CN117300156A - 一种电磁感应熔粉增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁感应熔粉增材制造方法，应用于粉末增材制造领域。其中热源由超高频电磁感应线圈提供，感应线圈使用铜管缠绕且铜管的缠绕形状为“倒置圆锥体”+“盘形蚊香状”。该方法应用系统包括超高频电磁感应线圈、粉料仓、成型仓、辊子和工作台面。所述方法是利用交变电流通过感应线圈时产生交变磁场，使下方金属粉末产生同频率的感应涡流，使被加热金属粉末迅速升温，熔化形成熔池。熔融一层金属粉末后，成型仓下移一个单位，粉料仓向上移动，辊子将粉材均匀铺至成型仓上方，如此循环，直至成型。将电磁感应加热技术和增材制造技术结合在一起,解决了其他热源热量利用率低、造价昂贵且成型质量一般的问题，提供了一种新的更环保的方法。

Description

一种电磁感应熔粉增材制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种电磁感应熔粉增材制造的方法。

背景技术

目前常见的增材制造工艺包括分层实体制造(LOM)、光固化成型工艺(SLA)、熔融沉积成型工艺(FDM)、粉末激光烧结工艺(SLS)、粘合喷射成型技术(3DP)、粉末选区激光熔化工艺(SLM)、激光近净成型工艺(LENS)和电子束熔化(EBM）。

粉末熔融加工热源主要是是激光、电弧、电子束等高能束热源之类，激光和电子束在增材大型化、整体化复杂结构件存在不足，热量利用率低且造价昂贵，成品表面粗糙，并且需要复杂的后处理。电磁感应可以提供一种造价低廉且能量利用率高的方式进行金属粉末熔融增材制造，成型性能较好、精度较高的金属部件。电磁熔粉增材制造感应式加热是目前一种新型增材制造技术，拥有以下优点：加热速度快，可使工件在极短的时间内急剧达到需要的加热温度且生产周期短；对工件无需整体进行加热，可选择性精确对工件进行局部加热，因而电能消耗少；依据加热需求通过调整设备的工作频率和功率可以对加热深度(电流透入深度)进行调控；加热设备无须预热可随时启停，且与工件以非接触的方式进行加热，电能利用率高。是一种高效、节能的金属增材制造成形技术。

根据原材料形态的不同，增材制造分为熔粉增材制造与熔丝增材制造技术，其中熔粉增材制造的粉末预置形式分为送粉式和铺粉式两种。相比于熔粉增材制造，熔丝增材制造具有沉积效率高、加工成本低、成形件尺寸大等优点，但是相对而言成形件结构简单且尺寸精度低。粉末增材制造技术的主要优点是：生产率较高，尺寸精度良好，所得工件的组织结构致密、均匀。不过金属粉末的利用率极低(20%—30%)，且收集困难，易于造成环境粉尘污染，需要在密闭空间中进行。

送粉式3D打印可进行复杂型面、型腔的高精度柔性加工制造，熔覆技术广泛应用于汽车、模具、工具等机械制造业的箱体零件、壳体零件、盘类零件及异形零件的直接制造和加工。系统采用多路进粉可以使粉末更为均匀，通过模块化设计，当出现操作不当或者其他情况导致的送粉喷嘴受损时只需更换相应的零件，操作方便成本低。

铺粉式3D打印这种方法制造出的金属零件力学性能优良、表面质量和尺寸精度高，是金属3D打印领域的研究热点。产品专门用于应用于航空航天、医疗和汽车工业中的复杂部件，并且热粉床工艺，可在整个成形过程中保持高温，从而生产没有残余应力的零件。

故本发明内容使用超高频电磁感应作为加热热源，选用粉末作为填充物，可以实现高精度制造，通过比较便捷的铺粉方式运送粉末。超高频电磁感应加热技术利用了电磁感应的原理，在导体内产生涡流，进而产生焦耳热，实现对粉床加热，铜管线圈通过电磁感应将电能传递给粉床，电能在粉床层由于存在电阻而转化为热能，从而融化金属粉末，形成熔池，进而实现通过超高频电磁感应线圈加热完成熔粉增材制造。

