利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置及方法：包括金属丝材以及送丝辊轮，喷嘴按照薄壁结构件的截面轮廓信息作x-y平面运动，同时挤压并控制熔融态金属液体流量，使熔融的金属液体均匀地沉积在基板上，快速冷却后形成薄壁零件截面轮廓，一层成型完成后，基板下降一截面层的高度，再进行下一层的沉积，如此循环，最终得到金属薄壁结构件的产品原型，具有加工灵活性高，产品质量稳定，热影响区小，工件热变形小，后续加工量小的优点，有效地提高了薄壁结构件的制造效率和性能，而且大大降低了制造成本，提高了金属熔融沉积方法进行批量生产的可能性。
【专利说明】利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属薄壁结构件快速成形领域，特别涉及利用金属熔融沉积方法(FDM)制造薄壁结构件的装置和方法。
【背景技术】
[0002]快速成型技术是20世纪80年代后期兴起的一项高新技术，它集成了 CAD/CAM、数控和材料科学方面的技术。其基本思想是:利用分层软件，将CAD建立的三维实体模型切分成一系列薄截面层，成型系统根据各截面层形成的二维数据，采用粘结(熔结)、聚合作用或化学反应等手段，逐层有选择地固化液体(或粘结固体)材料，从而快速堆积出实体模型。目前较为成熟的快速成型工艺有:光固化立体造型(SL)、叠层实体制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)。其中FDM是一种快速、安全、廉价的快速成型工艺，它具有容易操作，无毒无味的优点。由于这种工艺具有上述显著优点，发展极为迅速。目前FDM系统在全球已安装的快速成型系统中约占30%。
[0003]目前为止，薄壁零件多数为产品的关键零件。航空航天产品中一般要求结构尺寸大、重量轻、精度高，因此薄壁零件也更多些。比如，机翼就属于典型的薄壁零件，目前国内有很多精度要求较高的薄壁零件大都采用传统的车、铣、刨、磨完成，国外有采用超声振动切削和高速切削技术等进行制造加工的情况，但这些方法在制造中极易产生变形，很难满足精度要求，严重影响产品质量，因而薄壁零件的快速、高精度加工仍是机械制造中的一大难题。另外，在机翼的设计与制造中，为了减轻重量，将泡沫塑料或不同种类的蜂窝作为夹芯结构芯材应用的现象比较常见，但是这样的结构也增加了加工的工序和时间。
[0004]熔融沉积法目前所用材料主要是石蜡、塑料、陶瓷等的线材或粉材。在熔丝线材方面，主要材料是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酷热塑性塑料。美国加州大学用金属铝熔融沉积得到的制件比纯铝块抗拉强度提高30%，硬度提高100%，并且制件微结构得到显著细化。但目前，利用熔融沉积方法(FDM)制造薄壁结构件，特别是以金属丝材为原材料的方法还未曾见报导。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置及方法。
[0006]为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。
[0007]—种利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置，该成形薄壁结构件的装置包括基板以及金属熔融沉积模块，所述金属熔融沉积模块包括支架、设置于支架上的螺纹管、设置于螺纹管上的加热块以及设置于加热块内的加热管，螺纹管的出口端设置有与基板相对的喷嘴，螺纹管的入口端设置有送丝机构。
[0008]所述基板的表面平整，基板可持续加热。
[0009]所述金属熔融沉积模块设置于基板的上方，金属熔融沉积模块可水平移动，基板可升降。[0010]所述基板以及金属熔融沉积模块设置于填充有保护气体的保护罩内，薄壁结构件的截面轮廓在填充有保护气体的环境中完成成形。
[0011]所述成形薄壁结构件的装置还包括用于在喷嘴的出口处与基板之间形成均匀温度场的前置加热装置。
[0012]上述利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置成形薄壁结构件的方法，包括以下步骤:
[0013]I)利用加热管使加热块升温至设定的温度；
[0014]2)经过步骤I)后，以金属丝材为成形材料，利用送丝机构将金属丝材从螺纹管的入口向喷嘴输送，金属丝材在输送的过程中受加热块温度的作用转变成熔融态金属；同时，使所述金属熔融沉积模块按照薄壁结构件的截面轮廓信息作平面运动，平面运动过程中使熔融态金属从喷嘴流出并沉积在基板上，沉积在基板上的熔融态金属冷却后形成薄壁结构件的一层截面轮廓；
