CN113084322A - 一种镁合金结构件的熔丝增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金结构件的熔丝增材制造装置及方法，该装置包括：真空工作腔，与真空泵相连接；电子束发射单元，设置在真空工作腔内，电子束发射单元能够在水平面内移动并发出电子束；送丝单元，能够将镁合金丝材输送到电子束发射单元的电子束焦点处，电子束发射单元产生的电子束能够熔化镁合金丝材形成液态熔池；工作台，设置在真空工作腔内，工作台上设有镁合金基板，液态熔池在镁合金基板上凝固后形成一层镁合金沉积体；其中，工作台的高度可控制；控制单元，与真空泵、送丝单元、电子束发射单元和工作台相连接。本发明不仅实现了高效率的制造，还避免了烟雾粉尘及镁合金易燃易爆等安全问题，同时，有效防止了镁合金被气体污染及气孔等缺陷。

Description

一种镁合金结构件的熔丝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，尤其涉及一种镁合金结构件的熔丝增材制造装置及方法。

背景技术

作为最轻质的金属工程结构材料，镁合金因其比强度高、散热、减震性能好等优点，在众多行业成为轻量化设计的理想材料。而要实现进一步的轻量化，零件的大尺寸整体制造是一个必然的发展趋势。传统的镁合金零件是通过铸造结合变形及后续机加工来完成复杂结构件的制备。但是，在室温下镁合金的晶体结构为密排六方(HCP)结构，其塑性变形能力较差，对于完成大尺寸复杂结构件的冷加工难度较大。

增材制造技术是基于离散、堆积原理，对零件的三维实体模型进行切片后，采用自下而上逐层堆积的方式实现零件的制造。相比于传统的加工制造技术，增材制造具有形状不受限制、成型周期短、材料利用率高等优势，对实现产品进一步轻量化程度具有重要意义。

由于镁合金易燃易爆、密度低、熔沸点低等特点，粉末增材制造过程中易产生大量烟雾粉尘，引起严重的安全问题。在氩气等惰性气体保护下进行制造时，压力和氧含量对于镁合金结构件质量问题有重要影响。同时，对于大型复杂结构件需要长时间的制备，这将会突显其打印的安全问题及惰性气体长时间的浪费，严重限制了粉末增材制造在镁合金复杂结构件制备的应用。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种制造效率高、安全性高、缺陷少的镁合金结构件的熔丝增材制造装置及方法。

一种镁合金结构件的熔丝增材制造装置，其包括：

真空工作腔，与真空泵相连接，所述真空泵能够对所述真空工作腔进行抽真空；

电子束发射单元，设置在所述真空工作腔内，所述电子束发射单元能够在水平面内移动并发出电子束；

送丝单元，能够将镁合金丝材输送到所述电子束发射单元的电子束焦点处，所述电子束发射单元产生的电子束能够熔化所述镁合金丝材形成液态熔池；

工作台，设置在所述真空工作腔内，所述工作台上设有镁合金基板，所述液态熔池在所述镁合金基板上凝固后形成一层镁合金沉积体；其中，所述工作台的高度可控制；

控制单元，与所述真空泵、送丝单元、电子束发射单元和工作台相连接。

在其中一个实施例中，所述送丝单元包括至少一组丝材校直滚轮，每组丝材校直滚轮包括两个相互配合的一对丝材校直滚轮本体，所述丝材校直滚轮能够将所述镁合金丝材校直并进行输送。

在其中一个实施例中，所述工作台内设有可升降连杆，所述可升降连杆能够驱动所述工作台沿高度方向上下移动。

在其中一个实施例中，所述工作台上设有循环水冷单元，所述循环水冷单元能够对所述镁合金基板进行降温。

一种镁合金结构件的熔丝增材制造方法，其包括以下步骤：

S1、建立零件三维实体模型，并将三维实体模型切片分层后导入控制单元中；

S2、在控制单元中设置打印参数，并根据切片后的三维实体模型计算打印轨迹；

S3、开启真空泵，对真空工作腔进行抽真空；

S4、分别开启循环水冷单元、电子束发射单元及送丝单元，所述循环水冷单元对镁合金基板进行降温；镁合金丝材经过送丝单元送至电子束发射单元的电子束焦点处，所述镁合金丝材熔化后形成液态熔池；

