一种增材制造装置的制作方法

本实用新型涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造装置。

背景技术：

增材制造技术是以一种数字模型文件为基础，运用粉末状或丝状的金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来成型零件的技术。

专利号为ZL103878370B的专利公开了一种金属丝状原材料熔融挤出束流浇注、三维堆积成型产品的3D打印设备，其方案是金属丝状原材料在通过由耐高温材料等组成的打印头模块时，打印头模块中高频感应器加热熔化金属丝材，使金属丝材变成具有流动性的液态或半液态状从打印头模块中挤出。该方法使用高频感应加热替代激光器，可大大降低设备成本；然而在成形过程中，该装置无法对金属凝固组织的初生相形貌进行控制，进而无法对液态或半液态(或半固态)金属打印原料的流动行为进行控制，严重影响打印均匀性。

专利号为ZL106623840A的专利公开了一种合金半固态旋压增材制备装置，其方案是将金属液注入制浆装置，通过激冷形核作用获得半固态浆料，并通过旋压管将浆料逐层地堆积到按预定程序运动地成型平台上，进而实现半固态旋压增材制备。该方法使用陶瓷加热圈作为热源，大大降低设备成本，然而在成形过程中，虽然有意识地通过旋压管制造形核过程，但是半固态浆料的制备要求形成大量均匀的形核核心，且需要对保温温度及保温时间进行精确控制，以实现对初生颗粒长大行为的控制，只通过所述旋压管光滑区域的激冷作用将难以制备流动行为可控的高粘性半固态浆料。

专利号为ZL106925783A的专利公布了一种高效金属3D打印设备和方法，其方案是采用金属熔体直接供料，使其以液流的形式连续喷出打印，同时利用冷却介质进行快速冷却，并通过打印头和成形基板的运动，完成打印过程。然而在成形过程中，直接使金属从液态变为固态会产生较大的凝固收缩，导致成形件尺寸精度不高，组织不能得到很好地控制，成形件将会产生较大的内应力。

因此，亟待需要提供一种新型增材制造装置来解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种增材制造装置，以解决现有技术中无法对半固体流动行为进行有效控制的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种增材制造装置，包括螺旋挤出机构，螺旋挤出机构包括：

料筒，其由上至下依次设有固体进料口、固体输送区、熔体建压区、熔体计量挤出区、分散区、储料区和半固体出料口；

第一螺杆，其位于料筒内，第一螺杆的进料端与进料口连通且其顶部连接有扭矩传感器，出料端位于分散区内；

多段加热套，每段加热套分别套设于与固体输送区、熔体建压区、熔体计量挤出区、分散区和储料区对应的料筒外侧。

作为优选，第一螺杆位于固体输送区、熔体建压区和熔体计量挤出区的周身上设有螺纹，位于分散区的周身上设有销钉。

作为优选，位于固体输送区的螺纹的螺距或槽深相等，位于熔体建压区的螺纹的螺距或槽深逐渐缩小，位于熔体计量挤出区的螺纹的螺距或槽深相等。

作为优选，还包括控制组件，每段加热套均连接有测温装置，储料区连接有压力传感器，控制组件分别与加热套、扭矩传感器和压力传感器连接。

作为优选，还包括供料机构和输料机构，输料机构包括两个同向旋转且能相互啮合的第二螺杆，两个第二螺杆的输入端与供料机构连通，输出端与进料口连通；输料机构的外壁设有水冷套。

作为优选，还包括密闭箱体和打印平台，打印平台位于出料口的下方，密闭箱体包括第一密闭箱体和第二密闭箱体，供料机构、输料机构和螺旋挤出机构均位于第一密闭箱体中，打印平台位于第二密闭箱体中。

作为优选，第一密闭箱体外设有用于更换供料机构的第一过渡仓，第二密闭箱体外设有用于取出在打印平台上打印形成的成型件的第二过渡仓。

作为优选，还包括气氛保护机构和净化机构，气氛保护机构的输出端分别与供料机构和第二密闭箱体连通，净化机构与第二密闭箱体连通。

本实用新型的有益效果：

本实用新型通过多段加热套对固体进行加热和保温使其形成半固体，并通过扭矩传感器来表征半固体的黏度状态及流动状态，从而解决了现有技术中无法对半固态流动行为进行有效控制的问题。

附图说明

图1是本实用新型提供的增材制造装置的结构示意图；

图2是图1中螺旋挤出机构的结构示意图；

图3是图1中输料机构的结构示意图。

图中：

1、螺旋挤出机构；2、供料机构；3、输料机构；4、密闭箱体；5、打印平台；6、气氛保护机构；7、净化机构；

11、料筒；12、第一螺杆；13、加热套；14、测温装置；15、压力传感器；111、进料口；112、固体输送区；113、熔体建压区；114、熔体计量挤出区；115、分散区；116、储料区；117、出料口；121、扭矩传感器；122、螺纹；123、销钉；

