一种连续进给送料搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法

本发明属于固相增材制造技术领域，尤其是涉及一种连续进给送料搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法。

背景技术：

增材制造技术，俗称3d打印技术，是一种通过材料逐层添加堆积、实现构件无模精确成形的数字化制造技术，将三维复杂形状构件制造为简单的二维平面形状的逐层往复叠加，避免了传统机加工精确成形制造中存在的大量材料和能源浪费，为高性能或超常性能关键构件的实现提供了全新的设计思路。同时该技术能大幅度缩短生产周期、降低生产成本和加工制造费用，使得其为制造业的变革提供了可能，在重大国防武器装备的研发、生产与维护修复等方面具有巨大应用价值和广阔应用前景。

搅拌摩擦增材制造作为一种固相非熔化增材制造方法，衍生于搅拌摩擦焊接技术，因其大塑性变形和形变自发热行为带来了强烈的动态回复与再结晶及第二相破碎再分布特性，可实现增材件超细晶致密组织、第二相均匀弥散分布的高强高韧化设计，特别适用于诸如铝及铝合金、镁及镁合金、轻质金属复合材料等的制造。现有的搅拌摩擦增材制造方法主要为多层预制板状原料的搭接焊合叠加策略其本质为一种搅拌摩擦搭接焊方法，需要依赖于搅拌针结构实现当前增材层与前一层材料之间的连接，有效搭接宽度往往取决于搅拌针的形状及其扎入下板的深度，然而较大的搅拌针扎入量极易导致界面畸变，产生冷搭接和钩状缺陷，弱化结构整体的承载性能。此外，由于搅拌摩擦搭接过程需要严格的装夹约束，预制板两侧往往需要预留一定的尺寸以保证整体结构的有效装夹，这部分材料在增材过程后需要通过机加工的方式进行去除，且每一层均需要重新耗时进行装夹固定，这严重违背了增材制造无材料和时间成本浪费的初衷，最终成形件的制造效率相比传统机加工方案并不高。因此，实现搅拌摩擦增材制造的单次装夹无中断连续制造，保证增材层间全位置无缺陷连接并避免增材后二次加工需求，是当前实现该技术全自动高效加工的主要难题。

另外，现有的增材制造方法可摆脱搅拌摩擦增材对预制板的需求，从增材处原位供给原料实现结构的连续增材制造，但该方法具有较大的局限性，固相增材原料较难直接通过旋转轴肩与静止搅拌针间螺旋槽流出，使得增材效率偏低，且该工艺中断后增材原料易堵塞材料流动螺旋槽，难以实现增材过程的重启动。

针对以上问题，如能开发一种可实现连续进给送料的搅拌摩擦增材制造装置，增材过程中无需多次装夹且易于中断重启动，增材层间全位置无缺陷，增材后无需二次机加工减材，克服现有搅拌摩擦增材制造技术固有局限性，将大大拓宽该固相增材制造技术的应用广度和深度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种连续进给送料搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法，突破传统搅拌摩擦增材技术连续进给送料难、增材过程需逐层装夹、增材层间易产生缺陷、增材后需二次加工减材的技术现状，解决现有连续送料策略的中断重启动难问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种连续进给送料搅拌摩擦增材制造装置，包括自上而下布置的液压顶杆机构、盘式送料机构、上离合模块、下离合模块、定速送料机构、增材搅拌头和增材制造构件，在盘式送料机构内均匀设置多根正方形截面的增材原料，所述的下离合模块固定在定速送料机构上，所述的定速送料机构固定在增材搅拌头上，所述盘式送料机构用于在连续不停转条件下更换下一根增材原料，上离合模块和下离合模块配合引导新增材原料与上一根增材原料间实现相位同步，保证其能引入增材搅拌头的阶梯方孔中，液压顶杆机构用于推动新增材原料导入上离合模块，并实现其与上一根增材原料的接触，定速送料机构带动增材原料以恒定速度向下运动并从增材搅拌头流出，增材搅拌头带动增材原料旋转与增材制造构件间摩擦热塑化沉积实现连续进给增材制造。

