一种金属细丝增材制造装置的制作方法

本发明涉及金属增材制造领域，具体涉及一种基于电阻热熔融堆积成形的金属细丝增材制造装置。

背景技术：

增材制造(additivemanufacturing，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。其中金属直接成形是增材制造技术中的难点和热点技术。

金属直接成形目前有多种传统方法，但各有利弊。如，高能束流增材制造的技术缺点是：设备造价高、设备复杂、体积比较庞大、辐射污染、同等功率下成形速度慢；又如，电孤增材制造技术的缺点是有大量的噪声和弧光的污染，成形精度也较差。其他的金属增材制造方法还有直接金属喷墨3d打印(以色列3d打印初创企业xjet已经完成样机的研发)，该方法受限于特种金属墨水的配比，适用面狭窄。

基于电阻热熔融堆积成形的金属细丝增材制造方法，能实现高利用率、高质量、低成本、绿色环保的金属零件增材制造，是一种将材料、机械、测控技术和信息处理集为一体的金属增材制造方法，但是，目前罕见其应用，其中一个原因是其稳定性差，在打印过程中起弧飞溅严重，而且层层之间以及和基板之间结合差。

技术实现要素：

为了解决现有基于电阻热熔融堆积成形的金属细丝增材制造过程中存在打印过程中起弧飞溅严重，而且层层之间以及和基板之间结合差的技术问题，本发明提供一种金属细丝增材制造制装置。

本发明的技术解决方案如下：

一种金属细丝增材制造装置，包括送丝机、导电嘴、基板、气氛保护结构及电源，所述送丝机、导电嘴及基板由上至下依次设置，所述电源的正极与导电嘴连接，所述电源的负极与基板连接，其特殊之处在于：

还包括功率电阻r1，所述功率电阻r1的一端与导电嘴连接，功率电阻r1的另一端与基板连接。

进一步地，为了在满足导流的情况下，减少热损耗，所述功率电阻r1的阻值大于金属丝材与基板导通时的接触电阻小于导电嘴与基板之间气体的击穿电阻。

进一步地，为了减少电路损耗，保证电源的输出功率不变，所述电源为可编程电源，所述可编程电源具有恒流输出模式和恒压输出模式，恒流输出模式用于金属的熔融，所述恒压输出模式用于功率电阻r1的供电。

本发明中金属熔融时，所需的电流比较大，如果用金属熔融时的电流给功率电阻r1供电，势必花费很大的功率；功率电阻r1只起到导流的作用，因此，本发明中选用了可编程电源在恒压输出模式下给功率电阻r1供电，目前是通过软件限流自动调整为恒压输出模式，在软件里设置了最大电流和最大电压，根据负载情况自动切换。

进一步地，现有的金属丝增材制造装置，只对金属丝材进行加热，而没有对金属基板进行加热，在打印过程中出现了层与层之间结合不好的问题，产生这一问题的主要原因是温度场的问题，热金属液滴到冷基板上就收缩了无法和基板结合，这个是材料学里材料润湿的核心问题，润湿是固液界面上的重要行为，润湿角与材料中晶体的形核有密切关系。因此，本发明在基板的底部还设置有加热器。

进一步地，所述基板与加热器为一体结构。

进一步地，所述基板的上方还设置有局部加热器6，所述局部加热器6用于对基板成形区域进行加热，所述局部加热器6固定在送丝机上。

进一步地，为防止金属丝材氧化，并保证保护气体对金属成形不产生影响，所述气氛保护结构包括柔性气密罩，所述柔性气密罩上设置有进抽气结构；所述柔性气密罩设置在金属丝材熔融成形区域的外侧，对金属丝材熔融成形区域形成气氛保护。

进一步地，所述柔性气密罩的上端通过箍7或柔性扎带与送丝机连接，所述柔性气密罩的下端与基板粘接或焊接。

进一步地，所述柔性气密罩为牛津布罩、pvc罩、铝箔罩、pa罩、pe罩、橡胶罩、硅胶罩或乳胶罩。

进一步地，所述基板上固定设置有连接框架，所述柔性气密罩的下端与连接框架固定连接；

所述进抽气结构包括进气嘴和抽气嘴；

所述抽气嘴、进气嘴设置在柔性气密罩与连接框架连接处，并依靠连接框架固定。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明通过在导电嘴与基板之间并联电阻，当某种外部原因导致丝材和基板分离时，由于并联电阻给电流制造了通路，从而消除了导电丝才端部的电弧和电火花现象，避免了材料剧烈融化及飞溅所导致的打印失败或大的缺陷。

2、本发明通过在基板的底部及上方设置加热器，底部的加热器对基板加热，提高金属液滴和基板的结合性；上方的加热器实现成形区域的加热，使打印区域实现高温环境，有利于层与层之间、层与基板之间的结合，实现高质量的金属3d成形。

3、本发明通过在金属丝材熔融成形区域的外侧设置柔性气密罩，利用柔性材料良好的弹性、可延展性和气密性实现金属丝材熔融成形区域的气氛保护，具有结构简单、易于实现，气压稳定保护效果好的优点。

