三段式热熔金属物料增材成型的方法和装置与流程

本发明是一种用于金属物料三维增材成型领域的成型方案和机械，具体是一种金属物料三维增材成型的方法和其配套机械结构。

背景技术：

近年来随着科学的进步，“三维制造技术”得到了快速蓬勃的发展,现在的技术已经可以直接制造金属部件，但是现有技术在热熔工序上依然有瑕疵，其根本因素是对于已经成型的表面再次重熔的不重视。

技术实现要素：

本发明基于以下认识：1对金属物料的多次重熔以减少在沉积成型表面的热影响区，2对正在成型的成型物进行加热，减少在表面重熔时所需的能量以及降低沉积难度。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：1对金属物料进行两次熔化，一次在成型头内，第二次在沉积成型表面。2在成型头上安装非接触式加热装置，如感应加热线圈或激光器，在沉积的同时对已经成型的表面进行再加热。

以上方法一共有三个加热步骤：1成型台或成型物的加热；2金属物料进入成型头时的初次加热；3金属物料接触成型台或成型物表面的再次加热熔化。

步骤1成型台或成型物的加热其另一作用为，对三维成型物的热处理，以消除上一次成型时所造成的内应力。

所述金属物料为金属丝、金属带、金属粉末等金属物料以及合金材料。

以下热熔步骤中的成型头由数控运动模块带动，数控运动模块的运动由数控系统根据数控代码进行控制。

以下三种实例是在成型室内进行的，成型时，内部充有惰性保护气体用于隔绝氧气，防止三维成型物的氧化。

在进行成型的过程中真空机进行工作，通过吸气口气流使熔池保持形状金属液不四处流淌。

以下三种实例中金属物料的送入量由数控系统控制。

（i）当开始进行成型工序时，金属物料进入成型头内部，金属物料会被缠绕在成型头上的感应加热线圈产生的磁场加热熔化，当金属物料被成型头内的铜管线圈加热熔化后继续运动穿过料管运动到成型台时送丝轮电极与成型台形成通路，熔化的金属物料被再次加热，如果成型台上有正在制造的三维成型物，当熔化的金属物料接触到三维成型物上一次成型的表面时，上一次成型的表面会被再次熔化，新输送来的金属物料会和已经成型的金属物料紧密的结合为一体，在进行以上步骤时成型头上安装的感应加热线圈同时会将正在成型的成型物进行再一次加热，这样能进一步减少金属物料接触成型台或成型物表面时再次加热熔化所需的热量。

（ii）当开始进行成型工序时，进入成型头内部的金属物料会被缠绕在成型头上的感应加热线圈产生的磁场加热熔化，当金属物料被成型头内的铜管线圈加热熔化后继续运动穿过料管运动到接近成型台达到足够近的位置时，送丝轮电极通电的金属物料会与成型台之间产生电弧，熔化的金属物料被再次加热滴落下来，如果成型台上有正在制造的三维成型物，会滴落在三维成型物表面，如果没有成型物会滴落在成型台表面；成型物上一次成型的表面会被再次熔化或者成型台的表面会被电弧熔化，新输送来的金属物料会和已经成型的金属物料或成型台表面紧密的结合为一体，在进行以上步骤时成型头上安装的激光头会使用激光将正在成型的成型物表面或者成型台进行一次加热，这样能进一步减少金属物料接触成型台或成型物时再次加热熔化所需的热量。

（iii）当开始进行成型工序时，金属进入成型头内部，金属物料会被缠绕在成型头上的感应加热线圈产生的磁场加热熔化，当金属物料被成型头内的铜管线圈加热熔化后继续运动穿过料管运动到成型台时送丝轮电极与成型台形成通路，熔化的金属物料被再次加热，如果成型台上有正在制造的三维成型物，当熔化的金属物料接触到三维成型物上一次成型的表面时，上一次成型的表面会被再次熔化，新输送来的金属物料会和已经成型的金属物料紧密的结合为一体，在进行以上步骤时成型头上安装的等离子装置会使用等离子炬将正在成型的成型物进行一次加热，这样能进一步减少金属物料接触成型台或成型物表面时再次加热熔化所需的热量。