进一步的，所述盘式送料机构包括旋转轴、盘式原料容器和遮挡板，所述盘式原料容器为圆柱状结构，所述旋转轴设置在盘式原料容器的中心处，在所述盘式原料容器上沿圆周均布若干增材原料容纳通孔，增材原料容纳通孔的上端为与增材原料尺寸相同的方形结构，下端为直径大于增材原料正方形截面对角线长度的圆孔，所述遮挡板套设在盘式原料容器的中下部，且在遮挡板上设有仅供一根增材原料通过的缺口，在盘式原料容器上还开设若干减重孔，所述遮挡板由支架支撑。

进一步的，所述上离合模块和所述下离合模块为相互配合的四阶旋转对称结构，所述上离合模块包括上离合模块法兰、上离合模块轴孔、无动力导向轮和第一四阶旋转对称凸台，所述第一四阶旋转对称凸台固定在上离合模块法兰的下表面中心处，所述无动力导向轮设置一对，且对称布置在上离合模块法兰的上表面中心处，在上离合模块法兰中心处贯穿有上离合模块轴孔，且上离合模块轴孔贯穿第一四阶旋转对称凸台；

所述下离合模块包括下离合模块法兰、下离合模块轴孔和第二四阶旋转对称凸台，所述第二四阶旋转对称凸台固定在下离合模块法兰的上表面中心处，在下离合模块法兰中心处贯穿有下离合模块轴孔，且下离合模块轴孔贯穿第二四阶旋转对称凸台。

进一步的，所述增材搅拌头包括一体布置的圆台状连接基体和搅拌头，所述圆台状连接基体的大截面端朝上，小截面端朝下，所述搅拌头固定在圆台状连接基体的小截面端上，在圆台状连接基体的四周表面上均匀开设有若干与搅拌摩擦焊机主轴连接的安装定位孔，所述阶梯方孔设在增材搅拌头的中心处，所述阶梯方孔包括自上而下布置的相互连通的轴上侧方孔和轴下侧方孔，所述轴上侧方孔为截面边长大于增材原料的1-3mm的正方形孔，所述轴下侧方孔为截面边长大于增材原料的0.01-0.05mm的正方形孔，在搅拌头端面上围绕轴下侧方孔设有多个突起结构。

进一步的，所述定速送料机构为送丝机，送丝机采用滚压轮结构带动增材原料以恒定速度向下运动并从增材搅拌头端面流出，增材搅拌头带动增材原料旋转与增材制造构件间摩擦热塑化沉积；所述增材制造构件包括增材制造基板。

进一步的，所述液压顶杆机构包括液压油缸和液压杆，在液压杆的端部设有轴承，以抵消上离合模块与下离合模块接触后相位匹配过程中带来的冲击扭矩。

进一步的，所述增材原料的截面边长为5-20mm，搅拌头端面直径为增材原料截面边长的3-6倍。

一种连续进给送料搅拌摩擦增材制造装置的增材制造方法，具体包括以下步骤：

启动增材搅拌头，搅拌头端面上的突起结构首先在高速旋转的状态下扎入增材制造基板，直到搅拌头端面与增材制造基板上表面相接触，预热保持一段时间；

启动定速送料机构，定速送料机构向下运送增材原料，定速送料机构的送料速率为增材搅拌头行进速度的1-5倍，同时增材搅拌头回抽一定距离，随后增材搅拌头立即按照预先设定的路径行进，且该过程中定速送料机构不停止连续运转，使增材原料持续地从增材搅拌头的阶梯方孔中流出，同时增材搅拌头带动增材原料同步旋转，增材原料热塑化沉积于增材制造基板，并在增材搅拌头的碾平作用下形成平整的增材成形表面，至此第一道次完成，形成已增材制造层；以上过程往复进行，并在下一道次的起始点再次进行与第一道次开始相同的回抽行为，以实现增材过程的连续制造；

当前一根增材原料即将耗尽时，上离合模块首先向上运动并与下离合模块分离以停止旋转，盘式送料机构旋转一定角度使得新增材原料对准增材搅拌头的中心轴线，在液压顶杆的作用下将新增材原料引入上离合模块中，随后上离合模块向下运动并与下离合模块再次接触，并在液压顶杆的作用下两根增材原料端面相接触，实现进给送料，当新增材原料即将再次耗尽时，重复上述动作即可实现增材原料的连续进给送料。

