连续送丝自主感应加热增材制造装置及方法
阅读：577发布：2022-09-20
专利汇可以提供连续送丝自主感应加热增材制造装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种连续送丝自主 感应加热 增材制造 装置及方法，通过 水 平自动运送丝材，尽管矫正朝向运动后，通过感应线圈的预热和融化，使得融滴通过自身重 力 以及上方丝材推进的作用下，落入 基板 上堆积成型形成金属层，而且在金属层堆积过程中，通过第一 电机 、第二电机的运动驱动基板在水平方向运动，使得金属层在基板上熔融成型，通过第三电机的运动驱动基板在竖直方向运动，使得金属层堆积成型，直至完成打印。本发明的连续送丝自主感应加热增材制造装置及方法，在生产实际中能高效地实现 铝 合金 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 铝合金 零部件具有成型 精度 高、综合力学性能优良等优势。，下面是连续送丝自主感应加热增材制造装置及方法专利的具体信息内容。
1.一种连续送丝自主感应加热增材制造装置，其特征在于，包括：
基板，用于提供增材制造金属层的形成基底，并定义了基板水平运动的X-Y轴平面；
第一电机，通过第一传动机构连接到基板，用于驱动基板在水平方向沿着X轴运动；
第二电机，通过第二传动机构连接到基板，用于驱动基板在水平方向沿着Y轴运动；
第三电机，通过第三传动机构与基板连接，用于驱动基板在竖直方向沿着Z轴运动；
丝材运动驱动机构，设置在基板的一侧，具有位于底部的第一基座、固定到第一基座上的竖直支撑机构以及设置在竖直支撑机构顶部的支架，支架大致呈U型，支架所限定的空间内设置有一通过旋转运动来输送丝材的圆柱体驱动机构，该圆柱体驱动机构还被设置用于缠绕丝材；
矫正机构，设置在丝材的输送路径上，用于对从圆柱体驱动机构旋出的丝材进行矫直使得水平向移动变成竖直向下移动；
第一感应线圈，设置在所述矫正机构的下方；
第二感应线圈，设置在所述第一感应线圈的下方，所述第二感应线圈的加热功率大于第一感应线圈的加热功率；
其中，所述丝材运动驱动机构输送的丝材通过所述矫正机构矫正后，先后分别送入第一感应线圈和第二感应线圈进行预热和感应加热熔化，熔融态的金属液滴在自身重力以及上方丝材的推进作用下，连续且均匀的落入到基板上，通过第一电机和第二电机驱动基板的运动，在基板上形成熔融成型的单层的金属层；
并且在增材制造打印过程中，通过第三电机的运动使得基板在竖直方向运动，进行金属层的堆积直至完成打印，金属层堆积成型。
2.根据权利要求1所述的连续送丝自主感应加热增材制造装置，其特征在于，所述矫正机构具有多对矫直辊，每个矫直辊的转动轴线与丝材的竖直传动方向垂直，且每对矫直辊的运动方向相反。
3.根据权利要求1所述的连续送丝自主感应加热增材制造装置，其特征在于，所述第三传动机构包括一固定到基板侧面的具有螺纹孔的耳部以及一穿过所述螺纹孔并螺纹配合的沿竖直方向设置的螺纹杆，所述第三电机的输出端连接至所述螺纹杆并驱动旋转以使得耳部运动，以同步带动基板的竖直方向移动。
4.根据权利要求1所述的连续送丝自主感应加热增材制造装置，其特征在于，所述第一感应线圈和第二感应线圈均由中空感应线圈螺旋组成，第一感应线圈配套设置有第一水冷机，所述第一水冷机通过第一中空铜管连通到第一感应线圈的中空通路形成水冷循环；第二感应线圈配套设置有第二水冷机，所述第二水冷机通过第二中空铜管连通到第二感应线圈的中空通路形成水冷循环。
5.根据权利要求1所述的连续送丝自主感应加热增材制造装置，其特征在于，所述基板上，沿着X方向的两个边缘还分别设置有第一摄像装置和第二摄像装置，其成像镜头均朝向所述金属层。
6.根据权利要求1所述的连续送丝自主感应加热增材制造装置，其特征在于，所述圆柱体驱动机构横置在U形支架内，包括圆柱形外壳以及设置在外壳内的伺服电机、中心横梁以及齿形，齿形朝向圆周方向延伸地与圆柱形外壳固定，中心横梁与圆柱体的共中心轴线，中心横梁的一端固定到圆柱形外壳，另一端固定伺服电机，伺服电机的输出轴通过齿轮与齿形啮合，以通过输出轴的旋转驱动圆柱体外壳旋转。
7.一种基于前述权利要求1-6中任意一项的连续送丝自主感应加热增材制造装置的连续送丝自主感应加热增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：
真空环境的抽取与保持，包括对连续送丝自主感应加热增材制造装置所处的环境进行抽真空，直到真空度低于10-2Pa，然后冲入惰性气体，并监测氧含量；
控制伺服电机运行，使得缠绕在丝材运动驱动机构上的丝材匀速朝前运动，进入矫正机构；
通过矫正机构对丝材的矫正，使得丝材的运动方向由水平向前转变为垂直向下，保证丝材熔化形成的熔滴与丝材之间有相同的运动方向；
