CN104174842A - 一种基于交变磁场的金属丝材增材设备及增材方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于交变磁场的金属丝材增材设备，至少包括数控装置、基板以及沉积头，所述的基板与沉积头均安装于数控装置上，所述的基板位于沉积头的下方，所述的沉积头包括屏蔽外壳以及安装在屏蔽外壳上的线轮，金属丝缠绕在线轮上，所述的屏蔽外壳内设置有送丝轮、陶瓷导向管、交变磁场线圈以及保护气体管，所述的屏蔽外壳的顶部开有进丝口，送丝轮安装于进丝口的下方，陶瓷导向管竖直固定于送丝轮的下方，所述的交变磁场线圈缠绕在陶瓷导向管下部的外壁上。本发明同时还提供了基于上述增材设备的增材方法，本发明解决了现有的金属粉末难以制备、价格高，以及激光光源能量效率低等问题。

Description

一种基于交变磁场的金属丝材增材设备及增材方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，特别是涉及一种基于交变磁场的金属丝材增材制造方法及装备。

背景技术

增材制造技术，又称3D打印技术，在近几年获得越来越多的关注，增材制造依据三维CAD设计数据，采用离散材料(液体、粉末、丝、片、板、块等)逐层累加原理制造实体零件，是一种集合了机、光、电、计算机、控制等技术的多学科交叉的先进制造技术。相比于传统制造工艺，增材制造技术可以直接利用CAD数据，无需模具、刀具直接制造出空间形状任意复杂结构，并且成形材料广泛，可以迅速地将设计转化为高性能的制件。增材制造可在航天航空、武器装备、汽车、模具及生物医疗等高端制造领域获得应用，直接成形复杂和高性能金属零部件，解决传统制造工艺难以加工甚至无法加工的制造难题，增强我国制造能力，推动我国高端制造业的发展。目前的金属增材制造技术主要有以下几种：

1.选择性激光熔化：该技术利用光斑直径仅为100微米以内的高能束激光，直接熔化金属或合金粉末，层层选区熔化与堆积，最终成形具有冶金结合、组织致密的金属零件。该工艺可以直接制造复杂金属零部件，同时成形精度高。主要不足是，成形材料采用金属粉末，粉末的颗粒大小、粒径分布、氧含量等难以控制，粉末的生产工艺复杂，生产成本高。同时热源采用激光器，设备及维护成本高。目前，主要的研究集中在该校科研领域。

2.电子束选区熔化：该技术利用高能电子束，在真空保护下高速扫描加热预置的金属粉末，通过逐层熔化叠加，成形多孔、致密或多孔-致密复合结构的三维零件。该技术的优点在于电子束的高速扫描，可以大大节约时间。但同时也面临粉末制备困难、成本高等问题。同时电子束需要极低的真空才可以发射，对设备要求比较高。目前只有瑞典的Arcam公司掌握了该技术。

3.激光近净成形：该技术利用激光等高能束流熔化金属材料，在基体上形成熔池的同时将沉积材料(粉末或丝材)送入，随着熔池移动实现材料在基体上的沉积。该技术如果采用金属丝材作为原料便可大大减少采用粉末带来的问题，但是该技术依然使用大功率激光器，设备也需要密封，生产成本较高。

因此，要想将金属增材制造技术进行推广普及，改进材料，降低设备及运营成本将是需要解决的关键问题。金属增材制造居高不下的成本将严重制约该技术的发展。同时，采用激光光源的能量转化效率很低，仅为15％左右，大量能源被浪费。

