一种金属丝材快速增材制造设备及其制造方法与流程

本发明涉及增材制造技术领域，具体地涉及一种基于电磁感应加热的金属丝材快速增材制造设备及其制造方法。

背景技术：

增材制造技术(additivemanufacturing，am)属于一种以材料叠加制造为基本特征的非传统加工方法，是近年来得到迅速发展的高端数字化快速制造技术。该技术基于“离散、堆积”的基本原理，通过将粉末、液态、丝状等离散材料逐层叠加，从简单的二维元素到复杂的三维实体以一种“生长”的制造思想来实现零件的加工制作，且在整个加工流程中不需要为其专门设计传统加工工艺中所需的复杂加工工序。增材制造技术最大的技术特点是可以快速而精确地制造出具有复杂结构和曲面的零件，生产周期明显缩短，尤其适合于单件小批量产品的快速自由制造。

目前，这项技术在航空航天、生物医疗、珠宝、鞋类和教育等领域都有广泛的应用。作为一项具有前沿性、先导性的新兴制造方法，增材制造技术正在改变传统生产制造行业的技术形态，随着进一步的技术提升，其市场化应用就会越来越普及，应用前景愈加广阔。

金属增材制造技术按照所用材料形态不同可分为送粉式增材制造和送丝式增材制造两种方法。送粉式增材制造技术的主要优点是尺寸精度良好，成型工件的组织结构致密、均匀，其缺点是制造过程中能量利用率不高，存在大量能量浪费，金属粉末的利用率极低(20％-30％)，且收集困难，易于造成环境粉尘污染。送丝增材制造分激光送丝增材制造、电子束丝增材制造以及弧焊送丝增材制造。激光以及电子束送丝增材技术所配套的设备昂贵，运行和维护成本高，相比于其他两种增材制造技术，电弧增材制造技术具有高成形效率、低成本等优点，但电弧增材制造也存在很多局限性，如零件的成形精度低，组织性能差等。

因此，综上所述的这些原因在很大程度上限制了金属增材制造技术的应用和推广。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种金属丝材快速增材制造设备及其制造方法，利用电磁感应加热技术对同种或不同种金属丝材进行快速加热至熔融，熔融的金属液滴汇合在一起经过充分搅拌后在低氧环境下经喷嘴挤出后快速成型。该方法极大的提高了工作效率，解决了原材料利用率低、成型速度慢、设备昂贵和对成型环境敏感等缺点，从源头消除了对环境污染的可能性，实现了绿色制造。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种金属丝材快速增材制造设备，包括：

一成型控制系统，所述成型控制系统生成磁场以加热金属丝材，所述成型控制系统包括一工业控制器和一工控机；

一工作台控制系统，所述工作台控制系统联动所述成型控制系统，所述工作台控制系统包括一四轴联动工作台，所述四轴联动工作台连接所述工业控制器，以进一步操作金属丝材；

一气体循环系统，所述气体循环系统形成一气体循环，对所述成型控制系统和所述工作台控制系统进行充气和降温；和

一在线监控系统，所述在线监控系统通信连接所述成型控制系统，所述在线监控系统包括一工业相机和一传感器组件，所述传感器组件连接所述工业控制器，所述工业相机连接所述工控机。

优选地，所述成型控制系统还包括一中空嵌入套、一法兰直线轴承、一耐高温管、一支撑管、一成型头、两个感应线圈、一喷嘴、一电机、一联轴器、一轴承、一变径变螺距螺杆、一送丝装置和一感应加热设备，其中所述法兰直线轴承嵌入在所述中空嵌入套的上端轴向位置，所述支撑管具有一上端和一下端，其中所述耐高温管套入到所述支撑管上端，其中一个感应线圈设置在所述支撑管下端内，所述成型头具有一上端和一下端，所述喷嘴通过螺纹安装到所述成型头下端，另一个感应线圈套在所述成型头下端的中空倒锥形部位，所述联轴器上端与所述电机相连，所述联轴器下端穿过所述轴承与所述变径变螺距螺杆相连，所述电机与所述工业控制器相连并带动所述变径变螺距螺杆转动，两个感应线圈分别与所述感应加热设备相连，所述感应加热设备与所述工业控制器相连接。