发明内容

本发明提供一种电磁感应熔粉增材制造方法，应用于粉末增材制造，涉及增材制造技术领域。所述方法使用的增材制造设备包括加热系统和铺粉系统，所述加热系统包括超高频电磁感应线圈，所述方法包括：

所述加热系统包括超高频电磁感应线圈和工作电源，电磁感应线圈使用超高频电磁感应，线圈使用铜管绕制，在工作台面上方形成“倒置圆锥体”+“盘形蚊香状”，管中通冷却水，避免感应线圈本身电阻在受大电流的情况下产生大量的热。

所述铺粉系统由铺粉辊子1和工作台面7构成，工作台面7和上述粉料仓3、成型仓4连接，粉料仓3向上移动，为工作平台提供粉料，铺粉辊子1将粉料移动至成型仓4表面。工作电源和运动控制系统分别与超高频电磁感应线圈连接，用于提供电能和控制线圈的平面移动。具体实施方法如下：1、粉料仓向上移动，为工作平台提供粉料，2、辊子将粉料移动至成型仓表面，并均匀的铺在工作台面，3、通过超高频电磁感应线圈加热粉层形成熔池，4、根据切片文件，每层加热熔化后成型仓下移一个单位。按照顺序依次重复1、2、3、4四个步骤，直至成型完毕。

与现有技术相比，本发明提供的电磁感应熔粉增材制造方法中，加热系统包括超高频电磁感应线圈和工作电源，而超高频电磁感应线圈感应加热是利用交变电流通过感应线圈时产生的交变磁场，使下方的金属粉末产生同频率的感应涡流，进而产生焦耳热效应和磁滞损耗热效应，铜管线圈通过电磁感应将电能传递给粉床，电能在粉床层由于存在电阻而转化为热能，从而融化金属粉末，形成熔池，使被加热金属粉末迅速升温达到融化的目的。该技术独特的地方在于通过盘型缠绕的铜管将电能转化为热能实现非接触式传热方式，可以在各种环境中工作稳定，具有热转化效率高、易于控制、维护成本低等特点，因此可以在金属材料增材制造加工领域得到应用。电磁感应加热技术可以改善成形样件的温度分布、减小温度梯度，进而减小变形，该方法加热均匀，并且电磁感应线圈与焊枪同步运动方式可起到“同步热处理”的作用，使样件在成形过程中晶粒细化，且非接触式工艺不会造成零件污染。

技术方法如下：1、粉料仓向上移动，为工作平台提供粉料；2、辊子将粉料移动至成型仓表面，并均匀的铺在工作台面；3、通过超高频电磁感应线圈加热粉层形成熔池；4、根据切片文件，熔融一层后，成型仓下降一个单位。按照顺序依次重复1、2、3、4四个步骤，直至成型完毕。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明电磁感应加热总体结构图；

图2为电磁感应加热总体结构剖面图；

图3为电磁感应加热结构示意图；

图4为本发明电磁感应盘型线圈三视图；

图5为本发明电磁感应线圈示例尺寸图。

附图标记：

1—铺粉辊子；2—超高频电磁感应加热系统；3—粉料仓；4—成型仓；5—工作电源；6—运动控制系统；7—工作台面；8—成型零件。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

电磁感应熔粉增材制造是一种以感应热为能量源的增材制造技术，是一种高效、节能的金属增材制造成形技术。感应热采用非接触加热方式，避免了对熔池的过度扰动；交变磁场对液态金属搅拌作用；加热效率高。感应加热可在短时间内使物体升温至较高温度，加热速度快。