[0015]3)使基板下降一层截面轮廓的高度，然后利用喷嘴内流出的熔融态金属进行下一层截面轮廓的沉积，使下一层截面轮廓成形在基板上的截面轮廓上；
[0016]4)重复步骤3)直至得到完整的薄壁结构件。
[0017]在沉积第一层截面轮廓前，将基板的温度调整至尽量接近但小于沉积金属的熔点，在得到完整的薄壁结构件前，保持基板的温度。
[0018]通过喷嘴以及送丝速度控制熔融态金属的流量。
[0019]所述金属丝材的直径在毫米级至微米级。
[0020]所述熔融态金属从喷嘴流出至沉积在基板或截面轮廓上的过程中，熔融态金属在外界均匀温度场作用下由熔融状态逐渐凝固。
[0021 ] 本发明的有益效果体现在:
[0022]本发明采用螺纹管、喷嘴以及加热块和加热管实现熔融金属丝材并输出成形用金属液体，不仅结构合理，成本低，容易维护，而且可以解决金属材料熔融态难于控制的问题，使金属丝材顺利转变为液态金属并沉积在基板上，并通过基板的升降配合获得由多层沉积结构层叠构成的完整的薄壁结构件。
[0023]本发明将金属丝材由送丝机构送至喷嘴并加热至熔融态，喷嘴按照薄壁结构件的截面轮廓信息作χ-y平面运动，同时控制熔融态金属液体流量，使粘稠的金属液体均匀地沉积在基板上，快速冷却后形成薄壁零件截面轮廓，一层成型完成后，基板下降一截面层的高度，再进行下一层的沉积，如此循环，最终得到金属薄壁结构件的产品原型，由于采用了熔融沉积的原理，且使用了金属作为成形材料，因此，具有加工灵活性高，产品质量稳定，热影响区小，工件热变形小，后续加工量小的优点，有效地提高了薄壁结构件的制造效率和性能，而且大大降低了制造成本，提高了熔融沉积方法进行批量生产的可能性。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明利用金属熔融沉积方法成形薄壁结构件的原理图；
[0025]图2为同一熔覆层放大倍数不同的电镜结构图；(a)为放大40倍；(b)为放大120倍;
[0026]图中:1、基板；2、前置加热装置；3、喷嘴；4、加热块；5、加热管；6、支架；7、螺纹管；8、金属丝材；9、送丝机构。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0028]参见图1，本发明所述利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置包括基板I以及金属熔融沉积模块，所述基板I的表面平整，基板I可持续加热，所述金属熔融沉积模块设置于基板I的上方，金属熔融沉积模块可水平移动，基板I可升降；所述金属熔融沉积模块包括支架6、设置于支架6上的螺纹管7、设置于螺纹管7上的加热块4以及设置于加热块4内的加热管5，螺纹管7的出口端设置有与基板I相对的喷嘴3，螺纹管7的入口端设置有送丝机构9 ;所述成形薄壁结构件的装置还包括用于在喷嘴3的出口处与基板I之间形成均匀温度场的前置加热装置2。
[0029]所述基板I以及金属熔融沉积模块可设置于填充有保护气体的保护罩内，薄壁结构件的截面轮廓在填充有保护气体的环境中完成成形。
[0030]基于上述成形薄壁结构件的装置，本发明提供了一种利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的方法，其成形原理为:金属丝材通过送丝辊轮(送丝机构)由螺纹管送至喷嘴，加热块(具体为加热铝块)内部安装有加热管。根据金属丝材熔点不同，可以通过调节不同的温度，使金属丝材送至喷嘴时，已加热至熔融态。喷嘴按照薄壁结构件的截面轮廓信息作χ-y平面运动，同时挤压并控制熔融金属的流量，使粘稠的金属液体均匀地沉积在经过预热的基板上，快速冷却后形成一层金属薄壁结构件的截面轮廓，一层成型完成后，再进行下一层的沉积，如此循环，最终得到金属薄壁结构件的产品原型。
[0031]上述利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的方法，包括以下步骤:
[0032]I)利用加热管5使加热块4升温至设定的温度；2)经过步骤I)后，以金属丝材8为成形材料，利用送丝机构将金属丝材8 (—般金属丝材直径小于2mm)从螺纹管7的入口向喷嘴3输送，金属丝材8在输送的过程中受加热块温度的作用转变成熔融态金属；同时，使所述金属熔融沉积模块按照薄壁结构件的截面轮廓信息作平面运动，喷嘴为金属熔融沉积模块的组成部分之一，金属熔融沉积模块运动，则喷嘴也作相应的运动，平面运动过程中使熔融态金属从喷嘴3流出并沉积在基板I上，沉积在基板I上的熔融态金属冷却后形成薄壁结构件的一层截面轮廓；3)使基板I下降一层截面轮廓的高度，然后利用喷嘴3内流出的熔融态金属进行下一层截面轮廓的沉积，使下一层截面轮廓成形在基板I上的截面轮廓上；4)重复步骤3)直至得到完整的薄壁结构件。