垂直向下运动的丝材通过低功率的第一感应线圈进行预热，加热工作功率为300W-
1500W，丝材的温度控制在300℃-350℃；
经预热后的丝材通过高功率的第二感应线圈进行熔融，其加热工作功率为600W-
2500W，熔滴的温度控制在700℃-900℃；第二感应线圈的加热功率大于第一感应线圈的加热功率；
连续熔融态的液滴通过自身重力以及上方丝材推进的作用下，落入基板上堆积成型，其中基板的温度通过预热控制在250℃-350℃，并且：在金属层堆积过程中，通过第一电机、第二电机的运动驱动基板在水平方向运动，使得金属层在基板上熔融成型，通过第三电机的运动驱动基板在竖直方向运动，使得金属层堆积成型，直至完成打印。
8.根据权利要求7所述的连续送丝自主感应加热增材制造方法，其特征在于，所述方法更加包含：
在打印过程中，利用基板两侧的摄像装置同时监测金属层堆积成型过程。
9.根据权利要求7所述的连续送丝自主感应加热增材制造方法，其特征在于，所述方法中，矫正装置中矫正辊运动的线速度与丝材运动驱动机构输送的丝材朝前运动速度保持一致，控制在1500-3000mm/min。
10.权利要求7-9任一项所述的连续送丝自主感应加热增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法中所使用的丝材为铝合金丝材。
连续送丝自主感应加热增材制造装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及增材制造领域，具体而言涉及一种连续送丝自主感应加热增材制造装置及方法。
背景技术
[0002] 铝合金具有比强度高、耐腐蚀性强、传热性能好等优势，现已被广泛应用于汽车、航空航天、电子器件等领域。传统的减材加工制造方法会对铝合金原材料造成极大的浪费，同时受限于难以加工获得形状复杂的铝合金构件，导致铝合金零件的生产具有设计周期长以及加工成本高两大劣势，越来越难以满足当今市场的要求。而增材制造方法则依据三维CAD模型，采用层层叠加的制备方式而轻而易举的获得形状复杂的铝合金零件，同时能大幅度提高对铝合金原材料的利用率，起到缩短设计周期以及降低生产成本的两大作用，具有无可比拟的应用前景。
[0003] 现阶段铝合金增材制造技术所采用的热源主要包括以下三类：激光、电子束和电弧。其中激光作为热源是一种常见的手段，中国专利CN201710787444.8中提出了一种铝合金双丝激光增材制造方法，虽然采取利用一束激光使两根焊丝同时熔化进行增材制造来提高生产率，但是考虑到铝合金对激光具有较高的反射率(通常超过80％)，而铝合金本身又具有良好的导热性，因此造成铝合金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一种不错的方法，中国专利CN201610478786.7中提出了一种电子束熔丝增材制造设备，能有效避免对电子束能量的反射，使得成型速率快，但是其需要严苛的真空环境，对设备和工艺条件要求较高，成型某些大型特定结构时往往受到限制，导致原料成本及时间成本均较高。而电弧增材制造技术则是另一种常见的方法，中国专利CN201610564531.2中提出了一种铝合金构件的电弧3D打印方法，具有成型设备简单及成型效率较高的特点，但是电弧自身的稳定性较差，成型过程往往难以控制，导致熔融堆积层经常出现塌陷等问题，造成成型质量和成型精度均较差，难以满足铝合金零部件的成型要求。
[0004] 因此，如何高效且低成本的成型制备出高质量的铝合金零部件，已成为当前亟需解决的关键性技术问题。
发明内容
[0005] 本发明目的在于提供一种连续送丝自主感应加热增材制造装置及方法，高效地实现铝合金零部件的自动化生产。
[0006] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0007] 一种连续送丝自主感应加热增材制造装置，包括：
[0009] 第一电机，通过第一传动机构连接到基板，用于驱动基板在水平方向沿着X轴运动；
[0010] 第二电机，通过第二传动机构连接到基板，用于驱动基板在水平方向沿着Y轴运动；
[0011] 第三电机，通过第三传动机构与基板连接，用于驱动基板在竖直方向沿着Z轴运动；
[0012] 丝材运动驱动机构，设置在基板的一侧，具有位于底部的第一基座、固定到第一基座上的竖直支撑机构以及设置在竖直支撑机构顶部的支架，支架大致呈U型，支架所限定的空间内设置有一通过旋转运动来输送丝材的圆柱体驱动机构，该圆柱体驱动机构还被设置用于缠绕丝材；
[0013] 矫正机构，设置在丝材的输送路径上，用于对从圆柱体驱动机构旋出的丝材进行矫直使得水平向移动变成竖直向下移动；
[0014] 第一感应线圈，设置在所述矫正机构的下方；
[0015] 第二感应线圈，设置在所述第一感应线圈的下方，所述第二感应线圈的加热功率大于第一感应线圈的加热功率；
