一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，解决现有金属丝材增材制造装置在加工过程中存在堵头、层层之间以及和基板之间结合差的问题。该装置包括送丝机、导电嘴、基板、气氛保护装置及电源，送丝机、导电嘴及基板由上至下依次设置，电源的正极与导电嘴连接，负极与基板连接，其特殊之处在于：还包括超高频感应加热装置和基板加热装置；超高频感应加热装置为高频感应加热线圈，高频感应加热线圈通过陶瓷套管缠绕在导电嘴下端的丝材外侧，且与电源连接；接触式测温元件设置在陶瓷套管上；基板加热装置设置在基板下方，用于对基板进行加热；基板上设置有基板测温元件，用于测量基板的温度。

A kind of additive manufacturing device for resistance induction composite heating wire

【技术实现步骤摘要】
一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置
本技术涉及金属增材制造领域，具体涉及一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置。
技术介绍
增材制造(additivemanufacturing，AM)技术是根据CAD/CAM设计，采用逐层累积的方法制造实体零件的技术，相对于传统的减材制造(切削加工)技术，它是一种材料累积的制造方法。增材制造技术俗称3D打印技术，是近30年快速发展的先进制造技术，其优势在于三维结构的快速和自由制造，被广泛应用于新产品开发、单件小批量制造，其中金属直接成型是增材制造技术中的难点和热点技术。金属直接成型目前有多种传统方法，但各有利弊。金属粉末作为原材料的增材制造技术，不仅原材料昂贵，而且有爆炸的风险，并在加工过程中需注意金属粉末对人体的危害，导致加工成本较高。高能束流增材制造技术缺点主要有设备造价高、设备结构复杂、设备体积比较庞大、具有辐射污染、同等功率下成型效率较低等。例如，电子束在沉积过程中会伴随伽玛射线的发射，如果装置设计不合理会造成射线的泄露，导致环境污染；又如激光烧结或激光熔融技术不能适用于所有金属，特别是对激光反射率较高的金属，成形效率差。电孤增材制造技术的缺点是会产生大量的噪声和弧光污染，成型精度也较差。其他的金属增材制造方法还有直接金属喷墨3D打印(以色列3D打印初创企业XJet已经完成样机的研发)，该方法受限于特种金属墨水的配比，适用面狭窄。基于电阻热熔融堆积成型的金属细丝增材制造方法，是指利用丝材中流过的电流产出的焦耳热，直接将金属丝熔化，实现金属增材制造过程。该技术实现了电能直接转化为金属熔化需要的热能，电能直接利用而无需中间多次转化，能实现高利用率、高质量、低成本、绿色环保的金属零件增材制造，是一种将材料、机械、测控技术和信息处理集为一体的金属增材制造方法。但是，目前该方法应用较少，其中一个原因是其稳定性差，在打印过程中起弧飞溅严重，而且层层之间以及和基板之间结合差。目前已经公开的金属丝材增材制造装置，例如申请号201580075879.9美国数字合金公司的专利。例如中国技术申请CN201611186726.4，一种电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法，其基本结构如图1所示，包括金属丝材1、脉动送丝机构2、保护气体3、气体保护罩4、电磁感应电源5、电磁感应线圈6、导电嘴7、三维运动控制系统8、电源9、熔积成形零件10、基板11；在金属丝材熔积成型时，通过喷嘴向金属丝材前端输送保护气体，以避免金属细丝在熔融堆积过程中氧化，上述金属丝材增材制造装置只说明了电阻热增材制造的方法，但存在以下问题：1、电阻热熔融堆积成型的金属微细丝增材制造过程中，当导电嘴带动丝材运动时，丝材和导电基板接触过程中容易发生起弧飞溅，导致成形效果差、打印不稳定、系统难以控制等问题；2、丝材在加热过程中有软化现象，而导电嘴必须接触才能导电，导致在送丝过程中发生无法顺利递送以及产生堵头等严重问题；3、因为很难做到重熔，第一层高温融化的金属液滴接触低温基板会形成球状，各球形金属颗粒之间无法有效亲和，同理也可以推到第二层至第N层，导致层层结合差，甚至无法成形，从金属材料学理论得知基板需要较高温度(接近金属熔点)才能和熔融金属液滴互相成形冶金结构，而基板整体加热到如此高温是不现实的，该方案最大的问题是电阻热熔融只能融化金属丝材本身，而无法和基体有效结合，导致成形缺陷甚至失败；4、材料学里材料润湿理论得知，基板或者下一层母体加热需要到接近金属熔点才能实现有效浸润，而将基板加热到如此高温，第一需要很大的能量，第二基板在这么高的温度，会发生变形失稳流动坍塌现象，仅靠基板加热也不现实；5、现有打印物品的温度场不均匀会导致翘曲、变形、开裂，导致打印缺陷；6、局部气氛保护无法实现良好的气氛保护，在气流小时仍然有金属氧化的现象；气流大时，影响工艺过程，气流会把金属液滴吹散，导致成形缺陷，而且对其他已经未冷却的打印区域无法形成有效保护。
技术实现思路
为了解决现有金属丝材增材制造装置在加工过程中存在堵头、层层之间以及和基板之间结合差的问题，本技术提供一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置。本技术的技术解决方案如下：一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，包括送丝机、导电嘴、基板、气氛保护装置及电源，所述送丝机、导电嘴及基板由上至下依次设置，所述电源的正极与导电嘴连接，负极与基板连接，其特殊之处在于：还包括超高频感应加热装置和基板加热装置；所述超高频感应加热装置为高频感应加热线圈，所述高频感应加热线圈通过陶瓷套管缠绕在导电嘴下端的丝材外侧，且与电源连接；所述超高频感应加热装置上设置有接触式测温元件，所述接触式测温元件设置在陶瓷套管上；所述基板加热装置设置在基板下方，用于对基板进行加热；所述基板上设置有基板测温元件，用于测量基板的温度。仅基板加热无法达到材料润湿所需的温度，因此在导电嘴下方还设置有局部加热器----超高频感应加热，用于对基板成型区域进行加热，实现金属液滴和母体的重熔连接，所述超高频感应加热线圈固定在送丝机上，超高频感应加热不仅能实现非接触加热，可以保证运动平台的流畅运动，而且加热效率高，对所有金属都适用。进一步地，所述高频感应加热线圈为空心铜管，空心铜管中通入冷却介质。进一步地，还包括并联电阻R1，所述并联电阻R1的一端与导电嘴连接，另一端与基板连接。所述并联电阻R1的阻值大于金属丝材与基板导通时的接触电阻，小于导电嘴与基板之间气体的击穿电阻，这样在正常打印时，分流到的电流可以小到忽略不计，基本不会外加系统热损耗，进一步地，所述并联电阻R1的一端通过线鼻与导电嘴连接。进一步地，所述电源为可编程电源，所述可编程电源具有恒流输出模式和恒压输出模式，恒流输出模式用于金属的熔融，恒压输出模式用于并联电阻R1的供电。进一步地，为防止金属丝氧化，并保证保护气体对金属成型不产生影响，所述气氛保护结构包括气密箱体、与气密箱体连通的惰性气体气罐，所述气密箱体与惰性气体气罐连通的管路上设置有进抽气泵，气密箱体上设置有水氧含量检测传感器，由传感器闭环来控制惰性气体的进气及排气；所述气密箱体对金属丝熔融成型区域形成气氛保护。进一步地，所述陶瓷套管由氮化硼或氮化硅制作。进一步地，所述基板通过三维运动平台移动，所述三维运动平台上设置有散热器。本技术与现有技术相比，有益效果是：1.本技术通过在导电嘴下部，待打印区域上方设置超高频感应加热装置，实现成型区域的非接触高效加热，提高金属液滴和基板的结合性，有利于层与层之间、层与基板之间的结合，实现高质量的金属3D成形。2.本技术采用超高频感应加热装置，高频感应加热装置实现了金属局部快速非接触加热，由超高频感应线圈内产生极性瞬间变化的强大磁场，将待打印区域靠近高频线圈，丝材通过高频线圈内，磁束就会贯通整个待打印区域，在感应加热物体的内部与感应加热电流相反的方向，产生相对应的强大涡电流，因为感应加热的金属内存在电阻，产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，包括送丝机(21)、导电嘴(22)、基板(23)、气氛保护装置(24)及电源，所述送丝机(21)、导电嘴(22)及基板(23)由上至下依次设置，所述电源的正极与导电嘴(22)连接，负极与基板(23)连接，其特征在于：/n还包括超高频感应加热装置(25)和基板加热装置(29)；/n所述超高频感应加热装置(25)为高频感应加热线圈，所述高频感应加热线圈通过陶瓷套管(28)缠绕在导电嘴(22)下端的金属丝材(26)外侧，且与电源连接；所述陶瓷套管(28)上设置有接触式测温元件(30)；/n所述基板加热装置(29)设置在基板(23)下方，用于对基板(23)进行加热；所述基板(23)上设置有基板测温元件，用于测量基板(23)的温度。/n