附图说明

图1所示为本发明电阻热熔融堆积成形的金属细丝增材制造原理图；

图2所示为本发明优选实施例电阻热熔融堆积成形的金属细丝增材制造装置在保护气氛结构抽气状态下的示意图。

图3所示为本发明优选实施例电阻热熔融堆积成形的金属细丝增材制造装置在保护气氛结构充气状态下的装置示意图。

其中附图标记为：1-送丝机、2-导电嘴、3-基板、4-电源、5-基板加热器、6-局部加热器、7-箍、8-柔性气密罩、9-进气嘴、10-抽气嘴、11-温度传感器、12-气体纯度传感器、13-机架、14-运动机构、15-连接框架、16-散热器、17-金属丝材。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的原理是基于金属丝材通电后会产生电阻热，通过电阻热实现金属丝材熔融堆覆成形，金属丝材通过自动送丝机1送入导电嘴2，导电嘴2连接电源4的正极，金属基板3连接电源4负极，在金属丝材17的顶端和基板3构成回路，通以一定形式的电流，瞬间熔融金属丝材17端，熔化后金属液滴由于重力和表面张力的作用沉积在基板3上，随着基板3的移动和不断的递送丝材，在基板3上即可形成堆积的金属零件，实现金属增材制造。但是在打印过程中，由于金属丝材17的电阻率随温度变化，加上丝材材质可能会有杂质或者变形导致送丝过程中的不稳定性等因素，导致导电丝材和基板3不接触，这时会发生电弧和电火花现象使沉积的材料剧烈融化及飞溅，导致打印失败或大的缺陷。为此，本发明在导电嘴2和基板3处并联合适规格的功率电阻，当某种外部原因导致丝材和基板3分离时，并联电阻给电流制造通路，避免发生起弧现象。

并联电阻选型原则要远大于丝材导通时的接触电阻，这样在正常打印时，分流到的电流可以小到忽略不计，基本不会外加系统热损耗，并联电阻小于导电嘴2与基板3之间的气体击穿电阻，在丝材和基板3分离时，起到导流的作用，同时配合电源控制，从恒流自动变为电压源，保证电源输出功率不变，也进一步减少了电路的损耗。具体并联电阻的大小及功率需要根据不同的打印丝材来选择。

图2-3所示为本发明优选实施例电阻热熔融堆积成形的增材制造装置示意图，该装置包括机架13、送丝机1、导电嘴2、基板3、电源4、功率电阻r1、气氛保护结构及运动机构14。送丝机1、导电嘴2、基板3及运动机构14由上至下依次设置，电源4的正极与导电嘴2连接，电源4的负极与基板3连接，功率电阻r1的一端与导电嘴2电连接，功率电阻r1的另一端与基板3电连接；装置中的电源4及功率电阻r1图2-3未示出。基板3的底部还设置有基板加热器5，基板3与基板加热器5为一体结构，基板加热器5用于对基板3加热，提高金属液滴和基板3的结合性；基板3的上方还设置有局部加热器6，局部加热器6用于对基板成形区域进行加热，使打印区域实现高温环境，有利于层与层之间、层与基板3之间的结合，实现高质量的金属3d成形。局部加热器6固定在送丝机1上。

基板加热器5的加热方式有多种，可选用电磁加热器，电阻丝加热器、红外线加热器或激光加热器的一种。

局部加热器6是指可以将沉积层加热至所需温度的元件，包括但不限于等离子体加热器、电弧加热器、感应加热器、电子東加热器、乙炔火焰加热器、钨极氯弧加热器、激光加热器、红外加热器、微波加热器、介电加热器中的一种；

本发明的运动机构14是设置在基板3底部的，考虑到运动平台无法长期承受高温，导致形变和运动的失准性，在运动平台上设置了散热器16，散热器16可以根据不通过条件选择风冷，水冷，半导体制冷等等。

本实施中的气氛保护结构包括柔性气密罩8，柔性气密罩8上设置有进抽气结构；柔性气密罩8设置在金属丝材17熔融成形区域的外侧，对金属丝材熔融成形区域形成气氛保护。柔性气密罩8的上端通过箍7与送丝机1连接。柔性气密罩8为牛津布罩，基板3上固定设置有连接框架15，柔性气密罩8的下端与连接框架15粘接。进抽气结构包括进气嘴9和抽气嘴10。抽气嘴10、进气嘴9设置在柔性气密罩8与连接框架15连接处，并依靠连接框架15固定。使用时，进气嘴9和含保护气体的气罐相连，用于充入保护气体；抽气嘴10与抽气泵连接，用于将残余气体排出。温度传感器11用于检测环境或者基板3温度，实现闭环温控。气体纯度传感器12用于根据不同需要可以包含水氧含量，气体压强等等传感器，实现气体质量气体压力等闭环控制。

不同的金属材料可以设计气氛保护，需要有气罐、气泵及气阀的进出控制，也可以按照真空密闭腔体设计，需要配备真空泵。

本发明的金属细丝增材制造装置的打印过程如下：

1、根据成形零件的需要，确定成形材料的属性，及成形的各种工艺参数，并保证金属丝材表面无氧化物及干燥处理。

2、使用气氛保护结构实现保护气氛或者真空环境，将金属丝材通过送丝机1构送入导电嘴2，并与基板3保持接触。

3、预热基板3，根据预设的参数启动打印机，在运动机构14，电源4及送丝机的协同工作下，实现金属材料逐层累加堆积成形，实现金属零件的增材制造。