图1示出电磁感应加热总体结构图。如图1所示，该电磁感应加热总体结构图制造系统包括铺粉辊子1、超高频电磁感应加热系统2、粉料仓3、成型仓4、加热系统5、运动控制系统6、工作台面7、成型零件8。其中运动控制系统控制两仓台面的上下移动以及电磁感应线圈的平面移动。电磁感应线圈通过加热系统控制线圈加热程度，并且冷却水通过铜管循环流动，给线圈降温。

图2示出电磁感应盘型线圈结构图。如图2所示，该电磁感应盘型线圈包括电磁感应线圈、进水口和出水口。其中进水口和出水口分别与线圈两端连接，冷却水从进水口进入，然后从出水口流出，通过冷却液的流动来给线圈降温，避免感应线圈本身电阻在受大电流的情况下产生大量的热出现故障。

另外运动控制系统与线圈相连控制感应线圈的移动，控制系统通过控制线圈的前后左右移动来确定加热位置。

依照本申请较佳实施例所述的实验方法如下：如图5所示，设置线圈由中空铜管制成，为“倒置圆锥体”+“盘形蚊香状”的中空铜管，下半部分为“倒置圆锥体”+“盘形蚊香状”的盘形结构，上半部分为一个逐层向上，线圈半径逐层加大的锥形。管的外径为4mm，内径为3.8mm，螺距为2mm，下半部分铜管内侧到中心的距离分别为5mm、11mm、17mm，上部分铜管内侧到中心的距离分别为5mm、7mm、9mm，上下两部分均绕制3圈。在粉料仓准备粒度大小为30~100μm的TiAl粉末，加载于线圈两端的电压调控为范围0~620V，高频交流的电源频率为350kHz~450kHz。粉料仓向上移动，提供粉料，辊子将粉料移动至成型仓表面，并均匀的铺在工作台面，粉层厚度设定为1~5mm。工作台面恒定加热至300~800℃，为金属粉末提供基础温度。电磁感应线圈与粉层之间的距离为3~16mm，工作电源使电磁感应线圈加热，通过超高频电磁感应线圈将电能传递给金属粉末，使下方的金属粉末产生同频率的感应涡流，进而产生焦耳热效应和磁滞损耗热效应，使被加热金属粉末迅速升温，熔化形成熔池。按照切片文件，每层打印完毕后成型仓下降一个单位，同时粉料仓上升一个单位，重复铺粉动作，连续进行，直至打印完毕。自然冷却后形成模型，实现了该实验的过程。

依照本申请较佳实施例所述的实验方法，其实验结果为打印出了一个厚度均匀，表面光滑，结构完整的TiAl模型零件。

感应加热利用交变电流通过感应线圈时产生的交变磁场，使邻近的顺磁材料表面产生同频率的感应涡流，进而产生焦耳热效应和磁滞损耗热效应，使被加热件表面迅速升温。感应热源与传统热源激光、电弧、电子束等高能束热源相比，拥有以下优点：加热速度快，可使工件在极短的时间内急剧达到需要的加热温度且生产周期短；对工件无需整体进行加热，可选择性精确对工件进行局部加热，因而电能消耗少；依据加热需求通过调整设备的工作频率和功率可以对加热深度(电流透入深度)进行调控；加热设备无须预热可随时启停，且与工件以非接触的方式进行加热，电能利用率高。是可取代传统的煤炭、石油、天然气，电炉等加热方式的优选方案，是一种高效、节能的金属增材制造成形技术。

所述电磁感应线圈使用超高频电磁感应，线圈使用铜管绕制，在工作台面上方形成“倒置圆锥体”+“盘形蚊香状”，管中通冷却水，避免感应线圈本身电阻在受大电流的情况下产生大量的热。

具体的，所述铺粉系统由辊子和工作台面构成，工作台面和上述粉料仓、成型仓连接，粉料仓向上移动，为工作平台提供粉料，辊子将粉料移动至成型仓表面，通过电磁感应加热形成熔池，后成型仓下移一个单位，重复上述步骤。

