CN109676137A - 一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，解决现有金属丝材增材制造装置在加工过程中存在堵头、层层之间以及和基板之间结合差的问题。该装置包括送丝机、导电嘴、基板、气氛保护装置及电源，送丝机、导电嘴及基板由上至下依次设置，电源的正极与导电嘴连接，负极与基板连接，其特殊之处在于：还包括超高频感应加热装置和基板加热装置；超高频感应加热装置为高频感应加热线圈，高频感应加热线圈通过陶瓷套管缠绕在导电嘴下端的丝材外侧，且与电源连接；接触式测温元件设置在陶瓷套管上；基板加热装置设置在基板下方，用于对基板进行加热；基板上设置有基板测温元件，用于测量基板的温度。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造领域，具体涉及一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置。
背景技术
增材制造(additive manufacturing，AM)技术是根据CAD/CAM设计，采用逐层累积的方法制造实体零件的技术，相对于传统的减材制造(切削加工)技术，它是一种材料累积的制造方法。增材制造技术俗称3D打印技术，是近30年快速发展的先进制造技术，其优势在于三维结构的快速和自由制造，被广泛应用于新产品开发、单件小批量制造，其中金属直接成型是增材制造技术中的难点和热点技术。
金属直接成型目前有多种传统方法，但各有利弊。金属粉末作为原材料的增材制造技术，不仅原材料昂贵，而且有爆炸的风险，并在加工过程中需注意金属粉末对人体的危害，导致加工成本较高。高能束流增材制造技术缺点主要有设备造价高、设备结构复杂、设备体积比较庞大、具有辐射污染、同等功率下成型效率较低等。例如，电子束在沉积过程中会伴随伽玛射线的发射，如果装置设计不合理会造成射线的泄露，导致环境污染；又如激光烧结或激光熔融技术不能适用于所有金属，特别是对激光反射率较高的金属，成形效率差。电孤增材制造技术的缺点是会产生大量的噪声和弧光污染，成型精度也较差。其他的金属增材制造方法还有直接金属喷墨3D打印(以色列3D打印初创企业XJet已经完成样机的研发)，该方法受限于特种金属墨水的配比，适用面狭窄。
基于电阻热熔融堆积成型的金属细丝增材制造方法，是指利用丝材中流过的电流产出的焦耳热，直接将金属丝熔化，实现金属增材制造过程。该技术实现了电能直接转化为金属熔化需要的热能，电能直接利用而无需中间多次转化，能实现高利用率、高质量、低成本、绿色环保的金属零件增材制造，是一种将材料、机械、测控技术和信息处理集为一体的金属增材制造方法。但是，目前该方法应用较少，其中一个原因是其稳定性差，在打印过程中起弧飞溅严重，而且层层之间以及和基板之间结合差。
目前已经公开的金属丝材增材制造装置，例如申请号201580075879.9美国数字合金公司的专利。例如中国发明申请CN201611186726.4，一种电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法，其基本结构如图1所示，包括金属丝材1、脉动送丝机构2、保护气体3、气体保护罩4、电磁感应电源5、电磁感应线圈6、导电嘴7、三维运动控制系统8、电源9、熔积成形零件10、基板11；在金属丝材熔积成型时，通过喷嘴向金属丝材前端输送保护气体，以避免金属细丝在熔融堆积过程中氧化，上述金属丝材增材制造装置只说明了电阻热增材制造的方法，但存在以下问题：
1、电阻热熔融堆积成型的金属微细丝增材制造过程中，当导电嘴带动丝材运动时，丝材和导电基板接触过程中容易发生起弧飞溅，导致成形效果差、打印不稳定、系统难以控制等问题；
2、丝材在加热过程中有软化现象，而导电嘴必须接触才能导电，导致在送丝过程中发生无法顺利递送以及产生堵头等严重问题；
3、因为很难做到重熔，第一层高温融化的金属液滴接触低温基板会形成球状，各球形金属颗粒之间无法有效亲和，同理也可以推到第二层至第N层，导致层层结合差，甚至无法成形，从金属材料学理论得知基板需要较高温度(接近金属熔点)才能和熔融金属液滴互相成形冶金结构，而基板整体加热到如此高温是不现实的，该方案最大的问题是电阻热熔融只能融化金属丝材本身，而无法和基体有效结合，导致成形缺陷甚至失败；
