CN110695493A - 一种金属增材制造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金属增材制造装置，包括底座、旋转轴、旋转臂、工作仓模块、电源模块和工作介质过滤循环模块，工作仓模块包括防护仓和设置于防护仓内的工作台、驱动机构、基板、送丝机构，工作时，防护仓内的送丝机构能够朝向基板方向输送金属丝，工作介质过滤循环模块向防护仓内输送并排出工作介质，送丝机构与电源模块相连，在金属丝与基板之间或在两根金属丝之间的工作介质被击穿，产生等离子体并保持，在等离子体的高温作用下，金属丝迅速熔融形成金属液滴，旋转轴带动旋转臂转动，工作仓模块设置于旋转臂的两端，金属丝熔化形成的液滴在离心力作用下飞离熔融区域，液滴到达基板或已加工工件表面，经冷却凝固、结晶成形。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种金属增材制造装置。
背景技术
增材制造(又称3D打印)是近年来方兴未艾的先进制造技术，其原理是将丝状或粉末原料融化、沿预定轨迹堆积并冷却而形成具有三维形状的零件。而电弧增材制造是利用电弧产生的热量实现金属材料的融化并用于堆积形成零件。无论电弧还是激光增材制造得到的零件均容易有气孔、缩孔及融合度不高等缺陷，并存在强度不高等问题，从而严重影响零件的性能和服役时间。此外，在空间站等微重力环境下，熔融的金属或树脂材料因表面张力作用而难以附着在打印的表面，给制造过程也带来难以克服的困难。
为解决气孔及强度等问题，国内外研究人员提出采用对打印的表面进行滚压(CN108637504A)、超声复合(CN108067705A)、振动(CN105458264A)或激光冲击(CN107283059A)、激光诱导电弧增材、锤击强化电弧增材(CN108340047A)、外加磁场控制电弧形状(CN108213649A)等方法，以及配合热处理工艺对性能进行改善，以上方法都需要附加新的装置，给系统增加了复杂度，实现质量控制的难度较大。
公告号为CN105479741A的专利提出了一种用于太空环境的3D打印系统，含有4个立体腔的旋转仓实现重力，采用工业PC机实现控制，含有吸尘设备以及用于取工件的机械手。采用加热装置加热易熔材料，实现3D打印，所用材料包括蜡、ABS(AcrylonitrileButadiene Styrene：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PLA(polylactice acid：聚乳酸塑料)、尼龙等，均为非金属材料。而金属材料的增材制造方法和非金属材料的增材制造方法是完全不同的，ABS、PLA等材料的增材制造实质是一个热塑反应，材料经历融化-挤压-成形-冷却的相对简单的物理过程，加热温度仅为200-300℃，采用的加热手段通常为电阻式加热头；而金属增材制造均为利用激光、电弧、电子束等高温热源(温度达数千摄氏度甚至更高)，金属材料经历了熔融(液化)-堆积-冷却结晶的过程，在这个阶段金属原子重新排列组合，形成晶体。如果采用两种或多种材料打印，还会伴随合金化的过程，远比非金属打印过程复杂，难度大，可控性差。
授权公告号为CN206749066U的专利提出了一种微重力环境下使用的3D打印机辅助装置，该辅助装置采用有轴承架的底座、自由端安装有3D打印机固定向的转动横梁以及安装在底座上用于驱动转动横梁转动的驱动机构来产生重力。其驱动方法为驱动电机通过皮带传动系统与动力轴传动连接，其主要针对FDM(Fused DepositionModeling)式3D打印机为应用对象，加工的材料也是非金属。
