一种棒材重熔直写成型设备及棒材重熔成型方法与流程

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种棒材重熔直写成型设备及棒材重熔成型方法。

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、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。基于高能束流的金属增材制造工艺通常以高能束流为热源，该打印装备构造复杂且设备、材料成本高昂；同时，在高能束流扫描成型过程中成型件温度梯度较大，易使组织产生缺陷和较大的内应力。

专利号为cn106925783a的专利公布了一种高效金属3d打印设备和方法，将液态金属浆料的制备过程和增材制造成形过程结合，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。然而在成形过同程中，直接使金属从液态变为固态会产生较大的凝固收缩，导致成型件尺寸精度不高，组织不能得到很好地控制，成型件将会产生较大的内应力。

专利号为cn106623840a的专利公开了一种合金半固态旋压增材制备装置，将制备半固态浆料的过程和增材制造成形过程结合，省去浆料转移，直接在成形基板上实现成形过程。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。

基于上述问题，提出一种棒材重熔直写成型设备，结构简单，成型件内应力小，凝固收缩量小，提高了成型件的成型质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种棒材重熔直写成型设备及棒材重熔成型方法，结构简单，形成的半固态浆料，组织可控，成型件内应力小，凝固收缩量小，提高了成型件的成型质量。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种棒材重熔直写成型设备，包括供料系统、制浆系统和成型系统，所述供料系统被配置为储存由混合固体颗粒制成的棒材并向所述制浆系统提供所述棒材；

所述制浆系统包括制浆料筒和能够伸入所述制浆料筒内并相对所述制浆料筒移动和转动的挤出推杆，所述制浆料筒底部设置有加热装置，用于将所述制浆料筒内的所述棒材的局部进行加热以形成半固态浆料，所述挤出推杆沿所述制浆料筒的轴线方向移动抵压所述棒材以将所述半固态浆料挤出；

所述成型系统，所述成型系统能够与所述制浆系统相对移动，以将所述半固态浆料成型在所述成型系统上。

通过供料系统存储由混合固体颗粒形成的棒材并向制浆系统提供该棒材，加热装置对棒材的局部进行加热以形成半固态浆料，挤出推杆沿制浆料筒的周向方向移动抵压未融化的棒材以将半固态浆料挤出成型到成型平台上，该设备以混合固体颗粒形成的棒材为原料，通过局部加热的方式形成半固态浆料，组织可控，成型过程更加清洁，该成型设备结构简单，降低了成本，能够使成型件组织均匀，减少组织缺陷及内应力，提高成型件的力学性能，显著改善成型件的质量，制浆系统与成型系统的配合使成型过程更加简易。

作为上述棒材重熔直写成型设备的一种优选方案，所述供料系统包括原料盒、输送装置和储料装置，所述原料盒用于暂存所述棒材，所述输送装置设置在所述原料盒的下方，用于将所述原料盒内的所述棒材输送到所述储料装置内，所述储料装置被配置为将所述棒材调整为沿竖直方向设置并输出。

通过原料盒能够对棒材进行暂存，通过输送装置将原料盒内的棒材输送到储料装置内，通过储料装置将棒材沿竖直方向设置并输出，便于棒材进入到制浆系统中。

作为上述棒材重熔直写成型设备的一种优选方案，所述储料装置包括同步转动设置的内桶和外桶，所述内桶和外桶之间形成有间隙，所述间隙用于容纳所述棒材，所述内桶和外桶之间的底板设置有出料口，所述棒材由所述出料口输出。通过内桶和外桶之间的间隙使得棒材能够沿竖直方向排列，通过内桶和外桶的转动当棒材和出料口对准后，由出料口输出棒材。

作为上述棒材重熔直写成型设备的一种优选方案，所述制浆料筒底部设置有打印喷嘴，所述打印喷嘴上设置有所述加热装置。

作为上述棒材重熔直写成型设备的一种优选方案，所述挤出推杆的底端设置有温度检测装置，用于检测所述棒材的温度。温度检测装置设置在挤出推杆的底部，棒材具有传热的性质，通过温度检测装置检测棒材的温度，进而得出制备的半固态浆料的温度。