以上三种实例加热时成型头会喷出气体对正在成型的部位进行冷却，使熔化的金属物料不会四处流淌。

以上三个加热过程中，加热所需的能量大小由数控系统根据所使用的金属物料的特性控制。

实例（i）中，对成型物加热的感应加热线圈可以用成型头上加热金属物料的感应加热线圈变形延伸得到，也可以在成型头上加装第二个感应加热线圈。

在本文中所涉及的加热方法只作为实例并不是限定方法，如有符合本专利精神的变形和改进也属于本专利的保护范围。

本文中所述的数控代码可以由计算机生成，可以利用“计算机辅助设计模型”或“CAD模型”生成，其具体是虚拟的三维图像。

所述成型头是用于进行金属物料热熔成型以及沉积的部件。

所述成型台是固定在数控运动系统上用于支撑三维成型物成型的平台，也用于给三维成型物导通电流。

所述金属物料为金属丝、金属带、金属粉末等金属物料以及合金材料，是3D打印的耗材。

所述一次熔化线圈是安装在成型头上对运动到在成型头内部的金属物料进行加热熔化的部件，由感应加热机提供能量。

所述二次熔化线圈是固定在成型头上的盘状线圈用与对三维成型物进行再次加热，由感应加热机提供能量。

送丝轮电极是一种使用电机带动的金属轮连接电阻焊焊机或电弧焊机，作用是给金属物料通电以及输送金属物料。

所述熔滴是金属物料在被电弧熔化时产生的金属液滴。

所述熔池时在三维成型物表面形成的液态金属熔池。

所述料管时一种耐高温材料制作而成的管道用于通过金属丝。

所述真空机时一种真空气泵，用于产生负压，通过管道和吸气口连接，工作时产生的负压通过管道和吸气口能使金属液滴不四处流淌。

所述感应加热机用于给一次和二次熔化线圈提供高频交变电流，一次和二次熔化线圈能加热金属使之熔化。

所述光纤激光器用于产生激光，通过光纤和镜头加热三维成型物。

所述电阻焊焊机用于加热金属物料，一个电极通过送丝轮电极连接金属物料另一个电极连接成型台，当金属物料接触成型台或和成型台连接的三维成型物时电流能将接触的那个点的金属物料和三维成型物的表面熔化。

所述电弧焊焊机用于加热金属物料，一个电极通过送丝轮电极连接金属物料另一个电极连接成型台，当金属物料料管运动到接近成型台达到足够近的位置时，金属物料和成型台或成型台上的三维成型物之间的气体被电压击穿产生电弧，金属物料和成型台或成型台上的三维成型物的表面都被熔化，成型台或成型台上的三维成型物的表面形成熔池，金属物料熔化产生熔滴，滴落在熔池中就可以完成沉积。

所述等离子电源和等离子喷口产生的等离子炬用于加热三维成型物。

附图说明

图1为实例（i）的结构图。

图2为实例（ii）的结构图。

图3为实例（iii）的结构图。

图中：成型头1、成型台2、金属物料3、一次熔化线圈4、二次熔化线圈5、送丝轮电极6、三维成型物7、熔滴8、熔池9、料管10、真空机11、管道12、感应加热机13、光纤激光器14、电阻焊焊机15、电弧焊机16、光纤17、激光镜头18、吸气口19、等离子加热电源20、等离子喷口21。