公开号为CN108637504A的专利，提出一种采用电弧填丝和滚压复合的增材制造方法，可以用于金属材料的增材制造。由于在电弧增材后马上采用滚压的方式，可以有效提高零件的成形质量，减少气孔、缩松，从而增强金属材料的综合机械力学性能。该方法需要增加一个辊压机构，并且对成形后的材料迅速施加辊压力，对控制要求高，要求的装备操作空间大。
公开号为CN107283059A的专利，提出采用电弧熔积配合激光冲击锻打的增材制造方法，其目的也是利用激光的冲击作用细化晶粒，提高零件的成形质量，减少内部缺陷。但该方法需要引入成本较高的激光头，并且工艺复杂，可控性差。
现有的电弧增材制造技术采用电弧加热金属丝或者金属粉，使其熔化后利用重力落在工作平台，通过控制轨迹逐层叠加而成形。该方法在微重力环境下会因为金属液滴的表面张力而无法正常打印，在地面环境也会因内部含有少量介质而造成气孔、缩松等缺陷，从而使打印工件的质量和机械性能达不到锻造的水平。现有的通过离心实现打印的专利均用于非金属材料制造，缺少电弧增材制造及实现方案。通过对增材后的工件进行滚压、激光冲击等施加外力而达到微锻造效果，可以在一定程度上提高工件的质量，减少内部气孔等缺陷，但该方法一方面还是无法解决失重状态下的打印，另一方面增加了系统的复杂度和成本。现有技术中的太空打印相关的专利公开的方案仅用于FDM的打印方法，适用材料为非金属，并无用于金属材料的打印方法及装置；此外，这些方法虽然均利用了绕中心的旋转来产生离心力，但并无针对电弧增材打印的实施策略，更没有揭示离心力对提高金属材料增材制造成形质量的作用。
因此，如何改变现有技术中，微重力环境下的增材制造难以控制成型速度和成型质量的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属增材制造装置，以解决上述现有技术存在的问题，使微重力环境下的增材制造的成型速度得以控制，提高成型质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种金属增材制造装置，包括底座、旋转轴、旋转臂、工作仓模块、电源模块和工作介质过滤循环模块，所述旋转轴可转动地设置于所述底座上，所述旋转臂与所述旋转轴相连，所述旋转臂的轴线与所述旋转轴的轴线之间具有夹角，两个所述工作仓模块分别设置于所述旋转臂的两端；所述工作仓模块包括防护仓和设置于所述防护仓内的工作台、驱动机构、基板、送丝机构，所述防护仓与所述旋转臂相连，所述基板设置于所述工作台上，所述驱动机构能够带动所述工作台在垂直于所述旋转臂轴线的平面内移动，所述送丝机构可滑动地与所述防护仓相连，所述送丝机构、所述防护仓的相对滑动方向与所述旋转臂的轴线相平行，所述送丝机构能够储存和输送金属丝，所述送丝机构设置于所述基板靠近所述旋转轴的一侧，所述送丝机构的数量为一个或两个，所述送丝机构为一个时，所述送丝机构的金属丝与所述电源模块的第一端相连，所述基板与所述电源模块的第二端相连，所述送丝机构为两个时，两个所述送丝机构之间具有间隙，两个所述送丝机构的金属丝与所述电源模块的两端相连并形成回路，所述工作介质过滤循环模块分别与所述防护仓相连通，所述工作介质过滤循环模块能够向所述防护仓内输送和抽取工作介质。
优选地，所述旋转轴的轴线与所述旋转臂的轴线相垂直。
优选地，所述电源模块和所述工作介质过滤循环模块均设置于所述底座内，所述旋转轴处设置导电环，所述电源模块通过所述导电环与所述工作仓模块相连，所述工作介质过滤循环模块通过旋转接头与所述工作仓模块相连。
