CN111014885B - 一种多丝材高效成形增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多丝材高效成形增材制造装置，涉及增材制造技术领域，包括承载平台、主热源发生装置、辅助加热装置和打印装置，主热源发生装置、辅助加热装置均与打印装置连接；主热源发生装置安装于承载平台上，打印装置包括多个送丝铜管、主连接装置和次连接装置，多个送丝铜管环绕主热源发生装置设置，主连接装置用于同时实现主热源发生装置和打印装置的连接以及承载平台和打印装置的连接；次连接装置用于实现送丝铜管和主连接装置的连接，并调节送丝铜管的送丝角度；送丝铜管的一端连接送丝机，另一端连接送丝嘴。本发明多丝材高效成形增材制造装置，解决了在提高成形效率和稳定性的同时有效控制热输入的技术难题。

Description

一种多丝材高效成形增材制造装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种多丝材高效成形增材制造装置。

背景技术

增材制造技术，又称3D打印或快速原型制造，一种通过材料的逐层叠加以制造实体零件的技术，针对于金属材料，是通过高能束热源将填充的金属材料熔化沉积，按照预先设定的路径逐层堆积，实现结构件的制造。金属增材制造的典型原材料是金属粉末和金属丝材，亦可据此将金属增材制造技术分为粉末型和送丝型两类,粉末型金属增材制造较送丝型具有实现更高制造精度的能力，但粉末型金属增材制造技术的沉积效率低下，送丝型则具有相对较高的沉积效率。

电弧增材制造技术是一种送丝型金属增材制造技术，具有较高的沉积效率、材料利用率，较短的制造周期，较低的制造成本和成形尺寸范围大等优点，在大型机构件制造方面具有较大优势。此外，大型结构件结构件对沉积效率(制造效率)提出了更高的要求，传统的单一送丝型电弧增材制造难以满足这一要求。

多丝材同步送进是提高电弧增材制造沉积效率的有效方法，为了保证丝材的充分熔化，多丝材电弧增材制造往往需要较大的电弧热输入。但是，较大的热输入导致成形件的组织晶粒粗大，进而导致力学性能的各向异性和综合力学性能的降低。

现有的晶粒细化方法主要有层间冷却、高压轧制和元素合金化等，这些方法虽然可以实现晶粒的细化，但是延长了制造周期并进一步提高了制造成本。在提高制造效率的同时降低热输入以细化晶粒提高结构件的综合力学性能对多丝材电弧增材制造的大规模推广运用意义重大。

申请号为CN201910079711.5的发明专利中公开了一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，但其存在以下缺点：(1)高频感应加热的设备较昂贵，应用成本高；(2)该专利中丝材输出末端的高频感应加热设备，结构复杂体积较大，将对成型系统的可靠性及其成形能力产生不利影响；(3)单一丝材送进，其成形效率有限。

申请号为CN201721007638.3的实用新型专利中，公开了一种多丝材功能梯度结构的增材制造方法与装置，其存在如下缺点：(1)该专利主要采用激光或离子束作为热源，但高能束热源能量集中，熔池尺寸小，不适用于多丝材热源；(2)丝材输出后若热源热输入较低或丝材未送至热源正下方，将导致丝材戳出，使制造过程终止，甚至破坏丝材输出端结构；(3)缺少辅助热源，若要保证丝材充分融化，热输入将较大，容易导致晶粒粗大，并出现飞溅、锁孔等缺陷。

综上，现有粉末型金属增材制造技术存在以下缺点：

熔池尺寸小导致成形效率低；受到工作仓尺寸的限制，粉末型增材制造技术的成形件的尺寸较小；粉末的制备成本高于丝材。

现有晶粒细化技术存在以下缺点：

制造成本高、制造周期长。

现有电弧增材制造技术存在以下缺点：

多采用单丝成形，成形效率有限；在多丝材成形过程中，为保证丝材充分熔化往往需要较大的电弧热输入，导致成形件的组织晶粒粗大，进而导致力学性能的各向异性和综合力学性能的降低。