工作电源通电后为感应线圈提供交流电，在运动控制系统的控制下，感应线圈移动到粉层上方，通过电磁感应线圈使用超高频电磁感应，向所述电磁感应线圈通入交流电使工作台面表层激发产生感应涡流，利用涡流热效应融化金属粉末。熔覆一层粉末后，成型仓向下移动一个单位，同时粉料仓向上移动一个单位，辊子将粉末均匀的铺在平台上，而后重复上述步骤。

基于上述电磁感应加热实现增材制造的方法可知，加热系统包括电磁感应线圈和工作电源，线圈使用铜管绕制成盘状，在粉末层上方，通过电磁感应效应，是的粉末层产生感应涡流，从而形成熔池。而由于电磁感应加热能量利用率高，可以实现快速加热，因此，采用感应加热可在短时间内使物体升温至较高温度，加热速度快，可进行局部微小范围加热，实现熔融叠加，达到制作三维金属物件的目的。

同时，感应加热过程中加热源与被加热工件构成电磁耦合系统，采用非接触加热方式，避免了对熔池的过度扰动，且交变磁场对液态金属搅拌作用。

需要说明的是，感应热源通过交变磁场在金属材料中激发感应涡流，进而对其加热。除加热作用外，交变磁场还可对液态金属产生电磁力作用，对其产生搅拌作用，从而增强熔池内液态金属的流动，这对成形金属内部微观组织细化、抑制元素偏析起到有利作用。

电磁感应加热线圈装置是本发明的核心装置，它的工作原理是在交变电流的作用下，盘型电磁感应线圈2利用交变电流通过感应线圈时产生的交变磁场，电磁感应线圈会产生大量的热使下方的金属粉末产生同频率的感应涡流，进而产生焦耳热效应和磁滞损耗热效应，使被加热金属粉末迅速升温达到熔融状态。在铜管绕制而成的感应线圈2内通冷却水，用于加热后冷却散热，保护装置。采用电磁感应形式的加热方式一方面比较绿色节能，另一方面能够更有效提高能量利用率。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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 (5)

1.一种电磁感应熔粉增材制造方法，应用于金属粉末增材制造，涉及增材制造技术领域。所述电磁感应熔粉增材制造设备包括加热系统、铺粉系统两部分，粉料仓用于为铺粉过程提供粉料，成型仓用于成型零件，且两个仓底均可以进行上下移动。所述加热系统包括超高频电磁感应线圈、水冷系统、工作电源，与现有技术相比，本发明提供的电磁感应熔粉增材制造方法中，加热系统包括超高频电磁感应线圈，其特征是感应线圈是一个盘型的中空铜管缠绕而成，所述方法包括：

该线圈由中空铜管制成，为“倒置圆锥体”+“盘形蚊香状”的中空金属管，下半部分为“蚊香状”的盘形结构，上半部分为一个逐层向上，线圈半径逐渐加大的锥形。管的外径在2-8mm之间，内径在1-6mm，螺距为1-5mm，上下两部分的圈数分别在2-8圈之间，该结构下部分绕制的三个半径为2-30mm。该金属管中间通冷却水，避免感应线圈本身电阻在受大电流的情况下产生大量的热。而超高频电磁感应线圈感应加热是利用交变电流通过感应线圈时产生的交变磁场，使下方的金属粉末产生同频率的感应涡流，进而产生焦耳热效应和磁滞损耗热效应，使被加热金属粉末迅速升温，熔化形成熔池。熔融一层金属粉末后，成型仓下降一个单位，粉料仓上升一个单位，铺粉辊子将粉料均匀的摊铺在工作台面，之后感应线圈进入下一次工作状态。