优选地，所述驱动机构还包括转动轴，所述转动轴与所述工作台相连，所述转动轴能够带动所述工作台绕第一轴线和第二轴线旋转，所述第一轴线与所述第二轴线相垂直，所述第一轴线、所述第二轴线分别与所述旋转臂的轴线相垂直。
优选地，所述送丝机构包括储丝盘和输送辊，所述储丝盘上能够储存金属丝，所述储丝盘旋转能够向所述输送辊输送金属丝，所述输送辊能够带动金属丝运动。
优选地，所述旋转臂的长度能够调节，所述旋转臂为分体式结构，所述旋转臂包括连接段、第一段和第二段，所述连接段与所述旋转轴相连，所述第一段和所述第二段分别与所述连接段的两端活动连接。
优选地，所述第一段和所述第二段分别套装于所述连接段的外部，所述第一段、所述第二段分别与所述连接段滑动相连，所述第一段与所述连接段之间、所述第二段与所述连接段之间均设置锁紧旋钮，所述锁紧旋钮能够固定所述第一段与所述连接段之间、所述第二段与所述连接段之间的相对位置。
优选地，所述第一段与所述连接段之间、所述第二段与所述连接段之间均设置滑轨。
优选地，所述防护仓为分体式结构，所述防护仓包括仓门和仓体，所述仓体与所述旋转臂相连，所述仓门与所述仓体铰接相连，所述仓门与所述仓体之间设置密封元件。
优选地，所述工作介质过滤循环模块传输的工作介质为气体或流体，并具有低电导率能够在高电场强度中放电击穿。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的金属增材制造装置，包括底座、旋转轴、旋转臂、工作仓模块、电源模块和工作介质过滤循环模块，旋转轴可转动地设置于底座上，旋转臂与旋转轴相连，旋转臂的轴线与旋转轴的轴线之间具有夹角，两个工作仓模块分别设置于旋转臂的两端；工作仓模块包括防护仓和设置于防护仓内的工作台、驱动机构、基板、送丝机构，防护仓与旋转臂相连，基板设置于工作台上，驱动机构能够带动工作台在垂直于旋转臂轴线的平面内移动，送丝机构可滑动地与防护仓相连，送丝机构、防护仓的相对滑动方向与旋转臂的轴线相平行，送丝机构能够储存和输送金属丝，送丝机构设置于基板靠近旋转轴的一侧，送丝机构的数量为一个或两个，送丝机构为一个时，送丝机构的金属丝与电源模块的第一端相连，基板与电源模块的第二端相连，送丝机构为两个时，两个送丝机构之间具有间隙，两个送丝机构的金属丝与电源模块的两端相连并形成回路，工作介质过滤循环模块分别与防护仓相连通，工作介质过滤循环模块能够向防护仓内输送和抽取工作介质。本发明的金属增材制造装置工作时，防护仓内的送丝机构能够朝向基板方向输送金属丝，工作介质过滤循环模块向防护仓内输送工作介质，送丝机构与电源模块相连，当送丝机构为一个时，在金属丝与基板之间形成电弧发生区，电弧作为热源熔化金属丝，金属丝受热形成液滴，旋转轴带动旋转臂转动，工作仓模块设置于旋转臂的两端，金属丝熔化形成的液滴在离心力作用下飞离熔融区域，液滴到达基板，经冷却凝固、结晶成形；当送丝机构为两个时，两根金属丝之间的工作介质被击穿，产生等离子体并保持，在等离子体的高温作用下，金属丝迅速熔化形成金属液滴，金属液滴在离心力作用下加速，沿离心力方向飞向基板，到达基板或已加工的工件表面后金属液滴展开并结晶凝固，通过控制送丝机构和工件之间的相对位置，在预定轨迹控制下即可获得所需的金属部件。通过控制旋转轴的转速、旋转臂的长度，可以控制离心力，根据预设轨迹、堆积层数，控制离心力大小，达到强化材料强度、减少气孔及变形的效果，提高了普通重力环境下增材制造的效率和工件质量，解决了微重力环境下的增材制造难以控制成型速度和质量的难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的金属增材制造装置的结构示意图；
图2为本发明的金属增材制造装置的工作流程图；
