CN111230109A - 增材设备及增材方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增材设备及增材方法，涉及固相增材技术领域。该增材设备包括送料装置、搅拌装置及安装件。送料装置包括送料箱及挤料器，送料箱的出料端与挤料器的进料端连通。挤料器的出料端与搅拌装置的搅拌端间隔设置，送料箱和搅拌装置均与安装件连接且均随安装件的移动而移动，以使挤料器挤出的物料经搅拌装置摩擦碾压后形成增材层。该增材设备可实现搅拌摩擦增材的自动化过程，增加搅拌摩擦的增材效率。增材方法采用上述增材设备主要按以下步骤进行：物料从送料箱送料至挤料器，以搅拌装置对挤料器挤出的物料进行摩擦碾压。该方法具有材料适用范围广、效率高及增材层组织性能优良、高效绿色无污染、变形小等优点且最终的增材层变形小。

Description

增材设备及增材方法
技术领域
本发明涉及固相增材技术领域，具体而言，涉及一种增材设备及增材方法。
背景技术
增材制造是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。
传统的增材制造方法有激光增材、电弧增材、等离子增材等，在航空航天中已经有了广泛的应用。但传统的增材方法都属于熔化增材，存在变形大、增材效率低等缺点。
发明内容
本发明的目的之一包括提供一种增材设备，其可实现搅拌摩擦增材的自动化过程，增加搅拌摩擦的增材效率。
本发明的目的之二包括提供一种增材方法，该方法具有材料适用范围广、效率高及增材层组织性能优良、高效绿色无污染、变形小等优点且最终的增材层变形小。
本发明解决其技术问题可以这样实现：
本发明提供了一种增材设备，其包括送料装置、搅拌装置及安装件。
送料装置包括送料箱及挤料器，送料箱的出料端与挤料器的进料端连通；
挤料器的出料端与搅拌装置的搅拌端间隔设置，送料箱和搅拌装置均与安装件连接且均随安装件的移动而移动，以使挤料器挤出的物料经具有搅拌轴的搅拌装置摩擦碾压后形成增材层。
可选地，安装件由驱动装置驱动移动。
可选地，送料装置还包括送料管，送料管的两端分别与送料箱的出料端以及挤料器的进料端连通。
可选地，物料包括金属物料，优选包括铝材。
可选地，搅拌装置还包括主轴电机、主动轮、从动轮及皮带，主轴电机与安装件连接，且主轴电机的输出轴与主动轮连接，从动轮可转动地连接于安装件，主动轮和从动轮通过皮带传动连接，搅拌轴与从动轮连接，主轴电机用于通过从动轮驱动搅拌轴转动，以对与搅拌轴的搅拌端间隔设置的挤料器挤出的物料进行摩擦碾压。
可选地，送料箱设有用于入料的接口。
可选地，增材设备还包括空压机，空压机与接口连通以对送料箱进行恒压加压。
可选地，送料箱为全封闭式电阻加热箱以实时精确控制加热温度。
可选地，送料箱的材质包括陶瓷或钢铁。
可选地，挤料器内设有供微量元素通入挤料器的孔。
可选地，提供微量元素的材料包括碳纳米管。
可选地，增材设备还包括搅拌叶片和搅拌电机，搅拌叶片设置于挤料器内，搅拌电机用于驱动搅拌叶片转动以加速挤料器中的金属流动。
可选地，增材设备还包括冷却装置，冷却装置与挤料器的远离送料管的一端连接，以对流出挤料器流出的物料进行冷却。
本发明还提供了一种增材方法，采用上述增材设备主要按以下步骤进行：
将物料从送料箱送料至挤料器，以具有搅拌轴的搅拌装置对挤料器挤出的物料进行摩擦碾压。
可选地，通过连续移动安装件的位置以连续改变搅拌装置与挤料器的工作位置，进而形成增材层。
可选地，在输送至挤料器之前，加热送料箱内的增材用物料。
可选地，加热温度为450-600℃。
进一步地，送料箱设有用于入料的接口，增材设备还包括与接口连通的空压机。
启动空压机，将压缩空气通过接口通入送料箱内以对物料进行恒压加压进而使物料进入送料管。
进一步地，挤料器内设有供微量元素通入挤料器的孔。
当物料输送至挤料器时，通过孔向挤料器内添加微量元素并使微量元素与物料混合。
进一步地，增材设备还包括冷却装置，冷却装置与挤料器的远离送料管的一端连接。
在搅拌装置对挤料器挤出的物料摩擦碾压前，启动冷却装置以降低挤料器的出口处的物料。
本发明实施例的增材设备及增材方法的有益效果包括，例如：