31、第二螺杆；32、水冷套；

41、第一密闭箱体；42、第二密闭箱体；43、第一过渡仓；44、第二过渡仓。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

如图1所示，其为本实用新型提供的一种增材制造装置的结构示意图。该增材制造装置包括螺旋挤出机构1、供料机构2、输料机构3、密闭箱体4、打印平台5、气氛保护机构6和净化机构7，其中：

固体粉末(本实用新型优选为固体金属粉末)通过供料机构2(例如可以是供料料斗)向输料机构3进行供料，并通过输料机构3向螺旋挤出机构1进行输料，用于金属粉末的逐层沉积成型，本具体实施方式中的金属粉末为两种及两种以上的不同熔点的金属粉末。请参阅图3，输料机构3包括两个同向旋转且能相互啮合的第二螺杆31，两个第二螺杆31的输入端与供料机构2连通，输出端与螺旋挤出机构1的进料口111(如图2所示)连通。通过啮合双螺杆的同向旋转运动而带动从供料机构2内落下的混合金属粉末向前运动，同时由于啮合双螺杆的自清洁作用，避免金属粉末在啮合双螺杆间隙及啮合双螺杆与双螺杆料筒(即输料机构3的外壳)的间隙堆积、粘连，从而起到为螺旋挤出机构1输料的作用。输料机构3的外壁设有水冷套32，以减少螺旋挤出机构1的加热套13(如图2所示)产生的热场影响，从而更好地将固体金属粉末顺利送入螺旋挤出机构1中。

密闭箱体4包括第一密闭箱体41和第二密闭箱体42，供料机构2、输料机构3和螺旋挤出机构1均位于第一密闭箱体41中，打印平台5位于第二密闭箱体42中，密闭箱体4为金属粉末成型过程提供密闭环境。气氛保护机构6的输出端分别与供料机构2和第二密闭箱体42连通，净化机构7与第二密闭箱体42连通。气氛保护机构6的气氛采用惰性气体，优选采用氩气，气氛保护机构6为供料机构2和第二密闭箱体42供气，进而为输料机构3和螺旋挤出机构1供气，输入的高纯度惰性气体将供料中携带的空气“挤压”出整个增材制造装置，以避免空气中的水和氧对金属粉末成型造成影响。第一密闭箱体41外设有用于更换供料机构2的第一过渡仓43，第二密闭箱体42外设有用于取出在打印平台5上打印形成的成型件的第二过渡仓44。

打印平台5为三向(即XYZ方向)移动平台，可根据控制组件的运动指令(即打印路径)进行三向移动，辅助螺旋挤出机构1进行金属构件的逐层沉积成形，对成型件进行均匀化热处理，以得到具有目标成分、组织的成型件，同时进一步提高产品的力学性能，最终完成整个零件的加工。净化机构7对第二密闭箱体42内的气体进行循环净化处理(如进行干燥和除氧处理)，使第二密闭箱体42内水、氧含量长期维持在1ppm以下。具体地，可以在净化机构7中设置水含量监测器和氧含量监测器，对第二密闭箱体42内的水氧进行监测。

如图2所示，其为本实用新型提供的螺旋挤出机构1的结构示意图。螺旋挤出机构1包括料筒11、第一螺杆12、多段加热套13和测温装置14，加热套13的加热方式采用电阻加热的方式，且加热套13采用铸铜或陶瓷制成，可大幅度降低增材制造装置的制造成本，同时避免使用质量要求极高的球形金属粉末作为成型材料(本实用新型可采用球形度要求不高的金属粉末)，进一步降低了材料使用成本，其中：

料筒11由上至下依次设有固体金属进料口111、固体输送区112、熔体建压区113、熔体计量挤出区114、分散区115、储料区116和半固体金属(即半固态金属浆料)出料口117；第一螺杆12位于料筒11内，第一螺杆12的进料端与进料口111连通且其顶部连接有扭矩传感器121，出料端位于分散区115内；每段加热套13分别套设于与固体输送区112、熔体建压区113、熔体计量挤出区114、分散区115和储料区116对应的料筒11外侧，优选地，分散区115和储料区116可共用同一个加热套13，这是因为在这两个区域的主要作用分别是使半固体金属更加分散均匀和使分散后的半固体金属能够更加稳定地流出料筒11。位于固体输送区112、熔体建压区113和熔体计量挤出区114的加热套13对固体或半固体金属进行加热，位于分散区115和储料区116外侧加热套13可对半固体浆料的保温温度及保温时间进行精确控制，从而实现对半固体金属的组织形貌和流动行为进行有效控制，提高打印均匀性。本实用新型通过多段加热套13对固体金属进行加热和保温使其形成半固体金属，并通过扭矩传感器121来表征半固体金属的黏度状态及流动状态，从而解决了现有技术中无法对半固态金属流动行为进行有效控制的问题。