S5、所述电子束发射单元从打印起始位置按照计算得到的打印轨迹作单向运动，同时，液态熔池跟随电子束焦点运动，凝固后的液态熔池形成一层镁合金沉积体；

S6、工作台向下下降一个层厚的高度，所述电子束发射单元回到打印起始位置准备第二层打印；

S7、多次重复步骤S5-S6，完成整个镁合金结构件的打印工作。

在其中一个实施例中，所述步骤S1之前还包括步骤：

S0、清洁所需镁合金丝材，放置在所述送丝单元内，将所述镁合金基板固定在工作台上，并用丙酮清洗表面。

在其中一个实施例中，所述步骤S2中，所述打印参数包括：送丝速度、打印层厚、基板及电子束发射装置移动速度、电子束焦点位置、冷却液流速。

在其中一个实施例中，所述步骤S7之后还包括步骤：

S8、关闭所有电源后，利用线切割切下镁合金结构件，通过机加工得到镁合金零件。

上述镁合金结构件的熔丝增材制造装置及方法，利用电子束发射单元发出的真空电子束作为热源，在真空环境下熔化镁合金丝材，逐层熔化成形后完成镁合金复杂结构件的制造，其不仅实现了高效率的制造，还避免了烟雾粉尘及镁合金易燃易爆等安全问题，同时，有效防止了镁合金被气体污染及气孔等缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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是本发明的镁合金结构件的熔丝增材制造装置的结构示意图；

图2是本发明的镁合金结构件的熔丝增材制造装置的一种送丝状态图；

图3是本发明的镁合金结构件的熔丝增材制造装置的另一种送丝状态图；

图4是本发明的镁合金结构件的熔丝增材制造装置的加入循环水冷单元的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参阅图1所示，本发明一实施例提供一种镁合金结构件的熔丝增材制造装置，其包括：真空工作腔1、真空泵2、送丝单元3、电子束发射单元4、工作台5、镁合金基板6和控制单元7。

真空工作腔1与真空泵2相连接，所述真空泵2能够对所述真空工作腔1进行抽真空；电子束发射单元4设置在所述真空工作腔1内，所述电子束发射单元4能够在水平面内移动并发出电子束；送丝单元3能够将镁合金丝材302输送到所述电子束发射单元4的电子束焦点处，所述电子束发射单元4产生的电子束能够熔化所述镁合金丝材302形成液态熔池；工作台5设置在所述真空工作腔1内，所述工作台5上设有镁合金基板6，所述液态熔池在所述镁合金基板6上凝固后形成一层镁合金沉积体；其中，所述工作台5的高度可控制；控制单元7与所述真空泵2、送丝单元3、电子束发射单元4和工作台5相连接。

在本发明一实施例中，所述送丝单元3包括至少一组丝材校直滚轮301，每组丝材校直滚轮301包括两个相互配合的一对丝材校直滚轮本体，所述丝材校直滚轮301能够将所述镁合金丝材302校直并进行输送。

参阅图2所示，在本发明一实施例中，所述镁合金丝材302可以通过旁轴送丝的方式，输送至电子束发射单元4的电子束焦点处，如此，可以避免对电子束发射单元4的本身结构造成影响，提高电子束发射单元4使用的稳定性。

参阅图3所示，在本发明另一实施例中，所述镁合金丝材302也可以通过同轴送丝的方式，输送至电子束发射单元4的电子束焦点处。

在本发明一实施例中，所述工作台5内设有可升降连杆501，所述可升降连杆501能够驱动所述工作台5沿高度方向上下移动。具体地，可以通过液压泵等方式驱动可升降连杆501进行升降动作，从而使所述工作台5沿高度方向上下移动。

参阅图4所示，所述工作台5上设有循环水冷单元8，所述循环水冷单元8能够对所述镁合金基板6进行降温。如：将所述循环水冷单元8中的冷却液从工作台5右侧底部以一定流量流入，并从工作台5的左侧顶部流出，从而完成对工作台5上所述镁合金基板6的降温。

本发明一实施例提供一种镁合金结构件的熔丝增材制造方法，其包括以下步骤：

S1、建立零件三维实体模型，并将三维实体模型切片分层后导入控制单元7中；

S2、在控制单元7中设置打印参数，并根据切片后的三维实体模型计算打印轨迹；其中，所述打印参数包括：送丝速度、打印层厚、基板及电子束发射装置移动速度、电子束焦点位置、冷却液流速等。

S3、开启真空泵2，对真空工作腔1进行抽真空；

S4、分别开启循环水冷单元8、电子束发射单元4及送丝单元3，所述循环水冷单元8对镁合金基板6进行降温；镁合金丝材302经过送丝单元3送至电子束发射单元4的电子束焦点处，所述镁合金丝材302熔化后形成液态熔池；具体地，所述循环水冷单元8中的冷却液从工作台5的右侧底部以一定流量流入，并从工作台5的左侧顶部流出，完成对所述镁合金基板6的降温；所述镁合金丝材302经过所述丝材校直滚轮301校直后送至电子束焦点处，所述镁合金丝材302与所述镁合金基板6熔化后形成液态熔池。