因此，亟需提供一种新的多丝材高效成形增材制造装置，以解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种多丝材高效成形增材制造装置，以解决在提高成形效率和稳定性的同时有效控制热输入的技术难题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种多丝材高效成形增材制造装置，包括承载平台、主热源发生装置、辅助加热装置和打印装置，所述主热源发生装置、辅助加热装置均与所述打印装置连接；所述主热源发生装置安装于所述承载平台上，所述打印装置包括多个送丝铜管、主连接装置和次连接装置，多个所述送丝铜管环绕所述主热源发生装置设置，所述主连接装置用于同时实现主热源发生装置和所述打印装置的连接以及所述承载平台和所述打印装置的连接；所述次连接装置用于实现送丝铜管和所述主连接装置的连接，并调节所述送丝铜管的送丝角度；所述送丝铜管的一端连接送丝机，另一端连接送丝嘴。

优选的，所述主热源发生装置采用TIG焊枪。

优选的，所述辅助加热装置采用电阻热电源；所述电阻热电源的正极与所述送丝铜管上设置的电阻热电源接口连接，所述电阻热电源的负极与基板固定连接；每个所述送丝铜管均连接有独立的所述所述电阻热电源。

优选的，所述送丝机通过送丝软管与所述送丝铜管连接，所述送丝嘴安装于所述送丝铜管远离所述送丝软管的一端，所述送丝嘴靠近所述TIG焊枪的焊枪嘴。

优选的，所述送丝机连接有焊丝盘，所述送丝机与所述焊丝盘之间设置有丝材矫直装置。

优选的，所述次连接装置包括连接杆和铜管夹具，所述连接杆的上部与所述主连接装置连接，并通过轴向固定螺钉固定；所述铜管夹具转动连接于所述连接杆的底端，并通过角度调节螺钉固定；所述送丝铜管安装于所述铜管夹具内，并通过铜管夹紧螺钉固定。

优选的，所述打印装置通过所述主连接装置与所述承载平台、所述主热源发生装置连接。

优选的，还包括有控制系统，所述控制系统与所述承载平台、送丝机、主热源发生装置和辅助加热装置电连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、多丝材同步送进的方式极大提高了电弧增材制造的制造效率；同时以电阻热电源作为熔化丝材的辅助热源，不仅进一步提高了制造效率，也有效降低了制造过程中的热输入，有利于成形件力学性能的提高；

2、打印装置结构简单紧凑，成形能力高，能够实现大型结构件的高效、低成本制造，制造周期短；

3、送丝铜管轴向与主热源发生装置轴向的夹角(送丝角度)可根据成形工艺的需要进行调节，有效提高制造过程的稳定性；

4、打印装置、送丝机、主热源发生装置在成形过程中其相对位置不发生改变，有效提高制造过程的稳定性。

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为本发明多丝材高效成形增材制造装置的结构示意图；

图2为本发明打印装置与主热源发生装置的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

其中，1为主连接装置，2为连接杆，3为送丝铜管，4为铜管夹具，5为TIG焊枪，6为工件，7为工作台，8为焊丝盘，9为丝材矫直装置，10为送丝机，11为送丝软管，12为电阻热电源接口，13为送丝嘴。

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。

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。

实施例一

如图1-3所示，本实施例提供一种多丝材高效成形增材制造装置，包括承载平台、主热源发生装置、辅助加热装置和打印装置，所述主热源发生装置、辅助加热装置均与所述打印装置连接；所述主热源发生装置安装于所述承载平台上，所述打印装置包括多个送丝铜管3、主连接装置1和次连接装置，多个所述送丝铜管3环绕所述主热源发生装置设置，所述主连接装置1用于同时实现主热源发生装置和所述打印装置的连接以及所述承载平台和所述打印装置的连接；所述次连接装置用于实现送丝铜管3和所述主连接装置1的连接，并调节所述送丝铜管3的送丝角度；所述送丝铜管3的一端连接送丝机10，另一端连接送丝嘴13。本实施例中打印装置包括多套送丝嘴13、送丝铜管3以及送丝机10，实现多丝材打印，提高工作效率。