其中，1为底座，2为旋转轴，3为旋转臂，4为工作仓模块，5为电源模块，6为工作介质过滤循环模块，7为防护仓，8为工作台，9为基板，10为送丝机构，11为控制模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种金属增材制造装置，以解决上述现有技术存在的问题，使微重力环境下的增材制造的成型速度得以控制，提高成型质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-2，图1为本发明的金属增材制造装置的结构示意图，图2为本发明的金属增材制造装置的工作流程图。
本发明提供一种金属增材制造装置，包括底座1、旋转轴2、旋转臂3、工作仓模块4、电源模块5和工作介质过滤循环模块6，旋转轴2可转动地设置于底座1上，旋转臂3与旋转轴2相连，旋转臂3的轴线与旋转轴2的轴线之间具有夹角，两个工作仓模块4分别设置于旋转臂3的两端；工作仓模块4包括防护仓7和设置于防护仓7内的工作台8、驱动机构、基板9、送丝机构10，防护仓7与旋转臂3相连，基板9设置于工作台8上，驱动机构能够带动工作台8在垂直于旋转臂3轴线的平面内移动，送丝机构10可滑动地与防护仓7相连，送丝机构10、防护仓7的相对滑动方向与旋转臂3的轴线相平行，送丝机构10能够储存和输送金属丝，送丝机构10设置于基板9靠近旋转轴2的一侧，送丝机构10的数量为一个或两个，送丝机构10为一个时，送丝机构10的金属丝与电源模块5的第一端相连，基板9与电源模块5的第二端相连(此处电源模块5的第一端和第二端指电源模块5的正极或负极)，送丝机构10为两个时，两个送丝机构10之间具有间隙，两个送丝机构10的金属丝与电源模块5的两端相连并形成回路，工作介质过滤循环模块6分别与防护仓7相连通，工作介质过滤循环模块6能够向防护仓7内输送和抽取工作介质。
本发明的金属增材制造装置工作时，防护仓7内的送丝机构10能够朝向基板9方向输送金属丝，工作介质过滤循环模块6向防护仓7内输送工作介质，送丝机构10与电源模块5相连，当送丝机构10为一个时，在金属丝与基板9之间形成电弧发生区，电弧作为热源熔化金属丝，金属丝受热形成液滴，旋转轴2带动旋转臂3转动，工作仓模块4设置于旋转臂3的两端，金属丝熔化形成的液滴在离心力作用下飞离熔融区域，液滴到达基板9，经冷却凝固、结晶成形；当送丝机构10为两个时，两根金属丝之间的工作介质被击穿，产生等离子体并保持，在等离子体的高温作用下，金属丝迅速熔化形成金属液滴，金属液滴在离心力作用下加速，沿离心力方向飞向基板9，到达基板9或已加工的工件表面后金属液滴展开并结晶凝固，通过控制送丝机构10和加工工件之间的相对位置，在预定轨迹控制下即可获得所需的金属部件。当送丝机构10为两个时，可以采用不同材料的金属丝，通过控制两根金属丝所接电源的极性、电流大小来改变两种材料的沉积速度，从而获得需要的工件材料成分和性能，可以实现不同部位的材料成分、组织和性能的定制，实现4D打印。在本发明的其他具体实施方式中，亦可两根金属丝接电源模块5的相同极性而基板9接另一极性，在每根金属丝和工作台8之间形成等离子体电弧，分别进行增材加工，从而在不同区域实现异种金属材料的增材制造，需要注意的是，金属丝为增材材料，并不是特指某种金属材质。另外，电源模块5采用直流电源，输出直流电或脉冲直流电，电压在10-100V之间可调，输出电流为1-1000A之间可调，脉冲直流电脉宽为100μs-10s之间可调或连续长脉冲，当送丝机构10为一个时，在金属丝与基板9之间设置辅助电极，辅助电极可以是圆圈型供金属丝穿过，也可以设置在金属丝的一侧。除此之外，为了便于控制，装置还设置了控制模块11，控制模块11能够控制和检测装置的工作状态，提高装置自动化程度，且旋转轴2设置驱动机构，驱动机构与旋转轴2传动相连，以带动旋转轴2转动。