【技术特征摘要】
1.一种电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，包括送丝机(21)、导电嘴(22)、基板(23)、气氛保护装置(24)及电源，所述送丝机(21)、导电嘴(22)及基板(23)由上至下依次设置，所述电源的正极与导电嘴(22)连接，负极与基板(23)连接，其特征在于：
还包括超高频感应加热装置(25)和基板加热装置(29)；
所述超高频感应加热装置(25)为高频感应加热线圈，所述高频感应加热线圈通过陶瓷套管(28)缠绕在导电嘴(22)下端的金属丝材(26)外侧，且与电源连接；所述陶瓷套管(28)上设置有接触式测温元件(30)；
所述基板加热装置(29)设置在基板(23)下方，用于对基板(23)进行加热；所述基板(23)上设置有基板测温元件，用于测量基板(23)的温度。


2.根据权利要求1所述的电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，其特征在于：所述高频感应加热线圈为空心铜管，空心铜管中通入冷却介质。


3.根据权利要求1或2所述的电阻感应复合加热金属丝材增材制造装置，其特征在于：还包括并联电阻R1，所述并联电阻R1的一端与导电嘴(22)连接，另一端与基板(23)连接，所述并联电阻R1的阻值大于金属丝材(26)与基板(23)导...

【专利技术属性】
技术研发人员：李波波，卢秉恒，张丽娟，任晓飞，王强，李晓强，
申请(专利权)人：西安增材制造国家研究院有限公司，
类型：新型
国别省市：陕西;61