CN108817397A

CN108817397A - 一种增材制造装置及方法

Info

Publication number: CN108817397A
Application number: CN201810778883.7A
Authority: CN
Inventors: 胡小刚; 朱强; 李忠; 徐振
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology; Southern University of Science and Technology
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2018-11-16
Anticipated expiration: 2038-07-16
Also published as: CN108817397B

Abstract

本发明属于增材制造技术领域，公开了一种增材制造装置及方法。该增材制造装置包括螺旋挤出机构，其中：第一料筒内设有熔体进料口，且第一料筒的外部周设有第一保温层；第二料筒外部周设有第二保温层；螺杆位于第一料筒和第二料筒内，位于第一料筒内的螺杆的周身上设有叶片，位于第二料筒内的螺杆的周身上设有螺纹；第一料筒的容积大于第二料筒的容积，叶片的直径大于螺纹的直径，螺杆的顶部连接有扭矩传感器。本发明对熔体或半固体浆料进行保温并通过扭矩传感器来表征半固体的黏度状态及流动状态，从而解决了现有技术中无法对半固体流动行为进行有效控制的问题。

Description

一种增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造装置及方法。

背景技术

增材制造技术是以一种数字模型文件为基础，运用粉末状或丝状的金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来成型零件的技术。

专利号为ZL103878370B的专利公开了一种金属丝状原材料熔融挤出束流浇注、三维堆积成型产品的3D打印设备，其方案是金属丝状原材料在通过由耐高温材料等组成的打印头模块时，打印头模块中高频感应器加热熔化金属丝材，使金属丝材变成具有流动性的液态或半液态状从打印头模块中挤出。该方法使用高频感应加热替代激光器，可大大降低设备成本；然而在成形过程中，该装置无法对金属凝固组织的初生相形貌进行控制，进而无法对液态或半液态(或半固态)金属打印原料的流动行为进行控制，严重影响打印均匀性。

专利号为ZL106623840A的专利公开了一种合金半固态旋压增材制备装置，其方案是将金属液注入制浆装置，通过激冷形核作用获得半固态浆料，并通过旋压管将浆料逐层地堆积到按预定程序运动地成型平台上，进而实现半固态旋压增材制备。该方法使用陶瓷加热圈作为热源，大大降低设备成本，然而在成形过程中，虽然有意识地通过旋压管制造形核过程，但是半固态浆料的制备要求形成大量均匀的形核核心，且需要对保温温度及保温时间进行精确控制，以实现对初生颗粒长大行为的控制，只通过所述旋压管光滑区域的激冷作用将难以制备流动行为可控的高粘性半固态浆料。

专利号为ZL106925783A的专利公布了一种高效金属3D打印设备和方法，其方案是采用金属熔体直接供料，使其以液流的形式连续喷出打印，同时利用冷却介质进行快速冷却，并通过打印头和成形基板的运动，完成打印过程。然而在成形过程中，直接使金属从液态变为固态会产生较大的凝固收缩，导致成形件尺寸精度不高，组织不能得到很好地控制，成形件将会产生较大的内应力。

因此，亟待需要提供一种新型增材制造装置及方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增材制造装置及方法，以解决现有技术中无法对半固体流动行为进行有效控制的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种增材制造装置，包括螺旋挤出机构，螺旋挤出机构包括：