4、材料学里材料润湿理论得知，基板或者下一层母体加热需要到接近金属熔点才能实现有效浸润，而将基板加热到如此高温，第一需要很大的能量，第二基板在这么高的温度，会发生变形失稳流动坍塌现象，仅靠基板加热也不现实；
5、现有打印物品的温度场不均匀会导致翘曲、变形、开裂，导致打印缺陷；
6、局部气氛保护无法实现良好的气氛保护，在气流小时仍然有金属氧化的现象；气流大时，影响工艺过程，气流会把金属液滴吹散，导致成形缺陷，而且对其他已经未冷却的打印区域无法形成有效保护。
发明内容
为了解决现有金属丝材增材制造装置在加工过程中存在堵头、层层之间以及和基板之间结合差的问题，本发明提供一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置。
本发明的技术解决方案如下：
一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，包括送丝机、导电嘴、基板、气氛保护装置及电源，所述送丝机、导电嘴及基板由上至下依次设置，所述电源的正极与导电嘴连接，负极与基板连接，其特殊之处在于：还包括超高频感应加热装置和基板加热装置；所述超高频感应加热装置为高频感应加热线圈，所述高频感应加热线圈通过陶瓷套管缠绕在导电嘴下端的丝材外侧，且与电源连接；所述超高频感应加热装置上设置有接触式测温元件，所述接触式测温元件设置在陶瓷套管上；所述基板加热装置设置在基板下方，用于对基板进行加热；所述基板上设置有基板测温元件，用于测量基板的温度。仅基板加热无法达到材料润湿所需的温度，因此在导电嘴下方还设置有局部加热器----超高频感应加热，用于对基板成型区域进行加热，实现金属液滴和母体的重熔连接，所述超高频感应加热线圈固定在送丝机上，超高频感应加热不仅能实现非接触加热，可以保证运动平台的流畅运动，而且加热效率高，对所有金属都适用。
进一步地，所述高频感应加热线圈为空心铜管，空心铜管中通入冷却介质。
进一步地，还包括并联电阻R1，所述并联电阻R1的一端与导电嘴连接，另一端与基板连接。所述并联电阻R1的阻值大于金属丝材与基板导通时的接触电阻，小于导电嘴与基板之间气体的击穿电阻，这样在正常打印时，分流到的电流可以小到忽略不计，基本不会外加系统热损耗，
进一步地，所述并联电阻R1的一端通过线鼻与导电嘴连接。
进一步地，所述电源为可编程电源，所述可编程电源具有恒流输出模式和恒压输出模式，恒流输出模式用于金属的熔融，恒压输出模式用于并联电阻R1的供电。
进一步地，为防止金属丝氧化，并保证保护气体对金属成型不产生影响，所述气氛保护结构包括气密箱体、与气密箱体连通的惰性气体气罐，所述气密箱体与惰性气体气罐连通的管路上设置有进抽气泵，气密箱体上设置有水氧含量检测传感器，由传感器闭环来控制惰性气体的进气及排气；所述气密箱体对金属丝熔融成型区域形成气氛保护。
进一步地，所述陶瓷套管由氮化硼或氮化硅制作。
进一步地，所述基板通过三维运动平台移动，所述三维运动平台上设置有散热器。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
1.本发明通过在导电嘴下部，待打印区域上方设置超高频感应加热装置，实现成型区域的非接触高效加热，提高金属液滴和基板的结合性，有利于层与层之间、层与基板之间的结合，实现高质量的金属3D成形。
2.本发明采用超高频感应加热装置，高频感应加热装置实现了金属局部快速非接触加热，由超高频感应线圈内产生极性瞬间变化的强大磁场，将待打印区域靠近高频线圈，丝材通过高频线圈内，磁束就会贯通整个待打印区域，在感应加热物体的内部与感应加热电流相反的方向，产生相对应的强大涡电流，因为感应加热的金属内存在电阻，产生强的涡流热能，使感应加热物体温度迅速上升，加热层极薄，一般为0.1-0.5mm。因此，超高频感应加热装置具有非接触高效加热，加热效率高等优点。
3.本发明装置中，金属丝材和高频感应加热线圈接触导致短路现象，同时在感应线圈和熔融金属之间有剧烈的温度梯度，并直接和熔融金属接触，所以采用陶瓷套管来进行丝材引导和绝缘，该陶瓷套管具备不阻隔磁场、抗热冲击好，同时和金属液滴不亲和等特性。陶瓷套管可让高频磁场很好通过，并且因具有与金属液滴不亲和等特性，实现了不易堵头等优点。同时在套管壁上加测温装置，解决了金属3D打印过程中非接触测温的困难，简易方便的实现了接触测温，也使温度测量更为准确，同时根据热传导方程来估算熔融金属表面温度，通过控制电阻焊电源、高频感应电源及基板温控电源实现金属3D中的闭环温度精准控制，有助实现高质量的金属3D成形，陶瓷套管优选采用氮化硼和氮化硅。
