CN114799480A - 一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法与装置，属于固相增材制造领域，本方案将丝状增材原料通过多个进丝通道同步不间断进给到进丝装置内部储料腔与搅拌摩擦装置上的碎料刀片之间的空间中，随后经过搅拌摩擦装置上的碎料刀片粉碎成颗粒状的增材原料沿着螺杆部向下运动积累，随着搅拌摩擦装置的不断旋转，颗粒状增材原料不断热塑化，热塑化态下的增材原料经过搅拌摩擦装置下方的多个凸台结构搅拌混合处理，最终组织及均匀态的增材原料经进丝装置与基板的间隙增材成形，大大避免了全固相增材制造层间界面结合的缺陷，加强了层间结合力的强度，显著提高了大型结构件固相增材制造效率。

Description

一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法与装置

技术领域

本发明涉及固相增材制造领域，更具体地说，涉及一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法与装置。

背景技术

增材制造技术是一种实现复杂结构精密“控形”和高性能“控性”相结合的高端制造方式，具有轻量化减重，无需多余的夹具与模具，易于修复与再制造的优点，可实现复杂构件材料-结构一体化近净成形。

搅拌摩擦增材制造技术作为一种新生的增材制造技术，衍生于搅拌摩擦焊，目前，搅拌摩擦增材制造，根据制造工艺过程特点分为3种典型模式，即：板材叠加、摩擦堆焊沉积及中空棒料摩擦沉积。以板材叠加的方式进行搅拌摩擦增材制造技术，采用搭接的方式将板材向上堆叠，成形件只有焊核无缺陷的区域能有效使用，该技术在搅拌摩擦增材制造过程中材料利用率低，界面结合缺陷严重、成形控制性较差；摩擦堆焊以摩擦热作为耗材过渡的驱动力使其沉积于基板表面并与之形成冶金结合的堆焊层过程，具有极大的优势和发展潜力，但目前在外在成形控制方面和大型构件连续送料成形方面的研究仍缺少实质性的进展；现有技术中基于堆焊沉积的模式，将方形棒料送进中空模具内并与基板摩擦形变产热，成功实现了搅拌摩擦增材制造技术，但在增材制造过程中需进行多次换料装夹重启，致使增材制造过程中的多次非稳定性过程，大型结构件制备时长较长，增材层间结合力减弱，增材制造效率较低。

发明内容

1．要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法与装置，本方案通过多丝同步不间断的送丝方式，以剪切、搅拌为驱动力热塑化多丝原料，并使其与基板摩擦沉积实现全固相搅拌摩擦增材制造成形的过程，在保证成形效率和质量的同时，有效的控制成形件的组织及成分，突破现有全固相搅拌摩擦增材制造技术间断添加材料的弊端，避免增材制造层间界面结合缺陷，提高层间结合强度，实现大型构件结构、成分、性能一体化成形制造。

2．技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造装置，包括搅拌摩擦装置和进丝装置，所述搅拌摩擦装置包括夹持部、碎料刀片、螺杆部、凸台和安装底座，所述安装底座上端开凿有夹持部，所述安装底座下端安装有多个均匀分布的碎料刀片，所述安装底座下端安装有螺杆部，多个所述碎料刀片位于螺杆部外侧，所述螺杆部下端固定连接有多个均匀分布的凸台。

进一步的，所述夹持部上端设有定位平面，所述定位平面为搅拌摩擦焊机刀柄夹持要求加工制成。

进一步的，所述搅拌摩擦装置旋转方向与螺杆部旋转方向相反。

进一步的，所述碎料刀片由多组叶片组成，所述螺杆部形状为三角形设置且不限于矩形、梯形、锯齿形及圆弧形截面螺纹结构。

进一步的，多个所述凸台为同一分度圆上设置分布。

进一步的，所述凸台的根部端面与进丝装置底部端面共面。

进一步的，所述进丝装置包括上端盖、通孔、储料腔和进丝通道，所述上端盖安装于搅拌摩擦装置外端，所述上端盖上端开凿有多个均匀分布的通孔，所述上端盖内部开凿有储料腔，所述上端盖侧端开设有多个均匀分布的进丝通道，多个所述进丝通道与储料腔相互连通。

