CN114789255B - 一种金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，属于金属空心球复合材料轻量化构件制造技术领域，包括激光沉积系统、运动及材料去除系统、空心球输送装置及控制系统；该装置将金属空心球复合材料构件的制造与增减材复合制造集成于一体，充分利用了增减材复合制造工艺实现过程的“任意性”，可将金属空心球以相对准确可控的方式排布于构件中，通过控制金属空心球在构件中三维空间的准确排布使构件的力学、声学、热学性能达到最优化以及实现构件多功能化。该装备技术用于实现制造金属空心球复合材料构件，解决金属空心球复合材料构件制造难度大，构件性能低，空心球排布规律无法控制等问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属空心球复合材料轻量化构件制造技术领域，特别是涉及一种金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置。
背景技术
金属空心球复合材料是通过一定的制备工艺，将空心球均匀分布于金属基体中，进而制备出的含有空心球结构的金属基复合材料。由于金属空心球复合材料的孔隙分布均匀，尺寸相对均一，相比于传统方法成形的泡沫金属，具有更为优良的力学性能、阻尼和吸能特性、屏蔽辐射性能和隔热特性。空心球周围金属基体的填充使得空心球球壁和材料整体结构的稳定性得到了提升，此外相同规格的金属空心球使得金属复合泡沫材料中的孔隙分布均匀，克服了材料非均匀变形问题。常规的金属空心球复合材料制备方法有粉末冶金、压力浸渗法和重力铸造法。粉末治金法制备空心球复合材料的过程是先将空心球放置在模具内并控制其几何排布，将它们排列成所需的堆积结构随后加入金属粉末并进一步振动使之完全填满球体之间的空隙；最后将预制的材料及模具按照一定的工艺进行加热烧结，同时在烧结过程中对材料施加一定的压力。压力浸滲法是将预制的金属空心球及模具加热到适当温度后，施加压力让金属溶液浸渗入预制块，待材料缓慢凝固后获得空心球复合材料的制备方法。重力铸造法是一种通过重力将熔融金属浇入铸型获得铸件的制备方法。这些传统的成形制造技术具有一定的局限性，采用常规制备方法制备金属空心球复合材料构件时，制备过程中无法保证空心球在三维空间的准确位置，空心球在构件中随机分布，导致构件性能达不到设计的指标。
增减材复合制造是在增材制造和减材制造工艺基础上提出的一种新型快速成形技术。该技术融合增材制造与减材制造的优缺点，通过增/减材工艺交替进行，实现构件的高精度、高性能、高效率制造。
发明内容
本发明针对金属空心球复合材料构件的制造需求，提出一种金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，用于实现制造金属空心球复合材料构件，解决金属空心球复合材料构件制造难度大、空心球排布规律无法控制、构件性能不均匀和难以控制等问题。
本发明的目的是这样实现的；
一种金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，包括：激光沉积系统、运动及材料去除系统、空心球输送装置及控制系统；
所述激光沉积系统由激光发生器、冷水机、送粉器及激光沉积头组成；所述激光发生器用于产生激光，为增材制造提供热源；所述送粉器通过粉盘旋转定量、载气运输的方式实现自动送粉，可接入外控，送粉精度高，送粉量范围宽，送粉量和载粉气流量连续可调；所述冷水机用于为激光发生器与激光沉积头提供冷却水，避免其过热；所述激光沉积头通过增减材复合机床的特定运动实现工件的增材沉积成形；
所述运动及材料去除系统由增减材复合机床、两轴变位机、刀库及数控铣刀组成；所述增减材复合机床用于安装数控铣刀、空心球输送装置及激光沉积头并在控制系统的控制下实现一定的运动；所述刀库用于放置数控铣刀、空心球输送装置及激光沉积头，便于增减材复合机床更换加工工具。所述两轴变位机用于复杂构件的成形，提高增减材复合制造机床的加工能力。所述数控铣刀用于根据金属空心球排布规律在基板加工放置空心球的小孔及增材沉积后的减材加工；
所述空心球输送装置由主体、球仓、电机、输送叶轮组成；所述主体用于安装球仓、电机和输送叶轮等部件。所述球仓置于主体之上，用于存放金属空心球。所述电机置于主体一侧，用于为输送叶轮的旋转提供动力；所述输送叶轮置于主体内部，用于将球仓内的金属空心球输送至基板小孔内；
所述控制系统用于实现增减材复合机床、空心球输送装置、激光发生器、冷水机及送粉器等的控制，以完成金属空心球复合材料的制造。
进一步的，所述金属空心球复合材料构件的基体是低熔点的金属材料、高分子材料。