进一步的，增材搅拌头的旋转速度为100rpm-8000rpm，预热保持3-30秒。

进一步的，增材搅拌头回抽0.5-2.5mm，增材搅拌头的回抽速度范围为1mm/min-100mm/min，增材搅拌头的行进速度范围为10mm/min-1000mm/min。

相对于现有技术，本发明所述的一种连续进给送料搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法具有以下优势：

1.本申请通过连续进给送料机构，实现了机器不停转连续增材，可长时间连续工作获取大尺寸复杂增材结构，同时该方法仅需装夹基板，无需每层重新装夹，生产效率大幅度提高，具有良好的经济适用性；

2.本申请通过搅拌头端面突起结构，抑制了界面焊接倾向性，实现了增材层间的全位置无缺陷连接，且显著提高了连接宽度，提高了增材结构的综合力学性能；

3.本申请在增材原料接近搅拌头端面前未发生热塑化，因此可避免设备临时中断后对材料流通孔道的堵塞作用，使得其过程可随时重启动，克服了目前填丝搅拌摩擦增材制造策略的缺陷；

4.本申请可实现复杂结构的净成形，无需增材后二次机加工减材，克服了现有搅拌摩擦增材制造技术的固有局限性，拓宽了搅拌摩擦增材制造技术的应用范围并提高了生产效率；

5.本申请适用范围广，可应用于多种金属和合金的超细晶均质增材制造，亦可拓展至热塑性聚合物的增材制造应用，且可以通过更换盘式送料机构中原料组合方式，实现了多相材料的复合增材制造。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种连续进给送料搅拌摩擦增材制造装置的结构示意图；

图2为盘式送料机构的主视图；

图3为盘式送料机构的俯视图；

图4为盘式送料机构的仰视图；

图5为图2是a-a向剖视图；

图6为上离合器模块示意图；

图7为下离合器模块示意图；

图8为增材搅拌头的主视图；

图9为增材搅拌头的仰视图；

图10为增材搅拌头的搅拌头端面示意图。

附图标记说明：

1-液压顶杆机构，101-液压油缸，102-液压杆；

2-盘式送料机构，201-旋转轴，202-盘式原料容器，20201-减重孔，20202-增材原料容纳孔上端，20203-增材原料容纳孔下端，203-遮挡板；

3-增材原料；

4-上离合模块，401-上离合模块法兰，402-无动力导向轮，403-上离合模块轴孔，404-第一四阶旋转对称凸台；

5-下离合模块，501-下离合模块法兰，502-下离合模块轴孔，503-第一四阶旋转对称凸台；

6-定速送料机构；

7-增材搅拌头，701-安装定位孔，702-搅拌头端面，70201-突起结构，703-轴上侧方孔，704-轴下侧方孔，70401-倒角；

8-增材制造构件，801-当前增材制造层，802-已增材制造层，803-增材制造基板；

rot1-盘式送料机构同步旋转部分；rot2-上离合器模块同步旋转部分；rot3-增材搅拌头同步旋转部分。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-10所示，一种连续进给送料搅拌摩擦增材制造装置，包括自上而下布置的液压顶杆机构1、盘式送料机构2、上离合模块4、下离合模块5、定速送料机构6、增材搅拌头7和增材制造构件8，在盘式送料机构2内均匀设置多根正方形截面的增材原料3，所述的下离合模块5固定在定速送料机构6上，所述的定速送料机构6固定在增材搅拌头7上，所述盘式送料机构2用于在连续不停转条件下更换下一根增材原料3，上离合模块4和下离合模块配合5引导新增材原料与上一根增材原料间实现相位同步，保证其能引入增材搅拌头7的阶梯方孔中，液压顶杆机构1用于推动新增材原料导入上离合模块4，并实现其与上一根增材原料的接触，定速送料机构6带动增材原料以恒定速度向下运动并从增材搅拌头流出，增材搅拌头7带动增材原料3旋转与增材制造构件8间摩擦热塑化沉积实现连续进给增材制造，并在搅拌头的剪切碾压作用下再分布以获取增材结构表面的优质平整成形。下离合模块5在整个持续增材过程中与增材搅拌头7与定速送料机构6以相同旋转速度转动，三者间保持相位恒定rot3；

