng)與所述的平臺基體可動連接，所述的多材料激光掃描系統(tǒng)固連在平臺基體上，所述的刀具系統(tǒng)與平臺基體可動連接。

所述的多材料送粉系統(tǒng)包括多材料粉末容器和噴嘴組，多材料粉末容器至少包括兩個存儲艙，噴嘴組至少包括兩個噴嘴，一個噴嘴對應(yīng)一個存儲艙，每個噴嘴分別安裝在對應(yīng)的存儲艙的底部，各噴嘴上分別安裝有壓電元件，并通過x、y兩個方向的移動機(jī)構(gòu)與平臺基體相連。

各噴嘴連同對應(yīng)的存儲艙在x、y兩個方向的移動機(jī)構(gòu)的帶動下，能夠面向成型基板上對應(yīng)的鋪粉層位置設(shè)置，當(dāng)壓電元件上施加高頻電壓后，使之產(chǎn)生高頻超聲振動，通過控制聲波頻率，振幅等超聲特性精確控制各噴嘴中的粉末的流動與停止，用于在成型基板相應(yīng)的位置上精確鋪設(shè)對應(yīng)的粉末材料。

用超聲振動方式控制噴嘴中的粉末的流動與停止的原理是：壓電元件安裝在噴嘴上，通過在壓電元件上施加高頻電壓使壓電元件產(chǎn)生機(jī)械的高頻超聲振動，從而把高頻電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并傳遞給噴嘴中的粉末。由粉體動力學(xué)可知，粉體的質(zhì)量流量與噴嘴的口徑、粉體的堆積密度、內(nèi)摩擦角、加速度等因素有關(guān)，因此，合理的噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效的粉末粒徑調(diào)控、改變聲波頻率，振幅等超聲特性可以精確控制各噴嘴中的粉末的流動與停止。

用超聲振動方式控制本實(shí)用新型中所述的多材料送粉方式的優(yōu)勢是：

1)可以實(shí)現(xiàn)零件不同部位不同材料需求；

2)可以精確控制噴嘴中的粉末的流動與停止，誤差小、精度高；

3)無需機(jī)械閥門來控制噴嘴中的粉末的流動與停止，方便、高效。

所述的多材料激光掃描系統(tǒng)包括光纖激光器和二氧化碳激光器以及兩套掃描振鏡系統(tǒng)，掃描振鏡系統(tǒng)包括振鏡掃描器和光學(xué)系統(tǒng)，振鏡掃描器是三維動態(tài)聚焦振鏡，光學(xué)系統(tǒng)包括反射鏡、擴(kuò)束鏡和保護(hù)鏡。用于針對不同材料特性的粉末，采用不同的激光器和掃描振鏡系統(tǒng)對各噴嘴在成型基板上鋪設(shè)的粉層選擇性掃描并固化。激光器及其掃描振鏡系統(tǒng)的選擇由材料特性決定，例如，當(dāng)鋪設(shè)的粉層材料是聚碳酸酯、尼龍等粉末材料時，選擇二氧化碳激光器以及與之相配的掃描振鏡系統(tǒng)；當(dāng)鋪設(shè)的粉層材料是不銹鋼、鈦合金等粉末材料時，選擇光纖激光器以及與之相配的掃描振鏡系統(tǒng)。

所述的刀具系統(tǒng)包括刀具主軸組件、主軸頭和加工刀具，刀具主軸組件通過x、y、z三個方向移動機(jī)構(gòu)安裝在平臺基體上，刀具主軸組件端部的主軸頭安裝有A、C或B、C兩個方向的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，加工刀具安裝在刀具主軸組件端部的主軸頭的連接孔內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)x、y、z三個方向的移動和A、C或B、C兩個方向的轉(zhuǎn)動，用于當(dāng)成型基板上的成型零件的疊層厚度達(dá)到微銑削加工中不產(chǎn)生切屑的最小切削厚度時，原位對成型零件進(jìn)行精密微銑削加工。

在微銑削加工中，不一定會產(chǎn)生切屑，當(dāng)瞬時切削厚度低于某個臨界值時，將沒有切屑形成，該臨界值稱為最小切削厚度。最小切削厚度是預(yù)測微銑削力和表面粗糙度的重要參數(shù)之一。最小切削厚度與零件材料、刀具參數(shù)等多種因素相關(guān)，并且難于直接測量，可以用試驗(yàn)法、數(shù)值仿真法、有限元法、分子動力學(xué)仿真等方法獲得。

本實(shí)用新型的增/減材混合制造平臺，首先由多材料送粉系統(tǒng)和多材料激光掃描系統(tǒng)在成型基板上進(jìn)行激光增材制造，保證梯度材料零件內(nèi)外復(fù)雜結(jié)構(gòu)，當(dāng)成型基板上的成型零件的疊層厚度達(dá)到微銑削加工中不產(chǎn)生切屑的最小切削厚度時，轉(zhuǎn)成微銑削精密加工，保證已成型零件的幾何精度與表面質(zhì)量，同時，避免切屑對粉體的擾動。

