本发明专利技术公开了一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置及方法，利用激光装置、送丝机构、焦耳加热装置、成形基板和控制器形成激光焦耳复合增材制造装置，将焦耳加热装置设置于成形基板上端，送丝机构的送丝口与焦耳加热装置的进丝口对齐，丝材通过送丝机构送丝进入焦耳加热装置加热后到达成形基板，激光装置的加热点和焦耳加热装置的出丝口出丝均位于待成型点上，通过将电流通入丝材，丝材由于焦耳热的作用被加热至接近熔点的温度，利用激光辅助提供部分热量用于熔化丝材，并且在基板上或前一层表面形成熔池，使其形成冶金结合，能够有效的利用电能，减小所需激光的功率，提高整体能量利用率。体能量利用率。体能量利用率。
【技术实现步骤摘要】
一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置及方法
[0001]本专利技术涉及金属增材制造领域，具体涉及一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置及方法。
技术介绍
[0002]增材制造(additive manufacturing，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。
[0003]现阶段金属增材制造中最常见的金属材料类型主要是金属粉末和金属丝材。基于粉末的增材制造技术的成型精度相对较高，发展也相对较快，但是其材料利用率很低(材料利用率只有20％～30％)，金属粉末价格较为昂贵，而且粉末颗粒对环境和操作者都有一定的危害，基于粉末式的增材制造技术使用的热源主要为激光和电子束。根据热源的不同，常见的有激光送丝增材制造技术(wire and laser additive manufacturing，WLAM)、电子束自由成型(electron beam freeform fabrication，EBF3)和电弧送丝增材制造技术(wire and arc additive manufacturing，WAAM)等，送丝式增材制造的材料利用率接近100％，金属丝材成本较低，成型过程更为安全，但是其成型质量相对较差。由于控制精度较高，激光作为热源是最受欢迎的研究方式，但它的能量利用率非常低(2％～5％)；电子束的能量利用率略有提高(15％～20％)，但它需要高真空环境，对于设备的要求较为苛刻；电弧工艺的能量利用率高达70％，但是电弧设备往往设备庞大，伴随大量的噪声和弧光的污染，由于电弧难以精确控制，成型零件表面凹凸不平，成型精度也较差，无法直接使用，必须经过减才设备。成型过程复杂。直接高能束增材制造设备造价高、设备复杂、体积比较庞大、辐射污染。焦耳热熔融金属成型的能量利用率接近100％，且机构简单，它通过电流直接加热丝材熔融成型，但由于能量不够集中，成型区域峰值温度较低，因而难以实现单道与基体的结合以及层层结合。目前关于细丝递送的研究很少，由于细丝的刚度相对较差，在递送过程中很容易出现偏摆以及弯折的现象，导致丝材无法准确递送到相应的位置，从而影响激光光斑和丝材对准，导致成型的稳定性和精度较差。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于提供一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置及方法，以克服现有技术的不足。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，包括激光装置、送丝机构、焦耳加热装置、成形基板和控制器，成形基板设置于运动平台上，焦耳加热装置设置于成形基板上端，送丝机构的送丝口与焦耳加热装置的进丝口对齐，丝材通过送丝机构送丝进入焦耳加
热装置加热后到达成形基板，激光装置的加热点和焦耳加热装置的出丝口出丝均位于待成型点上，激光装置、送丝机构和焦耳加热装置均连接于控制器，控制器用于控制激光装置的激光功率，送丝机构的送丝速度和焦耳加热装置的焦耳热功率。
[0007]进一步的，送丝机构包括安装支架和机架，机架固定于安装支架一侧，安装支架另一侧固定有电机，电机的输出轴上固定有主动送丝轮，主动送丝轮位于机架一侧，机架的一侧通过调紧装置安装有送丝从动轮，机架的上端和下端分别固定有一个导丝管，机架上端的导丝管的出丝口和机架下端的导丝管的进丝口均位于主动送丝轮和送丝从动轮之间。
[0008]进一步的，主动送丝轮和送丝从动轮的表面均设有用梯形齿。
[0009]进一步的，调紧装置包括调紧座，送丝从动轮安装于调紧座上，调紧座一端与机架转动连接，机架上端设有导向槽，调紧座上端设有导向杆，导向杆位于导向槽内，机架的一侧设有固定座，固定座上设有与固定座通过螺纹连接的调紧杆，调紧座上设有弹簧座，弹簧座上套设有调紧弹簧，调紧弹簧的一端与调紧杆一端接触，调紧弹簧的另一端与调紧座端面接触。
[0010]进一步的，机架上端的导丝管上端以及机架下端的导丝管下端均连接有一个导电嘴。
[0011]进一步的，机架下端的导丝管通过光丝对准调节机构固定于机架上，光丝对准调节机构包括调节螺纹副、调整块、调整弹簧以及调整支架，调整支架固定于机架下端的安装台上，调整块套设于机架下端的导丝管上，调整弹簧设置于调整块与机架之间，调整弹簧的一端与调整块一端接触，调整弹簧的另一端与机架一端接触；调节螺纹副与调整支架通过螺纹连接，调节螺纹副的一端与调整块的另一端接触。