第一料筒，其内设有熔体进料口，且第一料筒的外部周设有第一保温层；

第二料筒，其与第一料筒连通且位于第一料筒下方，第二料筒由上至下依次设有熔体建压区、熔体计量挤出区和半固体出料口，且其外部周设有第二保温层；

螺杆，其位于第一料筒和第二料筒内，位于第一料筒内的螺杆的周身上设有叶片，位于第二料筒内的螺杆的周身上设有螺纹；

第一料筒的容积大于第二料筒的容积，叶片的直径大于螺纹的直径，螺杆的顶部连接有扭矩传感器。

作为优选，位于熔体建压区的螺纹的螺距或槽深逐渐缩小，位于熔体计量挤出区的螺纹的螺距或槽深相等。

作为优选，第二保温层与模温机连接，以使第二保温层的温度可控。

作为优选，第一料筒的顶部与真空泵连通，且二者之间通过中间室连通。

作为优选，还包括熔化炉和保温炉，熔化炉通过保温炉和第一料筒连通，且熔化炉和保温炉之间的连通通道以及保温炉和第一料筒之间的连通通道的外部均设有加热装置。

作为优选，熔化炉的外部周设有第一加热器，熔化炉的内腔底部设有与保温炉连通的供料口，熔化炉内设有可上下移动的活塞杆，活塞杆的底部能抵接至供料口。

作为优选，保温炉的外部周设有第二加热器，保温炉的内腔设有液位探针和可上下移动的压块。

作为优选，还包括位于出料口下方的打印平台。

一种金属增材制造方法，包括：

通过对固体进行加热和保温，使其形成熔体；

通过对熔体进行搅拌和控温，使其形成具有均匀形核的半固体；

通过测量搅拌过程的扭矩对形成的具有均匀形核的半固体的黏度状态及流动状态进行表征。

作为优选，搅拌过程包括：

对熔体进行第一次螺旋剪切，使其均匀化；

对第一次螺旋剪切后的熔体进行控温和建压输送，使其所受压力逐渐升高，且持续受到搅拌作用而形成半固体；

对半固体进行定量输送，且持续受到搅拌作用，使其进一步均匀化，用于逐层沉积成型。

本发明的有益效果：

本发明对熔体或半固体浆料进行保温并通过扭矩传感器来表征半固体的黏度状态及流动状态，从而解决了现有技术中无法对半固体流动行为进行有效控制的问题。

附图说明

图1是本发明提供的增材制造装置的结构示意图；

图2是图1中螺旋挤出机构的结构示意图。

图中：

1、螺旋挤出机构；2、熔化炉；3、保温炉；4、打印平台；5、控制系统；

11、第一料筒；12、第二料筒；13、螺杆；14、扭矩传感器；111、进料口；112、第一保温层；113、真空泵；114、中间室；121、出料口；122、第二保温层；123、模温机；131、叶片；132、螺纹；

21、第一加热器；22、供料口；23、活塞杆；

31、第二加热器；32、液位探针；33、压块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，其为本发明提供的一种增材制造装置的结构示意图。该增材制造装置包括螺旋挤出机构1、熔化炉2、保温炉3、打印平台4和控制系统5，其中：

固体原料(本发明优选为固体金属)放入熔化炉2中，并通过熔化炉2外部周设的第一加热器21进行高温加热熔化，熔化炉2的内腔底部设有供料口22，内腔还设有可上下移动的活塞杆23，活塞杆23的底部能抵接至供料口22，用于控制熔化炉2的熔体输送。

保温炉3中存放有熔化炉2供给的金属熔体，保温炉3的外部周设有第二加热器31，用于控制和稳定来自熔化炉2的金属熔体的温度(保温炉3的保温温度与熔化炉2的加热温度相同)。保温炉3的内腔设有液位探针32，用于测量保温炉3内金属熔体的液面高度，以便控制保温炉3内金属熔体量，防止溢出炉外。保温炉3的内腔还设有可上下移动的压块33，用于精确控制供给螺旋挤出机构1的金属熔体量。

熔化炉2通过保温炉3和第一料筒11(如图2所示)连通，且熔化炉2和保温炉3之间的连通通道以及保温炉3和第一料筒11之间的连通通道的外部均设有加热装置，用于控制和稳定连通通道的金属熔体温度。

如图2所示，螺旋挤出机构1包括第一料筒11、第二料筒12、螺杆13和扭矩传感器14，其中：

第一料筒11内设有熔体进料口111，且第一料筒11的外部周设有第一保温层112，在本具体实施方式中，第一保温层112只是在第一料筒11的外部包覆有多层保温材料，对从保温炉3进入第一料筒11的金属熔体进行保温(此时第一料筒11的温度要小于保温炉3的温度，即第一料筒11的熔体温度下降，逐渐形成半固体)，为形核长大提供条件。