如圖1所示，本實(shí)用新型的一種增/減材混合制造平臺，包括成型缸1、成型基板2、多材料送粉系統(tǒng)3、多材料激光掃描系統(tǒng)4、刀具系統(tǒng)5、平臺基體6。成型基板2通過z方向移動機(jī)構(gòu)安裝在成型缸1上，當(dāng)一層粉層成型結(jié)束后，根據(jù)控制指令，成型基板在成型缸內(nèi)下降一個粉層高度，重新開始新的一層粉層成型；多材料送粉系統(tǒng)3通過x、y兩個方向的移動機(jī)構(gòu)安裝在平臺基體6上，用于根據(jù)控制指令將不同材料的粉末精確分送到成型基板2上對應(yīng)的粉層位置；多材料激光掃描系統(tǒng)4固連在平臺基體6上，并通過平臺基體6上的激光窗(圖中未畫出)對成型基板2上鋪設(shè)的粉層選擇性掃描并固化。多材料送粉系統(tǒng)3和多材料激光掃描系統(tǒng)4共同完成梯度材料復(fù)雜零件增材制造。刀具系統(tǒng)5通過x、y、z三個方向移動機(jī)構(gòu)安裝在平臺基體6上，用于對成型基板2上已成型零件的疊層厚度達(dá)到微銑削加工中不產(chǎn)生切屑的最小切削厚度時，根據(jù)控制指令，原位對已成型零件進(jìn)行精密微銑削加工，保證已成型零件的幾何精度與表面質(zhì)量，同時，避免切屑對粉體的擾動。

如圖1至圖3所示，多材料送粉系統(tǒng)3包括多材料粉末容器7和噴嘴組8。多材料粉末容器7至少包括兩個存儲艙7a和7b，使用時，復(fù)雜零件所需的不同粉末材料，可以分別存放在各自的存儲艙中，噴嘴組8至少包括兩個噴嘴8a和8b，各噴嘴上分別安裝有壓電元件9，一個噴嘴對應(yīng)一個存儲艙，即：甲噴嘴8a對應(yīng)甲種粉末存儲艙7a，乙噴嘴8b對應(yīng)乙種粉末存儲艙7b，每個噴嘴分別安裝在對應(yīng)的存儲艙的底部。各噴嘴8a和8b連同對應(yīng)的存儲艙7a和7b在x、y兩個方向的移動機(jī)構(gòu)的帶動下，能夠面向成型基板2上對應(yīng)的鋪粉層位置設(shè)置，即：當(dāng)需要甲種材料鋪粉時，x、y兩個方向的移動機(jī)構(gòu)將甲噴嘴8a和存儲艙7a移動到成型基板2上方的相對應(yīng)的位置；當(dāng)需要乙種材料鋪粉時，x、y兩個方向的移動機(jī)構(gòu)將乙噴嘴8b和存儲艙7b移動到成型基板2上方的相對應(yīng)的位置。各噴嘴及其對應(yīng)的存儲艙移動到位后，在壓電元件9上施加高頻電壓使之產(chǎn)生高頻超聲振動，把高頻電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并傳遞給噴嘴中的粉末，噴嘴中的粉末在機(jī)械能的驅(qū)動下產(chǎn)生運(yùn)動，通過改變聲波頻率，振幅等超聲特性可以精確控制各噴嘴中的粉末的流動與停止，從而在成型基板2相應(yīng)的位置上精確鋪設(shè)了對應(yīng)的粉末材料。

如圖1、圖4所示，多材料激光掃描系統(tǒng)4包括兩種激光器11和兩套掃描振鏡系統(tǒng)10(圖中只畫出一種激光器和一套掃描振鏡系統(tǒng))，兩種激光器分別是光纖激光器和二氧化碳激光器，掃描振鏡系統(tǒng)包括振鏡掃描器和光學(xué)系統(tǒng)，振鏡掃描器是三維動態(tài)聚焦振鏡，光學(xué)系統(tǒng)包括反射鏡、擴(kuò)束鏡和保護(hù)鏡。用于針對不同材料特性的粉末，采用不同的激光器和掃描振鏡系統(tǒng)對所述的各噴嘴在成型基板上鋪設(shè)的粉層選擇性掃描并固化，激光器及其掃描振鏡系統(tǒng)的選擇由材料特性決定。

如圖1、圖5所示，刀具系統(tǒng)5包括刀具主軸組件13、主軸頭14和加工刀具15。刀具主軸組件13通過x、y、z三個方向移動機(jī)構(gòu)安裝在平臺基體6上，刀具主軸組件13端部的主軸頭14安裝有A、C或B、C兩個方向的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，加工刀具15安裝在刀具主軸組件13端部的主軸頭14的連接孔內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)x、y、z三個方向的移動和A、C或B、C兩個方向的轉(zhuǎn)動，用于當(dāng)所述的成型基板上的成型零件的疊層厚度達(dá)到微銑削加工中不產(chǎn)生切屑的最小切削厚度時，原位對成型零件進(jìn)行精密微銑削加工。