[0016] 其中，所述丝材运动驱动机构输送的丝材通过所述矫正机构矫正后，先后分别送入第一感应线圈和第二感应线圈进行预热和感应加热熔化，熔融态的金属液滴在自身重力以及上方丝材的推进作用下，连续且均匀的落入到基板上，通过第一电机和第二电机驱动基板的运动，在基板上形成熔融成型的单层的金属层；
[0017] 并且在增材制造打印过程中，通过第三电机的运动使得基板在竖直方向运动，进行金属层的堆积直至完成打印，金属层堆积成型。
[0018] 进一步的，所述矫正机构具有多对矫直辊，每个矫直辊的转动轴线与丝材的竖直传动方向垂直，且每对矫直辊的运动方向相反。
[0019] 进一步的，所述第三传动机构包括一固定到基板侧面的具有螺纹孔的耳部以及一穿过所述螺纹孔并螺纹配合的沿竖直方向设置的螺纹杆，所述第三电机的输出端连接至所述螺纹杆并驱动旋转以使得耳部运动，以同步带动基板的竖直方向移动。
[0020] 进一步的，所述第一感应线圈和第二感应线圈均由中空感应线圈螺旋组成，第一感应线圈配套设置有第一水冷机，所述第一水冷机通过第一中空铜管连通到第一感应线圈的中空通路形成水冷循环；第二感应线圈配套设置有第二水冷机，所述第二水冷机通过第二中空铜管连通到第二感应线圈的中空通路形成水冷循环。
[0021] 进一步的，所述基板上，沿着X方向的两个边缘还分别设置有第一摄像装置和第二摄像装置，其成像镜头均朝向所述金属层。
[0022] 进一步的，所述圆柱体驱动机构横置在U形支架内，包括圆柱形外壳以及设置在外壳内的伺服电机、中心横梁以及齿形，齿形朝向圆周方向延伸地与圆柱形外壳固定，中心横梁与圆柱体的共中心轴线，中心横梁的一端固定到圆柱形外壳，另一端固定伺服电机，伺服电机的输出轴通过齿轮与齿形啮合，以通过输出轴的旋转驱动圆柱体外壳旋转。
[0023] 根据本发明的改进，还提出一种基于前述连续送丝自主感应加热增材制造装置的连续送丝自主感应加热增材制造方法，所述方法包括：
[0025] 控制伺服电机运行，使得缠绕在丝材运动驱动机构上的丝材匀速朝前运动，进入矫正机构；
[0026] 通过矫正机构对丝材的矫正，使得丝材的运动方向由水平向前转变为垂直向下，保证丝材熔化形成的熔滴与丝材之间有相同的运动方向；
[0028] 经预热后的丝材通过高功率的第二感应线圈进行熔融，其加热工作功率为600W-2500W，熔滴的温度控制在700℃-900℃；第二感应线圈的加热功率大于第一感应线圈的加热功率；
[0029] 连续熔融态的液滴通过自身重力以及上方丝材推进的作用下，落入基板上堆积成型，其中基板的温度通过预热控制在250℃-350℃，并且：在金属层堆积过程中，通过第一电机、第二电机的运动驱动基板在水平方向运动，使得金属层在基板上熔融成型，通过第三电机的运动驱动基板在竖直方向运动，使得金属层堆积成型，直至完成打印。
[0030] 进一步的，所述方法更加包含：
[0031] 在打印过程中，利用基板两侧的摄像装置同时监测金属层堆积成型过程。
[0032] 进一步的，矫正装置中矫正辊运动的线速度与丝材运动驱动机构输送的丝材朝前运动速度保持一致，控制在1500-3000mm/min。
[0033] 进一步的，所述增材制造方法中所使用的丝材为铝合金丝材。
[0034] 与传统的铝合金增材制造方法相比，本发明的显著有点在于：
[0035] (1)本发明采用感应加热作为丝材，尤其是铝合金丝材的熔化热源，丝材对热源能量的吸收利用率高，起到降低能耗及提高铝合金零件生产效率的作用；
[0037] (3)本发明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铝合金零部件的制备，同时也能保证零件尺寸和粗糙度的精确控制；
[0038] (4)本发明制备的铝合金零部件具有合金化学成分稳定，综合力学性能优良等优势；
[0039] (5)本发明的连续送丝自主感应加热增材制造装置及方法，在生产实际中能高效地实现铝合金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，同时能保证成型的铝合金零部件具有成型精度高、综合力学性能优良等优势。
[0040] 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发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
[0041] 结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明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，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