一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法，包括以下步骤：

S1、将丝状增材原料通过进丝装置进给到进丝装置内部储料腔与搅拌摩擦装置上的碎料刀片之间的空间中；

S2、丝状增材原料首先经过搅拌摩擦装置粉碎成颗粒状的增材原料，随后颗粒状增材原料沿着搅拌摩擦装置向下运动积累；

S3、颗粒状的增材原料在搅拌摩擦装置的不断旋转下，颗粒状增材原料逐渐热塑化，热塑化态下的增材原料经过搅拌摩擦装置下端多个凸台的搅拌进行混合处理；

S4、最终组织及均匀态的增材原料经进丝装置与基板的间隙增材成形。

进一步的，所述丝状增材原料材质包括但不限于铝及铝合金、铜及铜合金、钛合金、镁合金、聚合物基复合材料等材料的同质或多质材料的全固相搅拌摩擦增材制造。

3．有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）本发明的同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造装置，利用搅拌摩擦装置剪切、搅拌并摩擦热塑化同步不间断进给的丝状增材原料，实现连续送料全固相搅拌摩擦增材制造成形，极大地提高了搅拌摩擦增材制造效率。

（2）本发明进丝装置上的多个进丝通道设计可实现丝材同质到异质材料同步不间断送丝，可设计具有结构、成分功能一体化固相增材制造成形件。

（3）本发明通过搅拌摩擦装置碎料叶片及螺杆的耦合结构设计，实现了丝状增材原料由固相至固相的直接热塑化处理，避免了金属材料固相到液相再到固相的转变过程。

（4）本发明的搅拌摩擦装置底部端面的凸台结构设计，可搅拌混合处理热塑化材料，使得增材成形件组织成分更加均匀化。

附图说明

图1是本发明实施所述的一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造装置示意图；

图2是图1所述的搅拌摩擦装置示意图；

图3是图2所述的搅拌摩擦装置A-A剖面图；

图4是图2所述搅拌摩擦装置仰视图；

图5是图1所述的进丝装置示意图；

图6是图5所述进丝装置整体的剖视图；

图7是图6所述进丝装置B-B剖视图。

图中标号说明：

1搅拌摩擦装置、11夹持部、12碎料刀片、13螺杆部、14凸台、15安装底座、2进丝装置、21上端盖、211通孔、22储料腔、23进丝通道。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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，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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造装置，包括搅拌摩擦装置1和进丝装置2，搅拌摩擦装置1包括夹持部11、碎料刀片12、螺杆部13、凸台14和安装底座15，安装底座15上端开凿有夹持部11，安装底座15下端安装有多个均匀分布的碎料刀片12，安装底座15下端安装有螺杆部13，多个碎料刀片12位于螺杆部13外侧，螺杆部13下端固定连接有多个均匀分布的凸台14。

请参阅图1-4，夹持部11上端设有定位平面，定位平面为搅拌摩擦焊机刀柄夹持要求加工制成。

请参阅图1-4，搅拌摩擦装置1旋转方向与螺杆部13旋转方向相反，通过设置搅拌摩擦装置1旋转的方向与螺杆部13旋转的方向的相互配合，可以有利于热塑化材料向下运动。

请参阅图1-4，碎料刀片12由多组叶片组成，螺杆部13形状为三角形设置且不限于矩形、梯形、锯齿形及圆弧形截面螺纹结构。

请参阅图1-4，多个凸台14为同一分度圆上设置分布，通过设置多个凸台14在同一分度圆上设置分布，可以用于搅拌、处理并混合均匀热塑化态增材原料，使得多个凸台14在全固相搅拌摩擦增材制造过程中同时压入小于凸台长度的压入量于上一增材层，保证增材层间结合力。

请参阅图1-4，凸台14的根部端面与进丝装置2底部端面共面，本装置在运作过程中，可根据需求，调整进丝装置1底部端面与上一增材层之间的间隙从而控制单道增材层的厚度。

请参阅图1和图5-7，进丝装置2包括上端盖21、通孔211、储料腔22和进丝通道23，上端盖21安装于搅拌摩擦装置1外端，上端盖21上端开凿有多个均匀分布的通孔211，上端盖21内部开凿有储料腔22，上端盖21侧端开设有多个均匀分布的进丝通道23，多个进丝通道23与储料腔22相互连通，在丝状增材原料不间断送丝时，通过多个进丝通道23，可方便多条丝状增材原料同时连续进丝，也可根据增材成形件组织成分需求调整进丝通道23的进丝材质及进丝速率。