4.本发明通过在导电嘴与基板之间并联电阻，当某种外部原因导致丝材和基板分离时，由于并联电阻给电流制造了通路，从而消除了导电丝才端部的电弧和电火花现象，避免了材料剧烈融化及飞溅所导致的打印失败或大的缺陷。
5.本发明通过在基板的底部加热器对基板加热，使打印区域实现恒温环境，能减少打印物品的翘曲和变形，提高成形质量。
6.本发明通过在打印区域的外围设置气密箱体并包含有进、抽气泵和水氧含量检测传感器，箱外配有惰性气体气罐，具有结构简单可靠，气氛环境监测精准，气压稳定、保护效果好的优点。
附图说明
图1为现有电阻电磁感应复合加热金属丝材成形装置图；
附图标记：1-金属丝材、2-脉动送丝系统、3-保护气体、4-气体保护罩、5-电磁感应电源、6-电磁感应线圈、7-导电嘴、8-三维运动控制系统、9-可编程电源、10-熔积成形零件，11-基材；
图2为本发明电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置图；
图3为本发明超高频感应加热装置结构图；
图4为本发明超高频感应加热装置剖面图；
图5为本发明气氛保护箱体原理图；
图6为本发明金属丝材增材制造过程示意图。
附图标记：21-送丝机，22-导电嘴，23-基板，24-气氛保护装置，25-超高频感应加热装置，26-丝材，27-线鼻，28-陶瓷套管，29-基板加热装置，30-接触式测温元件，31-散热器，32-三维运动平台，241-气密箱体，242-抽气泵。
具体实施方式
如图2所示的一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，包括送丝机21、导电嘴22、基板23、气氛保护装置24及电源，送丝机21、导电嘴22及基板23由上至下依次设置，电源的正极与导电嘴22连接，负极与基板23连接，还包括并联电阻R1、超高频感应加热装置25和基板加热装置29。
并联电阻R1的一端与导电嘴22连接，另一端与基板23连接，并联电阻R1的一端具体通过线鼻27与导电嘴22连接。对于大电流粗口径的电线连接而言，为了更好的接触，减少接触电阻，一般采用线鼻27连接。在导电嘴22和基板23处并联合适规格的并联电阻，当某种外部原因导致金属丝材26和基板23分离时，由于并联电阻给电流制造了通路，而不会发生起弧现象。并联电阻选型原则要远大于金属丝材26导通时的接触电阻(金属丝材26与基板23导通时的接触电阻)，这样在正常打印时，分流到的电流可以小到忽略不计，基本不会外加系统热损耗，并联电阻的阻值小于微距保护气体的击穿电阻(导电嘴22与基板23之间的气体击穿电阻)，并联电阻在金属丝材26和基板23分离时起到导流的作用，同时配合电源控制，从恒流自动变为电压源控制，保证电源输出功率最小，也进一步减少了电路的损耗，具体合适的并联电阻的大小及功率需要根据不同的打印金属丝材26来选择。
本发明打印头具体结构如图3、图4所示，超高频感应加热装置25包括高频感应加热线圈，高频感应加热线圈通过陶瓷套管28设置在导电嘴22下端的金属丝材26上，且与电源连接；高频感应加热线圈具体可采用空心铜管，空心铜管中通入冷却介质。导电嘴22通过线鼻27将电阻焊电流接入导电嘴22，送丝机21将金属丝材26送入导电嘴22，继续送入高频感应加热线圈，高频感应加热线圈通高频电流，根据电流的大小可以设计不同结构，若电流过大，则通入冷却水保护，因为大电流可以产生强磁场，同时由于电阻存在，电阻热量需要循环冷水带走，并需要配备冷水机；如果电流小则不需要，可以采用高温导线，或者用风冷既可。
金属丝材26和高频感应加热线圈接触导致短路现象，所以需采用陶瓷套管28来进行金属丝材26引导和绝缘，陶瓷套管28可让高频磁场很好通过，同时在感应线圈和熔融金属之间有剧烈的温度梯度，并直接和熔融金属接触。该套管具备不阻隔磁场、抗热冲击好，同时和金属液滴不亲和等特性，因此具有不易堵头等优点。同时在套管壁上加温度传感器，解决了金属3D打印过程中非接触测温的困难，简易方便的实现了接触测温，同时根据热传导方程来估算熔融金属表面温度，通过控制电阻焊电源、高频感应电源及基板23温控电源实现金属3D打印闭环温度控制，有助实现高质量的金属3D成形。
