CN113305301A - 一种基于熔化沉积与半固态搅拌的复合制造设备及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于熔化沉积与半固态搅拌的复合制造设备及方法属于机械制造领域。一方面可以通过熔化的方式沉积高熔点的材料，并通过打印材料粉末对成分进行控制。另一方面可以通过半固态搅拌的方式对沉积材料进行塑性加工，减少气孔，增加致密性，细化晶粒，强化力学性能。三维检测装置扫描得到增材后工件的精准三维模型，不用重新装夹便能减材加工，能够弥补增材制造零件的尺寸精度问题，使工件既有增材制造后优异的性能，又具有减材后良好的尺寸外形，又兼顾了生产效率和空间利用率。通过本发明可以在一台设备上简单、高效地获得成分可调控、高熔点材料、无缺陷、细晶粒、力学性能好、表面质量好、几何精度高的三维零件。

Description

一种基于熔化沉积与半固态搅拌的复合制造设备及方法
技术领域
本发明属于机械制造领域，具体涉及一种基于熔化沉积与半固态搅拌的复合制造设备及方法。
背景技术
熔化类增材制造方法(包括激光、电子束及电弧)可实现高熔点、任意材料成分的3D打印，然而在打印过程中温度高，容易形成裂纹、气孔、晶粒粗大等缺陷，严重影响材料的力学性能。搅拌摩擦加工/增材制造是一种固相的加工方法，加工时温度在(0.6-0.9)的熔化温度内，材料不发生熔化而属于半固态。该方法通过工具头的机械搅拌使半固态的材料发生剧烈的塑性变形及动态再结晶，从而形成均匀、致密、细小的等轴晶组织，然而搅拌摩擦加工难以加工高熔点材料，并且在加工过程中难以添加额外的元素，无法对材料成分进行控制。
因此，本发明提出一种基于熔化沉积与半固态搅拌的复合制造设备及方法。通过将熔化沉积与半固态搅拌相结合，能够克服两种方法的不足，并同时发挥两种方法的优势。
发明内容
本发明的基于熔化沉积与半固态搅拌的复合制造设备的包含成形平台、熔化沉积模块、温度检测模块、半固态搅拌模块、扫描检测模块及减材模块，如图1所示。
本发明的一体化设备具体包括以下内容：
(1)成形工作台包括变位机、旋转工作台、基板等。
(2)所述熔化沉积模块包括电弧熔覆沉积、激光熔覆沉积或电子束熔覆沉积的一种或以上多种复合的熔覆沉积设备。以激光熔覆沉积为例，包括激光器、送料装置、打印材料(粉末)等。将打印材料通过电弧或激光或电子束加热熔化滴入至上述成形工作台的基板，并形成熔池，熔池凝固后形成沉积层。对打印材料不做限制，可以是铝、镁低熔点合金，也可以是钛、钢、铜、镍基高温合金等高熔点合金或者复合材料。打印材料的形式可以是粉末、丝材或带材。
(3)所述温度检测部分包括红外热像仪，用于实时检测顶部凝固成形沉积层的温度，用于调控搅拌工具头与熔池的距离，使得搅拌工具头的工作温度处于(0.6-0.9)熔化温度。
(4)所述半固态搅拌模块包括搅拌工具头以及控制系统，用于对处于半固态的沉积材料进行机械搅拌，发生均匀的塑性变形，增加材料的致密性，并使晶粒细化，提高力学性能。旋转工具头的表面具有螺纹花样，工具头的形状以及螺纹花样均不做限定。优选的，工具头可以选择带轴肩或者不带轴肩的圆柱形，工具头上的螺纹形状可选择普通圆柱螺纹、锥形螺纹、大沟槽螺纹、带螺旋流动槽的螺纹等等。
(5)所述扫描检测部分包括激光三维扫描仪及三维模型的对比分析软件，用于监测、扫描增材制造后的工件形状，并与目标零件进行对比分析，从而确定需要减材的区域。
(6)所述减材模块包括可以切换车、铣、刨、磨等加工方式的刀库，用于增材后零件的精密加工；
基于上述设备的加工过程具体如下：
(1)首先对所需要加工的三维零件进行分层切片，并设置增材制造的加工路径。此时需要适当增加增材零件的宽度，为减材加工提供余量。