[0042] 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发明的各个方面的实施例，其中：
[0043] 图1是本发明实施例所提供的连续送丝自主感应加热增材制造装置的示意图。
[0044] 图2是本发明实施例所提供的中空感应线圈的示意图
[0045] 图3是本发明实施例所提供的圆柱体驱动机构的示意图。
[0046] 附图中每个附图标记的含义如下：
[0047] 10、基板；11、第一电机；12、第二电机；13、第三电机；14A、耳部；14B、螺纹杆；15、第一基座；16、数字支撑装置；17、支架；18、丝材运动驱动机构；19、矫正机构；20、第一感应线圈；22、第一水冷机；23、第一中空铜管；24、第二水冷机；25、第二中空铜管；26、摄像装置；30、第二感应线圈；31、圆柱形外壳；32、伺服电机；33、中心横梁34、齿形；100、丝材；200、金属层。
具体实施方式
[0048] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0049] 在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，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发明的所有方面。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，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
[0050] 结合图示，结合本发明的实施例所提供的连续送丝自主感应加热增材制造装置，通过水平自动运送丝材，尽管矫正朝向运动后，通过感应线圈的预热和融化，使得融滴通过自身重力以及上方丝材推进的作用下，落入基板上堆积成型形成金属层，而且在金属层堆积过程中，通过第一电机、第二电机的运动驱动基板在水平方向运动，使得金属层在基板上熔融成型，通过第三电机的运动驱动基板在竖直方向运动，使得金属层堆积成型，直至完成打印。
[0051] 结合图1所示，在整个装置进行增材制造过程中，装置整体抽真空并达到一定真空度后，充入高纯度的惰性气体进行保护，固定在丝材运动驱动机构上的丝材100(尤其是金属丝材、合金丝材)借助圆柱体驱动机构(内含伺服电机32)的圆周运动而匀速前进，经由矫正后变为垂直向下运动，随后丝材通过低功率感应预热(感应线圈20、搭配第一水冷机22)进行预热，预热后处于一定温度的丝材经过下方的高功率感应加热(感应线圈30、搭配第二水冷机24)后进行熔化，熔融态的合金液滴在自身重力以及上方丝材的推进作用下，连续且均匀的落入到基板10上。
[0052] 在单层金属层200形成过程中，第一电机11和第二电机12的圆周运动实现基板的水平方向移动；第三电机的圆周运动实现基板的竖直方向移动。依靠此种方法来完成金属堆积层的成型。在增材制造过程中，实时通过摄像装置26(如CCD)来观察熔融成型金属层的成型过程。
[0053] 如图1示出了示例性的连续送丝自主感应加热增材制造装置的可选的实现方案。在该示例的装置中，包括了一个基板10，用于提供增材制造金属层的形成基底，并定义了基板水平运动的X-Y轴平面。
[0054] 如图1，第一电机11，通过第一传动机构连接到基板，用于驱动基板在水平方向沿着X轴运动。
[0055] 第二电机12，通过第二传动机构连接到基板，用于驱动基板在水平方向沿着Y轴运动；
[0056] 第三电机13，通过第三传动机构与基板连接，用于驱动基板在竖直方向沿着Z轴运动。
[0057] 应当理解，在本发明的实现过程中，第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构可以采用现有技术中的电机旋转力驱动结构来实现，例如通过丝杠移动副来实现。如图1所示，示例性的表达了其中一个示例。第三传动机构包括一固定到基板10的侧面的具有螺纹孔的耳部14A以及一穿过所述螺纹孔并螺纹配合的沿竖直方向设置的螺纹杆14B，第三电机13的输出端连接至螺纹杆14B，并驱动旋转以使得耳部14B运动，通过耳部的运动以同步带动基板10的竖直方向移动。
[0058] 本发明的实现中，第一电机11、第二电机12、第三电机13以及对应的传动机构构成基板的三维协调运动的驱动机构，在增材制造过程中驱动基板平面和竖直方向的运动，实现单层金属层的沉积和金属层的堆积。
[0059] 丝材运动驱动机构，设置在基板10的一侧，具有位于底部的第一基座15、固定到第一基座上的竖直支撑机构16以及设置在竖直支撑机构顶部的支架17。
[0060] 支架17大致呈U型，支架所限定的空间内设置有一通过旋转运动来输送丝材的圆柱体驱动机构18，该圆柱体驱动机构还被设置用于缠绕丝材100。