第二料筒12与第一料筒11连通且位于第一料筒11下方，第二料筒12由上至下依次设有熔体建压区(图中未示出)、熔体计量挤出区(图中未示出)和半固体出料口121，且第二料筒12的外部周设有第二保温层122，第二保温层122与模温机123连接，以使第二保温层122的温度可控。模温机123用于对第二料筒12内金属熔体的温度进行控制，避免金属熔体的温度流失，以形成促使金属微观组织形核长大的稳定可控的温度条件。

螺杆13位于第一料筒11和第二料筒12内，位于第一料筒11内的螺杆13的周身上设有叶片131，在本具体实施方式中，叶片131由三个叶片组成，通过螺杆13的旋转带动叶片131对从保温炉3进入螺旋挤出机构1的金属熔体进行强剪切作用，用于使金属熔体的溶质和温度均匀化。位于第二料筒12内的螺杆13的周身上设有螺纹132，具体地，位于熔体建压区的螺纹132的螺距或槽深逐渐缩小，螺杆13的旋转过程中，金属熔体从第一料筒11中逐步被螺纹132裹挟，由于每相邻的螺纹之间的容积逐渐变小，故浆料在输送过程中沿螺杆13轴线方向上产生压力梯度(即压力逐渐增大)，同时在输送过程中对金属熔体进行螺旋剪切作用，进一步使其成分均匀化。位于熔体计量挤出区的螺纹132的螺距或槽深相等，其作用在于通过等容积的螺纹槽将高固相分数的半固体浆料均匀且定量地经出料口121挤出。

第一料筒11的容积大于第二料筒12的容积，叶片131的直径大于螺纹132的直径，第一料筒11以其较大的容积用于容纳从保温炉3进入螺旋挤出机构1的金属熔体，并依靠叶片131对金属熔体进行剪切且均匀化处理，同时保证对第二料筒12进行螺旋输送、挤压和剪切作用的熔体供给。

螺杆13的顶部连接有扭矩传感器14，用于监测螺杆13的扭矩，通过扭矩值表征半固态金属熔体在螺杆13的挤压、剪切作用及第二料筒12保温作用下的黏度状态及流动状态，从而可通过改变螺杆13的驱动电机(图中未示出)的转速及模温机123的温度设定，延长或缩短金属熔体在第一料筒11和第二料筒12内的停留时间及吸热过程，进而控制金属凝固微观组织的初生相形貌及半固态金属宏观的流动行为。

请继续参阅图1，第一料筒11的顶部与真空泵113连通，且二者之间通过中间室114连通。真空泵113用于为螺旋挤出机构1提供一定的负压环境，促进螺旋挤出机构1内部空气的排出，为半固态浆料的输送和处理提供气氛条件。中间室114用于防止螺旋挤出机构1中金属熔体的倒灌，而损坏真空泵113及其连接器件。

该增材制造装置还包括控制系统5和位于出料口121下方的打印平台4，用于金属的逐层沉积成型。打印平台4为三向(即XYZ方向)移动平台，可根据控制系统5的运动指令(即打印路径)进行三向移动，辅助螺旋挤出机构1进行金属构件的逐层沉积成形，对成型件进行特定的热处理工艺，以进一步提高产品的力学性能，最终完成整个零件的加工。

本具体实施方式中的所有加热组件(如第一加热器21、第二加热器31和加热装置)采用的加热方式均为电阻加热的方式，此种加热方式可大幅度降低增材制造装置的制造成本，同时由于本发明采用对金属熔化的方式(即无须要求金属的形状)，避免使用质量要求极高的球形金属粉末作为成型材料，进一步降低了材料使用成本。

本发明还提供了一种金属增材制造方法，其优选的实施例为上述涉及的增材制造装置，该方法具体包括如下步骤：

通过对固体进行加热和保温，使其形成熔体；

本发明采用半固体金属的浆料制备工艺，利用半固体浆料特殊的组织构成和流体性质，使成型件组织均匀，减少组织缺陷及内应力，提高成型件的力学性能，显著改善打印件的质量；同时半固体浆料在沉积和凝固过程中收缩量小，成型精度高，可实现成型件的近净成形。