(2)通过送料装置将打印材料送至待成形区，并通过电弧、激光或电子束将打印材料熔化滴入至基板，并形成熔池，熔池凝固后形成沉积层。
(3)通过红外热像仪实时检测顶部凝固成形沉积层的温度，调整搅拌工具头与熔池的距离，使得搅拌工具头的工作温度处于(0.6-0.9)熔化温度。
(4)通过高速旋转的旋转工具头与半固态的材料进行机械搅拌，使材料发生均匀的塑性变形，增加材料的致密性，并使晶粒细化，提高力学性能。
(4)采用以上步骤，并通过变位机、旋转工作台的协调运动，按照预设轨迹，逐层熔覆沉积以及进行机械搅拌，形成三维零件。
(5)增材结束后，待零件冷却，通过旋转工作台的配合移动，利用激光三维扫描仪对成形零件进行扫描，获得增材后零件完整的三维模型。通过Geomagic Qualify 2013软件和预先设计的目标三维模型进行对比，评估实际增材零件的三维模型和理想三维模型的偏差，并确定下一步骤减材过程需要加工的区域。
(6)将旋转工具头切换至车、铣、刨、磨等刀具，根据上一步骤获得的信息对增材零件的粗糙表面进行减材加工，最终获得与目标零件几何形状相一致的成形零件。
本发明的有益效果:本发明提出一种基于熔化沉积与半固态搅拌的复合制造设备及方法。通过将熔化沉积与半固态搅拌相结合，能够克服两种方法的不足，并同时发挥两种方法的优势。具体体现在：一方面可以通过熔化的方式沉积高熔点的材料，并通过打印材料粉末对成分进行控制。另一方面可以通过半固态搅拌的方式对沉积材料进行塑性加工，减少气孔，增加致密性，细化晶粒，强化力学性能。因此可以打印铝、镁低熔点合金、钛、钢、铜、镍基高温合金等高熔点合金、复合材料以及梯度材料等。三维检测装置扫描得到增材后工件的精准三维模型，不用重新装夹便能减材加工，能够弥补增材制造零件的尺寸精度问题，使工件既有增材制造后优异的性能，又具有减材后良好的尺寸外形，又兼顾了生产效率和空间利用率。通过本发明以上所述的熔化沉积-半固态搅拌-减材一体化加工设备及方法，可以在一台设备上简单、高效地获得成分可调控、高熔点材料、无缺陷、细晶粒、力学性能好、表面质量好、几何精度高的三维零件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将通过附图做简单地介绍。
图1为本发明设备的示意图。
1-变位机2-旋转工作台3-工件4-搅拌工具头5-刀库6-数控系统7-红外热像仪8-电脑9-激光器10-送粉装置11-激光三维扫描仪
具体实施方式
本发明的一体化设备具体包括以下内容：
(1)成形工作台包括变位机1、旋转工作台2、基板等。
(2)所述熔化沉积模块包括电弧熔覆沉积、激光熔覆沉积或电子束熔覆沉积的一种或以上多种复合的熔覆沉积设备。以激光熔覆沉积为例，包括激光器9、送粉装置10、打印材料(粉末)等。将打印材料通过电弧或激光或电子束加热熔化滴入至上述成形工作台的基板，并形成熔池，熔池凝固后形成沉积层。对打印材料不做限制，可以是铝、镁低熔点合金，也可以是钛、钢、铜、镍基高温合金等高熔点合金或者复合材料。打印材料的形式可以是粉末、丝材或带材。
(3)所述温度检测部分包括红外热像仪7，用于实时检测顶部凝固成形沉积层的温度，用于调控搅拌工具头与熔池的距离，使得搅拌工具头的工作温度处于(0.6-0.9)熔化温度。
(4)所述半固态搅拌模块包括搅拌工具头以及控制系统，用于对处于半固态的沉积材料进行机械搅拌，发生均匀的塑性变形，增加材料的致密性，并使晶粒细化，提高力学性能。旋转工具头的表面具有螺纹花样，工具头的形状以及螺纹花样均不做限定。优选的，工具头可以选择带轴肩或者不带轴肩的圆柱形，工具头上的螺纹形状可选择普通圆柱螺纹、锥形螺纹、大沟槽螺纹、带螺旋流动槽的螺纹等等。
(5)所述扫描检测部分包括激光三维扫描仪及三维模型的对比分析软件，用于监测、扫描增材制造后的工件形状，并与目标零件进行对比分析，从而确定需要减材的区域。