[0061] 矫正机构19，设置在丝材100的输送路径上，用于对从圆柱体驱动机构18旋出的丝材进行矫直使得水平向移动变成竖直向下移动，如图1所示。
[0062] 第一感应线圈20，设置在矫正机构19的下方。
[0063] 第二感应线圈30，设置在第一感应线圈20的下方。
[0064] 第二感应线圈的加热功率大于第一感应线圈的加热功率。
[0065] 结合图1所示，丝材运动驱动机构输送的丝材100通过矫正机构19矫正后，先后分别送入第一感应线圈20和第二感应线圈30分别进行预热和感应加热熔化，熔融态的金属液滴在自身重力以及上方丝材的推进作用下，连续且均匀的落入到基板10上，通过第一电机11和第二电机12驱动基板10的运动，在基板上形成熔融成型的单层的金属层200，同时通过第三电机13的运动使得基板10在竖直方向运动，进行金属层的堆积直至完成打印，金属层堆积成型。
[0066] 结合图1，矫正机构具有多对矫直辊19A，每个矫直辊19A的转动轴线与丝材的竖直传动方向垂直，且每对矫直辊的运动方向相反。优选的，矫直辊19A的转动线速度与圆柱体驱动机构18输送丝材100的速度一致。
[0067] 第一感应线圈20和第二感应线圈30均由中空感应线圈螺旋组成，结合图1、图2，第一感应线圈20配套设置有第一水冷机22，所述第一水冷机22通过第一中空铜管23连通到第一感应线圈的中空通路形成水冷循环。第二感应线圈30配套设置有第二水冷机24，所述第二水冷机通过第二中空铜管25连通到第二感应线圈的中空通路形成水冷循环。如此，在中空感应线圈的外部通电形成磁场，对丝材进行加热，内部通循环水进行降温。
[0068] 所述基板10上，沿着X方向的两个边缘还分别设置有摄像装置26，分别为第一摄像装置和第二摄像装置，其成像镜头均朝向所述金属层。优选的，摄像装置26采用CCD摄像装置用于实时观察熔融成型金属层的成型过程。
[0069] 结合图1、图3，所述圆柱体驱动机构横置在U形的支架内，包括圆柱形外壳31以及设置在外壳内的伺服电机32、中心横梁33以及齿形34，齿形朝向圆周方向延伸地与圆柱形外壳固定，中心横梁与圆柱体的共中心轴线，中心横梁的一端固定到圆柱形外壳，另一端固定伺服电机，伺服电机的输出轴通过齿轮与齿形啮合，以通过输出轴的旋转驱动圆柱体外壳旋转。
[0070] 根据本发明的公开，还提出一种基于前述连续送丝自主感应加热增材制造装置的连续送丝自主感应加热增材制造方法，所述方法包括：
[0071] 真空环境的抽取与保持，包括对连续送丝自主感应加热增材制造装置所处的环境进行抽真空，直到真空度低于10-2Pa，然后冲入惰性气体，并监测氧含量；
[0072] 控制伺服电机运行，使得缠绕在丝材运动驱动机构上的丝材匀速朝前运动，进入矫正机构；
[0073] 通过矫正机构对丝材的矫正，使得丝材的运动方向由水平向前转变为垂直向下，保证丝材熔化形成的熔滴与丝材之间有相同的运动方向；
[0074] 垂直向下运动的丝材通过低功率的第一感应线圈进行预热，加热工作功率为300W-1500W，丝材的温度控制在300℃-350℃；
[0075] 经预热后的丝材通过高功率的第二感应线圈进行熔融，其加热工作功率为600W-2500W，熔滴的温度控制在700℃-900℃；第二感应线圈的加热功率大于第一感应线圈的加热功率；
[0076] 连续熔融态的液滴通过自身重力以及上方丝材推进的作用下，落入基板上堆积成型，其中基板的温度通过预热控制在250℃-350℃，并且：在金属层堆积过程中，通过第一电机、第二电机的运动驱动基板在水平方向运动，使得金属层在基板上熔融成型，通过第三电机的运动驱动基板在竖直方向运动，使得金属层堆积成型，直至完成打印。
[0077] 进一步的，所述方法更加包含：
[0078] 在打印过程中，利用基板两侧的摄像装置同时监测金属层堆积成型过程。
[0079] 进一步的，矫正装置中矫正辊运动的线速度与丝材运动驱动机构输送的丝材朝前运动速度保持一致，控制在1500-3000mm/min。
[0080] 进一步的，所述增材制造方法中所使用的丝材为铝合金丝材。
[0081] 下面将结合本发明实施例中的附图，分别从6061铝合金、4047铝合金、2319铝合金和4043铝合金四种铝合金丝材的角度，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。
[0082] 【实施例1】
[0083] 首先，对铝合金增材制造设备整体抽真空及充入惰性保护气体。开启机械预抽泵对设备进行预抽，待真空计指示系统压力小于200Pa后，开启罗茨泵继续对设备进行真空抽取，直到设备内压力值小于5Pa。随后依次关闭机械预抽泵和罗茨泵，然后开启扩散泵进行高真空抽取，待设备真空度低于10-2Pa后，关闭扩散泵，完成设备的整体抽真空，抽真空时间为15min(要求控制在20min以内)。随后向设备中充入99.999％高纯度惰性气体氩气进行保护，此过程中通过氧分仪时时测量设备内腔中的氧含量，确保氧含量控制在100ppm以内。
