微重力金属熔丝增材熔体定向转移及液桥过渡保持装置及方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202411591603.3 | 申请日 | 2024-11-08 |
| 公开(公告)号 | CN119387754A | 公开(公告)日 | 2025-02-07 |
| 申请人 | 中国科学院力学研究所; | 申请人类型 | 科研院所 |
| 发明人 | 何秀丽; 边艳华; 虞钢; 姜恒; 李少霞; 田崇鑫; | 第一发明人 | 何秀丽 |
| 权利人 | 中国科学院力学研究所 | 权利人类型 | 科研院所 |
| 当前权利人 | 中国科学院力学研究所 | 当前权利人类型 | 科研院所 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：北京市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：北京市海淀区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：北京市海淀区北四环西路15号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：100190 |
| 主IPC国际分类 | B23K9/04 | 所有IPC国际分类 | B23K9/04 ; B23K9/133 ; B23K9/173 ; B23K9/32 ; B33Y10/00 ; B33Y40/00 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京科迪生专利代理有限责任公司 | 专利代理人 | 李薇; |
| 摘要 | 本 发明 提供一种微重 力 金属熔丝增材熔体定向转移及液桥过渡保持装置及方法，成形 基板 安装在多轴运动平台上；多轴运动平台根据 增材制造 中的三维数据定制三维运动轨迹路径；2个 电流 夹分别固定在金属丝材和成形基板之间，通过直流电源在金属丝材和成形基板之间形成电流通路，同时在电流通路中 串联 电流表；金属丝材的周向布置电磁线圈，导磁棒与电磁线圈连接，并分布在金属丝材的端部两侧对称 位置 ；交流电源为电磁线圈提供交变 电场 ； 送丝机 构及驱动 电机 定量定速地将金属丝材送至激 光源 发射的光斑的作用范围内；激光作用在成形基板上，在成形基板上形成液态熔池；金属丝材和成形基板通过液态熔体形成液桥连接模式。本发明能够减小构件的气孔 缺陷 。 | ||
| 权利要求 | 1.微重力金属熔丝增材熔体定向转移及液桥过渡保持装置，其特征在于，包括多轴运动平台、成形基板、工控系统、激光源、金属丝盘、送丝机构及驱动电机、绝缘套、同轴送丝送气管、金属丝材角度调节结构、金属丝材压紧机构、气管加热装置、直流电源、电流夹、电流表、保护气、精密气体流量计、电磁线圈、导磁头、电磁线圈固定架、交流电源；成形基板安装在多轴运动平台上；多轴运动平台根据增材制造中的三维数据定制三维运动轨迹路径；2个电流夹分别固定在金属丝材和成形基板上，通过直流电源在金属丝材和成形基板之间形成电流通路，同时在电流通路中串联电流表；金属丝材的周向布置电磁线圈，导磁棒与电磁线圈连接，并分布在金属丝材的端部两侧对称位置，电磁线圈通过电磁线圈固定架与同轴送丝送气管固定连接；交流电源为电磁线圈提供交变电场，从而在金属丝材的端部附近产生交变磁场；送丝机构及驱动电机定量定速地将金属丝材送至激光源发射的光斑的作用范围内；所述激光源发射的激光作用在金属丝材的端部范围内，在金属丝材的端部形成液态熔体；同时，激光作用在成形基板上，在成形基板上形成液态熔池；金属丝材和成形基板通过液态熔体形成液桥连接模式。 |