[0033]该方法中，在沉积第一层截面轮廓前，将基板I的温度调整至尽量接近但小于沉积金属的熔点，使沉积在基板上的截面轮廓接近熔融态，在得到完整的薄壁结构件前，保持基板I的温度，通过喷嘴3以及送丝速度控制熔融态金属的流量；所述熔融态金属从喷嘴3流出至沉积在基板或截面轮廓上的过程中，熔融态金属在外界均匀温度场作用下由熔融状态逐渐凝固。
[0034]下面进行具体介绍:如图1所示，在薄壁结构件成形过程中，以金属丝材8为成形材料，金属丝材8通过送丝辊轮进入螺纹管7直至喷嘴3，螺纹管7由支架6定位，螺纹管7外面是内部装有加热管5的加热块4，螺纹管7、喷嘴2、支架6、加热管5以及加热块4固定在一起，喷嘴、加热块、支架、螺纹管和送丝辊轮等都设置在基板的上方，可以实现x-y方向上的整体运动，基板I固定在可以上下移动的工作台上，通过相互独立的控制系统保证彼此之间(基板的上下移动和x-y方向运动之间)不干涉并可以相互协调运动。根据金属丝材熔点不同，可以通过加热管对加热块进行不同的温度调节，使金属丝材送至喷嘴部分时已经融化形成熔融液体并通过喷嘴挤出，在计算机的控制下喷嘴按照薄壁结构件的截面轮廓信息作χ-y平面运动，挤出的熔融液体(熔滴)以一定的速度V沉积至基板I的上表面，这样金属熔融材料就被选择性地沉积在基板I上。快速冷却后(金属本身凝固的很快)形成一层薄壁结构件(例如机翼)截面轮廓(截面层)，基板I固定在可以上下移动的工作台上，根据计算机的控制，一层成型完成后，基板下降一截面层的高度，再进行下一层的沉积，如此循环，最终得到薄壁结构件的产品原型。采用此方法大大提高了薄壁结构件的成形性能。
[0035]为避免在成形过程中发生金属氧化，整个成形应在装有氩气或氮气等保护气体的保护罩中进行。
[0036]每一层沉积的厚度等参数可以通过计算机控制其参数设置，根据零件要求进行调节和优化。
[0037]对基板进行预热，可以保证金属熔滴和基板的融合性，基板预热后的温度尽量接近且低于金属丝材的熔点。成形过程中，基板一直保持预热的温度。
[0038]本发明以焊锡丝(金属丝材)为研究对象进行了初步试验，当加热到焊锡丝熔点以上使之形成熔滴后分别滴到未加热的基板和加热到熔点以下5°C左右基板上进行对比，分别切取试样进行金相分析(垂直于成形轨迹长度方向)。经砂纸打磨后用三氯化铁盐酸水溶液进行腐蚀，然后利用电镜对其铺展状态和内部组织进行比较，如图2所示。通过试验得到可视化结果，当基板加热到接近金属丝材熔点时进行沉积，此时熔滴和基板结合效果最好，能很好地融在一起，而没有经过预热的基板进行熔滴沉积时，熔滴很快凝固，与基板不能很好的融合，容易导致最终成形的薄壁结构件变形。
[0039]在喷嘴出口靠近工件处安装前置加热装置，前置加热装置提供均匀的温度场。
[0040]另外，经试验，本发明还得出熔滴尺寸越小，形成制件的精度越高。同时，基板的粗糙度越大，越不利于熔滴的铺展，也使熔滴与基板不能很好的融合。
[0041]金属丝材的直径、喷嘴直径以及沉积速度、基板的温度等参数都可以根据零件要求进行调节和优化。
[0042]金属丝材为成形材料，为保证成形精度，其直径一般小于2mm甚至到微米级。
[0043]本发明用带有加热管5的加热块4代替了激光器，保持熔融金属材料刚好在熔点之上，喷嘴的运动受CAD分层数据控制，当它沿着x-y方向移动，熔融态的金属丝材从喷嘴中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层，每层厚度范围在0.025-0.762mm,—层叠一层,最后形成薄壁结构件的模型。本发明的另一个创新点是采用金属丝材。其最大的优势是尺寸的稳定性，不仅容易成形，而且成形精度高，时间与环境的曝晒都不会改变成形后工件的尺寸或其他的特征。当达到室内温度后，尺寸是固定不变的。除了上述特点，通过加入前置加热装置后，成形的薄壁结构件在性能上取得了意料不到的改进效果:一方面使熔融液体在流出喷嘴后减缓凝固过程，另一方面使成形的结构件处于较为均匀的温度场，熔融金属逐渐冷却凝固完成沉积，减少成形零件内应力，加强零件层与层间的融合，避免最终成形的薄壁结构件内部有孔隙，从而避免开裂。
[0044]本发明具有如下优点:(I)不用使用价格昂贵的激光器，而且维护简单，成本低。(2)金属丝材在成形过程中更换容易。采用金属丝材直接成形，加工完之后，就可以把金属丝抽走。不会造成材料浪费。(3)成型速度较快，通过试验，具有某些结构特点的模型，最高成型速度己经可以达到60cm3/h,通过软件优化及技术进步,预计可以达到200cm3/h的高速度。