[0084] 其次，固定在圆柱体上的6061铝合金丝材借助圆柱体的匀速圆周运动而均匀稳定的朝前进。此6061铝合金丝材的截面直径为1.0mm，化学成分为：0.34％铜、0.94％镁、0.73％硅、0.72％铁，其余为铝和少量其他合金化元素。丝材朝前匀速运动的速率为
1500mm/min。
1500mm/min。
[0085] 随后，6061铝合金丝材通过矫正装置的作用，使得丝材的运动方向由水平向前转变为垂直向下，保证丝材熔化形成的熔滴与丝材之间有相同的运动方向，为后续成型件的高质量提供保证。其中，矫正装置中辊轮运动的线速度维持在1500mm/min。
[0086] 然后，垂直向下运动的6061铝合金丝材通过低功率感应预热装置进行预热，此预热装置的工作功率为350W，丝材的温度控制在300℃左右，装置内壁的温度传感系统和控制系统时刻测量预热装置内温度并通过调节感应加热功率来保证丝材温度满足要求。铝合金材料由于导热系数较大，同时丝材的横截面积较小，导致丝材极易由于热辐射和热传递作用出现较大的温度梯度，致使材料内部出现组织不均一性以及热裂纹等现象。因此采用预热铝合金丝材的方法来调整丝材内部的温度分布，改善组织均匀性，降低缺陷形成的可能性；另外预热也能提高铝合金对热源能量的吸收率，为后续充分利用高功率感应加热熔化装置的能量提供必要条件。
[0087] 后续，经预热后的6061铝合金丝材通过高功率感应加热装置进行熔融，此熔化装置的工作功率为650W，装置内壁同样安装有温度传感系统和控制系统来保证铝合金熔滴的温度控制在850℃左右。由于感应加热的方式不需要利用丝材自身的电阻产热，因而特别适合铝合金这种低电阻率的金属丝材；同时铝合金对感应加热产生的能量不具有反射作用，对热源能量的吸收利用率较高，而铝合金丝材的预热无疑为熔滴温度的稳定提供了保证。在此温度下，满足了金属液流100～250℃过热度的最佳要求，保证了金属熔滴连续且稳定的流动；同时也降低了对低熔点铝元素的烧损作用，使得成型件的化学成分更加均匀和稳定。
[0088] 最后，连续熔融态的6061铝合金液滴通过自身重力以及上方丝材推进的作用下，落入基板上沉积成型。基板温度通过预热控制在300℃左右，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。此过程中通过基板、6061铝合金丝材以及伺服电机的三维协调运动可实现复杂6061铝合金零部件水平及垂直方向的精密成型，同时利用基板两侧的CCD摄像装置时时监测沉积成型过程。
[0089] 所成型的6061铝合金零部件的合金成分为0.35％铜、0.91％镁、0.78％硅、0.71％铁，其余为铝和少量其他合金化元素，满足目标铝合金的化学成分要求。分别测试三组截取样品的表面粗糙度、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，进行对比，结果见表1。
[0090] 表1-实施例1数据
[0091]项目 表面粗糙度(mm) 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 断后伸长率(％)
实施例1 0.16 305 251 22.4
普通成型件 0.21 272 215 17.1
实施例1 0.16 305 251 22.4
普通成型件 0.21 272 215 17.1
[0092] 【实施例2】
[0093] 首先，对铝合金增材制造设备整体抽真空及充入惰性保护气体。开启机械预抽泵对设备进行预抽，待真空计指示系统压力小于200Pa后，开启罗茨泵继续对设备进行真空抽取，直到设备内压力值小于5Pa。随后依次关闭机械预抽泵和罗茨泵，然后开启扩散泵进行高真空抽取，待设备真空度低于10-2Pa后，关闭扩散泵，完成设备的整体抽真空，抽真空时间为12min(要求控制在20min以内)。随后向设备中充入99.999％高纯度惰性气体氮气进行保护，此过程中通过氧分仪时时测量设备内腔中的氧含量，确保氧含量控制在100ppm以内。
[0094] 其次，固定在圆柱体上的4047铝合金丝材借助圆柱体的匀速圆周运动而均匀稳定的朝前进。此4047铝合金丝材的截面直径为1.2mm，化学成分为：12.2％硅、0.48％铁、0.26％铜，其余为铝和少量其他合金化元素。丝材朝前匀速运动的速率为2000mm/min。
[0095] 随后，4047铝合金丝材通过矫正装置的作用，使得丝材的运动方向由水平向前转变为垂直向下。其中，矫正装置中辊轮运动的线速度维持在2000mm/min。