发明内容

本发明提供了一种基于交变磁场的金属丝材增材设备，该设备解决了现有的金属粉末难以制备、价格高，以及激光光源能量效率低等问题。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种基于交变磁场的金属丝材增材设备，至少包括数控装置、基板以及沉积头，所述的基板与沉积头均安装于数控装置上，并能够在数控装置的控制下移动，所述的基板位于沉积头的下方，所述的沉积头包括屏蔽外壳以及安装在屏蔽外壳上的线轮，金属丝缠绕在线轮上，所述的屏蔽外壳内设置有送丝轮、陶瓷导向管、交变磁场线圈以及保护气体管，所述的屏蔽外壳的顶部开有进丝口，送丝轮安装于进丝口的下方，所述的送丝轮设有两个，两送丝轮相互平行且对辊，陶瓷导向管竖直固定于送丝轮的下方，且陶瓷导向管的轴线与两送丝轮相切，所述的交变磁场线圈缠绕在陶瓷导向管下部的外壁上，所述的屏蔽外壳的底部设有出液口，陶瓷导向管的底端位于出液口的上方，所述的保护气体管设置于陶瓷导向管的底部，保护气体管的进气口处通入保护气体，且保护气体管的出气口朝向出液口；所述的金属丝由进丝口进入屏蔽外壳内并穿过送丝轮进入陶瓷导向管中，金属丝在交变磁场线圈的作用下在陶瓷导向管内熔化成金属液滴，金属液滴由出液口处滴落至基板上。

所述的金属丝为纯金属或合金材料，其直径为0.1～0.5mm。所述的送丝轮的送丝速度能够调节。所述的交变磁场线圈的电流大小能够调节。所述的保护气体为氮气或惰性气体。

本发明同时还提供了基于上述增材设备的增材方法，包括以下步骤：(1)、生成待制造工件的三维模型，将三维模型按照厚度h进行切片分层，单层的厚度h为0.05～0.5mm，并由起始单层至终止单层依次读取每一单层的二维轮廓信息，从而将工件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息；

(2)、数控装置将起始单层的二维轮廓信息转化为移动指令，控制沉积头按照二维轮廓运动，同时开启送丝轮及交变磁场线圈，送丝轮将缠绕在线轮上的金属丝送入陶瓷导向管中，交变磁场线圈在陶瓷导向管内产生交变磁场，金属丝在交变磁场的作用下产生涡流热，从而发生熔化形成金属液滴；

(3)、金属液滴在保护气体的气氛保护下，由出液口处滴落至基板上；

(4)、沉积头在数控装置的控制下，按照该单层的二维轮廓进行填充，不断移动直至该单层沉积完成；

(5)、基板向下运动h距离，然后数控装置将下一单层的二维轮廓信息转化为移动指令，重复步骤(2)～(4)，直至完成终止单层的沉积。

步骤(2)中送丝轮的送丝速度能够调节。步骤(2)中交变磁场线圈的电流大小能够调节。步骤(3)中保护气体为氮气或惰性气体。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、原材料采用金属丝材，成本大大降低。

本发明采用金属丝材，金属丝是以金属盘条或金属棒为原材，通过拔丝、退火设备等专业设备。经过多次拉拔-退火-再拉拔-再退火等工序，加工成各类不同规格和型号的丝(线)产品。生产设备简单，产能较高，生产成本很低。且金属丝材经过拉拔之后，相当于经过锻造过程，金属内部的气孔、杂质等缺陷被消除，得到的丝材组织十分优良。而目前的增材制造金属粉末多为采用气雾化或是等离子旋转法制备，该生产设备十分庞大，而且产能很低，出粉量低，能源消耗巨大，引起环境污染等问题。同时，粉末中容易卷入气体，熔化之后由于快速凝固，气体被包裹在成形制件内部，气孔相当于裂纹源，对制件的长时间服役性能产生致命的威胁。而金属丝材不会引起这些问题，同时，材料成本大大降低，利于金属增材制造技术的大范围推广。

2、熔化金属材料的热源为交变电磁场，大大降低设备及维护费用。

本发明的另一大特点就是热源为交变磁场。交变磁场在金属表面形成电涡流，电涡流实际上是电子的激烈运动，电子运动引起原子的振荡、摩擦产生热量。交变磁场的能量利用效率可以达到95％。电磁加热因线圈本身基本不会产生热量，寿命长，无需检修，无维护更换成本；使用寿命高达10年，不需维护，后期基本无维护费用；线圈本身不发热，热阻滞小、热惯性低，内部温度一致，温度控制实时准确，可以根据电磁场的交变频率和电流大小控制内部金属的加热温度，防止过热沸腾现象出现。此外，凡是金属材料在交变磁场中均会产生涡流热现象，持续加热金属便会发生熔化，因此，使用材料广泛，可以为碳钢、不锈钢、钛合金、高温合金、贵金属等，甚至钨合金之类的高熔点金属也可以熔化。电磁场的应用大大扩展了适用于金属增材制造的材料范围，并且可以显著降低生产成本。而采用激光作为热源，面临能源利用率低、设备成本高、维护检修复杂等问题。