所述盘式送料机构2包括旋转轴201、盘式原料容器202和遮挡板203，所述盘式原料容器202为圆柱状结构，所述旋转轴201设置在盘式原料容器202的中心处，在所述盘式原料容器202上沿圆周均布若干增材原料容纳通孔，增材原料容纳通孔的上端20202为与增材原料3尺寸相同的方形结构，下端20203为直径稍大于增材原料3正方形截面对角线长度的圆孔，一般为下端直径大于增材原料3正方形截面对角线长度1mm；该结构实现了增材原料3的晃动抑制，并保证了上离合模块4与下离合模块5接触后相位匹配过程增材原料3可自由转动，所述遮挡板203套设在盘式原料容器202的中下部，且在遮挡板203上设有仅供一根增材原料3通过的缺口，在盘式原料容器201上还开设若干减重孔20201，以减轻整体结构重量；所述遮挡板203由支架支撑；盘式原料容器202材质包含但不限于硬质热固性塑料、铸铁等；盘式原料容器202上可选地具有6-72个增材原料容纳孔。盘式送料机构2的工作过程为：当需要提供增材原料3时，旋转轴201带动盘式原料容器202旋转，从而带动其内的若干增材原料3旋转，当转动到正对遮挡板203的缺口时，液压顶杆机构1推动新的增材原料3向下运动，进入上离合模块4内。此外，盘式送料机构的上端为开放式结构，因此在增材过程中可不断添加新增材原料，从而保证了搅拌摩擦增材过程的长时间连续运转。

所述上离合模块4和所述下离合模块5为相互配合的四阶旋转对称结构，所述上离合模块4包括上离合模块法兰401、上离合模块轴孔403、无动力导向轮402和第一四阶旋转对称凸台404，所述第一四阶旋转对称凸台404固定在上离合模块法兰401的下表面中心处，所述无动力导向轮402设置一对，且对称布置在上离合模块法兰401的上表面中心处，在上离合模块法兰401中心处贯穿有上离合模块轴孔403，且上离合模块轴孔403贯穿第一四阶旋转对称凸台404；两个无动力导向轮402的间距小于增材原料3截面边长0.01-0.10mm，用于引入新增材原料并保证其与增材搅拌头7轴线重合；

所述下离合模块5包括下离合模块法兰501、下离合模块轴孔502和第二四阶旋转对称凸台503，所述第二四阶旋转对称凸台503固定在下离合模块法兰501的上表面中心处，在下离合模块法兰501中心处贯穿有下离合模块轴孔502，且下离合模块轴孔502贯穿第二四阶旋转对称凸台503；上离合模块轴孔403和下离合模块轴孔502的直径均大于增材原料截面对角线长度；

且上离合模块4的第一四阶旋转对称凸台404和下离合模块5的第二四阶旋转对称凸台503的相位差为0°、90°、180°或270°。上离合模块4和下离合模块5材质包括但不限于高速工具钢、热作模具钢等材质，且表面涂有润滑脂以降低材料磨损。

所述上离合模块4由丝杆螺母组件带动上下移动，具体可以为：螺母与上离合模块固定，丝杆由电机带动转动，电机带动丝杆旋转，螺母在丝杆上上下移动。

所述增材搅拌头7包括一体布置的圆台状连接基体和搅拌头，所述圆台状连接基体的大截面端朝上，小截面端朝下，所述搅拌头固定在圆台状连接基体的小截面端上，在圆台状连接基体的四周表面上均匀开设有若干与搅拌摩擦焊机主轴连接的安装定位孔701，所述阶梯方孔设在增材搅拌头7的中心处，所述阶梯方孔包括自上而下布置的相互连通的轴上侧方孔703和轴下侧方孔704，所述轴上侧方孔703为截面边长大于增材原料3边长的1-3mm的正方形孔，所述轴下侧方孔704为截面边长大于增材原料3边长的0.01-0.05mm的正方形孔，在下侧方孔704的下侧孔端面处设有容纳热塑性材料的倒角70401，在搅拌头端面702上围绕轴下侧方孔704设有多个突起结构70201，突起结构70201的结构外形包括但不限于圆台、凸台、圆柱或圆锥等形状，其高度为1.0-3.0mm；增材搅拌头7的材质包括但不限于高速工具钢、热作模具钢、硬质合金、聚晶立方氮化硼等材质，该材料硬度和熔点应显著高于增材原料3。