进一步的，所述金属空心球复合材料构件的基体是铝合金。
进一步的，所述金属空心球复合材料构件的空心球是金属、陶瓷以及金属和非金属的复合材料。
进一步的，所述增材制造技术为激光送粉增材制造、激光或电弧熔丝增材制造。
进一步的，所述增材制造技术的材料供给方式为送粉或送丝。
进一步的，所述金属材料的形状为可流动金属形态。
进一步的，所述金属材料的形状为粉体。
进一步的，所述减材加工是数控铣削。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明结合增减材复合制造技术，根据空心球的排布规律通过减材工艺实现空心球位置的固定，之后通过增材工艺实现构件的成形，将金属空心球复合材料轻量化构件的制造与增减材复合制造集成于一体；这种创新设计充分利用了增减材复合制造工艺实现过程的“任意性”，可将金属空心球以相对准确可控的方式排布于构件中，通过控制金属空心球在构件中三维空间的准确排布使构件的力学、声学、热学性能达到最优化以及实现构件多功能化，可避免常规制备工艺缺点，使构件的性能达到最佳。
说明书附图
图1是金属空心球复合材料构件增减材复合制造装备示意图；
图2是图1的局部示意图；
图3是空心球输送装置示意图；
图4是金属空心球复合材料构件增减材复合制造工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
结合图1-3，本发明的一种金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，由激光沉积系统、运动及材料去除系统、空心球输送装置及控制系统组成。
所述激光沉积系统由冷水机1、送粉器3、激光发生器4及激光沉积头8组成。所述冷水机1用于为激光发生器4与激光沉积头8提供冷却水，防止其过热造成损害；所述送粉器3用于为激光沉积头8提供金属粉末，结合激光发生器4产生的激光，实现增材沉积；所述激光发生器4用于产生激光，为增材制造提供热源；所述激光沉积头8置于刀库6上，可通过刀库6安装于增减材复合机床2上，用于实现增材沉积成形。
所述运动及材料去除系统，包括增减材复合机床2、刀库6、数控铣刀7及两轴变位机11。所述增减材复合机床2，用于放置基板10，并可安装数控铣刀7、激光沉积头8及空心球输送装置9，通过控制系统5的控制实现特定的运动在基板上进行空心球位置的打孔、放置及增材沉积、减材加工等操作；所述刀库6，固定于增减材复合机床2上，用于放置数控铣刀7、激光沉积头8及空心球输送装置9，并实现加工工具的更换。所述数控铣刀7，放置于刀库6上，实现空心球安放孔的加工及减材加工，需要时由刀库6安装于增减材复合机床2上；所述两轴变位机11，固定于增减材复合机床2上，用于复杂构件的成形及减材加工，可实现两轴联动。
所述空心球输送装置9由球仓901、主体902、输送叶轮903和电机904组成。所述主体902为球仓901、输送叶轮903及电机904的载体；所述球仓901，置于主体901上方，用于存放金属空心球；所述输送叶轮903，置于主体901内部，通过旋转将空心球从球仓901输送于基板10上的小孔内；所述电机904，安装于主体901侧面，为输送叶轮903的旋转提供动力。
所述控制系统5用于实现冷水机1、增减材复合机床2、送粉器3、激光发生器4及空心球输送装置9等的控制，以完成金属空心球复合材料的制造。
结合图3，金属空心球复合材料构件增减材复合制造工艺流程图，简要说明工艺流程如下：
步骤1，安装基板，向送粉器及空心球输送装置分别装入金属粉末及金属空心球。
步骤2，启动设备，包括运动及材料去除系统、空心球输送装置、激光沉积系统及控制系统。
步骤3，检查装备运行状态，确保各个系统运行状态良好。
步骤4，设定工艺参数，并输入需要制造的构件的三维模型。
步骤5，根据构件三维模型计算出最优空心球排布规律，确定各层空心球的位置，并生成增减材制造需要的路径，为构件成形提供基础条件。
步骤6，增减材复合制造机床根据空心球位置在基板上加工小孔。
步骤7，利用空心球输送装置将金属空心球输送至步骤5中加工的小孔。
步骤8，根据步骤5生成的路径在基板上进行增材沉积。
步骤9，根据步骤5生成的路径在基板上进行减材加工，将基板表面铣平。
步骤10，重复步骤6-9，直至空心球复合材料轻量化构件制造完成。
本发明提供了一种金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，属于金属空心球复合材料轻量化构件制造技术领域。该装置将金属空心球复合材料构件的制造与增减材复合制造集成于一体，充分利用了增减材复合制造工艺实现过程的“任意性”，可将金属空心球以相对准确可控的方式排布于构件中，通过控制金属空心球在构件中三维空间的准确排布使构件的力学、声学、热学性能达到最优化以及实现构件多功能化。该装备技术用于实现制造金属空心球复合材料构件，解决金属空心球复合材料构件制造难度大，构件性能低，空心球排布规律无法控制等问题。