在本具体实施方式中，旋转轴2的轴线与旋转臂3的轴线相垂直，便于计算控制装置的离心力。
具体地，电源模块5和工作介质过滤循环模块6均设置于底座1内，旋转轴2处设置导电环，电源模块5通过导电环与工作仓模块4相连，避免旋转轴2转动时影响电源模块5的正常工作，工作介质过滤循环模块6通过旋转接头与工作仓模块4相连，工作介质过滤循环模块6通过气道与防护仓7内腔相连通，能够循环向防护仓7内输送工作介质，工作介质并不作特殊限定，且工作介质的类型属于本领域技术人员的公知常识，此处不再赘述。
更具体地，驱动机构还包括转动轴，转动轴与工作台8相连，转动轴能够带动工作台8绕第一轴线和第二轴线旋转，第一轴线与第二轴线相垂直，第一轴线、第二轴线分别与旋转臂3的轴线相垂直，转动轴能够带动工作台8转动，加之送丝机构10可沿着平行旋转臂3的轴线的方向运动，使得工作仓模块4具有多轴联动能力，提高装置成型质量。
其中，送丝机构10包括储丝盘和输送辊，储丝盘上能够储存金属丝，金属丝缠绕在储丝盘上，储丝盘旋转能够向输送辊输送金属丝，输送辊能够带动金属丝运动，不断进行成型过程。为了限制金属丝的进给方向，送丝机构10还设置限位器，限位器能够限制金属丝的出丝方向，确保将金属丝输送至电弧发生区。
为了便于通过改变旋转臂3的长度以达到控制离心力大小的目的，旋转臂3的长度能够调节，旋转臂3为分体式结构，旋转臂3包括连接段、第一段和第二段，连接段与旋转轴2相连，第一段和第二段分别与连接段的两端活动连接。
进一步地，第一段和第二段分别套装于连接段的外部，第一段、第二段分别与连接段滑动相连，操作者能够便捷地调整第一段、第二段与连接段的相对位置，从而改变旋转臂3的长度，为了避免旋转臂3旋转过程中，第一段和第二段与连接段滑脱错位，第一段与连接段之间、第二段与连接段之间均设置锁紧旋钮，锁紧旋钮能够固定第一段与连接段之间、第二段与连接段之间的相对位置，提高装置稳定性和可靠性。
另外，第一段与连接段之间、第二段与连接段之间均设置滑轨，便于调节第一段、第二段与连接段之间的相对位置，减轻操作人员工作负担。
更进一步地，防护仓7为分体式结构，防护仓7包括仓门和仓体，仓体与旋转臂3相连，仓门与仓体铰接相连，便于开启仓门，仓门与仓体之间设置锁扣，提高工作仓模块4随旋转臂3转动时的稳定性，仓门与仓体之间设置密封元件，提高气密性避免介质泄漏。
本发明的金属增材制造装置，工作介质过滤循环模块6向防护仓7内输送工作介质，送丝机构10与电源模块5相连，当送丝机构10为一个时，在金属丝与基板9之间形成电弧发生区，电弧作为热源熔化金属丝，金属丝受热形成液滴，旋转轴2带动旋转臂3转动，工作仓模块4设置于旋转臂3的两端，金属丝熔化形成的液滴在离心力作用下飞离熔融区域，液滴到达基板9，经冷却凝固、结晶成形；当送丝机构10为两个时，两根金属丝之间的工作介质被击穿，产生等离子体并保持，在等离子体的高温作用下，金属丝迅速熔化形成金属液滴，金属液滴在离心力作用下加速，沿离心力方向飞向基板9，到达基板9或已加工的工件表面后，金属液滴展开并结晶凝固，通过控制送丝机构10和工件之间的相对位置，在预定轨迹控制下即可获得所需的金属部件。本发明通过将电弧高温熔化金属丝和离心力实现液滴的脱离速度控制相结合，解决了微重力环境下的金属增材制造难题，并且在凝固过程中提高组织的晶粒度，有助于内部介质的排出，获得更高质量的材料组织，提高了普通重力环境下增材制造的效率和工件质量，解决了微重力环境下的增材制造难以控制成型速度和质量的难题。