CN212683024U - 连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统，包括：连续送丝装置、矫直装置、感应加热装置、基板、X向直线运动机构、第一支撑机构和第二支撑机构；第一支撑机构设置有第一基座、第一固定块以及固定在第一固定块下方的滚轮，滚轮在Y‑Z方向移动；感应加热装置设置在第二支撑机构的第二固定块的下方，感应加热装置在Y‑Z方向移动。通过控制系统控制感应加热装置的功率以控制丝材维持在半固态，在自身重力及上方丝材推进下，落入基板上沉积形成堆积层，继而驱动基板沿着X方向运动到滚轮下方，控制基板沿着X方向运动与滚轮在Z方向的运动对堆积层复合轧压，改善打印零件内部晶粒细化效果，提高力学性能。

Description

连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统

技术领域

本实用新型涉及增材制造技术领域，具体而言涉及一种连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造方法及系统。

背景技术

金属增材制造技术作为一种目前发展较为迅速地快速成型技术，相较于传统的减材加工制造方法，会节约大量的金属原材料，同时能轻而易举的制备出形状复杂的金属零部件，在缩短零件设计开发周期及降低零件生产制备成本方面具有极大的应用优势，现如今正受到越来越广泛的关注。

现阶段金属的增材制造技术采用的热源主要包括以下三类：激光、电子束和电弧。激光作为热源是一种常见的手段，中国专利CN201811627384.4中提出了一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统及成型方法，虽然激光本身具有能量密度高的特点，但是考虑到铝及铜等合金对激光具有较高的反射率(一般超过80％)，而铝及铜等合金本身的导热性就好，因此造成该类合金丝材增材制造过程中对激光能量的吸收不足，难以满足成本及效率要求。

电子束作为热源也是常用的增材制造方法，例如中国专利2015108143949 中提出了一种可实现电子束宽幅扫描的增材制造设备，能有效避免铝及铜等金属对电子束能量的反射，从而提高成型速率，但是电子束作为热源需要严苛的真空环境，对设备和工艺条件要求较高，难以制备完成一些特定的大型结构件，导致原料成本及时间成本均较高。又如中国专利CN201710129920.7中提出了一种铝镁合金结构件的增材制造方法，具有成型设备简单及成型效率较高的特点，但是由于电弧自身稳定性差的劣势，成型过程中电弧的难以控制将会导致熔融沉积层经常出现塌陷等问题，造成金属成型件的质量和精度均较差，难以满足高质量金属零部件的成型要求。

当前，增材制造成型的金属零部件普遍存在致密度低，综合力学性能差等不利特点，后续往往需要进行热处理或热等静压等二次加工处理来保证可实用的综合性能，但这无形中便增加制备成型成本。因此，如何高效且低成本的成型制备出高质量的金属零部件，已成为当前亟需解决的关键性技术问题。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造方法及系统，本实用新型制造方法及系统的感应加热热源的能量利用率高，能高效地实现金属零部件的自动化生产，解决现有技术存在的生产效率低、成本较高的问题，同时能保证成型的金属零部件具有成型精度高、综合力学性能优良等优势。

根据本实用新型目的的第一方面提出一种连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统，包括：

连续送丝装置，所述连续送丝装置被设置成沿着设定的路径进行输送丝材；

矫直装置，设置在所述路径上，用于矫直输送的丝材；

感应加热装置，所述感应加热装置包括对矫直后的丝材进行预热的低功率感应线圈机构以及对预热后的丝材进行加热的高功率感应线圈机构；

基板，所述基板位于感应加热装置的下方；

X向直线运动机构，用于驱动所述基板沿着X方向移动；

沿着X向布置的第一支撑机构和第二支撑机构；

其中，所述第一支撑机构设置有第一基座、第一固定块以及固定在第一固定块下方的滚轮，所述第一基座被设置成可沿着Y方向移动，所述第一固定块被设置成可沿着Z方向移动，从而驱动所述滚轮在Y-Z方向移动；