在本实施例中，所述主热源发生装置采用TIG焊枪5，且只有一个；电弧为主要热源，为金属丝材的融化提供主要能量，提高丝材熔化效率，同时成本较低。

在本实施例中，所述辅助加热装置采用电阻热电源；所述电阻热电源的正极与所述送丝铜管3上设置的电阻热电源接口12连接，其中丝材可在送丝铜管3内部滑动，实现与电阻热电源的滑动连接，丝材采用金属焊丝；所述电阻热电源的负极与工作台7上的基板固定连接。通过对送入熔池的金属焊丝提前预热，有助于减少焊丝进入时对熔池的热冲击；同时由电阻热电源所提供的额外热源使得电弧只需用较少的能量便可熔化焊丝，在不增加焊接电流的情况下，实现了焊接速度和沉积速率的提高。

在本实施例中，所述送丝机10通过送丝软管11与所述送丝铜管3连接，送丝软管11的使用可以减小送丝阻力并提高送丝稳定性；所述送丝嘴13安装于所述送丝铜管3远离所述送丝软管11的一端，所述送丝嘴13靠近所述TIG焊枪5的焊枪嘴。

在本实施例中，所述送丝机10连接有焊丝盘8，所述送丝机10与所述焊丝盘8之间设置有丝材矫直装置9，所述丝材矫直装置9用于将丝材在送出焊丝盘8后送入送丝机10前进行矫直；

由于存储需要，丝材紧密缠绕于焊丝盘8，未经矫直的丝材直接进入送丝机10会产生较大的送丝阻力并影响送丝的稳定性；丝材矫直装置9采用现有的丝材矫直机构，其主要是通过矫直辊对丝材进行挤压，减小丝材弯曲程度，进而提高送丝稳定性并减小送丝阻力。

在本实施例中，所述次连接装置包括连接杆2和铜管夹具4，所述连接杆2的上部与所述主连接装置1连接，并通过轴向固定螺钉固定，具体地，主连接装置1上设置有通孔使连接杆2通过，通过拧松轴向固定螺钉可以使连接杆2相对于主连接装置1上下移动，实现高度调节，并且可以使连接杆在通孔内转动，调节水平方向的角度；所述铜管夹具4转动连接于所述连接杆2的底端，并通过角度调节螺钉固定，通过拧松角度调节螺钉，可使夹具相对于连接杆2转动，实现垂直方向角度调节；所述送丝铜管3安装于所述铜管夹具4内，并通过铜管夹紧螺钉固定，通过调整铜管夹紧螺钉，可使送丝铜管3相对于铜管夹具4移动。

本实施例中实现丝材与送丝铜管3的滑动连接从而对丝材进行辅助加热，实现主热源发生装置和送丝铜管3间夹角(送丝角度)的调节，同时实现多丝材输出并保证丝材在主热源发生口正下方熔化形成一个熔池。

在本实施例中，所述打印装置通过主连接装置1与承载平台、主热源发生装置同时连接，从而实现不断送进的丝材能够按照设计的轨迹实现丝材熔化沉积；具体地，承载平台可以是机床或者机器人，本实施例中承载平台优选机床，主热源发生装置固定于机床上；而主连接装置1则包括连接板，连接板固定于机床上，连接板上设置有通孔与连接杆2的顶端连接，连接板的中部还设置有焊枪孔用于安装主热源发生装置。

在本实施例中，承载平台作为执行装置，沿着一定的轨迹运动，固定在承载平台上的主热源发生装置产生电弧将多丝材打印头送出的丝材熔融在基板或者正在成形的工件6的表面；这一过程中，打印装置将两根或两根以上的丝材送至主热源的正下方，确保每根丝材受热均匀且只形成一个熔池。