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种金属增材制造装置，其特征在于：包括底座、旋转轴、旋转臂、工作仓模块、电源模块和工作介质过滤循环模块，所述旋转轴可转动地设置于所述底座上，所述旋转臂与所述旋转轴相连，所述旋转臂的轴线与所述旋转轴的轴线之间具有夹角，两个所述工作仓模块分别设置于所述旋转臂的两端；所述工作仓模块包括防护仓和设置于所述防护仓内的工作台、驱动机构、基板、送丝机构，所述防护仓与所述旋转臂相连，所述基板设置于所述工作台上，所述驱动机构能够带动所述工作台在垂直于所述旋转臂轴线的平面内移动，所述送丝机构可滑动地与所述防护仓相连，所述送丝机构、所述防护仓的相对滑动方向与所述旋转臂的轴线相平行，所述送丝机构能够储存和输送金属丝，所述送丝机构设置于所述基板靠近所述旋转轴的一侧，所述送丝机构的数量为一个或两个，所述送丝机构为一个时，所述送丝机构的金属丝与所述电源模块的第一端相连，所述基板与所述电源模块的第二端相连，所述送丝机构为两个时，两个所述送丝机构之间具有间隙，两个所述送丝机构的金属丝与所述电源模块的两端相连并形成回路，所述工作介质过滤循环模块分别与所述防护仓相连通，所述工作介质过滤循环模块能够向所述防护仓内输送和抽取工作介质。
2.根据权利要求1所述的金属增材制造装置，其特征在于：所述旋转轴的轴线与所述旋转臂的轴线相垂直。
3.根据权利要求1所述的金属增材制造装置，其特征在于：所述电源模块和所述工作介质过滤循环模块均设置于所述底座内，所述旋转轴处设置导电环，所述电源模块通过所述导电环与所述工作仓模块相连，所述工作介质过滤循环模块通过旋转接头与所述工作仓模块相连。
4.根据权利要求1所述的金属增材制造装置，其特征在于：所述驱动机构还包括转动轴，所述转动轴与所述工作台相连，所述转动轴能够带动所述工作台绕第一轴线和第二轴线旋转，所述第一轴线与所述第二轴线相垂直，所述第一轴线、所述第二轴线分别与所述旋转臂的轴线相垂直。
5.根据权利要求1所述的金属增材制造装置，其特征在于：所述送丝机构包括储丝盘和输送辊，所述储丝盘上能够储存金属丝，所述储丝盘旋转能够向所述输送辊输送金属丝，所述输送辊能够带动金属丝运动。
6.根据权利要求1所述的金属增材制造装置，其特征在于：所述旋转臂的长度能够调节，所述旋转臂为分体式结构，所述旋转臂包括连接段、第一段和第二段，所述连接段与所述旋转轴相连，所述第一段和所述第二段分别与所述连接段的两端活动连接。
7.根据权利要求6所述的金属增材制造装置，其特征在于：所述第一段和所述第二段分别套装于所述连接段的外部，所述第一段、所述第二段分别与所述连接段滑动相连，所述第一段与所述连接段之间、所述第二段与所述连接段之间均设置锁紧旋钮，所述锁紧旋钮能够固定所述第一段与所述连接段之间、所述第二段与所述连接段之间的相对位置。
8.根据权利要求7所述的金属增材制造装置，其特征在于：所述第一段与所述连接段之间、所述第二段与所述连接段之间均设置滑轨。
9.根据权利要求1所述的金属增材制造装置，其特征在于：所述防护仓为分体式结构，所述防护仓包括仓门和仓体，所述仓体与所述旋转臂相连，所述仓门与所述仓体铰接相连，所述仓门与所述仓体之间设置密封元件。
10.根据权利要求1所述的工作介质，其特征在于：所述工作介质过滤循环模块传输的工作介质为气体或流体，并具有低电导率能够在高电场强度中放电击穿。
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