[0096] 然后，垂直向下运动的4047铝合金丝材通过低功率感应预热装置进行预热，此预热装置的工作功率为500W，丝材的预热温度控制在300℃左右，装置内壁的温度传感系统和控制系统时刻测量预热装置内温度并通过调节感应加热功率来保证丝材预热温度满足要求。
[0097] 后续，经预热后的4047铝合金丝材通过高功率感应加热装置进行熔融，此熔化装置的工作功率为850W，装置内壁同样安装有温度传感系统和控制系统来保证铝合金熔滴的温度控制在800℃左右。在此温度下，既满足了金属液流连续且稳定流动的过热度要求；又保证了尽量减少低熔点铝元素的烧损作用，使得成型件的化学成分更加均匀和稳定。
[0098] 最后，连续熔融态的4047铝合金液滴通过自身重力以及上方丝材推进的作用下，落入基板上沉积成型。基板温度通过预热控制在300℃左右，以防止成型件内部由于较大温度梯度而出现微裂纹等缺陷。此过程中通过基板、4047铝合金丝材以及伺服电机的三维协调运动可实现复杂4047铝合金零部件水平及垂直方向的精密成型，同时利用基板两侧的CCD摄像装置时时监测沉积成型过程。
[0099] 所成型的4047铝合金零部件的合金成分为12.5％硅、0.51％铁、0.25％铜，其余为铝和少量其他合金化元素，满足目标铝合金的化学成分要求。分别测试三组截取样品的表面粗糙度、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，进行对比，结果见表2。
[0100] 表2-实施例2数据
[0101]项目 表面粗糙度(mm) 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 断后伸长率(％)
实施例2 0.19 189 84 19.6
普通成型件 0.23 151 78 17.8
实施例2 0.19 189 84 19.6
普通成型件 0.23 151 78 17.8
[0102] 【实施例3】
[0103] 首先，对铝合金增材制造设备整体抽真空及充入惰性保护气体。开启机械预抽泵对设备进行预抽，待真空计指示系统压力小于200Pa后，开启罗茨泵继续对设备进行真空抽取，直到设备内压力值小于5Pa。随后依次关闭机械预抽泵和罗茨泵，然后开启扩散泵进行高真空抽取，待设备真空度低于10-2Pa后，关闭扩散泵，完成设备的整体抽真空，抽真空时间为13min(要求控制在20min以内)。随后向设备中充入99.999％高纯度惰性气体氩气进行保护，此过程中通过氧分仪时时测量设备内腔中的氧含量，确保氧含量控制在100ppm以内。
[0104] 其次，固定在圆柱体上的2319铝合金丝材借助圆柱体的匀速圆周运动而均匀稳定的朝前进。此2319铝合金丝材的截面直径为1.5mm，化学成分为：6.2％铜、0.32％锰、0.25％锌，0.24％铁，其余为铝和少量其他合金化元素。丝材朝前匀速运动的速率为2500mm/min。
[0105] 随后，2319铝合金丝材通过矫正装置的作用，使得丝材的运动方向由水平向前转变为垂直向下。其中，矫正装置中辊轮运动的线速度维持在2500mm/min。
[0106] 然后，垂直向下运动的2319铝合金丝材通过低功率感应预热装置进行预热，此预热装置的工作功率为800W，丝材的预热温度控制在300℃左右，装置内壁的温度传感系统和控制系统时刻测量预热装置内温度并通过调节感应加热功率来保证丝材预热温度满足要求。
[0107] 后续，经预热后的2319铝合金丝材通过高功率感应加热装置进行熔融，此熔化装置的工作功率为1300W，装置内壁同样安装有温度传感系统和控制系统来保证铝合金熔滴的温度控制在780℃左右。在此温度下，既满足了金属液流连续且稳定流动的过热度要求；又保证了尽量减少低熔点铝元素的烧损作用，使得成型件的化学成分更加均匀和稳定。
[0108] 最后，连续熔融态的2319铝合金液滴通过自身重力以及上方丝材推进的作用下，落入基板上沉积成型。基板温度通过预热控制在300℃左右，以防止成型件内部由于较大温度梯度而出现微裂纹等缺陷。此过程中通过基板、2319铝合金丝材以及伺服电机的三维协调运动可实现复杂2319铝合金零部件水平及垂直方向的精密成型，同时利用基板两侧的CCD摄像装置时时监测沉积成型过程。
[0109] 所成型的2319铝合金零部件的合金成分为6.5％铜、0.30％锰、0.27％锌，0.27％铁，其余为铝和少量其他合金化元素，满足目标铝合金的化学成分要求。分别测试三组截取样品的表面粗糙度、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，进行对比，结果见表3。
[0110] 表3-实施例3数据
[0111]项目 表面粗糙度(mm) 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 断后伸长率(％)