通过送料管将送料箱中的物料输送至挤料器中，挤料器对物料进行挤出，在搅拌装置的搅拌作用下，可以对物料进行摩擦碾压。当安装件移动时，物料连续挤出，并且搅拌装置连续进行摩擦碾压，最终可以形成增材层。该增材设备可实现搅拌摩擦增材的自动化过程，增加搅拌摩擦的增材效率，同时有利于降低增材产品存在气孔的概率，减小组织晶粒大小等。对应的增材方法具有材料适用范围广、效率高及增材层组织性能优良、高效绿色无污染、变形小等优点且最终的增材层变形小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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它相关的附图。
图1为本实施例提供的增材设备的结构示意图；
图2为图1中搅拌器以及冷却装置的结构示意图。
图标：100-增材设备；10-送料装置；11-送料箱；111-接口；12-送料管；13-挤料器；131-孔；20-搅拌装置；21-主轴电机；22-主动轮；23-从动轮；24-皮带；25-搅拌轴；30-安装件；40-搅拌叶片；50-冷却装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
以下通过实施例进行具体说明。
请参考图1，本实施例提供了一种增材设备100，其包括送料装置10、搅拌装置20以及安装件30。
送料装置10包括送料箱11及挤料器13，送料箱11的出料端与挤料器13的进料端连通。挤料器13的出料端与搅拌装置20的搅拌端间隔设置。在一些实施方式中，送料装置10还包括送料管12，送料管12的两端分别与送料箱11的出料端以及挤料器13的进料端连通。
搅拌装置20用于对挤料器13挤出的物料进行摩擦碾压。
送料箱11和搅拌装置20均与安装件30连接且均随安装件30的移动而移动，以使挤料器13挤出的物料经具有搅拌轴25的搅拌装置20摩擦碾压后形成增材层。可参考地，安装件30可以为板状(即为安装板)，其可以由驱动装置(图未示)驱动移动，驱动装置可参照现有技术，在此不做赘述。此外，也不排除安装件30由人工操作移动。
作为可选地，本申请中所用的用于增材的物料包括金属物料，例如铝材等。
作为可选地，送料箱11为全封闭式电阻加热箱以实时精确控制加热温度。送料箱11的材质例如可包括陶瓷或钢铁等。
作为可选地，送料管12为保温管，通过具有保温隔热功能的保温管以使管中物料温度恒定。
通过送料管12将送料箱11中的物料输送至挤料器13中，挤料器13对物料进行挤出，在搅拌装置20的搅拌作用下，可以对物料进行摩擦碾压。当安装件30移动(例如由驱动装置驱动)时，物料连续挤出，并且搅拌装置20连续进行摩擦碾压，最终可以形成增材层。该增材设备100可实现搅拌摩擦增材的自动化过程，增加搅拌摩擦的增材效率，且最终的增材层变形小。
本实施例中，搅拌装置20还包括主轴电机21、主动轮22、从动轮23及皮带24，主轴电机21与安装件30连接，且主轴电机21的输出轴与主动轮22连接，从动轮23可转动地连接于安装件30，主动轮22和从动轮23通过皮带24传动连接，搅拌轴25与从动轮23连接，主轴电机21用于通过从动轮23驱动搅拌轴25转动，以对与搅拌轴25的搅拌端间隔设置的挤料器13挤出的物料进行摩擦碾压。
本实施例中，通过带传动的传动方式，实现主轴电机21驱动搅拌轴25转动。值得说明的是，在其它实施例中，也可以是主轴电机21直接驱动搅拌轴25转动，或者采用链传动的方式实现驱动搅拌轴25转动。可参照地，本申请中的传动轴与从动轮23可拆卸地连接，也即搅拌轴25可根据实际需求进行更换，并且，搅拌轴25的直径、长度等也可以根据实际需求选用。
本实施例中，送料箱11设置有用于入料的接口111。增材设备100还包括空压机(图未示)，空压机与接口111连通以对送料箱11进行恒压加压。
本实施例中，接口111可至少具备两个功能，即入料和充气的功能。通过空压机对送料箱11内通入压缩气体，可以加快物料流动。并且，通过控制空压机，可以实现对送料箱11的恒压力加压。
结合图2，本实施例中，挤料器13内设有供微量元素通入挤料器13的孔131。通过该孔131可以向挤料器13中加入不同的微量元素，一般地，该孔131可外接管道以实现微量元素的供给。作为可选地，提供上述微量元素的材料例如可包括碳纳米管等。