所述定速送料机构6为送丝机，是一种现有结构，送丝机采用滚压轮结构带动增材原料3以恒定速度向下运动并从搅拌头端面702流出，增材搅拌头7带动增材原料3旋转与增材制造构件8间摩擦热塑化沉积；所述增材制造构件8包括增材制造基板803。

所述液压顶杆机构1包括液压油缸101和液压杆102，在液压杆102的端部设有一轴承，以抵消上离合模块4与下离合模块5接触后相位匹配过程中带来的冲击扭矩。

所述增材原料3的截面边长为5-20mm，搅拌头端面702直径为增材原料3截面边长3-6倍。

一种连续进给送料搅拌摩擦增材制造装置的增材制造方法，具体包括以下步骤：

启动增材搅拌头7，搅拌头端面702上的突起结构70201首先在高速旋转的状态下扎入增材制造基板803，直到搅拌头端面702与增材制造基板803的上表面相接触，搅拌头7的旋转速度为100rpm-8000rpm，预热保持3-30秒；

启动定速送料机构6，其侧顶压力不小于轴向送料阻抗力与滚压轮/增材原料间摩擦系数的比值，定速送料机构6向下运送增材原料3，定速送料机构6的送料速率为增材搅拌头7行进速度的1-5倍，同时增材搅拌头7回抽0.5-2.5mm，随后增材搅拌头7立即按照预先设定的路径行进，增材搅拌头7的回抽速度范围为1mm/min-100mm/min，增材搅拌头7的行进速度范围为10mm/min-1000mm/min；且该过程中定速送料机构6不停止连续运转，使增材原料3持续地从增材搅拌头的阶梯方孔中流出，同时增材搅拌头7带动增材原料3同步旋转，在搅拌摩擦大塑性变形与形变自发热作用下增材原料3热塑化沉积于增材制造基板803，搅拌头端面702上的多个突起结构70201在此过程中碾磨当前增材制造层801与增材制造基板803间的界面，强化二者之间的机械与冶金连接效果，并在增材搅拌头7的碾平作用下形成平整的增材成形表面，至此第一道次完成，形成已增材制造层802；以上过程往复进行，并在下一道次的起始点再次进行与第一道次开始相同的回抽行为，以实现增材过程的连续制造；上一道次和下一道次可以不连续制造，停机后需要启动搅拌头7，搅拌头端面702上的突起结构(70201)在高速旋转的状态下扎入已增材制造层802，直到搅拌头端面702与已增材制造层802上表面相接触，开始重新增材制造即可；

当前一根增材原料3即将耗尽时，上离合模块4首先向上运动并与下离合模块5分离以停止旋转，盘式送料机构2旋转一定角度rot1使得新增材原料对准增材搅拌头7的中心轴线，在液压顶杆1的作用下将新增材原料引入上离合模块4中，随后上离合模块4向下运动并与下离合模块5再次接触，上离合模块4和下离合模块5同步旋转rot2，并在液压顶杆1的作用下两根增材原料端面相接触，实现进给送料，由于离合模块为四阶旋转对称结构，其上下离合模块相位差恒定地为0°、90°、180°或270°几种情况，而由于增材原料3亦为正方形截面结构，其同样也是一种具有四阶旋转对称结构，因此新的增材原料必定与上一根增材原料具有相同的相位，从而保证了新增材原料能够进入增材搅拌头阶梯方孔中，当新增材原料3即将再次耗尽时，重复上述动作即可实现增材原料3的连续进给送料。前一根增材原料即将耗尽的定义为当前增材原料3上端面距离定速送料机构6不足10-100mm。

盘式送料机构2单次旋转角度为360°除以其上增材原料容纳通孔数量，旋转方向可根据实际需求情况决定。

针对铝/镁等低熔点材料，定速送料机构6的送料速率通常为增材搅拌头7行进速度的3-5倍，针对铜/钛等较高熔点材料，定速送料机构6的送料速率通常为增材搅拌头7行进速度的2-3倍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。