所述第二支撑机构设置有第二基座和第二固定块，所述矫直装置设置在第二固定块的上方，所述感应加热装置设置在第二固定块的下方，所述第二基座被设置成可沿着Y方向移动，所述第二固定块被设置可沿着Z方向移动，从而驱动所述感应加热装置在Y-Z方向移动；

并且，在对金属丝材或者金属合金丝材感应加热增材制造打印过程中，通过一控制系统控制感应加热装置的功率以控制所述金属丝材或者金属合金丝材维持在半固态，在自身重力以及上方丝材推进的作用下，落入基板上沉积形成堆积层，继而驱动基板沿着X方向运动到滚轮下方，控制基板沿着X方向运动与滚轮在Z方向的运动对堆积层复合轧压。

优选地，所述基板内设置有加热机构，被设置用于将基板加热到预定温度。

优选地，所述X向直线运动机构包括第一电机以及由第一电机驱动的、沿着X方向运动的传送带机构，所述基板固定在传送带机构上。

优选地，所述滚轮包括沿着Y方向纵长方形设置的辊筒以及支撑辊筒的支架，支架固定到所述第一固定块的底部，并与其同步运动。

优选地，所述第一支撑机构具有横置在X向直线运动机构上方的第一横梁，第一基座设置在第一横梁上并可在第二电机的驱动下沿着第一横梁移动。

优选地，所述第一固定块被设置成由第三电机驱动，并沿着第一基座的竖直方向的第一导向槽内移动。

优选地，所述第二支撑机构具有横置在X向直线运动机构上方的第二横梁，第二基座设置在第二横梁上并可在第四电机的驱动下沿着第二横梁移动。

优选地，所述第二固定块被设置成由第五电机驱动，并沿着第二基座的竖直方向的第二导向槽内移动。

与传统的金属增材制造设备相比，本实用新型的特点在于：

(1)本实用新型采用感应加热作为金属丝材的熔化热源，丝材对热源能量的吸收利用率高，起到降低能耗及提高金属零件生产效率的作用；

(2)本实用新型可实现金属半固态下温度的精确控制，既保证半固态金属挤出时的温度要求，同时也防止温度过高造成低熔点合金元素的过量烧损，从而导致金属成型件化学成分的失衡；

(3)本实用新型无需真空环境的条件限制，可于氮气及氩气等惰性气体氛围下工作。基板和丝材的三维协调运动可实现复杂形状的金属成型零部件的制备，同时也能保证零件尺寸和粗糙度的精确控制；

(4)本实用新型采用半固态轧压复合的成型工艺，制备的金属零部件具有合金化学成分稳定，晶粒组织细小，综合力学性能优良等优势。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：

图1是本实用新型提出的连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统的结构示意图。

图2-3是图1实施例的连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统的另一些方向的结构示意图。

附图中各个附图标记的含义如下：

送丝电机1、送丝圆柱辊2、底座3；

矫直装置4；

基板5；

低功率感应线圈机构6、高功率感应线圈机构7；

水冷系统8、第一水冷线缆8-1、第二水冷线缆8-2；

第一电机10、支撑装置11、传送带机构12；

第一支撑机构20、第一横梁21、第一基座22、第二电机23、第一导向槽24、第三电机25、第一固定块26；

支架27、辊筒28；

第二横梁29、第四电机30、第二基座31、第五电机32、第二固定块 33；

丝材100；

堆积层101；

控制箱200。

具体实施方式

为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是应为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。

感应加热复合轧压半固态增材制造系统

结合图示的示例性实施例的一种连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统，通过送丝-矫直-感应预热-感应加热-形成半固态丝材-堆积层-复合多道次轧压-重复堆积和轧压的流程，实现对金属/金属合金的感应加热复合轧压半固态增材制造，其中通过基板和丝材的三维协调运动实现复杂形状的金属成型零部件的制备，同时保证零件尺寸和粗糙度的精确控制，实现优良的晶粒组织控制，实现较佳的综合力学性能。