除以上两大优点之外，采用交变磁场在成形金属零部件的同时还可以对材料内部的组织进行调控，因为，在外加磁场作用下，在金属熔体中产生一体积力即电磁力，推动熔体运动，从而达到对金属搅拌的目的。电磁力对树枝晶端部产生剪切，造成枝晶碎断，形成晶核；晶核作为晶粒的核心逐步生长形成晶粒，研究表明，在相同凝固条件下，增加晶核的数量可以显著细化晶粒组织，提高制件强度。

附图说明

图1为本发明提供的基于交变磁场的金属丝材增材设备的整体结构示意图；

图中：1-屏蔽外壳，2-金属丝，3-送丝轮，4-陶瓷导向管，5-交变磁场线圈，6-保护气体管，7-基板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

本发明提供的基于交变磁场的金属丝材增材设备的结构如图1所示，至少包括数控装置、基板7以及沉积头，所述的基板7与沉积头均安装于数控装置上，并能够在数控装置的控制下移动，所述的基板7位于沉积头的下方。

所述的沉积头包括屏蔽外壳1以及安装在屏蔽外壳1上的线轮，金属丝2缠绕在线轮上，金属丝2为纯金属或合金材料，其直径为0.1～0.5mm，在本实施例中其直径为0.2mm。金属丝材的特点是采用拉拔工艺成形，金属丝材的直径可以调节，采用丝材的粗细主要依据应用场合和要求达到的制件精度而定。当要求成形速度快，精度要求低时可以采用粗丝和大功率的磁场；当对成形精度要求高时，采用细金属丝和小磁场。

所述的屏蔽外壳1内设置有送丝轮3、陶瓷导向管4、交变磁场线圈5以及保护气体管6，所述的屏蔽外壳1的顶部开有进丝口，送丝轮3安装于进丝口的下方，所述的送丝轮设有两个，两送丝轮相互平行且对辊，所述的送丝轮的送丝速度能够调节。

陶瓷导向管4竖直固定于送丝轮3的下方，且陶瓷导向管4的轴线与两送丝轮相切，所述的交变磁场线圈5缠绕在陶瓷导向管下部的外壁上，所述的交变磁场线圈的电流大小能够调节。

所述的屏蔽外壳的底部设有出液口，陶瓷导向管4的底端位于出液口的上方，所述的保护气体管6设置于陶瓷导向管4的底部，保护气体管的进气口处通入保护气体，且保护气体管的出气口朝向出液口，所述的保护气体为氮气或惰性气体如氩气。所述的金属丝由进丝口进入屏蔽外壳内并穿过送丝轮进入陶瓷导向管中。

本实施例中基于上述增材设备所提供的增材方法的步骤如下：

(1)、在电脑上生成待制造工件的三维CAD模型，将三维模型按照厚度h进行切片分层，单层的厚度h为0.05～0.5mm，本实施例中单层厚度为0.12mm，并由起始单层至终止单层依次读取每一单层的二维轮廓信息，从而将工件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息。

(2)、数控装置将起始单层的二维轮廓信息转化为移动指令，控制沉积头按照二维轮廓运动，同时开启送丝轮及交变磁场线圈，送丝轮将缠绕在线轮上的金属丝送入陶瓷导向管中，此处送丝轮的送丝速度能够调节，交变磁场线圈在陶瓷导向管内产生交变磁场，此处交变磁场线圈的电流大小同样能够调节，在本实施例中采用10KHz的低频磁场，金属丝在交变磁场的作用下产生涡流热，从而发生熔化形成金属液滴。