具体地，上述搅拌过程包括：

对熔体进行第一次螺旋剪切，使其均匀化(对应于第一料筒11的作用)；

对第一次螺旋剪切后的熔体进行控温和建压输送，使其所受压力逐渐升高，且持续受到搅拌作用而形成半固体(对应于熔体建压区的作用)；

对半固体进行定量输送，且持续受到搅拌作用，使其进一步均匀化(对应于熔体计量挤出区的作用)，用于逐层沉积成型(对应于打印平台4的作用)。

该方法通过对熔体或半固体浆料进行保温并通过扭矩传感器14来表征半固体的黏度状态及流动状态，从而解决了现有技术中无法对半固体流动行为进行有效控制的问题。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术用户来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种增材制造装置，其特征在于，包括螺旋挤出机构(1)，所述螺旋挤出机构(1)包括：

第一料筒(11)，其内设有熔体进料口(111)，且所述第一料筒(11)的外部周设有第一保温层(112)；

第二料筒(12)，其与所述第一料筒(11)连通且位于所述第一料筒(11)下方，所述第二料筒(12)由上至下依次设有熔体建压区、熔体计量挤出区和半固体出料口(121)，且其外部周设有第二保温层(122)；

螺杆(13)，其位于所述第一料筒(11)和所述第二料筒(12)内，位于所述第一料筒(11)内的所述螺杆(13)的周身上设有叶片(131)，位于所述第二料筒(12)内的所述螺杆(13)的周身上设有螺纹(132)；

所述第一料筒(11)的容积大于所述第二料筒(12)的容积，所述叶片(131)的直径大于所述螺纹(132)的直径，所述螺杆(13)的顶部连接有扭矩传感器(14)。

2.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，位于所述熔体建压区的所述螺纹(132)的螺距或槽深逐渐缩小，位于所述熔体计量挤出区的所述螺纹(132)的螺距或槽深相等。

3.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述第二保温层(122)与模温机(123)连接，以使所述第二保温层(122)的温度可控。

4.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述第一料筒(11)的顶部与真空泵(113)连通，且二者之间通过中间室(114)连通。

5.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，还包括熔化炉(2)和保温炉(3)，所述熔化炉(2)通过所述保温炉(3)和所述第一料筒(11)连通，且所述熔化炉(2)和所述保温炉(3)之间的连通通道以及所述保温炉(3)和所述第一料筒(11)之间的连通通道的外部均设有加热装置。

6.根据权利要求5所述的增材制造装置，其特征在于，所述熔化炉(2)的外部周设有第一加热器(21)，所述熔化炉(2)的内腔底部设有与所述保温炉(3)连通的供料口(22)，所述熔化炉(2)内设有可上下移动的活塞杆(23)，所述活塞杆(23)的底部能抵接至所述供料口(22)。

7.根据权利要求5所述的增材制造装置，其特征在于，所述保温炉(3)的外部周设有第二加热器(31)，所述保温炉(3)的内腔设有液位探针(32)和可上下移动的压块(33)。

8.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，还包括位于出料口(121)下方的打印平台(4)。

9.一种增材制造方法，其特征在于，包括：

通过对固体进行加热和保温，使其形成熔体；

通过对所述熔体进行搅拌和控温，使其形成具有均匀形核的半固体；

通过测量搅拌过程的扭矩对形成的所述具有均匀形核的半固体的黏度状态及流动状态进行表征。

10.根据权利要求9所述的增材制造方法，其特征在于，所述搅拌过程包括：

对所述熔体进行第一次螺旋剪切，使其均匀化；

对所述第一次螺旋剪切后的所述熔体进行控温和建压输送，使其所受压力逐渐升高，且持续受到搅拌作用而形成半固体；对所述半固体进行控温和定量输送，且持续受到搅拌作用，使其进一步均匀化，用于逐层沉积成型。