一种半固态金属熔丝增材制造近净成形装置及打印方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种半固态金属熔丝增材制造近净成形装置及打印方法，该装置包括：送丝单元，用于将金属丝材送入高能束流发射单元中；高能束流发射单元，用于将所述金属丝材加热至其固液两相区，且所述高能束流发射单元能够在水平面内进行移动；成形工作台，设置在所述高能束流发射单元的下方，所述成形工作台上设有金属基板，且所述成形工作台能够带动所述金属基板沿竖直方向移动；控制单元，用于控制所述高能束流发射单元将呈固液两相区的金属丝材打印在所述金属基板上。本发明专利技术不仅降低了能耗，也能降低金属熔池的流动性，实现更有效地控制金属熔融体,且大大提高熔丝打印件的表面精度。

【技术实现步骤摘要】
一种半固态金属熔丝增材制造近净成形装置及打印方法
本专利技术涉及金属增材制造
，尤其涉及一种半固态金属熔丝增材制造近净成形装置及打印方法。
技术介绍
随着我国太空在轨任务需求的增长和规模的扩大，在可以预见的未来将会有更多且更大的空间系统在轨运行。而未来深空探测、天文观测、战略侦查等工程所需的大面积、大跨度空间结构实现一次性整体部署有较大的难度。同时，由于货运飞船体积的限制，导致大型结构件难以搭载，即使能够增加飞船的载物体积，其代价也相当昂贵。另一方面，航天器的质量往往非常大，航天器高强的结构是为了抵抗运载火箭在发射过程中巨大的冲击力，但实际在空间微/零重力环境下并不一定需要结构非常强。因此，实现太空生产即造即用、省去机加工程序的金属零件将大大减轻航天发射的成本，促进空间探索的发展。金属增材制造技术是利用热源熔化金属材料，并采用逐层叠加的方式进行零件的制造，与传统加工方式相比更加省材，同时也更加高效。目前，较为成熟的金属增材制造工艺为粉末床增材制造技术，但在空间微/零重力条件下，粉末位置的控制将会是一大难题。同时，空间微/零重力环境下打印层由于没有外力作用，很难形成良好的冶金结合。此外，使用粉末作为原材料进行微/零重力下的金属增材制造的安全风险和环境污染风险极高。目前在太空中的增材制造主要针对高分子材料，金属材料熔丝增材制造将是未来太空在轨制造的新方向。但是，由于熔丝增材制造时熔池尺寸大、层厚大，熔池中的金属液体不易精确控制，导致熔丝增材制造产品的尺寸精度和表面平整度均较差，无法作为最终零件直接使用。因此，解决微/零重力带来的问题、提高打印零件的尺寸精度、改善表面质量、实现近净成形不仅是解决地面增材制造的关键问题，还可为空间生产即造即用的金属零件奠定基础。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种降低熔池的流动性、提高单道打印的尺寸精度、消除空间微/零重力冶金缺陷的半固态金属熔丝增材制造近净成形装置及打印方法。一种半固态金属熔丝增材制造近净成形装置，其包括：送丝单元，用于将金属丝材送入高能束流发射单元中；高能束流发射单元，用于将所述金属丝材加热至其固液两相区，且所述高能束流发射单元能够在水平面内进行移动；成形工作台，设置在所述高能束流发射单元的下方，所述成形工作台上设有金属基板，且所述成形工作台能够带动所述金属基板沿竖直方向移动；控制单元，用于控制所述高能束流发射单元将呈固液两相区的金属丝材打印在所述金属基板上。在其中一个实施例中，所述高能束流发射单元和成形工作台的外部设有成形工作仓，所述成形工作仓内还设有与所述控制单元相连接的温度检测单元和循环水冷单元，所述温度检测单元能够检测所述成形工作仓内的温度，所述循环水冷单元能够对所述金属基板进行降温；其中，所述成形工作仓还与惰性气体保护系统或抽真空系统相连通，所述惰性气体保护系统或抽真空系统能够改变所述成形工作仓内的气体环境。在其中一个实施例中，所述送丝单元包括至少一组第一丝材校直滚轮，每组第一丝材校直滚轮包括两个相互配合的第一丝材校直滚轮本体，所述第一丝材校直滚轮能够将所述金属丝材压直并进行输送。在其中一个实施例中，所述高能束流发射单元包括高能束流发生模块和至少一组第二丝材校直滚轮；所述高能束流发生模块能够发射出不同功率的高能束流；每组第二丝材校直滚轮包括形成丝材通道的两个相互配合的第二丝材校直滚轮本体，所述金属丝材能够通过所述丝材通道被压直后输送至高能束流的焦点处，所述高能束流能够将所述金属丝材加热至其固液两相区。在其中一个实施例中，所述成形工作台的内部设有升降单元，所述能够带动所述金属基板沿竖直方向移动。在其中一个实施例中，所述温度检测单元包括仓内温度检测器、金属半固态熔融体温度检测器、金属基板温度检测器，所述仓内温度检测器能够检测所述成形工作仓内的温度，所述金属半固态熔融体温度检测器能够检测呈固液两相区的金属丝材温度，所述金属基板温度检测器能够检测所述金属基板的温度。一种半固态金属熔丝增材制造近净成形装置的打印方法，其包括以下步骤：S1、进行准备工作；S2、打开惰性气体保护系统或抽真空系统，根据不同场景对成形工作仓充入惰性气体或抽真空；S3、开启循环水冷单元，对金属基板进行降温；S4、开启高能束流发射单元，以低功率高能束流预扫描，实现对金属基板的预热；S5、开启送丝单元，将金属丝材送至高能束流发射单元中，高能束流全方位将金属丝材均匀加热至半固态，半固态的金属丝材从打印起点与金属基板完成冶金结合，随着高能束流发射单元移动至预设打印终点，完成第一层沉积；S6、成形工作台中心的升降单元按照预设沉积厚度下降，高能束流发射单元回到打印起点；S7、重复步骤S5-S6，至完成金属零件的逐层沉积；S8、将金属零件从所述金属基板上切下，得到所需金属零件。在其中一个实施例中，所述步骤S1中，所述准备工作包括：S11、设计金属零件三维实体模型，并完成切片工作；S12、将设计并优化后的一系列打印参数导入控制单元，并将切片后的文件导入所述控制单元；S13、准备金属丝材以及相应的金属基板，所述金属丝材置入所述送丝单元内，所述金属基板固定于所述成形工作台中心；S14、调平金属基板，调整所述高能束流的焦点位置，对正仓内温度检测器、金属半固态熔融体温度检测器、金属基板温度检测器的位置，完成准备工作。在其中一个实施例中，所述打印参数为高能束流功率、送丝速度、打印速度、沉积层厚、层间间隔时间、冷却液流速。上述半固态金属熔丝增材制造近净成形装置及打印方法，其具有以下优点：1)、金属丝材直径更小，高能束流束斑直径更小，更容易实现微区熔化成形的精度控制，大大提高了构件表面成形精度，可实现金属零件熔丝增材制造近净成形。2)、金属丝材同轴垂直送入高能束流焦点，跟随热源一起移动，更容易实现熔化金属位置的控制，大大提高了构件表面成型精度，可实现金属零件的近净成形。3)、高能束流全方位均匀包围金属丝材，可实现金属丝材各角度均匀受热，避免了由于单面受热引起的金属丝材熔化不均匀，大大提高了金属成型件的质量。4)、将金属丝材加热至半固态状态，可降低金属熔池的流动性，更容易实现对熔融态金属置于目标位置的控制，避免了因金属液态熔池流动性导致的粗糙成形表面，大大提高了构件表面成形精度。同时，避免了由于太空微/零重力下液态熔滴、熔池的不稳定性，可实现太空环境下金属零件的近净成形。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术的半固态金属熔丝增材制造近净成形装置的结构示意图。具体实施方式为了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半固态金属熔丝增材制造近净成形装置，其特征在于，包括：/n送丝单元(1)，用于将金属丝材(102)送入高能束流发射单元(3)中；/n高能束流发射单元(3)，用于将所述金属丝材(102)加热至其固液两相区，且所述高能束流发射单元(3)能够在水平面内进行移动；/n成形工作台(4)，设置在所述高能束流发射单元(3)的下方，所述成形工作台(4)上设有金属基板(5)，且所述成形工作台(4)能够带动所述金属基板(5)沿竖直方向移动；/n控制单元(6)，用于控制所述高能束流发射单元(3)将呈固液两相区的金属丝材(102)打印在所述金属基板(5)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种半固态金属熔丝增材制造近净成形装置，其特征在于，包括：
送丝单元(1)，用于将金属丝材(102)送入高能束流发射单元(3)中；
高能束流发射单元(3)，用于将所述金属丝材(102)加热至其固液两相区，且所述高能束流发射单元(3)能够在水平面内进行移动；
成形工作台(4)，设置在所述高能束流发射单元(3)的下方，所述成形工作台(4)上设有金属基板(5)，且所述成形工作台(4)能够带动所述金属基板(5)沿竖直方向移动；
控制单元(6)，用于控制所述高能束流发射单元(3)将呈固液两相区的金属丝材(102)打印在所述金属基板(5)上。