2.根据权利要求1所述的超高频电磁感应加热，所用装置的特征在于，所述超高频电磁感应加热线圈设置为“倒置圆锥体”+“盘形蚊香状”的中空铜管，铜管中间通过通冷却水来降温。熔粉的结构包括由铜管制成的超高频电磁感应线圈、控制线圈移动的运动控制系统以及给线圈提供交流电的工作电源。所述电磁感应线圈使用超高频电磁感应，线圈使用铜管绕制，在工作台面上方形成“倒置圆锥体”+“盘形蚊香状”，管中通冷却水。所述电磁感应线圈使用超高频电磁感应，通过向所述电磁感应线圈通入交流电使工作台面表层激发产生感应涡流，利用涡流热效应融化金属粉末，熔化同时控制x轴和y轴的移动来定位加热区域。超高频电磁感应加热技术利用了电磁感应的原理，在导体内产生涡流，进而产生焦耳热，实现对粉床加热，铜管线圈通过电磁感应将电能传递给粉床，由于粉床层存在电阻从而将电能转化为热能，从而融化金属粉末，形成熔池，进而实现通过超高频电磁感应线圈加热完成熔粉增材制造。该技术独特的地方在于通过盘型缠绕的铜管将电能转化为热能实现非接触式传热方式，可以在各种环境中工作稳定，具有热转化效率高、易于控制、维护成本低等特点，因此可以在金属材料增材制造加工领域得到应用。电磁感应加热技术可以改善成形样件的温度分布、减小温度梯度，进而减小变形，该方法加热均匀，并且电磁感应线圈与焊枪同步运动方式可起到“同步热处理”的作用，使样件在成形过程中晶粒细化，且非接触式工艺不会造成零件污染。

3.根据权利要求1和2所述的电磁感应熔粉增材制造方法，所用装置的特征在于，所述的铺粉装置控制粉层均匀铺满台面：

所述铺粉装置包括：工作台面、铺粉辊子、粉料仓和成型仓。其中工作台面和上述粉料仓、成型仓连接，且上述粉料仓、成型仓与运动控制系统连接，控制仓底的上下移动。工作电源和运动控制系统分别与超高频电磁感应线圈连接，用于提供电能和控制线圈的平面移动。具体实施方法如下：1、粉料仓向上移动，为工作平台提供粉料；2、辊子将粉料移动至成型仓表面，并均匀的铺在工作台面；3、通过超高频电磁感应线圈加热粉层形成熔池；4、根据切片文件，每层加热熔化后成型仓下移一个单位。按照顺序依次重复1、2、3、4四个步骤，直至成型完毕。

4.根据权利要求1、2、3所述的电磁感应熔粉增材制造方法，超高频电磁感应加热技术利用了电磁感应的原理，在导体内产生涡流，进而产生焦耳热，实现对粉床加热，铜管线圈通过电磁感应将电能传递给粉床，电能在粉床层由于存在电阻而转化为热能，从而融化金属粉末，形成熔池，进而实现通过超高频电磁感应线圈加热完成熔粉增材制造。所述电磁感应线圈供电工作电源所用装置的特征在于，该技术通过盘型缠绕的铜管将电能转化为热能实现非接触式传热方式，可以在各种环境中工作稳定，具有热转化效率高、易于控制、维护成本低等特点，因此可以在金属材料增材制造加工领域得到应用。电磁感应加热技术可以改善成形样件的温度分布、减小温度梯度，进而减小变形，该方法加热均匀，并且电磁感应线圈可以与焊枪同步运动，起到“同步热处理”的作用，使样件在成形过程中晶粒细化，且非接触式工艺不会造成零件污染。该电磁感应熔粉增材制造方法通过供给的电源频率的变化来改变电磁感应线圈的感应温度。高频交流的电源频率为300kHz~1.1MHz，加载于线圈两端的电压的调控范围为0~620V。

5.根据权利要求1、2、3、4所述的电磁感应熔粉增材制造方法，使用粉末颗粒作为生产原材料，熔粉增材生产率较高，尺寸精度良好，所得工件的组织结构致密、均匀。所述电磁感应熔粉增材制造方法，金属粉末的特征在于，金属粉末的直径在30~200μm之间的金属粉末，主要是含有锡、铝、钛、镁、锌、铜的金属合金以及高强度钢。