作为上述棒材重熔直写成型设备的一种优选方案，包括驱动装置和成型平台，所述驱动装置与所述制浆系统相连，并带动所述制浆系统沿设定路线运动。

作为上述棒材重熔直写成型设备的一种优选方案，所述驱动装置为三轴机械臂，所述三轴机械臂的自由端与所述制浆系统相连，并带动所述制浆系统沿三维方向移动。通过三轴机械臂的自由端与制浆系统相连，以带动制浆系统沿三维方向移动，进而能够成型复杂图形的成型件。

作为上述棒材重熔直写成型设备的一种优选方案，还包括成型辅助系统，所述成型辅助系统包括寻位控制系统与外场发射系统，所述寻位控制系统被配置为根据所述半固态浆料的成型路径调整所述外场发射系统的位置，所述外场发射系统被配置对所述半固态浆料进行锻打。成型辅助系统的设置使成型件获得更为致密的层间结合，完成半固态浆料逐层地沉积成型。

作为上述棒材重熔直写成型设备的一种优选方案，所述棒材由至少两种固体颗粒混合后压制而成。通过将至少两种固体颗粒混合后压制形成棒材，能够通过该棒材重熔直写成型设备对棒材的局部进行加热，不需要直接对固体颗粒进行操作，成型过程更加清洁。

本发明提供一种棒材重熔成型方法，采用上述的棒材重熔直写成型设备进行制备，包括步骤：

s1、将由混合固体颗粒制成的棒材添加到供料系统内；

s2、将所述供料系统中的所述棒材输送到所述制浆系统中，通过控制所述加热装置的加热条件以使所述棒材的局部形成半固态浆料，并通过控制所述挤出推杆的挤出条件以将所述半固态浆料挤出；

s3、通过所述成型系统与所述制浆系统的相对运动，以将所述半固态浆料成型到所述成型系统上。

该棒材重熔成型方法，通过控制加热装置的加热条件以使棒材的局部形成半固态浆料，并通过控制挤出推杆的挤出条件以将半固态浆料挤出并成型到成型系统上，便于对半固态浆料的流动行为进行有效控制，半固态浆料在沉积和凝固过程中收缩量小，成型精度高，形成的成型件组织均匀，减少组织缺陷及内应力，提高成型件的力学性能，显著改善成型件的质量。

本发明的有益效果：

本发明提出的棒材重熔直写成型设备，通过供料系统存储由混合固体颗粒形成的棒材并向制浆系统提供该棒材，加热装置对棒材的局部进行加热以形成半固态浆料，挤出推杆沿制浆料筒的周向方向移动抵压未融化的棒材以将半固态浆料挤出成型到成型平台上，该设备以混合固体颗粒形成的棒材为原料，通过局部加热的方式形成半固态浆料，组织可控，成型过程更加清洁，该成型设备结构简单，降低了成本，能够使成型件组织均匀，减少组织缺陷及内应力，提高成型件的力学性能，显著改善成型件的质量，制浆系统与成型系统的配合使成型过程更加简易。

本发明提出的棒材重熔成型方法，通过控制加热装置的加热条件以使棒材的局部形成半固态浆料，并通过控制挤出推杆的挤出条件以将半固态浆料挤出并成型到成型系统上，便于对半固态浆料的流动行为进行有效控制，半固态浆料在沉积和凝固过程中收缩量小，成型精度高，形成的成型件组织均匀，减少组织缺陷及内应力，提高成型件的力学性能，显著改善成型件的质量。