连续送丝装置，主要用于沿着设定的路径输送丝材。

如图所示的实例的连续送丝装置包括送丝电机1、送丝圆柱辊2和底座3，送丝电机1驱动送丝圆柱辊2运动，使得丝材100从送丝圆柱辊2上沿着设定的路径进行输送。尤其优选地，匀速送丝。其中，送丝圆柱辊2可通过机架古锭刀一个底座3上。

矫直装置4，设置在前述的送丝路径上，用于矫直输送的丝材100。可选地，矫直装置可由多组相对设置的辊轮实现，对经过辊轮中间的丝材进行矫直处理。

感应加热装置，用于实现对丝材的预热和加热到半固态。结合图示示例的感应加热装置包括对矫直后的丝材进行预热的低功率感应线圈机构6以及对预热后的丝材进行加热的高功率感应线圈机构7。通过控制低功率感应线圈机构6 和高功率感应线圈机构7的功率可实现对不用材料的金属丝材的预热和半固态加热。

基板5，基板位于感应加热装置的下方，用于提供堆积层成型的基底。优选地，基板5内部设置有加热装置，例如电阻丝或者其他加热元件，用于将基板加热到预定温度，以防止成型件边缘和内部呈现出较大温度梯度造成内应力增加，降低出现微裂纹的可能性。

结合图示，低功率感应线圈机构6和高功率感应线圈机构7搭配水冷系统8 进行工作。低功率感应线圈机构6连接到第一水冷线缆8-1，高功率感应线圈机构7连接到第二水冷线缆8-2，其中每个缠绕固定感应线圈机构中的中空感应线圈外部通电形成磁场，内部通循环水进行降温。其中，在增材制造打印成型过程中，由于第一水冷电缆和第二水冷电缆采用柔性设计，可实现柔性运动，因而水冷系统处于固定状态。

X向直线运动机构，用于驱动基板5沿着X方向移动。

结合图示，可选地，X向直线运动机构包括第一电机10以及由第一电机驱动的、沿着X方向运动的传送带机构12，传送带机构12可被设置支撑在一支撑装置11内。前述的基板5固定在传送带机构上，如此可随着传送到机构12的移动而在X方向同步运动。

结合图示，第一支撑机构和第二支撑机构沿着X向布置。

第一支撑机构20具有横置在X向直线运动机构上方的第一横梁21，第一基座22设置在第一横梁上并可在第二电机23的驱动下沿着第一横梁21移动。第一固定块26被设置成由第三电机25驱动，并沿着第一基座22的竖直方向的第一导向槽24内移动。

第一固定块26的下方固定有滚轮。结合图示，滚轮包括沿着Y方向纵长方形设置的辊筒28以及支撑辊筒的支架27，支架固定到所述第一固定块26的底部，并与其同步运动。

如此，第一基座被设置成可沿着Y方向移动。第一固定块26被设置成可沿着Z方向移动，从而驱动所述滚轮在Y-Z方向移动，结合基板5在X方向的运动，可实现滚轮对基板上的堆积层的轧压控制。

结合图示，第二支撑机构设置有第二横梁29、第二基座31和第二固定块 33。

矫直装置4设置在第二固定块33的上方，感应加热装置设置在第二固定块 33的下方。

结合图示，第二横梁29横置在X向直线运动机构的上方，第二基座21设置在第二横梁29上并可在第四电机30的驱动下沿着第二横梁移动。第二固定块33被设置成由第五电机32驱动，并沿着第二基座31的竖直方向的第二导向槽内移动。

如此，第二基座31被设置成可沿着Y方向移动，第二固定块被设置可沿着 Z方向移动，从而驱动所述感应加热装置在Y-Z方向移动，结合基板5在X方向的运动，通过协调在X-Y-Z方向的运动，可实现在基板上的三维成型。