[0045]本发明不仅是薄壁结构件制造的一种新方法，而且也是熔融沉积方法(FDM)在材料方面的创新。用此方法进行加工，灵活性高，产品质量稳定，热影响区小，工件热变形小，后续加工量小，有效地提高了薄壁结构件性能，而且大大降低了制造成本。
【权利要求】
1.一种利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置，其特征在于:该成形薄壁结构件的装置包括基板(I)以及金属熔融沉积模块，所述金属熔融沉积模块包括支架(6)、设置于支架(6)上的螺纹管(7)、设置于螺纹管(7)上的加热块(4)以及设置于加热块(4)内的加热管(5 )，螺纹管(7 )的出口端设置有与基板(I)相对的喷嘴(3 )，螺纹管(7 )的入口端设置有送丝机构(9 )。
2.根据权利要求1所述一种利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置，其特征在于:所述基板(I)的表面平整，基板(I)可持续加热。
3.根据权利要求1所述一种利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置，其特征在于:所述金属熔融沉积模块设置于基板(I)的上方，金属熔融沉积模块可水平移动，基板(I)可升降。
4.根据权利要求1所述一种利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置，其特征在于:所述基板(I)以及金属熔融沉积模块设置于填充有保护气体的保护罩内，薄壁结构件的截面轮廓在填充有保护气体的环境中完成成形。
5.根据权利要求1所述一种利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置，其特征在于:所述成形薄壁结构件的装置还包括用于在喷嘴(3)的出口处与基板(I)之间形成均匀温度场的前置加热装置(2)。
6.一种如权利要求1所述利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置成形薄壁结构件的方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)利用加热管(5)使加热块(4)升温至设定的温度； 2)经过步骤I)后，以金属丝材(8)为成形材料，利用送丝机构(9)将金属丝材(8)从螺纹管(7)的入口向喷嘴(3)输送，金属丝材(8)在输送的过程中受加热块温度的作用转变成熔融态金属；同时，使所述金属熔融沉积模块按照薄壁结构件的截面轮廓信息作平面运动，平面运动过程中使熔融态金属从喷嘴(3)流出并沉积在基板(I)上，沉积在基板(I)上的熔融态金属冷却后形成薄壁结构件的一层截面轮廓； 3)使基板(I)下降一层截面轮廓的高度，然后利用喷嘴(3)内流出的熔融态金属进行下一层截面轮廓的沉积，使下一层截面轮廓成形在基板(I)上的截面轮廓上； 4)重复步骤3)直至得到完整的薄壁结构件。
7.根据权利要求6所述利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置成形薄壁结构件的方法，其特征在于:在沉积第一层截面轮廓前，将基板(I)的温度调整至尽量接近但小于沉积金属的熔点，在得到完整的薄壁结构件前，保持基板(I)的温度。
8.根据权利要求6所述利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置成形薄壁结构件的方法，其特征在于:通过喷嘴(3)以及送丝速度控制熔融态金属的流量。
9.根据权利要求6所述利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置成形薄壁结构件的方法，其特征在于:所述金属丝材(8)的直径在毫米级至微米级。
10.根据权利要求6所述利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置成形薄壁结构件的方法，其特征在于:所述熔融态金属从喷嘴(3)流出至沉积在基板或截面轮廓上的过程中，熔融态金属在外界均匀温度场作用下由熔融状态逐渐凝固。
【文档编号】B22F3/115GK103752825SQ201310751473
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】卢秉恒, 李素丽, 魏正英, 杜军, 王吉洁 申请人:西安交通大学