附图说明

图1是本发明提供的棒材重熔直写成型设备的结构示意图；

图2是本发明提供的供料系统的储料装置的结构示意图；

图3是本发明提供的棒材重熔直写成型设备的制浆系统和成型系统的结构示意图；

图4是本发明提供的棒材重熔直写成型设备的成型系统的结构示意图。

图中：

1、供料系统；11、原料盒；12、输送装置；13、储料装置；131、内桶；132、外桶；133、底板；1331、出料口；

2、制浆系统；21、制浆料筒；211、端盖；22、挤出推杆；221、密封圈；223、驱动部；23、打印喷嘴；24、加热装置；

3、成型系统；31、驱动装置；32、成型平台；

4、除气装置；

5、气氛保护装置；51、密闭箱体；52、供气装置；53、净化系统；511、第一过渡仓；512、第二过渡仓；

6、成型辅助系统；61、寻位控制系统；611、步进电机；612、双杆机构；6121、齿轮；6122、连杆；62、外场发射系统；

100、棒材。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明提供一种棒材重熔直写成型设备，图1是本发明提供的棒材重熔直写成型设备的结构示意图，如图1所示，棒材重熔直写成型设备包括供料系统1、制浆系统2和成型系统3，供料系统1被配置为储存由混合固体颗粒制成的棒材100并向制浆系统2提供棒材100(参见图4)；制浆系统2包括制浆料筒21和能够伸入制浆料筒21内并相对制浆料筒21移动和转动的挤出推杆22。制浆料筒21的底部设置有打印喷嘴23，打印喷嘴23上设置有加热装置24，用于将棒材100的局部加热以形成半固态浆料，挤出推杆22沿制浆料筒21的轴线方向移动抵压棒材100以将半固态浆料挤出。成型系统3能够与制浆系统2相对移动，以将半固态浆料成型在成型系统3上。

优选地，棒材100由至少两种固体颗粒混合后压制而成，能够通过该棒材重熔直写成型设备对棒材100的局部进行加热，不需要直接对固体颗粒进行操作，成型过程更加清洁。固体颗粒可以为金属颗粒或其他材质的固体颗粒，本实施方式中，固体颗粒优选为金属颗粒，棒材100由至少两种金属颗粒混合压制而成。棒材100在加热过程中，利用熔点差异快速将混合固体颗粒的棒材100熔化形成悬浮高熔点固相金属颗粒的固-液两相金属熔体，即半固态浆料，以半固态浆料特殊的组织构成和流体性质，半固态浆料具有大量的形核核心，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，显著改善成型件的质量，同时半固态浆料在沉积和凝固过程中收缩量小，成型精度高。

棒材重熔直写成型设备还包括成型辅助系统6，成型辅助系统6设置在制浆系统2上，用于辅助半固态浆料成型。成型辅助系统6的设置使成型件获得更为致密的层间结合，完成半固态浆料逐层地沉积成型。成型辅助系统6包括寻位控制系统61与外场发射系统62，寻位控制系统61被配置为根据半固态浆料的成型路径自动调整外场发射系统62的位置，外场发射系统62被配置对挤出后的半固态浆料在凝固之前进行高频锻打。具体地，寻位控制系统61包括步进电机611与双杆机构612，双杆机构612包括齿轮6121与连杆6122，连杆6122末端连接有外场发射系统62，通过步进电机611驱动齿轮6121转动一定角度，齿轮6121驱动连杆6122将外场发射系统62置于打印路径的尾端，当物料挤出沉积在成型平台32上后，外场发射系统62对这一位置进行高频锻打，以形成致密的成型件。优选地，外场发射系统62包括高频涡轮振动器和导热压板。

具体地，供料系统1包括原料盒11、输送装置12和储料装置13，原料盒11用于暂存棒材100，输送装置12设置在原料盒11的下方，用于将原料盒11内的棒材100输送到储料装置13内，储料装置13被配置为将棒材100调整为沿竖直方向设置并输出。通过原料盒11能够对棒材100进行暂存，通过输送装置12将原料盒11内的棒材100输送到储料装置13内，通过储料装置13将棒材100沿竖直方向设置并输出，便于棒材100进入到制浆系统2中。

进一步地，原料盒11的底部设置有可以开合的盖板，通过控制装置控制盖板的开合实现原料盒11内的棒材100的输出。

输送装置12转动设置，本实施方式中，输送装置12为v型送料架，能够容纳棒材100，当棒材100由原料盒11输出掉落到输送装置12上，v型送料架由水平转动一定角度发生倾斜，进而将v型料架上的棒材100输送到储料装置13中。优选地，输送装置12由水平方向可转动60°。输送装置12还可以为其他结构，只要能够实现棒材100的传输即可。

图2是本发明提供的供料系统的储料装置的结构示意图，如图2所示，储料装置13包括同步转动设置的内桶131和外桶132，内桶131和外桶132之间形成有间隙，间隙用于容纳棒材100，并对棒材100的方向进行整形。内桶131和外桶132之间的底板133设置有出料口1331，棒材100由出料口1331输出。通过内桶131和外桶132之间的间隙使得棒材100能够沿竖直方向排列，通过内桶131和外桶132的同步转动，当棒材100和底板133上的出料口1331对准后，棒材100由出料口1331输出，进入到制浆料筒21内。由于棒材100沿竖直方向排列，使得当棒材100由出料口1331输出时沿竖直方向进入制浆料筒21，输送较为便捷。

