一种半固态金属熔丝增材制造近净成形装置及打印方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

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发明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发明的一些实施例，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是本发明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

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参阅图1所示，本发明一实施例提供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1、高能束流发射单元3、成形工作台4、金属基板5和控制单元6。

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；具体地，送丝单元1可将金属丝材102压直，并按预定速度送入高能束流发射单元3中，其中，金属丝材102的直径直接影响了单道成形精度，选用特制微米级超细金属丝材102作为原材料，更容易实现对打印精度的控制。

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；本实施例中，较大的金属材料更容易实现并控制金属半固态状态，因此，更容易实现对打印精度的控制。此外，本实施例中的高能束流发射单元3可发射出小束斑的高能束流加热金属丝材102。

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；也即是说，所述成形工作台4能够在高度方向进行移动，配合高能束流发射单元3在水平面内的移动，从而能够实现增材的三维立体打印。

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。本实施例中，控制单元6可以对打印参数进行设置，并可实时监控整个打印过程的各个数据。

在本发明一实施例中，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，例如：使成形工作仓2内达到真空环境。本实施例中，所述循环水冷单元9的冷却液可以由所述成形工作台4一侧底部以一定流速流入，从所述成形工作台4另一侧顶部以一定流速流出，从而能对工作台4上的金属基板5进行降温。

在本发明一实施例中，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。

在本发明一实施例中，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；其中，所述高能束流发生模块可以为电子束或激光束等不同高能束流发生器，但并不局限于上述两种。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。本实施例中，所述丝材通道301呈竖直状，超细金属丝材102同轴垂直送入高能束流303的焦点，如此，高能束流303能够对超细金属丝材102完成全方位均匀加热，避免由于加热不均匀导致的打印缺陷。

在本发明一实施例中，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。其中，升降单元401可以为液压缸、千斤顶等。

在本发明一实施例中，所述温度检测单元8包括仓内温度检测器801、金属半固态熔融体温度检测器802、金属基板温度检测器803，所述仓内温度检测器801能够检测所述成形工作仓2内的温度，所述金属半固态熔融体温度检测器802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803能够检测所述金属基板5的温度。

本发明一实施例提供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7，根据不同场景对成形工作仓2充入惰性气体或抽真空；

S3、开启循环水冷单元9，对金属基板5进行降温；其中，循环水冷单元9的冷却液可以由成形工作台4的一侧底部以一定流速流入，从成形工作台4的另一侧顶部以一定流速流出，起到对金属基板5降温的作用；

S4、开启高能束流发射单元3，以低功率高能束流预扫描，实现对金属基板5的预热；

S5、开启送丝单元1，将金属丝材102送至高能束流发射单元3中，高能束流303全方位将金属丝材102均匀加热至半固态，半固态的金属丝材102从打印起点与金属基板5完成冶金结合，随着高能束流发射单元3移动至预设打印终点，完成第一层沉积；具体地，开启送丝单元1，按照预定送丝速率将金属丝材102送至第一丝材准直滚轮101，被压直的金属丝材102在定向压力作用下被压入高能束流发射单元3中，在高能束流发射单元3内的所述丝材通道301进一步被压直，并送至所述高能束流303的焦点，所述高能束流发射单元3功率切换为预定功率，在金属丝材102到达焦点前，未聚焦的高能束流303会将金属丝材102预热，到达焦点后，所述高能束流303全方位将金属丝材102均匀加热至半固态，半固态金属丝材102从打印起点与金属基板5完成冶金结合，随着所述高能束流发射单元3移动至预设打印终点，完成第一层沉积；

S6、成形工作台4中心的升降单元401按照预设沉积厚度下降，高能束流发射单元3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5上切下，得到所需金属零件。

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6，并将切片后的文件导入所述控制单元6；

S13、准备金属丝材102以及相应的金属基板5，所述金属丝材102置入所述送丝单元1内，所述金属基板5固定于所述成形工作台4中心；

S14、调平金属基板5，以保证逐层水平沉积；调整所述高能束流303的焦点位置，以保证金属半固态熔融体与所述金属基板5的良好冶金结合，对正仓内温度检测器801、金属半固态熔融体温度检测器802、金属基板温度检测器803的位置，以保证实时监控数据的准确性，完成准备工作。

上述成形过程中，所述仓内温度检测器801、金属半固态熔融体温度检测器802、金属基板温度检测器803分别实时监测温度，并分别将温度信息传送至所述控制系统6。

可选地，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、冷却液流速等。这些打印参数直接影响成形质量及成形精度，寻求以上参数的最佳匹配是实现金属半固态增材制造近净成形的关键。

综上所述，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，可实现金属零件的近净成形。

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。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。