本實(shí)用新型的一種增/減材混合制造平臺的工作過程為：首先系統(tǒng)初始化，并進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置，包括不同粉末材料參數(shù)、激光功率、掃描速度，鋪粉厚度、最小切削厚度等工藝參數(shù)的設(shè)置，接著，根據(jù)控制指令，多材料送粉系統(tǒng)3中的多材料粉末容器7在x、y兩個方向移動機(jī)構(gòu)的帶動下，將盛裝有甲種材料的存儲艙7a及其對應(yīng)的甲噴嘴8a移動到成型基板2上方的相對應(yīng)的位置，在壓電元件9上施加高頻電壓使之產(chǎn)生高頻超聲振動并傳遞給噴嘴8a中的粉末，通過改變聲波頻率，振幅等超聲特性精確控制甲噴嘴8a中的粉末的流動與停止，從而在成型基板2相應(yīng)的位置上精確鋪設(shè)了甲種粉末材料。如果需要有乙種粉末材料，噴嘴8a鋪粉結(jié)束后，在x、y兩個方向的移動機(jī)構(gòu)帶動下，再將盛裝有乙種材料的存儲艙7b及其對應(yīng)的乙噴嘴8b移動到成型基板2上方的相對應(yīng)的位置精確鋪設(shè)乙種粉末材料，如此反復(fù)，直到完成第一層粉層全部材料鋪粉要求。

第一層粉層鋪粉結(jié)束后，x、y兩個方向的移動機(jī)構(gòu)帶動多材料粉末容器7和噴嘴組8回到初始位置。根據(jù)控制指令，激光器11和相應(yīng)的掃描振鏡系統(tǒng)10通過平臺基體6上的激光窗(圖中未畫出)，選擇性掃描并固化第一層相應(yīng)的粉層，如果需要，一種激光器及其掃描振鏡系統(tǒng)掃描結(jié)束后，另一種激光器及其掃描振鏡系統(tǒng)再掃描第一層其他相應(yīng)的粉層，如此反復(fù)，直到第一層粉層全部掃描完成。

第一層粉層掃描完成后，根據(jù)控制指令，成型基板2在z方向移動機(jī)構(gòu)帶動下，在成型缸內(nèi)下降一個粉層高度，通過多材料送粉系統(tǒng)3、多材料激光掃描系統(tǒng)4重新開始新的一層粉層疊層制造。如此反復(fù)，直到成型基板2上的成型零件12的疊層厚度達(dá)到微銑削加工中不產(chǎn)生切屑的最小切削厚度時，停止疊層制造。

上述階段增材制造結(jié)束后，測量裝置對成型零件12進(jìn)行測量后將三維數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)。同時，換刀機(jī)械手(圖中未畫出)將加工刀具15安裝到刀具主軸組件13端部的主軸頭14的連接孔內(nèi)，等待對成型零件12進(jìn)行精密微銑削加工。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，平臺自動調(diào)整相關(guān)參數(shù)設(shè)置，接著，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，加工刀具15在x、y、z三個方向移動機(jī)構(gòu)和A、C或B、C兩個方向的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的帶動下、對成型基板2上的成型零件12的相應(yīng)部位進(jìn)行精密微銑削加工。

上述階段減材制造結(jié)束后，加工刀具15回到初始位置，測量裝置再次對成型零件12進(jìn)行測量后將三維數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，平臺再次自動調(diào)整相關(guān)參數(shù)設(shè)置。同時，多材料送粉系統(tǒng)3中的多材料粉末容器7在x、y兩個方向的移動機(jī)構(gòu)帶動下，將盛裝有需要鋪粉材料的存儲艙及其對應(yīng)的噴嘴移動到成型基板2上方的相對應(yīng)的位置，等待鋪粉。重復(fù)上述過程，完成增材制造、測量、減材制造、再測量操作過程，直到整個零件增/減材制造完畢，達(dá)到全部技術(shù)要求。

本實(shí)用新型涉及的其他未說明部分與現(xiàn)有技術(shù)相同。

本實(shí)用新型的平臺將多材料送粉系統(tǒng)、多材料激光掃描系統(tǒng)和多軸聯(lián)動刀具系統(tǒng)集成在同一個平臺上，能夠?qū)崿F(xiàn)梯度材料、兼具復(fù)雜性與功能性及高精度零件的制造需求，改變了現(xiàn)有選區(qū)激光燒結(jié)/熔化(SLS/SLM)技術(shù)中單一材料粉末的供粉方式以及增材制造的零件幾何精度及表面質(zhì)量不高的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了梯度材料零件宏微結(jié)構(gòu)一體化制造，提高了零件的材料利用率、復(fù)雜性和功能性，同時提高了零件的幾何精度和表面質(zhì)量。

上述具體實(shí)施方式用來解釋說明本實(shí)用新型，而不是對本實(shí)用新型進(jìn)行限制，在本實(shí)用新型的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，凡對本實(shí)用新型采取等同替換或等效變換所獲得的技術(shù)方案，都落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。