本发明包括激光沉积系统、运动及材料去除系统、空心球输送装置及控制系统。激光沉积系统利用激光发生器产生的激光，通过激光沉积头熔化粉末进行沉积，所需粉末由送粉器提供，系统产生的多余热量经过冷水机产生的低温水带走；运动及材料去除系统采用直接坐标式增减材复合机床，包含刀库用于放置及更换加工工具(激光沉积头、数控铣刀及空心球输送装置)，利用数控铣刀实现减材加工，该系统安装有两轴变位机，用于复杂构件的成形；空心球输送装置通过电机带动输送叶轮旋转，实现可控的空心球输送功能；控制系统以工控机为主体，实现对整个装备的自动化控制及路径规划等功能。本技术的实现方法是依据构件三维模型计算最优空心球排布规律并生成增减材制造加工路径，通过增减材复合制造机床在基板上根据金属空心球排布规律加工小孔，将金属空心球输送至孔内，根据生成的路径进行沉积，在沉积表面进行减材加工以便于进行下一层的空心球放置及沉积，重复以上步骤直至金属空心球复合材料构件制造完成。
Claims (9)
1.一种金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，其特征在于，包括：激光沉积系统、运动及材料去除系统、空心球输送装置及控制系统；
所述激光沉积系统由激光发生器、冷水机、送粉器及激光沉积头组成；所述激光发生器用于产生激光，为增材制造提供热源；所述送粉器通过粉盘旋转定量、载气运输的方式实现自动送粉，可接入外控，送粉量和载粉气流量连续可调；所述冷水机用于为激光发生器与激光沉积头提供冷却水，避免其过热；所述激光沉积头通过增减材复合机床的运动实现工件的增材沉积成形；
所述运动及材料去除系统由增减材复合机床、两轴变位机、刀库及数控铣刀组成；所述增减材复合机床用于安装数控铣刀、空心球输送装置及激光沉积头并在控制系统的控制下实现运动；所述刀库用于放置数控铣刀、空心球输送装置及激光沉积头，便于增减材复合机床更换加工工具；所述两轴变位机用于复杂构件的成形，所述数控铣刀用于根据金属空心球排布规律在基板加工放置空心球的小孔及增材沉积后的减材加工；
所述空心球输送装置由主体、球仓、电机、输送叶轮组成；所述主体用于安装球仓、电机和输送叶轮，所述球仓置于主体之上，用于存放金属空心球，所述电机置于主体一侧，用于为输送叶轮的旋转提供动力；所述输送叶轮置于主体内部，用于将球仓内的金属空心球输送至基板小孔内；
所述控制系统用于实现增减材复合机床、空心球输送装置、激光发生器、冷水机及送粉器的控制，以完成金属空心球复合材料的制造。
2.根据权利要求1所述的金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，其特征在于，所述金属空心球复合材料构件的基体是低熔点的金属材料、高分子材料。
3.根据权利要求1所述的金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，其特征在于，所述金属空心球复合材料构件的基体是铝合金。
4.根据权利要求1所述的金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，其特征在于，所述金属空心球复合材料构件的空心球是金属、陶瓷以及金属和非金属的复合材料。
5.根据权利要求1所述的金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，其特征在于，增材制造技术为激光送粉增材制造、激光或电弧熔丝增材制造。
6.根据权利要求1所述的金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，其特征在于，增材制造技术的材料供给方式为送粉或送丝。
7.根据权利要求2所述的金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，其特征在于，所述金属材料的形状为可流动金属形态。
8.根据权利要求2所述的金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，其特征在于，所述金属材料的形状为粉体。
9.根据权利要求1所述的金属空心球复合材料构件增减材复合制造装置，其特征在于，所述减材加工是数控铣削。
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