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| 说明书全文 | 微重力金属熔丝增材熔体定向转移及液桥过渡保持装置及方法 技术领域背景技术[0002] 微重力下金属熔丝增材制造为太空环境下原位制造最有效的方式之一。在太空环‑2 ‑5境下微重力水平达到10 g 10 g，由重力引起的流动行为几乎消失，因此，微重力环境下流~ 体的流动行为与地面环境迥异。在熔丝增材制造工艺中，金属丝材进入基板熔池的方式是影响成形性的关键因素之一，直接决定着成形件表面形貌和力学性能。在地面熔丝增材制造过程中，丝材与熔池之间的过渡方式主要为液桥过渡和液滴过渡。当填充金属丝以熔化液滴的形式过渡到熔池时，工艺过程的稳定性受到强烈干扰，导致成形质量不佳；另外，熔滴在无重力约束条件下，表面张力成为驱动液滴转移的主要驱动力。无重力约束的液滴可能出现沿丝回爬，从而无法定向输运到熔池。进一步，滴液沿丝回爬会堵塞送丝喷嘴，导致成形失败。在液桥过渡模式下，丝材端部很小距离范围内出现熔化，金属丝通过熔体可以连续不断进入熔池。另外，液桥过渡模式下，熔体进入熔池的过程不会对熔池产生额外的冲击，确保熔池和成形工艺过程的稳定性。因此，微重力环境下熔丝增材工艺中如何保持金属丝材与熔池之间的液桥过渡模式并维持液桥稳定是决定成形成功与否、成形质量的关键因素。 [0003] 由于制造过程中气体卷入或析出气体不能及时从熔池中排出等原因，在增材制造构件内部不可避免的会产生气孔缺陷。然而，在微重力环境下，由于流体无重力约束，导致熔池内部的气体停留在熔体内，无法轻易的排出。气孔缺陷是增材制造构件内最常见的缺陷之一，气孔会引起应力集中以及构件性能的急剧下降。 发明内容[0004] 为解决上述在微重力环境下进行熔丝金属增材制造中面对的技术问题，本发明提供一种微重力金属熔丝增材熔体定向转移及液桥过渡保持装置及方法，利用金属蒸汽产生的反冲压力、金属丝与成形基板之间的预压力和动态送丝方法等手段，有效的促进无重力约束条件下，金属熔体向熔池的定向输运，同时利用交变磁场和恒定电场产生的电磁力和洛伦兹力，在熔池内部形成电磁搅拌作用，有效的将工艺过程中熔池内的气体排出，减小构件的气孔缺陷，进一步促进凝固组织均匀、晶粒细化。 [0005] 为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案： [0006] 微重力金属熔丝增材熔体定向转移及液桥过渡保持装置，包括多轴运动平台、成形基板、工控系统、激光源、金属丝盘、送丝机构及驱动电机、绝缘套、同轴送丝送气管、金属丝材角度调节结构、金属丝材压紧机构、气管加热装置、直流电源、电流夹、电流表、保护气、精密气体流量计、电磁线圈、导磁头、电磁线圈固定架、交流电源；成形基板安装在多轴运动平台上；多轴运动平台根据增材制造中的三维数据定制三维运动轨迹路径；2个电流夹分别固定在金属丝材和成形基板上，通过直流电源在金属丝材和成形基板之间形成电流通路，同时在电流通路中串联电流表；金属丝材的周向布置电磁线圈，导磁棒与电磁线圈连接，并分布在金属丝材的端部两侧对称位置，电磁线圈通过电磁线圈固定架与同轴送丝送气管固定连接；交流电源为电磁线圈提供交变电场，从而在金属丝材的端部附近产生交变磁场；送丝机构及驱动电机定量定速地将金属丝材送至激光源发射的光斑的作用范围内；所述激光源发射的激光作用在金属丝材的端部范围内，在金属丝材的端部形成液态熔体；同时，激光作用在成形基板上，在成形基板上形成液态熔池；金属丝材和成形基板通过液态熔体形成液桥连接模式。 [0007] 进一步地，在运行过程中，激光源和金属丝材固定不动。 [0008] 进一步地，与金属丝材同轴吹保护气。 [0009] 进一步地，所述保护气为惰性气体，保护气通过精密气体流量计和同轴送丝送气管射出；利用气管加热装置对同轴送丝送气管进行加热，同轴送丝送气管通过热传导方式将热量传递给金属丝材和保护气，从而实现对保护气和金属丝材的加热。 [0011] 进一步地，金属丝材角度调节结构调整金属丝材与水平方向之间的夹角，夹角范围为0 60°。~ [0012] 进一步地，保持金属丝材的端部与成形基板接触，通过金属丝材压紧机构在金属丝材的端部与成形基板之间施加预压紧力，保证金属丝材的端部与成形基板之间的良好接触。 [0013] 进一步地，工控系统通过电流表检测在成形基板和金属丝材之间是否形成闭合的电流通路；当电流表的电流为0A时，说明金属丝材与成形基板之间的液桥断开；液桥断开的工作状态下，工控系统通过送丝机构及驱动电机增加送丝长度；当通路中存在闭合电路时，工控系统调整送丝速度到正常工艺下，使成形基板和金属丝材保持稳定的液桥连接。 [0014] 本发明还提供一种微重力金属熔丝增材熔体定向转移及液桥过渡保持方法，包括如下步骤： [0015] 步骤S1、调整激光源与金属丝材的相对位置和成形基板的初始加工位置，通过金属丝材压紧机构在成形基板和金属丝材之间形成预压力，保证金属丝材与成形基板之间的良好接触； [0016] 步骤S2、根据所需要构建的三维模型进行数据切片，通过多轴运动平台保证送丝的金属丝材始终与成形方向平行，并保持在成形方向的前端；保证金属丝材与成形基板接触； [0017] 步骤S3、依次启动保护气、激光源、直流电源、交流电源和送丝机构及驱动电机，金属丝材接触成形基板后，在金属丝材与成形基板之间产生电流通路，以电流形成为控制信号，开始按三维模型的切片数据进行增材加工； [0018] 步骤S4、加工过程中通过工控系统检测金属丝材与成形基板之间产生的电流，当电流为0时，启动动态送丝量程序，通过增加送丝量使得金属丝材与成形基板之间的金属液桥连接；当电流值恢复后，调整动态送丝量程序为正常送丝量工艺，使得金属丝材与成形基板之间保持稳定的液桥连接； [0019] 步骤S5、当前层加工结束后，依次关闭送丝机构及驱动电机、直流电源、激光源和保护气；同时，金属丝材压紧机构上移，释放金属丝材与成形基板之间的预压力，由多轴运动平台将成形基板移动到下一轨迹初始位置； [0020] 步骤S6、重复步骤S1、步骤S2、步骤S3、步骤S4和步骤S5，直至整个三维构件完成加工。 [0021] 进一步地，所述保护气的流量为0L/min～25L/min；所述激光源用于输出脉冲激光或连续激光，其最大输出功率为4000W，脉冲频率为10Hz 1000HZ，激光脉宽为2 50ms，其扫~ ~描速度为50mm/min～2000mm/min；所述直流电源的最大输出电流为400A。 [0022] 有益效果： [0023] 1. 本发明的能量源采用激光源，通过调整激光源与金属丝材的相对位置和成形基板的初始加工位置，使端部金属丝材和成形基板同时被熔化，并利用瞬时高能量产生的反冲蒸汽压力，促进金属丝材端部熔化产生的液态熔体向熔池定向转移。 [0024] 2. 本发明以金属丝材和成形基板之间闭合电路的电流为控制信号，采用闭环控制方法动态调整送丝速度和长度，保证在金属丝和熔池之间形成液桥的稳定性。 [0025] 3. 本发明采用在金属丝材端部与成形基板之间施加成形预压紧力，预压紧力确保了金属丝材端部液态熔体与成形基板之间的良好结合。 [0026] 4. 本发明在熔池周围形成交变磁场，在电场和磁场的作用下在熔池内部形成电磁力和洛伦兹力，形成对熔池的动态搅拌，加快熔池内气泡上浮，从而解决微重力下熔池内气泡溢出困难问题，大大减小微重力下金属增材制造构件的内部气孔缺陷，提高成形件的性能和打印质量。附图说明 [0027] 图1为本发明的一种微重力金属熔丝增材熔体定向转移及液桥过渡保持装置的示意图。 [0028] 其中，附图标记为：多轴运动平台1、成形基板2、工控系统3、激光源4、金属丝材5、金属丝盘6、送丝机构及驱动电机7、绝缘套8、同轴送丝送气管9、金属丝材角度调节结构10、金属丝材压紧机构11、气管加热装置12、直流电源13、电流夹14、电流表15、保护气16、精密气体流量计17、电磁线圈18、导磁头19、电磁线圈固定架20、交流电源21、液态熔体22。 具体实施方式[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 [0030] 如图1所示，本发明的微重力金属熔丝增材熔体定向转移及液桥过渡保持装置包括多轴运动平台1、成形基板2、工控系统3、激光源4、金属丝材5、金属丝盘6、送丝机构及驱动电机7、绝缘套8、同轴送丝送气管9、金属丝材角度调节结构10、金属丝材压紧机构11、气管加热装置12、直流电源13、电流夹14、电流表15、保护气16、精密气体流量计17、电磁线圈18、导磁头19、电磁线圈固定架20、交流电源21。 [0031] 成形基板2安装在多轴运动平台1上，通过多轴运动平台1实现成形基板2在空间的多自由度运动。多轴运动平台1根据增材制造中的三维数据定制三维运动轨迹路径。激光源4固定在成形基板2的上方，使激光源4发射的光束可以照射到成形基板2的上表面，利用激光源4在成形基板2上的能量积累，使成形基板2在激光光斑的作用范围内可以形成液态金属熔池。金属丝材5、送丝机构及驱动电机7和同轴送丝送气管9通过金属丝材角度调节结构 10安装在激光源4侧向。利用送丝机构及驱动电机7的驱动可以使金属丝材5通过同轴送丝送气管9传送到激光源4的光斑作用范围内，并与成形基板2接触。金属丝盘6固定安装在送丝机构及驱动电机7的金属丝材5的进口端处，利用金属丝盘6为本发明提供金属丝材5的连续供应。 [0032] 电流夹14的数量为2，其中一个电流夹固定在成形基板2上，另外一个电流夹通过接触片与金属丝材5保持接触状态，通过直流电源13在金属丝材5和成形基板2之间形成电流通路，同时在电流通路中串联电流表15。在同轴送丝送气管9内部与金属丝材5之间同轴安装绝缘套8，绝缘套8的作用是使直流电源13产生的电场与金属丝材角度调节结构10、金属丝材压紧机构11、气管加热装置12、电磁线圈固定架20等部件绝缘。 [0033] 金属丝材5的周向布置电磁线圈18，导磁棒19与电磁线圈18连接，并分布在金属丝材5的端部两侧对称位置，电磁线圈18通过电磁线圈固定架20与同轴送丝送气管9固定连接。交流电源21为电磁线圈18提供交变电场，从而在金属丝材5的端部附近产生交变磁场。 [0034] 利用本发明可以实现微重力环境下的金属熔丝增材制造，在增材制造加工过程中，激光源4和金属丝材5是固定不动，通过多轴运动平台1实现空间的多自由度运动。 [0035] 本发明中设计与金属丝材5同轴吹保护气16的方式，保护气16的作用主要包括两个方面：（1）通过与金属丝材5同轴吹出的保护气可以覆盖到成形基板2上的液态金属熔池，防止液态金属熔池被氧化；（2）通过与金属丝材5同轴吹出的保护气对金属丝材5的端部液态熔体22产生沿丝轴线方向的推力，从而促进端部液态熔体22向成形基板2上的液态金属熔池定向转移，减小端部液态熔体22产生沿丝回爬的问题。 [0036] 优选的，所述保护气16为惰性气体，精密气体流量计17安装在保护气16和同轴送丝送气管9之间的气流通路上，保护气16通过精密气体流量计17和同轴送丝送气管9同轴射出。 [0037] 气管加热装置12安装在同轴送丝送气管9上，气管加热装置12可以对同轴送丝送气管9进行加热，当保护气16和金属丝材5通过被加热的同轴送丝送气管9时，温度升高；利用气管加热装置12可以实现对保护气16和金属丝材5的加热。