基板加热装置29设置在基板23上，用于对基板23进行加热。基板23上设置有测温元件，用于测量基板23的温度。基板23温控电源部分使打印区域实现恒温环境，能减少打印物品因应力引起的翘曲和变形，提高成形质量。基板温控控制系统可以采用各种加热和温控方式，比如电阻加热或者感应加热等，并需要加上温度传感器实现PID控温，而且根据不同金属材料热处理工艺的不同，可以设定不同的温度，如果基板要求温度不高也可以不加散热器，或者要求基板冷却直接加冷却散热实现基板恒温环境。
为了减少电路损耗，保证电源的输出功率不变，电源为可编程电源，可编程电源具有恒流输出模式和恒压输出模式，恒流输出模式用于金属的熔融，恒压输出模式用于并联电阻R1的供电。本发明中金属熔融时，所需的电流比较大，如果用金属熔融时的电流给并联电阻R1供电，势必花费很大的功率；并联电阻R1只起到导流的作用，因此，本发明中选用了可编程电源在恒压输出模式下给并联电阻R1供电，目前是通过软件限流自动调整为恒压输出模式，在软件里设置了最大电流和最大电压，根据负载情况自动切换。
电阻感应复合加热金属丝材26增材制造控制系统包含六部分，分别是超高频电源控制部分、电阻焊控制电源部分、基板温控电源部分、三维运动控制部分、送丝控制部分和保护气氛箱体控制部分。超高频电源控制部分、电阻焊控制电源部分和基板温控电源部分这三部分也可以合并为一个集成电源控制，保护气氛箱体控制部分包含水氧检测传感器、压力检测传感器和气泵控制。
电阻焊控制电源部分提供金属丝熔融的电能，主要根据不同金属材料的熔融成型工艺特点，可以采用直流交流或者脉冲的方式，也可以采用电压源或电流源的方式，通过金属丝短路瞬间产生的焦耳热熔融金属丝材26，根据不同的金属丝材26和不同的成形效率，一般短路电阻流在1A-1000A选择，金属丝融化时电阻为剧烈的非线性变化，通过电源的功率闭环实现功率对负载的跟踪和匹配。
超高频电源部分实现了金属局部快速非接触加热，由超高频感应线圈内产生极性瞬间变化的强大磁场，将待打印区域靠近高频线圈，金属丝材通过高频线圈内，磁束就会贯通整个待打印区域。在感应加热物体的内部与感应加热电流相反的方向，产生相对应的强大涡电流。因为感应加热的金属内存在电阻，因此产生强的涡流热能，使感应加热物体温度迅速上升，加热层极薄，一般为0.1-0.5mm。并可以通过红外测温仪或者红外成像仪等非接触测温设备构成闭环控制超高频电源功率输出，实现打印区域局部温度控制。这部分温度控制可以实现成型区域的非接触高效加热，弥补了电阻焊加热很难实现金属液滴和基板的结合的问题，高效实现了层与层之间、层与基板之间的互溶结合，实现高质量的金属3D成形。
三维运动控制部分可以用电机模组构建运动控制平台或者机械臂来实现。
如图5所示，箱体控制部分，根据不同的金属材料可以设计气氛保护，包含气体净化系统、循环系统和气体温控系统，需要有水氧传感器、压力传感器、温度传感器、气罐、气泵及气阀的进出控制，也可以按照真空密闭腔体设计，需要配备真空泵。气氛保护装置24具体可包括气密箱体241、与气密箱体241连通惰性气体气罐，气密箱体241与惰性气体气罐连通的管路上设置有抽气泵242，气密箱体241上设置有水氧含量检测传感器。不同的金属材料可以设计不同的气氛保护，各种气体纯度传感器用于根据不同需要可以包含水氧含量，气体压强等等传感器，实现气体质量气体压力等闭环控制，也可以按照真空密闭腔体设计，需要配备真空泵。送丝速度、运动速度需要和工艺参数相匹配。
能量输入部分即电源控制部分，空间运动控制部分、打印头及送丝控制部分和箱体气泵控制部分都需要连接到打印机及总体控制系统，根据不同的金属材料的工艺特点统一协调控制。
本发明的运动机构是设置在基板底部的，考虑到运动平台无法长期承受高温，导致形变和运动的失准性，在运动平台上设置了散热器31，散热器31可以根据不通过条件选择风冷，水冷，半导体制冷等等。