结合图2，本实施例中，增材设备100还包括搅拌叶片40和搅拌电机(图未示)，搅拌叶片40设置于挤料器13内，搅拌电机用于驱动搅拌叶片40转动以加速挤料器13中的金属流动。当搅拌叶片40转动时，可以加速物料流动，同时可加速微量元素与物料的充分混合。
进一步地，本实施例中，增材设备100还包括冷却装置50，冷却装置50与挤料器13的远离送料管12的一端连接，以对流出挤料器13流出的物料进行冷却，降低其流出温度，从而实现更好地增材效果。
值得说明的是，本申请中挤料器13与搅拌轴25的端部间隔设置可以理解为旁轴送料搅拌摩擦增材方式，这种设置方式通过有利于降低增材产品存在气孔的概率，减小组织晶粒大小等。
此外，本发明的实施例还提供了一种增材方法，其可采用上述的增材设备100主要按以下步骤进行：
将物料(经送料管12)从送料箱11送料至挤料器13，以具有搅拌轴25的搅拌装置20对挤料器13挤出的物料进行摩擦碾压。
在操作时，可通过连续移动安装件30的位置以连续改变搅拌装置20与挤料器13的工作位置，进而形成增材层。值得说明的是，当制备多层增材层时，重复上述操作即可。
在一些实施方式中，在输送至挤料器13之前，加热送料箱11内的增材用物料，加热温度可设置为450-600℃，如450℃、500℃、550℃或600℃等。加热后的物料呈热塑性状态。
当送料箱11设有用于入料的接口111，增材设备100还包括与接口111连通的空压机时，启动空压机，将压缩空气通过接口111通入送料箱11内以对物料进行恒压加压进而使物料进入送料管12。
当挤料器13内设有供微量元素通入挤料器13的孔131时，在当物料输送至挤料器13时，通过孔131向挤料器13内添加微量元素并使微量元素与物料混合。
当增材设备100还包括冷却装置50时，冷却装置50与挤料器13的远离送料管12的一端连接；在搅拌装置20对挤料器13挤出的物料摩擦碾压前，启动冷却装置50以降低挤料器13的出口处的物料。
在一些实施方式中，可以按照以下步骤操作：
步骤一：将足量铝材加入送料箱11中，并启动加热将铝材加热到热塑性状态，温度为450-600℃之间。
步骤二：启动空压机，将压缩空气通过接口111通入送料箱11中。
步骤三：当流动的铝材流动到挤料器13中时，通过送料箱11设有的孔131添加微量元素，并同时启动搅拌叶片40，将微量元素与流动铝材充分混合时，加速铝材流动。
步骤四：启动冷却装置50，将出口的铝材温度降低。
步骤五：启动高速主轴电机21，移动搅拌装置20，使其摩擦碾压送料管12流出的铝材，通过整个装置连续移动及铝材的连续流出，从而形成一层增材层。
步骤六：在上一增材层的基础上，重复上述步骤，从而得到多层增材层。
步骤七：关闭空压机、停止高速主轴电机21，将设备复位，完成整个增材过程。
在一具体的实施方式中，可进行如下操作：以6061铝合金为原材料进行增材制造，并实现5层以上的增材层。
步骤一：将足量6061铝材加入送料箱11中，并启动加热将铝材加热到热塑性状态，温度为500℃。
步骤二：启动空压机，将压缩空气通过接口111通入送料箱11中。
步骤三：当流动的铝材流动到挤料器13中时，通过送料箱11设有的孔131添加碳纳米管，并同时启动搅拌叶片40，将碳纳米管与流动6061铝材充分混合，加速铝材流动。
步骤四：启动冷却装置50，将出口的铝材温度降低。
步骤五：启动高速主轴电机21，移动搅拌装置20，使其摩擦碾送料管12流出的6061铝材，通过整个装置连续移动及铝材的连续流出，从而形成一层增材层。
步骤六：在上一增材层的基础上，重复上述步骤，从而得到多层增材层。
步骤七：关闭空压机、停止高速主轴电机21，将设备复位，完成整个增材过程。
承上，本申请提供的增材设备100的工作原理包括：
物料通过接口111进入加热送料箱11内后，加热成热塑性状态，并通过送料管12送入挤料器13中，挤料器13上的孔131通入微量元素，在搅拌叶片40的作用下实现与物料的充分混合，并加速物料的流动，物料从挤料器13挤出后，落在指定的位置上后，搅拌轴25在主轴电机21的驱动下转动，以对挤料器13挤出的物料进行摩擦碾压，安装件30在移动的过程中，挤料器13连续挤料，搅拌轴25连续摩擦碾压，最终成型出增材层，重复上述的步骤，可以在该增材层的基础上继续增材，实现多层增材层的效果。