请参阅图1-7，一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法，包括以下步骤：

S1、将丝状增材原料通过进丝装置2进给到进丝装置2内部储料腔与搅拌摩擦装置1上的碎料刀片之间的空间中；

S2、丝状增材原料首先经过搅拌摩擦装置1粉碎成颗粒状的增材原料，随后颗粒状增材原料沿着搅拌摩擦装置1向下运动积累；

S3、颗粒状的增材原料在搅拌摩擦装置1的不断旋转下，颗粒状增材原料逐渐热塑化，热塑化态下的增材原料经过搅拌摩擦装置1下端多个凸台14的搅拌进行混合处理；

S4、最终组织及均匀态的增材原料经进丝装置2与基板的间隙增材成形。

丝状增材原料材质包括但不限于铝及铝合金、铜及铜合金、钛合金、镁合金、聚合物基复合材料等材料的同质或多质材料的全固相搅拌摩擦增材制造。

本方案将丝状增材原料通过进丝装置2上预置的多个进丝通道23同步不间断进给到进丝装置2内部储料腔22与搅拌摩擦装置1上的碎料刀片12之间的空间中，丝状增材原料随后经过搅拌摩擦装置1上的碎料刀片12粉碎成颗粒状的增材原料，颗粒状增材原料沿着搅拌摩擦装置1上的螺杆部13向下运动积累，随着搅拌摩擦装置1的不断旋转，颗粒状增材原料不断热塑化，热塑化态下的增材原料经过搅拌摩擦装置1下端的多个凸台14结构的搅拌混合处理，最终组织及均匀态的增材原料经进丝装置2与基板的间隙增材成形，大大避免了全固相增材制造层间界面结合的缺陷，加强了层间结合力的强度，显著提高了大型结构件固相增材制造效率，且本方案中的丝状增材原料可结合定速送料机构使用。

以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；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；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造装置，包括搅拌摩擦装置（1）和进丝装置（2），其特征在于：所述搅拌摩擦装置（1）包括夹持部（11）、碎料刀片（12）、螺杆部（13）、凸台（14）和安装底座（15），所述安装底座（15）上端开凿有夹持部（11），所述安装底座（15）下端安装有多个均匀分布的碎料刀片（12），所述安装底座（15）下端安装有螺杆部（13），多个所述碎料刀片（12）位于螺杆部（13）外侧，所述螺杆部（13）下端固定连接有多个均匀分布的凸台（14）。

2.根据权利要求1所述的一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述夹持部（11）上端设有定位平面，所述定位平面为搅拌摩擦焊机刀柄夹持要求加工制成。

3.根据权利要求1所述的一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述搅拌摩擦装置（1）旋转方向与螺杆部（13）旋转方向相反。

4.根据权利要求1所述的一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述碎料刀片（12）由多组叶片组成，所述螺杆部（13）形状为三角形设置且不限于矩形、梯形、锯齿形及圆弧形截面螺纹结构。

5.根据权利要求1所述的一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：多个所述凸台（14）为同一分度圆上设置分布。

6.根据权利要求1所述的一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述凸台（14）的根部端面与进丝装置（2）底部端面共面。

7.根据权利要求1所述的一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述进丝装置（2）包括上端盖（21）、通孔（211）、储料腔（22）和进丝通道（23），所述上端盖（21）安装于搅拌摩擦装置（1）外端，所述上端盖（21）上端开凿有多个均匀分布的通孔（211），所述上端盖（21）内部开凿有储料腔（22），所述上端盖（21）侧端开设有多个均匀分布的进丝通道（23），多个所述进丝通道（23）与储料腔（22）相互连通。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、将丝状增材原料通过进丝装置（2）进给到进丝装置（2）内部储料腔与搅拌摩擦装置（1）上的碎料刀片之间的空间中；

S2、丝状增材原料首先经过搅拌摩擦装置（1）粉碎成颗粒状的增材原料，随后颗粒状增材原料沿着搅拌摩擦装置（1）向下运动积累；

S3、颗粒状的增材原料在搅拌摩擦装置（1）的不断旋转下，颗粒状增材原料逐渐热塑化，热塑化态下的增材原料经过搅拌摩擦装置（1）搅拌进行混合处理；

S4、最终组织及均匀态的增材原料经进丝装置（2）与基板的间隙增材成形。

9.根据权利要求8所述的一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：所述丝状增材原料材质包括但不限于铝及铝合金、铜及铜合金、钛合金、镁合金、聚合物基复合材料等材料的同质或多质材料的全固相搅拌摩擦增材制造。

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