优选地，所述成型头上端具有圆周均匀排布的阶梯孔，所述送丝装置的个数与所述成型头上端的阶梯孔个数相同，所述感应加热设备的频率为50hz-20khz。

优选地，所述工作台控制系统还包括一成型基板、一电动旋转台、一隔热环、一弹簧、一固定螺母、一感应线圈、一旋转台连接板、一调平支撑板、一支撑杆和一工业控制器，其中所述支撑杆通过所述固定螺母安装在所述旋转台连接板上，所述弹簧套在所述支撑杆上，所述隔热环内嵌在所述调平支撑板的台阶孔内，所述调平支撑板的台阶孔穿过所述支撑杆安放在所述弹簧上。

优选地，所述成型基板穿过所述支撑杆，并用内六角螺钉固定在所述调平支撑板上，所述感应线圈安装在所述调平支撑板内，所述旋转台连接板固定在所述电动旋转台上，所述四轴联动工作台与所述工业控制器相连。

优选地，所述气体循环系统包括一气体过滤装置、一真空泵、两个电磁三通阀、一保护气体发生装置、一电磁两通阀、一进气快拧接头和一真空接头，其中所述真空泵一端与所述气体过滤装置相连，另一端与其中一个电磁三通阀相连，另一个电磁三通阀下端与所述保护气体发生装置相连，左端与所述进气快拧接头相连，上端与所述电磁两通阀的下端相连，所述电磁两通阀的上端与所述真空接头相连，所述的气体发生装置为气体发生器或者存储气瓶。

优选地，所述的在线监控系统包括一压力传感器、一氧含量分析仪、一红外温度传感器和两个热电偶温度传感器，所述压力传感器、所述氧含量分析仪、所述红外温度传感器、两个所述热电偶温度传感器均与所述工业控制器相连。

本发明提供了一种基于金属丝材快速增材制造设备的制造方法，包括：

(a)打开设备总电源，使设备处于待机状态，打开密闭腔门，将每根金属丝材穿过对应的送丝装置，然后打开端盖使金属丝材穿过法兰直线轴承导入到耐高温管内；

(b)然后在工控机的上位机软件上控制送丝装置并将金属丝材送到耐高温管上指示的位置；

(c)将经表面打磨抛光、酒精清洗过后的成型基板安装在调平支撑板上，并通过调节内六角螺钉将其调平，然后旋转固定螺母使成型基板固定；

(d)在上位机软件上操控调整喷嘴到成型基板上表面的垂直距离，再移动喷嘴到合适的打印起点位置，关闭密闭腔门；

(e)在上位机软件上设置氧含量参数、成型基板预热参数和密闭腔内的压力参数，以及送丝装置的送丝速度参数、喷嘴移动速度参数和感应加热设备的配套参数；

(f)将预先处理好的打印数据导入到工控机上，然后在上位机软件上点击打印准备按钮，这时工控机给工业控制器发出指令，工业控制器控制真空泵、感应加热设备以及各个电磁阀按指令有序的工作；待所有参数达到预先在上位机软件上设定的数值后，上位机软件会自动弹出提示条件已满足；

(g)在上位机软件上点击开始打印，然后设备将自动运行，进行打印；

(h)整个模型打印完成后，送丝装置会将耐高温管内未熔融的金属丝材拉出，然后保护气体发生装置产生的气体通过电磁阀和气管对耐高温管进行充气，设备自动对耐高温管和成型头进行清理工作；