具体地，第一螺杆12位于固体输送区112、熔体建压区113和熔体计量挤出区114的周身上设有螺纹122，位于分散区115的周身上设有销钉123。通过螺纹122可使固体金属粉末逐渐形成均匀的半固体金属，并通过位于第一螺杆12的尾端的销钉123部分，能够更进一步使得半固体金属均匀化和有效获得剪切作用。

具体地，位于固体输送区112的螺纹122的螺距或槽深相等，通过螺纹122的带动从输料机构3进入螺旋挤出机构1的混合金属粉末向下输送，在输送的过程中，混合金属粉末依靠加热套13对固体输送区112的热量传导，使其逐渐吸热形成包覆熔膜，之后进入熔体建压区113。位于熔体建压区113的螺纹122的螺距或槽深逐渐缩小，进入熔体建压区113后，由包覆熔膜包覆的混合金属粉末逐渐形成均匀悬浮高熔点固相颗粒的固-液两相金属熔体(即半固体金属，本具体实施方式中优选采用两相金属)，该固-液两相金属熔体即本实用新型提供的增材制造装置所采用的半固体金属浆料，该浆料在螺距或槽深逐渐缩小的螺纹的旋转作用下被裹挟并向下输送，由于每相邻的螺纹之间的容积逐渐变小，故浆料在输送过程中沿第一螺杆12轴线方向上产生压力梯度(即压力逐渐增大)，从而以一定的压力将半固体金属浆料输送至熔体计量挤出区114，同时在输送过程中对半固体金属熔体进行螺旋剪切作用，使其成分均匀化。位于熔体计量挤出区114的螺纹122的螺距或槽深相等，其作用在于通过等容积的螺纹槽将高固相分数的半固体浆料均匀且定量地输送至分散区115进行更加均匀地分散，并经储料区116稳定地储存，最后经出料口116挤出。

具体地，该增材制造装置还包括控制组件，每段加热套13均连接有测温装置14，储料区116连接有压力传感器15，控制组件分别与加热套13、扭矩传感器121和压力传感器15连接。(四段)测温装置14对料筒11内部浆料的温度进行监测并根据监测结果反馈调节每段加热套13的热量供给。扭矩传感器121用于监第一螺杆12的扭矩，通过扭矩值表征半固体金属熔体在螺旋挤出机构1的黏度状态及流动状态，从而可通过改变螺旋挤出机构1中驱动电机(图中未示出)的转速及每段加热套13的温度设定，延长或缩短半固体金属熔体在料筒11内的停留时间及吸热过程，进而控制金属凝固微观组织的初生相形貌及半固体金属宏观的流动行为。压力传感器15用于检测储料区116内半固体金属熔体的压力，同时与扭矩传感器121共同对半固体金属熔体在螺旋挤出机构1的黏度状态及流动状态进行表征，从而确保半固体能够稳定挤出。

本实用新型还提供了一种金属增材制造方法，其优选的实施例为上述涉及的增材制造装置，该方法具体包括如下步骤：

预制均匀混合的多种固体颗粒并置于供料机构2中，为输料机构3提供均匀混合的多种固体颗粒；

通过对熔点不同的多种固体颗粒进行加热，使低熔点固体发生熔化并与高熔点固相颗粒混合而形成半固体；

通过对熔点不同的多种固体进行搅拌，使其形成具有均匀悬浮目标固相分数颗粒的半固体；

通过测量搅拌过程的扭矩和压力对形成的具有均匀悬浮目标固相分数颗粒的半固体的黏度状态及流动状态进行表征。本实用新型采用半固体金属的浆料制备工艺，利用半固体浆料特殊的组织构成和流体性质，使成型件组织均匀，减少组织缺陷及内应力，提高成型件的力学性能，显著改善打印件的质量；同时半固体浆料在沉积和凝固过程中收缩量小，成型精度高，可实现成型件的近净成形。

具体地，上述搅拌过程包括：

对固体进行加热和输送，通过料筒11的传导热及固体在输送过程中的摩擦热，使固体颗粒逐步在螺槽间形成包覆熔膜，并在持续吸热过程中逐渐形成半固体(对应于固体输送区112的作用)；

对形成有包覆熔膜的固体金属进行加热和建压输送，使其所受压力逐渐升高，且持续受到搅拌作用而形成具有均匀均匀悬浮目标固相分数颗粒的半固体金属(对应于熔体建压区113的作用)；

对具有均匀均匀悬浮目标固相分数颗粒的半固体金属进行控温和定量输送，且持续受到搅拌作用，使其进一步均匀化(对应于熔体计量挤出区114的作用)；

对进一步均匀化的半固体金属进行保温和储存(对应于分散区115和储料区116的作用)，用于逐层沉积成型(对应于打印平台5的作用)。

该方法通过对固体金属进行加热和搅拌使其形成均匀的半固体金属，并利用测量搅拌时产生的扭矩来表征半固体金属的黏度状态及流动状态，从而解决了现有技术中无法对半固态金属流动行为进行有效控制的问题。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术用户来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。