在本实施例中，还包括有控制系统，所述控制系统与所述承载平台、送丝机10、主热源发生装置和辅助加热装置电连接，通过控制系统实现多丝材高效成形增材制造装置的集成控制。

控制系统为计算机，通过计算机获取工件6的数字模型并生成驱动承载平台运动的代码，形成工件6的成形路径，固定于承载平台的主热源发生装置则会按照相应的路径移动。送丝机10在控制系统的控制下按照一定的送丝速度持续提供熔融的丝材。打印过程中，送丝机10、打印装置和主热源发生装置的相对位置关系保持不变，同时根据工艺需要保持特定的送丝角度，有效提高了制造过程的稳定性。

本实施例工作原理如下：

多丝材成形原理：两根或两根以上的丝材熔融形成一个熔池，根据“离散-堆积”原理，随着承载平台的移动和不断的递送金属丝材，在基板上即可形成堆积的金属工件6，逐层制造所需工件6。

热丝辅助加热原理：通过电阻热电源(辅助加热装置)辅助熔化丝材从而减小电弧(主热源发生装置)的热输入。电阻热电源的正极与丝材滑动连接，电阻热电源的负极与基板固定连接。当丝材与基板或正在成形的工件6接触时会有电流流过丝材，此时由于丝材固有的电阻率，丝材会产生电阻热从而辅助加热丝材。

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 (7)

1.一种多丝材高效成形增材制造装置，其特征在于：包括承载平台、主热源发生装置、辅助加热装置和打印装置，所述主热源发生装置、辅助加热装置均与所述打印装置连接；所述主热源发生装置安装于所述承载平台上，所述打印装置包括多个送丝铜管、主连接装置和次连接装置，多个所述送丝铜管环绕所述主热源发生装置设置，所述主连接装置用于同时实现主热源发生装置和所述打印装置的连接以及所述承载平台和所述打印装置的连接；所述次连接装置用于实现送丝铜管和所述主连接装置的连接，并调节所述送丝铜管的送丝角度；所述送丝铜管的一端连接送丝机，另一端连接送丝嘴；

所述次连接装置包括连接杆和铜管夹具，所述连接杆的上部与所述主连接装置连接，并通过轴向固定螺钉固定；所述铜管夹具转动连接于所述连接杆的底端，并通过角度调节螺钉固定；所述送丝铜管安装于所述铜管夹具内，并通过铜管夹紧螺钉固定；

所述主连接装置包括连接板，所述连接板固定于所述承载平台上，所述连接板上设置有通孔，用于与所述连接杆的顶端连接，所述连接板的中部还设置有焊枪孔，用于安装所述主热源发生装置。

2.根据权利要求1所述的多丝材高效成形增材制造装置，其特征在于：所述主热源发生装置采用TIG焊枪。

3.根据权利要求2所述的多丝材高效成形增材制造装置，其特征在于：所述辅助加热装置采用电阻热电源；所述电阻热电源的正极与所述送丝铜管上设置的电阻热电源接口连接，所述电阻热电源的负极与基板固定连接；每个所述送丝铜管均连接有独立的所述电阻热电源。

4.根据权利要求2所述的多丝材高效成形增材制造装置，其特征在于：所述送丝机通过送丝软管与所述送丝铜管连接，所述送丝嘴安装于所述送丝铜管远离所述送丝软管的一端，所述送丝嘴靠近所述TIG焊枪的焊枪嘴。

5.根据权利要求4所述的多丝材高效成形增材制造装置，其特征在于：所述送丝机连接有焊丝盘，所述送丝机与所述焊丝盘之间设置有丝材矫直装置。

6.根据权利要求1所述的多丝材高效成形增材制造装置，其特征在于：所述打印装置通过所述主连接装置与所述承载平台、所述主热源发生装置连接。

7.根据权利要求1所述的多丝材高效成形增材制造装置，其特征在于：还包括有控制系统，所述控制系统与所述承载平台、送丝机、主热源发生装置和辅助加热装置电连接。

Images