(i)待设备自动清理工作完成后，上位机软件上自动提示打印已完成；等成型基板自动冷却后，打开密闭腔门，卸载成型基板，关闭设备总电源。

优选地，还包括以下步骤：

(j)在低氧的环境中，相同材料或者不同材料的金属丝材通过多个送丝装置将其送入对应的耐高温管内，环绕在耐高温管外面的电磁感应线圈产生磁场透过耐高温管快速将每根金属丝材分别加热至熔融，熔融的液滴汇入混合腔内；

(k)在变径变螺距螺杆的充分搅拌混合下通过喷嘴可控的将熔融液滴挤出到预先预热的成型基板上，喷嘴按照预先规划好的路径连续打印，单层完成后喷头向上移动一个单层距离，然后继续打印，如此循环直到打印完成。

采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：

在于在低氧环境下采用电磁感应加热技术将同种或不同种金属丝材快速熔融，使其不被氧化，随后熔融的金属液滴汇集在一起，并采用变径变螺距螺杆充分搅拌混合均匀，并在变径变螺距螺杆的转动下使其通过喷嘴挤出到已经设置好预热温度的成型基板上。本发明可将同种或不同种金属丝材同时进行快速加热至熔融状态，然后充分混合均匀，因此可以实现相同金属材料的快速成型，以及不同金属材料的快速混合成型。

附图说明

图1为本发明设备整体结构示意图；

图2为本发明设备中成型控制系统的整体结构示意图；

图3为本发明设备中成型基板的固定与调节结构示意图；

图4为本发明设备中成型头俯视结构示意图。

附图中标号：1.工控机；2.工业控制器；3.电磁三通阀a；4.真空泵；5.气体过滤装置；6.压力传感器；7.ccd工业相机；8.十字滑台模组；9.气体循环入口；10.氧含量分析仪；11.金属丝材；12.送丝装置；13.气管；14.成型头；15.打印成型件；16.成型基板；17.电动旋转台；18.直线模组；19.固定板；20.密闭腔；21.y型三通；22.进气快拧接头；23.连接板；24.真空接头；25.循环气体出口；26.电磁两通阀；27.电磁三通阀b；28.保护气体发生装置；29.感应加热设备；30.螺纹直通快速接头；31.拧紧螺钉a；32.支撑管上端；33.拧紧螺钉b；34.柔性垫片；35.成型头上端；36.支撑管下端；37.感应线圈a；38.成型头下端；39.成型头下端套管；40.感应线圈b；41.喷嘴；42.端盖；43.中空嵌入套；44.耐高温管；45.红外温度传感器；46.电机；47.联轴器；48.轴承；49.变径变螺距螺杆；50.法兰直线轴承；51.热电偶温度传感器a；52.内六角螺钉；53.隔热环；54.弹簧；55.固定螺母；56.感应线圈c；57.旋转台连接板；58.调平支撑板；59.热电偶温度传感器b；60.支撑杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、2和3所示，本发明提供了一种金属丝材快速增材制造设备，一种基于电磁感应加热的金属丝材快速增材制造设备包括工控机1，工业控制器2，真空泵4，压力传感器6，ccd工业相机7，氧含量分析仪10，金属丝材11，送丝装置12，气管13，成型头14，打印成型件15，成型基板16，电动旋转台17，固定19，密闭腔20，进气快拧接头22，连接板23，电磁两通阀26，电磁三通阀b27，保护气体发生装置28，感应加热设备29，感应线圈a37，成型头下端38，成型头下端套管39，感应线圈b40，喷嘴41，端盖42，中空嵌入套43，耐高温管44，红外温度传感器45，电机46，联轴器47，轴承48，变径变螺距螺杆49，法兰直线轴承50，热电偶温度传感器a51，内六角螺钉52，隔热环53，弹簧54，固定螺母55，感应线圈c56，旋转台连接板57，调平支撑板58，热电偶温度传感器b59，支撑杆60。