S5、所述电子束发射单元4从打印起始位置按照计算得到的打印轨迹作单向运动，同时，液态熔池跟随电子束焦点运动，凝固后的液态熔池形成一层镁合金沉积体；

S6、工作台5向下下降一个层厚的高度，所述电子束发射单元4回到打印起始位置准备第二层打印；

S7、多次重复步骤S5-S6，完成整个镁合金结构件的打印工作。

进一步地，所述步骤S1之前还包括步骤：

S0、清洁所需镁合金丝材302，放置在所述送丝单元3内，将所述镁合金基板6固定在工作台5上，并用丙酮清洗表面。

进一步地，所述步骤S7之后还包括步骤：

S8、关闭所有电源后，利用线切割切下镁合金结构件，通过机加工得到镁合金零件。

综上所述，本发明的优点在于：

利用电子束发射单元发出的真空电子束作为热源，在真空环境下熔化镁合金丝材，逐层熔化成形后完成镁合金复杂结构件的制造，其不仅实现了高效率的制造，还避免了烟雾粉尘及镁合金易燃易爆等安全问题，同时，有效防止了镁合金被气体污染及气孔等缺陷。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种镁合金结构件的熔丝增材制造装置，其特征在于，包括：

真空工作腔(1)，与真空泵(2)相连接，所述真空泵(2)能够对所述真空工作腔(1)进行抽真空；

电子束发射单元(4)，设置在所述真空工作腔(1)内，所述电子束发射单元(4)能够在水平面内移动并发出电子束；

送丝单元(3)，能够将镁合金丝材(302)输送到所述电子束发射单元(4)的电子束焦点处，所述电子束发射单元(4)产生的电子束能够熔化所述镁合金丝材(302)形成液态熔池；

工作台(5)，设置在所述真空工作腔(1)内，所述工作台(5)上设有镁合金基板(6)，所述液态熔池在所述镁合金基板(6)上凝固后形成一层镁合金沉积体；其中，所述工作台(5)的高度可控制；

控制单元(7)，与所述真空泵(2)、送丝单元(3)、电子束发射单元(4)和工作台(5)相连接。

2.如权利要求1所述的镁合金结构件的熔丝增材制造装置，其特征在于，所述送丝单元(3)包括至少一组丝材校直滚轮(301)，每组丝材校直滚轮(301)包括两个相互配合的第一丝材准直滚轮本体，所述丝材校直滚轮(301)能够将所述镁合金丝材(302)校直并进行输送。

3.如权利要求1所述的镁合金结构件的熔丝增材制造装置，其特征在于，所述工作台(5)内设有可升降连杆(501)，所述可升降连杆(501)能够驱动所述工作台(5)沿高度方向上下移动。

4.如权利要求1-3任一项所述的镁合金结构件的熔丝增材制造装置，其特征在于，所述工作台(5)上设有循环水冷单元(8)，所述循环水冷单元(8)能够对所述镁合金基板(6)进行降温。

5.一种镁合金结构件的熔丝增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立零件三维实体模型，并将三维实体模型切片分层后导入控制单元(7)中；

S2、在控制单元(7)中设置打印参数，并根据切片后的三维实体模型计算打印轨迹；

S3、开启真空泵(2)，对真空工作腔(1)进行抽真空；

S4、分别开启循环水冷单元(8)、电子束发射单元(4)及送丝单元(3)，所述循环水冷单元(8)对镁合金基板(6)进行降温；镁合金丝材(302)经过送丝单元(3)送至电子束发射单元(4)的电子束焦点处，所述镁合金丝材(302)熔化后形成液态熔池；

S5、所述电子束发射单元(4)从打印起始位置按照计算得到的打印轨迹作单向运动，同时，液态熔池跟随电子束焦点运动，凝固后的液态熔池形成一层镁合金沉积体；

S6、工作台(5)向下下降一个层厚的高度，所述电子束发射单元(4)回到打印起始位置准备第二层打印；

S7、多次重复步骤S5-S6，完成整个镁合金结构件的打印工作。

6.如权利要求5所述的镁合金结构件的熔丝增材制造方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括步骤：

S0、清洁所需镁合金丝材(302)，放置在所述送丝单元(3)内，将所述镁合金基板(6)固定在工作台(5)上，并用丙酮清洗表面。

7.如权利要求5所述的镁合金结构件的熔丝增材制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述打印参数包括：送丝速度、打印层厚、基板及电子束发射装置移动速度、电子束焦点位置、冷却液流速。

8.如权利要求5所述的镁合金结构件的熔丝增材制造方法，其特征在于，所述步骤S7之后还包括步骤：

S8、关闭所有电源后，利用线切割切下镁合金结构件，通过机加工得到镁合金零件。

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