对保护气16加热可以减小保护气16对成形基板2上形成的液态金属熔池的对流冷却作用，避免熔池温度偏低，导致熔丝不连续和激光能量利用率的降低；对金属丝材5进行加热可以增加金属丝材远离端部一定位置处丝材的温度，从而降低固态的金属丝材5和金属丝材端部液态熔体22的温度梯度，从而减小表面张力对端部液态熔体22的沿丝回爬效应。 [0038] 优选的，所述金属丝材5包括但不限于不锈钢丝材、铝合金丝材、钛合金丝材、药芯焊接丝材、高/中熵合金、非晶合金丝材和金属复合材料丝材。通过金属丝材角度调节结构10调整金属丝材5与水平方向之间的夹角，优选的，夹角范围为0 60°。通过送丝机构及驱动~ 电机7可以定量定速地将金属丝材5送至激光源4发射的光斑的作用范围内。 [0039] 优选的，所述送丝机构及驱动电机7可以实现送丝速度的定量调节。本发明中保持金属丝材5的端部与成形基板2接触。将金属丝材压紧机构11安装在同轴送丝送气管9的上方，通过金属丝材压紧机构11在金属丝材5的端部与成形基板2之间施加预压紧力，保证金属丝材5的端部与成形基板2之间的良好接触。优选的，所述送丝机构及驱动电机7用于实现0.1mm 10mm丝径的金属送丝。 ~ [0040] 优选的，所述激光源4发射的激光作用在金属丝材5的端部范围内，在金属丝材5的端部形成液态熔体22；同时，激光作用在成形基板2上，可以在成形基板2上形成液态熔池。金属丝材5和成形基板2通过液态熔体22形成液桥连接模式。 [0041] 优选的，工控系统3可以通过电流表15检测在成形基板2和金属丝材5之间是否形成闭合的电流通路。当电流表15的电流为0A时，说明金属丝材5与成形基板2之间的液桥断开。液桥断开的工作状态下，工控系统3通过送丝机构及驱动电机7增加送丝长度，使得成形基板2和金属丝材5保持稳定的液桥连接。 [0042] 本发明还提供一种微重力金属熔丝增材熔体定向转移及液桥过渡保持方法，包括如下步骤： [0043] 步骤S1、制造准备：调整激光与金属丝材5的相对位置和成形基板2的初始加工位置，通过金属丝材压紧机构11在成形基板2和金属丝材5之间形成预压力，保证金属丝材5与成形基板2之间的良好接触； [0044] 步骤S2、数据准备：根据所需要构建的三维模型进行数据切片，通过多轴运动平台1保证送丝的金属丝材5始终与成形方向平行，并保持在成形方向的前端；保证金属丝材5与成形基板2接触； [0045] 步骤S3、开始加工：依次启动保护气16、激光源4、直流电源13、交流电源21和送丝机构及驱动电机7，金属丝材5接触成形基板2后，在金属丝材5与成形基板2之间产生电流通路，以电流形成为控制信号，即形成电流之后开始加工，从而开始按三维模型的切片数据进行增材加工； [0046] 步骤S4、加工中监测：加工过程中通过工控系统3检测金属丝材5与成形基板2之间产生的电流，当电流为0时，启动动态送丝量程序，通过增加送丝量使得金属丝材与成形基板之间的金属液桥连接；当电流值恢复后，调整动态送丝量程序为正常送丝量工艺，使得金属丝材与成形基板之间保持稳定的液桥连接； [0047] 步骤S5、当前层加工结束：当前层加工结束后依次关闭送丝机构及驱动电机7、直流电源13、激光源4和保护气16；同时，金属丝材压紧机构11将上移，释放金属丝材5与成形基板2之间的预压力，由多轴运动平台1将成形基板2移动到下一轨迹初始位置； [0048] 步骤S6、重复步骤S1、步骤S2、步骤S3、步骤S4和步骤S5，直至整个三维构件完成加工。 [0049] 优选的，所述保护气16的流量为0L/min～25L/min。 [0050] 优选的，所述激光源4用于输出脉冲激光或连续激光，其最大输出功率为4000W，脉冲频率为10Hz 1000HZ，激光脉宽为2 50ms，其扫描速度为50mm/min～2000mm/min；所述直~ ~流电源13的最大输出电流为400A。 |
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