(6)所述减材模块包括可以切换车、铣、刨、磨等加工方式的刀库5，用于增材后零件的精密加工；
基于上述设备的加工过程具体如下：
(1)首先对所需要加工的三维零件进行分层切片，并设置增材制造的加工路径。此时需要适当增加增材零件的宽度，为减材加工提供余量。
(2)通过送料装置将打印材料送至待成形区，并通过电弧、激光或电子束将打印材料熔化滴入至基板，并形成熔池，熔池凝固后形成沉积层。
(3)通过红外热像仪实时检测顶部凝固成形沉积层的温度，调整搅拌工具头与熔池的距离，使得搅拌工具头的工作温度处于(0.6-0.9)熔化温度。
(4)通过高速旋转的旋转工具头与半固态的材料进行机械搅拌，使材料发生均匀的塑性变形，增加材料的致密性，并使晶粒细化，提高力学性能。
(4)采用以上步骤，并通过变位机、旋转工作台的协调运动，按照预设轨迹，逐层熔覆沉积以及进行机械搅拌，形成三维零件。
(5)增材结束后，待零件冷却，通过旋转工作台的配合移动，利用激光三维扫描仪对成形零件进行扫描，获得增材后零件完整的三维模型。通过Geomagic Qualify 2013软件和预先设计的目标三维模型进行对比，评估实际增材零件的三维模型和理想三维模型的偏差，并确定下一步骤减材过程需要加工的区域。
(6)将旋转工具头切换至车、铣、刨、磨等刀具，根据上一步骤获得的信息对增材零件的粗糙表面进行减材加工，最终获得与目标零件几何形状相一致的成形零件。

Claims (2)

1.一种基于熔化沉积与半固态搅拌的复合制造设备，其特征在于包括：
(1)成形工作台包括变位机、旋转工作台；
(2)所述熔化沉积模块包括电弧熔覆沉积、激光熔覆沉积或电子束熔覆沉积的一种或以上多种复合的熔覆沉积设备；
(3)所述温度检测部分包括红外热像仪，用于实时检测顶部凝固成形沉积层的温度，用于调控搅拌工具头与熔池的距离，使得搅拌工具头的工作温度处于(0.6-0.9)熔化温度；
(4)所述半固态搅拌模块包括搅拌工具头以及控制系统，工具头的表面具有螺纹花样，工具头的形状以及螺纹花样均不做限定
(5)所述扫描检测部分包括激光三维扫描仪及三维模型的对比分析软件，用于监测、扫描增材制造后的工件形状，并与目标零件进行对比分析，从而确定需要减材的区域；
(6)所述减材模块包括可以切换车、铣、刨、磨的刀库，用于增材后零件的精密加工。
2.应用如权利要求1所述的设备的方法，其特征在于，过程具体如下：
(1)首先对所需要加工的三维零件进行分层切片，并设置增材制造的加工路径；
(2)通过送料装置将打印材料送至待成形区，并通过电弧、激光或电子束将打印材料熔化滴入至基板，并形成熔池，熔池凝固后形成沉积层；
(3)通过红外热像仪实时检测顶部凝固成形沉积层的温度，调整搅拌工具头与熔池的距离，使得搅拌工具头的工作温度处于(0.6-0.9)熔化温度；
(4)通过旋转工具头与半固态的材料进行机械搅拌，使材料发生均匀的塑性变形，增加材料的致密性，并使晶粒细化，提高力学性能；
(4)采用以上步骤，并通过变位机、旋转工作台的协调运动，按照预设轨迹，逐层熔覆沉积以及进行机械搅拌，形成三维零件；
(5)增材结束后，待零件冷却，通过旋转工作台的配合移动，利用激光三维扫描仪对成形零件进行扫描，获得增材后零件完整的三维模型；通过Geomagic Qualify 2013软件和预先设计的目标三维模型进行对比，评估实际增材零件的三维模型和理想三维模型的偏差，并确定下一步骤减材过程需要加工的区域；
(6)将旋转工具头切换至车、铣、刨或磨刀具，对增材零件的粗糙表面进行减材加工，最终获得与目标零件几何形状相一致的成形零件。
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