如此，结合图示的实施例的打印系统，在对金属丝材或者金属合金丝材感应加热增材制造打印过程中，通过一控制系统例如控制箱200，控制感应加热装置的功率以控制所述金属丝材或者金属合金丝材维持在半固态，在自身重力以及上方丝材推进的作用下，落入基板5上沉积形成堆积层101，继而再驱动基板沿着X方向运动到滚轮下方，控制基板沿着X方向运动与滚轮在Z方向的运动对堆积层复合轧压。

在使用过程中，结合图示以及前述的连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统，利用上述制造系统进行金属/金属合金连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造的过程包括以下步骤：

通沿着设定的路径连续输送金属/金属合金丝材；

对丝材进行矫正；

对丝材进行预热；

对丝材进行加热，使得丝材维持在液固两相间的半固态；

按照逐层打印的方式驱动感应加热装置在Y方向移动以及基板在X方向移动，连续半固态的丝材通过自身重力以及上方丝材推进的作用下，落入基板上沉积形成一层堆积层；

驱动基板沿着X方向移动到滚轮下方，驱动滚轮进行多道次轧压，实现轧压复合；

重复上述堆积层的成型以及轧压，直至完成工件打印。

在优选的实施例中，在每一层轧压过程中，包括至少3道次的轧压处理，单道次轧压变形量为10％以上，总变形量为40％以上。

其中，丝材优选为铝合金丝材、TC4钛合金丝材或者铜合金丝材中的一种。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统，其特征在于，包括：

连续送丝装置，所述连续送丝装置被设置成沿着设定的路径进行输送丝材；

矫直装置，设置在所述路径上，用于矫直输送的丝材；

感应加热装置，所述感应加热装置包括对矫直后的丝材进行预热的低功率感应线圈机构以及对预热后的丝材进行加热的高功率感应线圈机构；

基板，所述基板位于感应加热装置的下方；

X向直线运动机构，用于驱动所述基板沿着X方向移动；

沿着X向布置的第一支撑机构和第二支撑机构；

其中，所述第一支撑机构设置有第一基座、第一固定块以及固定在第一固定块下方的滚轮，所述第一基座被设置成可沿着Y方向移动，所述第一固定块被设置成可沿着Z方向移动，从而驱动所述滚轮在Y-Z方向移动；

所述第二支撑机构设置有第二基座和第二固定块，所述矫直装置设置在第二固定块的上方，所述感应加热装置设置在第二固定块的下方，所述第二基座被设置成可沿着Y方向移动，所述第二固定块被设置可沿着Z方向移动，从而驱动所述感应加热装置在Y-Z方向移动。

2.根据权利要求1所述的连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统，其特征在于，所述基板内设置有加热机构，被设置用于将基板加热到预定温度。

3.根据权利要求1所述的连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统，其特征在于，所述X向直线运动机构包括第一电机以及由第一电机驱动的、沿着X方向运动的传送带机构，所述基板固定在传送带机构上。

4.根据权利要求1所述的连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统，其特征在于，所述滚轮包括沿着Y方向纵长方形设置的辊筒以及支撑辊筒的支架，支架固定到所述第一固定块的底部，并与其同步运动。

5.根据权利要求1所述的连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统，其特征在于，所述第一支撑机构具有横置在X向直线运动机构上方的第一横梁，第一基座设置在第一横梁上并可在第二电机的驱动下沿着第一横梁移动。

6.根据权利要求5所述的连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统，其特征在于，所述第一固定块被设置成由第三电机驱动，并沿着第一基座的竖直方向的第一导向槽内移动。

7.根据权利要求1所述的连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统，其特征在于，所述第二支撑机构具有横置在X向直线运动机构上方的第二横梁，第二基座设置在第二横梁上并可在第四电机的驱动下沿着第二横梁移动。

8.根据权利要求7所述的连续送丝感应加热复合轧压半固态增材制造系统，其特征在于，所述第二固定块被设置成由第五电机驱动，并沿着第二基座的竖直方向的第二导向槽内移动。

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