实施例3 0.23 260 127 12.4
普通成型件 0.26 197 101 8.9
实施例3 0.23 260 127 12.4
普通成型件 0.26 197 101 8.9
[0112] 【实施例4】
[0113] 首先，对铝合金增材制造设备整体抽真空及充入惰性保护气体。开启机械预抽泵对设备进行预抽，待真空计指示系统压力小于200Pa后，开启罗茨泵继续对设备进行真空抽取，直到设备内压力值小于5Pa。随后依次关闭机械预抽泵和罗茨泵，然后开启扩散泵进行高真空抽取，待设备真空度低于10-2Pa后，关闭扩散泵，完成设备的整体抽真空，抽真空时间为12min(要求控制在20min以内)。随后向设备中充入99.999％高纯度惰性气体氮气进行保护，此过程中通过氧分仪时时测量设备内腔中的氧含量，确保氧含量控制在100ppm以内。
[0114] 其次，固定在圆柱体上的4043铝合金丝材借助圆柱体的匀速圆周运动而均匀稳定的朝前进。此4043铝合金丝材的截面直径为2.0mm，化学成分为：5.6％硅、0.68％铁、0.21％铜，0.12％钛，其余为铝和少量其他合金化元素。丝材朝前匀速运动的速率为3000mm/min。
[0115] 随后，4043铝合金丝材通过矫正装置的作用，使得丝材的运动方向由水平向前转变为垂直向下。其中，矫正装置中辊轮运动的线速度维持在3000mm/min。
[0116] 然后，垂直向下运动的4043铝合金丝材通过低功率感应预热装置进行预热，此预热装置的工作功率为1250W，丝材的预热温度控制在300℃左右，装置内壁的温度传感系统和控制系统时刻测量预热装置内温度并通过调节感应加热功率来保证丝材预热温度满足要求。
[0117] 后续，经预热后的4043铝合金丝材通过高功率感应加热装置进行熔融，此熔化装置的工作功率为2100W，装置内壁同样安装有温度传感系统和控制系统来保证铝合金熔滴的温度控制在810℃左右。在此温度下，既满足了金属液流连续且稳定流动的过热度要求；又保证了尽量减少低熔点铝元素的烧损作用，使得成型件的化学成分更加均匀和稳定。
[0118] 最后，连续熔融态的4043铝合金液滴通过自身重力以及上方丝材推进的作用下，落入基板上沉积成型。基板温度通过预热控制在300℃左右，以防止成型件内部由于较大温度梯度而出现微裂纹等缺陷。此过程中通过基板、4043铝合金丝材以及伺服电机的三维协调运动可实现复杂4043铝合金零部件水平及垂直方向的精密成型，同时利用基板两侧的CCD摄像装置时时监测沉积成型过程。
[0119] 所成型的4043铝合金零部件的合金成分为5.8％硅、0.72％铁、0.20％铜，0.13％钛，其余为铝和少量其他合金化元素，满足目标铝合金的化学成分要求。分别测试三组截取样品的表面粗糙度、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，进行对比，结果见表4。
[0120] 表4-实施例4数据
[0121]项目 表面粗糙度(mm) 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 断后伸长率(％)
实施例4 0.26 178 93 23.8
普通成型件 0.31 148 75 21.2
实施例4 0.26 178 93 23.8
普通成型件 0.31 148 75 21.2
[0122] 实施例数据表1-4中表面粗糙度值用于评价铝合金样品尺寸精度的优劣，表面粗糙度值越低表示尺寸精度越高。抗拉强度值、屈服强度值以及断后伸长率值共同用于评价铝合金样品综合力学性能的好坏，抗拉强度值、屈服强度值以及断后伸长率值越大表示综合力学性能越好。
[0123] 对比上述表1-4的测试结果以及上述示例1-4的实施过程，实施例中四种铝合金试样在表面粗糙度值、抗拉强度值、屈服强度值和断后伸长率四个参数上都明显优于相对应的普通成型件，表明通过以上方法和装置制得的铝合金零部件具有尺寸精度高、综合力学性能优良的特点。这是因为本发明中采用感应加热作为热源，同时辅以温度反馈控制系统来严格控制铝合金丝材熔滴的温度，不仅起到提高铝合金丝材对热源能量利用率的作用，同时在保证熔滴连续稳定流动的过热度要求下，还尽量减少了合金元素的烧损作用，提高了合金试样的化学成分稳定性。而感应加热预热过程的引入在保证铝合金丝材较高能量利用率的前提下，降低了丝材内部的温度梯度，为得到综合力学性能优良的铝合金样品提供了必要条件。另外基板和丝材的三维协调运动为铝合金零部件的高精度提供了保证。最终成型出高质量的铝合金零部件。
[0124] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
惰齿轮热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