具体实施方式

以下将通过实例实施方式对本发明进行详细说明。不应将这些实施例解释为本发明想法的一般范围，上述本发明的想法为将金属物料的熔化拆分为三个步骤或三个部位：1.对已成型的三维成型物进行再一次的加热，2.成型头内初熔，3.成型物表面的熔融沉积。其具体思路还可以描述为将一次熔化拆分为多次熔化加热直至金属物料完全融合，将已成型物加热，使三维增材成型工序中最关键的三维成型物的表面熔化融合的难度减小，其另一作用为对三维成型物的热处理，以消除上一次成型时所造成的内应力，这个原理还可以描述为：在三维增材成型的过程中引入三个加热过程两个加热工序，1金属物料进入成型头时的初次加热，2金属物料接触成型台或成型物表面的再次加热熔化，为金属物料逐步升温热熔的工序；2金属物料接触成型台或成型物表面的再次加热熔化，3成型台或成型物的加热为金属物料与成型表面的热熔合的工序。其中还包括在进行成型的过程中使用真空装置产生吸力，气流的吸力使熔池保持形状金属液不四处流淌。

以下热熔步骤中的成型头1由数控运动模块带动，当开始进行成型工序时成型头1会被数控运动模块移动到准确位置然后开始以下热熔工序，数控运动模块的运动由数控系统根据数控代码进行控制。

以下三个实例中，在进行成型的过程时，真空机11进行工作，通过吸气口19吸气，气流使熔池保持形状金属液不四处流淌，真空机11通过管道12连接吸气口19。

（i）实例的实施方式。

一次熔化线圈4和二次熔化线圈5是由感应加热机13提供能量，

当开始进行成型工序时，进入成型头11内部的金属物料3会被缠绕在成型头11上的一次熔化线圈4产生的磁场加热熔化，当金属物料3被成型头11内的一次熔化线圈4加热熔化后继续运动穿过料管10运动到成型台2时送丝轮电极6通过金属物料3与成型台2形成通路，熔化的金属物料3被电阻焊焊机15的电流再次加热，如果成型台2上有正在制造的三维成型物7，当熔化的金属物料3接触到三维成型物7上一次成型的表面时，上一次成型的表面会被再次熔化形成熔池9，新输送来的金属物料3会和已经成型的金属物料3紧密的结合为一体，在进行以上步骤时成型头11上安装的二次熔化线圈4同时会将正在成型的三维成型物7进行再一次加热，这样能进一步减少金属物料3接触成型台2或三维成型物7表面时再次加热熔化所需的热量。

（ii）实例的实施方式。

当开始进行成型工序时，进入成型头11内部的金属物料3会被缠绕在成型头11上的一次熔化线圈4产生的磁场加热熔化，当金属物料3被成型头11内的一次熔化线圈4加热熔化后继续运动穿过料管10运动到接近成型台2达到足够近的位置时，送丝轮电极6通电的金属物料3会与成型台2之间产生电弧，熔化的金属物料3被再次加热形成熔滴8，滴落下来，如果成型台2上有正在制造的三维成型物7，会滴落在三维成型物7表面，如果没有三维成型物7会滴落在成型台2表面；三维成型物7上一次成型的表面会被再次熔化或者成型台2的表面会被电弧熔化形成熔池9，新输送来的金属物料3会和已经成型的金属物料3或成型台2表面紧密的结合为一体，在进行以上步骤时成型头11上安装的激光镜头18会使用激光将正在成型的三维成型物7表面或者成型台2进行一次加热，这样能进一步减少金属物料3接触成型台2或三维成型物7时再次加热熔化所需的热量。

（iii）实例的实施方式。

当开始进行成型工序时，进入成型头11内部的金属物料3会被缠绕在成型头11上的一次熔化线圈4产生的磁场加热熔化，当金属物料3被成型头11内的一次熔化线圈4加热熔化后继续运动穿过料管10运动到成型台2时送丝轮电极6与成型台2形成通路，熔化的金属物料3被再次加热，如果成型台2上有正在制造的三维成型物7，当熔化的金属物料3接触到三维成型物7上一次成型的表面时，上一次成型的表面会被再次熔化形成熔池9，新输送来的金属物料3会和已经成型的金属物料3紧密的结合为一体，在进行以上步骤时成型头11上安装的等离子装置等离子喷口21会使用等离子炬将正在成型的三维成型物7进行一次加热，这样能进一步减少金属物料3接触成型台2或三维成型物7表面时再次加热熔化所需的热量。

以上显示和描述了本发明的基本原理及主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。