图3是本发明提供的棒材重熔直写成型设备的制浆系统和成型系统的结构示意图，图4是本发明提供的棒材重熔直写成型设备的成型系统的结构示意图，如图3和图4所示，制浆料筒21的底部设置有打印喷嘴23，打印喷嘴23上设置有加热装置24，优选地，加热装置24为高频电磁感应加热，成本较低，加热线圈集成在打印喷嘴23的头部。加热线圈为变直径线圈，根据打印材料的性能不同进行设计，控制通过物料的磁感线均匀，从而降低集肤效应的影响。优选地，打印喷嘴23为陶瓷材料，出料小孔的直径为0.5mm-2mm，根据加工件精度需求进行更换。打印喷嘴23的设置能够对半固态浆料的输出进行整形。优选地，通过在制浆料筒21的底部安装不同形状的打印喷嘴23，以挤出不同形状的半固态浆料。

制浆料筒21的顶部盖设有端盖211，当入料时，将端盖211取下，通过制浆料筒21顶部的入料口将棒材100放入到制浆料筒21内，当入料结束后，将端盖211密封在入料口处。端盖211的设置能够对制浆料筒21进行密封，也便于棒材100的添加。

棒材重熔直写成型设备还包括除气装置4，除气装置4与制浆料筒21相连通，用于除去制浆料筒21内的气体。除气装置4的设置使制浆料筒21内形成负压环境，防止半固态浆料与环境发生反应。优选地，除气装置4通过管路与制浆料筒21的端盖211相连，并与制浆料筒21的内部相连通，本实施方式中，除气装置4为真空泵，通过向制浆料筒21中抽气，以使制浆料筒21内部形成负压环境。

挤出推杆22的顶端设置有驱动部223，用于驱动挤出推杆22沿制浆料筒21的轴向方向移动。进一步地，挤出推杆22的底端设置有带有排气孔的密封圈221，密封圈221将制浆料筒21分隔成两个腔体。密封圈221与制浆料筒21的内部相抵持，通过除气装置4能够将挤出推杆22的密封圈221的上下两部分腔体内均抽成负压环境。

挤出推杆22的底端设置有温度检测装置，用于检测棒材100的温度。温度检测装置设置在挤出推杆22的底部，棒材100具有传热的性质，通过温度检测装置检测棒材100的温度，进而得出制备的半固态浆料的温度。具体地，温度检测装置包括温度控制器和温度传感器。温度传感器探头为扁平状，集成在挤出推杆22的底端。通过监测棒材100的温度，将温度数据上传至中央控制器，经过对磁感应的加热装置24的电流大小进行调节，从而达到调节温度的目的。

挤出推杆22上设置压力检测装置，用于检测挤出推杆22的压力。优选地，压力检测装置为压力传感器，通过压力传感器检测挤出推杆22的压力，进而反映出制浆料筒21内半固态浆料的粘度状态，从而可以反馈调节加热装置24的加热条件，使半固态浆料的粘度状态可控，最终实现半固态浆料的挤出。

如图3所示，成型系统3包括驱动装置31和成型平台32，驱动装置31与制浆系统2相连，并带动制浆系统2沿设定路线运动，以将半固态浆料成型在成型平台32上，该装置安全性高，实现成型件的复杂性及成型质量。

优选地，成型平台32上设置有加热部件，能够对成型平台32进行加热，以使成型在成型平台32上的成型件的获得更为致密的组织，极大提高了成型件的层间结合强度，对成型件的性能有显著提升。具体的加热部件的结构和加热方式属于现有技术，在此不再赘述。

优选地，驱动装置31为三轴机械臂，三轴机械臂的自由端与制浆系统2相连，并带动制浆系统2沿三维方向移动。通过三轴机械臂的自由端与制浆系统2相连，以带动制浆系统2沿三维方向移动，提高了成型自由度，大大提高了可成型件的复杂性及成型质量。