[0012]进一步的，成形基板与运动平台之间设有基板预热装置。
[0013]进一步的，基板预热装置包括云母片支撑块、云母片压板和加热铜板，加热铜板中间设有加热孔，加热铜板的加热孔内设置陶瓷加热片，云母片支撑块上设置有凹槽，加热铜板两端分别设有一个云母片支撑块，加热铜板设置于云母片支撑块上的凹槽内，成形基板设置于加热铜板上，上端通过云母片压板29与云母片支撑块锁紧固定。
[0014]一种金属细丝增材制造方法，包括以下步骤：
[0015]步骤1)、根据待成形零件的结构要求，对待成形零件进行三维建模及结构拓扑优化得到优化后的模型；
[0016]步骤2)、对待成形零件优化后的模型进行分层切片得到打印路径，根据打印路径进行送丝；
[0017]步骤3)、送丝过程中，首先利用焦耳加热装置对丝材进行加热，焦耳加热装置加热量为丝材熔化加热总量的1/5至3/5，然后利用激光装置在成形基板上形成熔池，丝材进入熔池，被熔池中的热量熔化形成打印层，按照分层切片数据逐层打印最终得到待成形零件。
[0018]进一步的，成形过程中，丝材与垂直平面的夹角为25
°‑
55
°
。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0020]本专利技术一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，利用激光装置、送丝机构、焦耳加热装置、成形基板和控制器形成激光焦耳复合增材制造装置，将焦耳加热装置设置于成形基板上端，送丝机构的送丝口与焦耳加热装置的进丝口对齐，丝材通过送丝机构送丝进入焦耳加热装置加热后到达成形基板，激光装置的加热点和焦耳加热装置的出丝口出
丝均位于待成型点上，通过将电流通入丝材，丝材由于焦耳热的作用被加热至接近熔点的温度，利用激光辅助提供部分热量用于熔化丝材，并且在基板上或前一层表面形成熔池，使其形成冶金结合，能够有效的利用电能，减小所需激光的功率，提高整体能量利用率。
[0021]进一步的，本专利技术送丝机构采用导丝管引导丝材向前递送，防止丝材在递送的过程中因前方遇到阻力出现弯折导致堵丝，并且能够减小丝材递送过程中悬空段的长度，避免丝材递送过程中出现弯折现象导致堵丝。
[0022]进一步的，通过弹簧调节正压力，保证驱动轮能提供本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，包括激光装置(1)、送丝机构(2)、焦耳加热装置(3)、成形基板(4)和控制器(5)，成形基板(4)设置于运动平台(6)上，焦耳加热装置(3)设置于成形基板(4)上端，送丝机构(2)的送丝口与焦耳加热装置(3)的进丝口对齐，丝材通过送丝机构(2)送丝进入焦耳加热装置(3)加热后到达成形基板(4)，激光装置(1)的加热点和焦耳加热装置(3)的出丝口出丝均位于待成型点上，激光装置(1)、送丝机构(2)和焦耳加热装置(3)均连接于控制器(5)，控制器(5)用于控制激光装置(1)的激光功率，送丝机构(2)的送丝速度和焦耳加热装置(3)的焦耳热功率。2.根据权利要求1所述的一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，送丝机构(2)包括安装支架(10)和机架(11)，机架(11)固定于安装支架(10)一侧，安装支架(10)另一侧固定有电机(12)，电机(12)的输出轴上固定有主动送丝轮(13)，主动送丝轮(13)位于机架(11)一侧，机架(11)的一侧通过调紧装置安装有送丝从动轮(14)，机架(11)的上端和下端分别固定有一个导丝管(21)，机架(11)上端的导丝管的出丝口和机架(11)下端的导丝管的进丝口均位于主动送丝轮(13)和送丝从动轮(14)之间。3.根据权利要求2所述的一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，主动送丝轮(13)和送丝从动轮(14)的表面均设有用梯形齿。4.根据权利要求1所述的一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，调紧装置包括调紧座(15)，送丝从动轮(14)安装于调紧座(15)上，调紧座(15)一端与机架(11)转动连接，机架(11)上端设有导向槽(16)，调紧座(15)上端设有导向杆(17)，导向杆(17)位于导向槽(16)内，机架(11)的一侧设有固定座(18)，固定座(18)上设有与固定座(18)通过螺纹连接的调紧杆(19)，调紧座(15)上设有弹簧座，弹簧座上套设有调紧弹簧(20)，调紧弹簧(20)的一端与调紧杆(19)一端接触，调紧弹簧(20)的另一端与调紧座(15)上的限位台端面接触。5.根据权利要求1所述的一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造装置，其特征在于，机架(11)上端的导丝管上端以及机架(11)下端的...
【专利技术属性】
技术研发人员：李波波，卢秉恒，朱刚，李晓强，孔降宇，
申请(专利权)人：西安增材制造国家研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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