(3)、金属液滴在保护气体的气氛保护下，由出液口处滴落至基板上，保护气体为氮气或惰性气体如氩气，保护气体的流速为1L/min。

(4)、沉积头在数控装置的控制下，按照该单层的二维轮廓进行填充，不断移动直至该单层沉积完成；

(5)、基板向下运动h距离，然后数控装置将下一单层的二维轮廓信息转化为移动指令，重复步骤(2)～(4)，直至完成终止单层的沉积。

Claims (10)

1.一种基于交变磁场的金属丝材增材设备，至少包括数控装置、基板以及沉积头，所述的基板与沉积头均安装于数控装置上，并能够在数控装置的控制下移动，所述的基板位于沉积头的下方，其特征在于：所述的沉积头包括屏蔽外壳以及安装在屏蔽外壳上的线轮，金属丝缠绕在线轮上，所述的屏蔽外壳内设置有送丝轮、陶瓷导向管、交变磁场线圈以及保护气体管，所述的屏蔽外壳的顶部开有进丝口，送丝轮安装于进丝口的下方，所述的送丝轮设有两个，两送丝轮相互平行且对辊，陶瓷导向管竖直固定于送丝轮的下方，且陶瓷导向管的轴线与两送丝轮相切，所述的交变磁场线圈缠绕在陶瓷导向管下部的外壁上，所述的屏蔽外壳的底部设有出液口，陶瓷导向管的底端位于出液口的上方，所述的保护气体管设置于陶瓷导向管的底部，保护气体管的进气口处通入保护气体，且保护气体管的出气口朝向出液口；所述的金属丝由进丝口进入屏蔽外壳内并穿过送丝轮进入陶瓷导向管中，金属丝在交变磁场线圈的作用下在陶瓷导向管内熔化成金属液滴，金属液滴由出液口处滴落至基板上。

2.根据权利要求1所述的基于交变磁场的金属丝材增材设备，其特征在于：所述的金属丝为纯金属或合金材料，其直径为0.1～0.5mm。

3.根据权利要求1所述的基于交变磁场的金属丝材增材设备，其特征在于：所述的送丝轮的送丝速度能够调节。

4.根据权利要求1所述的基于交变磁场的金属丝材增材设备，其特征在于：所述的交变磁场线圈的电流大小能够调节。

5.根据权利要求1所述的基于交变磁场的金属丝材增材设备，其特征在于：所述的保护气体为氮气或惰性气体。

6.一种基于权利要求1所述增材设备的增材方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、生成待制造工件的三维模型，将三维模型按照厚度h进行切片分层，单层的厚度h为0.05～0.5mm，并由起始单层至终止单层依次读取每一单层的二维轮廓信息，从而将工件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息；

(2)、数控装置将起始单层的二维轮廓信息转化为移动指令，控制沉积头按照二维轮廓运动，同时开启送丝轮及交变磁场线圈，送丝轮将缠绕在线轮上的金属丝送入陶瓷导向管中，交变磁场线圈在陶瓷导向管内产生交变磁场，金属丝在交变磁场的作用下产生涡流热，从而发生熔化形成金属液滴；

(3)、金属液滴在保护气体的气氛保护下，由出液口处滴落至基板上；

(4)、沉积头在数控装置的控制下，按照该单层的二维轮廓进行填充，不断移动直至该单层沉积完成；

(5)、基板向下运动h距离，然后数控装置将下一单层的二维轮廓信息转化为移动指令，重复步骤(2)～(4)，直至完成终止单层的沉积。

7.根据权利要求6所述的增材方法，其特征在于：所述的金属丝为纯金属或合金材料，其直径为0.1～0.5mm。

8.根据权利要求6所述的增材方法，其特征在于：步骤(2)中送丝轮的送丝速度能够调节。

9.根据权利要求6所述的增材方法，其特征在于：步骤(2)中交变磁场线圈的电流大小能够调节。

10.根据权利要求6所述的增材方法，其特征在于：步骤(3)中保护气体为氮气或惰性气体。