本发明的原理是基于金属丝通电后会产生电阻热，通过电阻热实现金属丝熔融堆覆成型，金属丝通过自动送丝机21送入导电嘴22，导电嘴22连接电阻焊电源的正极，金属基板23连接电源电阻焊电源负极，在金属丝的顶端和基板23构成回路，通以一定形式的电流，瞬间熔融金属丝端，熔化后金属液滴由于重力和表面张力的作用沉积在基板23上，在导电嘴22和基板23之间有高频感应线圈，由超高频感应电源在熔化金属液滴和基板23之间产生极性瞬间变化的强大磁场，该区域生成涡流热使金属液滴和基板23实现冶金结合，随着基板23的移动和不断的递送金属丝材26，在基板23上即可形成堆积的金属零件，实现金属增材制造。但是在打印过程中，由于金属细丝的电阻率随温度变化，加上金属丝材26材质可能会有杂质或者变形导致送丝过程中的不稳定性等因素，导致导电金属丝材26和基板23不接触，这时会发生电弧和电火花现象使沉积的材料剧烈融化及飞溅，导致打印失败或大的缺陷。为此，本发明在导电嘴22和基板23处并联合适规格的并联电阻，当某种外部原因导致金属丝材26和基板23分离时，并联电阻给电流制造通路，避免发生起弧现象。
如图6所示，本发明的金属丝材增材制造装置的打印过程如下：
1.根据成型零件的需要，确定成型材料的属性，及成型的各种工艺参数，并保证金属丝材26表面无氧化物及干燥处理。
2.使用气氛保护结构实现保护气氛或者真空环境，将金属丝材26通过送丝机21构送入导电嘴22，并与基板23保持接触。
3.根据预设的参数启动打印机，在运动机构，基板23温控电源、电阻焊电源及高频感应加热电源及送丝机21的协同工作下，实现金属材料逐层累加堆积成型，实现金属零件的增材制造。
Claims (8)
1.一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，包括送丝机(21)、导电嘴(22)、基板(23)、气氛保护装置(24)及电源，所述送丝机(21)、导电嘴(22)及基板(23)由上至下依次设置，所述电源的正极与导电嘴(22)连接，负极与基板(23)连接，其特征在于：
还包括超高频感应加热装置(25)和基板加热装置(29)；
所述超高频感应加热装置(25)为高频感应加热线圈，所述高频感应加热线圈通过陶瓷套管(28)缠绕在导电嘴(22)下端的金属丝材(26)外侧，且与电源连接；所述陶瓷套管(28)上设置有接触式测温元件(30)；
所述基板加热装置(29)设置在基板(23)下方，用于对基板(23)进行加热；所述基板(23)上设置有基板测温元件，用于测量基板(23)的温度。
2.根据权利要求1所述的电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，其特征在于：所述高频感应加热线圈为空心铜管，空心铜管中通入冷却介质。
3.根据权利要求1或2所述的电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，其特征在于：还包括并联电阻R1，所述并联电阻R1的一端与导电嘴(22)连接，另一端与基板(23)连接，所述并联电阻R1的阻值大于金属丝材(26)与基板(23)导通时的接触电阻，小于导电嘴(22)与基板(23)之间气体的击穿电阻。
4.根据权利要求3所述的电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，其特征在于：所述并联电阻R1的一端通过线鼻(27)与导电嘴(22)连接。
5.根据权利要求4所述的电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，其特征在于：所述电源为可编程电源，所述可编程电源具有恒流输出模式和恒压输出模式，恒流输出模式用于金属的熔融，恒压输出模式用于并联电阻R1的供电。
6.根据权利要求5所述的电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，其特征在于：所述气氛保护装置(24)包括气密箱体(241)、与气密箱体(241)连通的惰性气体气罐，所述气密箱体(241)与惰性气体气罐连通的管路上设置有抽气泵(242)，气密箱体(241)上设置有水氧含量检测传感器。
7.根据权利要求6所述的电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，其特征在于：所述陶瓷套管(28)由氮化硼或氮化硅制作。
8.根据权利要求7所述的电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，其特征在于：所述基板(23)通过三维运动平台(32)移动，所述三维运动平台(32)上设置有散热器(31)。
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