优选地，棒材重熔直写成型设备还包括气氛保护装置5，气氛保护装置5包括密闭箱体51、供气装置52和净化装置，制浆系统2和成型系统3均设置在密闭箱体51内。密闭箱体51外设置有第一过渡仓511和第二过渡仓512，第一过渡仓511设置在密闭箱体51的上部，用于添加棒材100，第二过渡仓512设置在密闭箱体51的下部，用于取出在成型平台32上打印成型的成型件。第二过渡仓512的体积小于第一过渡仓511的体积，每次取出成型件时，由于第二过渡仓512体积较小，可维持密闭箱体51内的气氛环境，延长净化系统53的使用寿命。

供气装置52与密闭箱体51相连通，并为密闭箱体51提供保护气体，具体地，供气装置52为密闭箱体51提供惰性气体。净化系统53与密闭箱体51相连通，用于将密闭箱体51内的气体进行循环净化。该气氛保护装置5能够对成型过程进行密封，通过供气装置52向密封箱体内提供惰性气体，对成型过程进行保护，净化系统53的设置实现对密闭箱体51内的气体进行循环净化，提高密闭箱体51内的洁净度，进而保证成型件的成型质量。

本发明还提供一种棒材重熔成型方法，采用上述的棒材重熔直写成型设备进行制备，包括以下步骤：

s1、将由混合固体颗粒制成的棒材100添加到供料系统1内。

将由混合固体颗粒制成的棒材100添加到供料系统1的原料盒11内，通过原料盒11的控制装置控制棒材100的输出，输送装置12转动，将棒材100输送到储料装置13中以备使用。开启净化系统53，对密闭箱体51内的气体进行循环净化处理，同时开启供气装置52，对整个工作系统以及密闭箱体51通入惰性气体，通过净化系统53辅助气体循环处理。

s2、将供料系统1中的棒材100输送到制浆系统2中，通过控制加热装置24的加热条件以使棒材100的局部形成半固态浆料，并控制挤出推杆22的挤出条件以将半固态浆料挤出。

驱动装置31将制浆系统2移动到供料系统1的出料位置时，开启密封的端盖211，储料装置13的内桶131和外桶132同步转动，当棒材100和底板133上的出料口1331对准后，棒材100由出料口1331输出，进入到制浆系统2的制浆料筒21内，盖上端盖211密封，同时加热装置24、除气装置4开始工作，在温度传感器检测到的温度达到预设温度时，挤出推杆22开始工作，通过挤出推杆22沿制浆料筒21的轴线移动，并绕轴线转动，将达到合适流变性能的半固态浆料挤出。通过加热装置24控制加热温度和加热时间，以便于有效控制半固态浆料的流动性。通过压力检测装置检测挤出推杆22的压力，进而反映出制浆料筒21内半固态浆料的粘度状态，从而可以反馈调节加热装置24的加热条件，使半固态浆料的粘度状态可控，进而使半固态浆料的粘度状态满足挤出条件。

s3、通过成型系统3与制浆系统2的相对运动，以将半固态浆料成型到成型系统3上。

在棒材100加热到合适的温度后挤出推杆22与驱动装置31开始工作，在预热到一定温度的成型平台32上开始沉积成型，在成型过程中成型辅助系统6开始工作，在挤出半固态浆料的同时外场发射系统62开始对半固态浆料进行锻打，直至打印结束。成型辅助系统6能够使得成型件获得更为致密的组织，极大提高成型件的层间结合强度，对成型件的性能有显著提升。

在挤出半固态浆料过程中，通过驱动装置31驱动制浆系统2沿设定的路线运动，以将半固态浆料成型在成型平台32上。

成型系统3打印结束后回到零点，加热装置24停止工作，同时挤出推杆22将残余的熔融物挤出在成型平台32的废料区。系统复位工作结束后，即可通过密闭箱体51的第二过渡仓512取出成型件。

该棒材重熔成型方法，通过控制加热装置24的加热条件以使棒材100的局部加热形成半固态浆料，并通过控制挤出推杆22的挤出条件以将半固态浆料挤出，然后通过驱动装置31驱动制浆系统2沿设定路线运动，以将半固态浆料成型在成型平台32上，便于对半固态浆料的流动性进行有效控制，半固态浆料在沉积和凝固过程中收缩量小，成型精度高，形成的成型件组织均匀，减少组织缺陷及内应力，提高成型件的力学性能，显著改善成型件的质量。通过将制浆系统2与三轴机械臂的相对运动，提高了成型自由度，大大提高了成型件的复杂性及成型质量。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。