综上所述，本申请提供的增材设备可实现搅拌摩擦增材的自动化过程，增加搅拌摩擦的增材效率，同时有利于降低增材产品存在气孔的概率，减小组织晶粒大小等。对应的增材方法具有材料适用范围广、效率高及增材层组织性能优良、高效绿色无污染、变形小等优点且最终的增材层变形小。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种增材设备，其特征在于，包括送料装置、搅拌装置及安装件；
所述送料装置包括送料箱及挤料器，所述送料箱的出料端与所述挤料器的进料端连通；
所述挤料器的出料端与所述搅拌装置的搅拌端间隔设置，所述送料箱和所述搅拌装置均与所述安装件连接且均随安装件的移动而移动，以使所述挤料器挤出的物料经具有搅拌轴的所述搅拌装置摩擦碾压后形成增材层；
优选地，所述安装件由驱动装置驱动移动；
优选地，所述送料装置还包括送料管，所述送料管的两端分别与所述送料箱的出料端以及所述挤料器的进料端连通；
优选地，所述物料包括金属物料；
更优地，所述物料包括铝材。
2.根据权利要求1所述的增材设备，其特征在于，所述搅拌装置还包括主轴电机、主动轮、从动轮及皮带，所述主轴电机与所述安装件连接，且所述主轴电机的输出轴与所述主动轮连接，所述从动轮可转动地连接于所述安装件，所述主动轮和所述从动轮通过所述皮带传动连接，所述搅拌轴与所述从动轮连接，所述主轴电机用于通过所述从动轮驱动所述搅拌轴转动，以对与所述搅拌轴的搅拌端间隔设置的所述挤料器挤出的物料进行摩擦碾压。
3.根据权利要求1所述的增材设备，其特征在于，所述送料箱设有用于入料的接口；
优选地，所述增材设备还包括空压机，所述空压机与所述接口连通以对所述送料箱进行恒压加压；
优选地，所述送料箱为全封闭式电阻加热箱以实时精确控制加热温度；
优选地，所述送料箱的材质包括陶瓷或钢铁。
4.根据权利要求1所述的增材设备，其特征在于，所述挤料器内设有供微量元素通入所述挤料器的孔；
优选地，提供所述微量元素的材料包括碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的增材设备，其特征在于，所述增材设备还包括搅拌叶片和搅拌电机，所述搅拌叶片设置于所述挤料器内，所述搅拌电机用于驱动所述搅拌叶片转动以加速所述挤料器中的金属流动。
6.根据权利要求1所述的增材设备，其特征在于，所述增材设备还包括冷却装置，所述冷却装置与所述挤料器的远离所述送料管的一端连接以对所述挤料器流出的物料进行冷却。
7.一种增材方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的增材设备主要按以下步骤进行：
将物料从所述送料箱送料至所述挤料器，以具有搅拌轴的所述搅拌装置对所述挤料器挤出的物料进行摩擦碾压；
优选地，通过连续移动所述安装件的位置以连续改变所述搅拌装置与所述挤料器的工作位置，进而形成增材层；
优选地，在输送至所述挤料器之前，加热所述送料箱内的增材用物料；
优选地，加热温度为450-600℃；
优选地，加热后的所述物料呈热塑性状态。
8.根据权利要求7所述的增材方法，其特征在于，所述送料箱设有用于入料的接口，所述增材设备还包括与所述接口连通的空压机；
启动所述空压机，将压缩空气通过所述接口通入所述送料箱内以对所述物料进行恒压加压进而使所述物料进入所述送料管。
9.根据权利要求8所述的增材方法，其特征在于，所述挤料器内设有供微量元素通入所述挤料器的孔；
当所述物料输送至所述挤料器时，通过所述孔向所述挤料器内添加微量元素并使所述微量元素与所述物料混合。
10.根据权利要求9所述的增材方法，其特征在于，所述增材设备还包括冷却装置，所述冷却装置与所述挤料器的远离所述送料管的一端连接；
在所述搅拌装置对所述挤料器挤出的物料摩擦碾压前，启动所述冷却装置以降低所述挤料器的出口处的物料。
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