2.如权利要求1所述的半固态金属熔丝增材制造近净成形装置，其特征在于，所述高能束流发射单元(3)和成形工作台(4)的外部设有成形工作仓(2)，所述成形工作仓(2)内还设有与所述控制单元(6)相连接的温度检测单元(8)和循环水冷单元(9)，所述温度检测单元(8)能够检测所述成形工作仓(2)内的温度，所述循环水冷单元(9)能够对所述金属基板(5)进行降温；
其中，所述成形工作仓(2)还与惰性气体保护系统或抽真空系统(7)相连通，所述惰性气体保护系统或抽真空系统(7)能够改变所述成形工作仓(2)内的气体环境。


3.如权利要求1或2所述的半固态金属熔丝增材制造近净成形装置，其特征在于，所述送丝单元(1)包括至少一组第一丝材校直滚轮(101)，每组第一丝材校直滚轮(101)包括两个相互配合的第一丝材校直滚轮本体，所述第一丝材校直滚轮(101)能够将所述金属丝材(102)压直并进行输送。


4.如权利要求3所述的半固态金属熔丝增材制造近净成形装置，其特征在于，所述高能束流发射单元(3)包括高能束流发生模块和至少一组第二丝材校直滚轮(302)；
所述高能束流发生模块能够发射出不同功率的高能束流(303)；
每组第二丝材校直滚轮(302)包括形成丝材通道(301)的两个相互配合的第二丝材校直滚轮本体，所述金属丝材(102)能够通过所述丝材通道(301)被压直后输送至高能束流(303)的焦点处，所述高能束流(303)能够将所述金属丝材(102)加热至其固液两相区。


5.如权利要求1所述的半固态金属熔丝增材制造近净成形装置，其特征在于，所述成形工作台(4)的内部设有升降单元(401)，所述(401)能够带动所述金属基板(5)沿竖直方向移动。


6.如权利要求2所述的半固...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨义，胡嘉南，吴松全，侯娟，王皞，张恺，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31