设备开启的时候，设备中所包括的成型控制系统、工作台控制系统、气体循环系统和在线监控系统里的所有装置自动归零或者恢复到原始状态。人工打开密闭腔门20，将每根金属丝材11穿过送丝装置12，然后打开端盖42使金属丝材11穿过法兰直线轴承50，并将其导入到耐高温管44内。在工控机的上位机软件上控制送丝装置12使金属丝材11进入到耐高温管44上指示的位置。将经表面打磨抛光和酒精清洗过后的成型基板16安装在调平支撑板58上，并通过调节内六角螺钉52将其调平，然后旋转固定螺母55使成型基板16位置固定。工控机1给工业控制器2发指令并通过工业控制器2控制工作台控制系统移动喷嘴41到成型基板16合适的位置。然后在工控机1的上位机软件上操控调整喷嘴41到成型基板16上表面的垂直距离，调整好后关闭密闭腔门20。

在上位机软件上设置密闭腔20内氧含量参数值、成型基板16预热参数值和密闭腔20内的压力参数值，以及送丝装置12的送丝速度参数值、喷嘴41移动速度参数值和感应加热设备29的配套参数。所有参数值设置好后，再将预选处理好的打印数据导入到工控机1上，然后在上位机软件上点击打印准备按钮，这时工控机1给工业控制器2发出指令，工业控制器2控制真空泵4、感应加热设备29以及各个电磁阀按指令有序的工作。待所有参数值达到预先在上位机软件设定的数值后，上位机软件会自动弹出提示成型条件已满足，可以进行打印。

这时在上位机软件上点击开始打印，设备自动运行打印操作。此时送丝装置12按照设置好的送丝速度进行送丝，同时感应线圈a37和感应线圈b40处于工作状态，感应线圈a37并对金属丝材11进行快速加热至熔融状态，熔融的金属液滴汇入到成型头下端38的混合腔内，电机46运转并带动变径变螺距螺杆49对金属液滴进行充分的搅拌混合，同时红外温度传感器45对金属液滴的温度进行实时监测并将数据传送给工控机1显示在上位机软件上。

金属液滴在变径变螺距螺杆49转动下通过喷嘴41挤出到预先预热到设定温度的成型基板16上，喷嘴41处热电偶温度传感器a51对挤出的金属液滴的温度进行实时监测并将数据传送给工控机1显示在上位机软件上。喷嘴41按照预先规划好的路径进行移动，待一层数据完成后，变径变螺距螺杆49停止转动，喷嘴41上升一个单层距离，然后变径变螺距螺杆49再次转动，同时喷嘴继续移动，如此循环直至整个模型数据打印完成。在整个成型的过程当中感应线圈b40对金属液滴进行加热保温，ccd工业相机对整个打印过程进行实时的监控。

待模型打印完成后，送丝装置12会将未熔融的金属丝材11拉出耐高温管44，端盖42盖住法兰直线轴承50，喷嘴41移动到指定位置，然后保护气体发生装置28产生的保护气体通过电磁阀和气管对耐高温管44进行充气，将耐高温管44内的残余金属液滴吹出到成型头上端35的混合腔内，变径变螺距螺杆转动并将所有残余的金属液滴通过喷嘴清理出去。待设备自动清理工作完成后，上位机软件上自动提示打印已完成。等成型基板16自动冷却后，打开密闭腔门，卸载成型基板16，最后关闭设备总电源。

根据本发明实施方式，本发明提供了一种基于金属丝材快速增材制造设备的制造方法，包括：

(a)打开设备总电源，使设备处于待机状态，打开密闭腔门，将每根金属丝材穿过对应的送丝装置，然后打开端盖使金属丝材穿过法兰直线轴承导入到耐高温管内；

(b)然后在工控机的上位机软件上控制送丝装置并将金属丝材送到耐高温管上指示的位置；

(c)将经表面打磨抛光、酒精清洗过后的成型基板安装在调平支撑板上，并通过调节内六角螺钉将其调平，然后旋转固定螺母使成型基板固定；

(d)在上位机软件上操控调整喷嘴到成型基板上表面的垂直距离，再移动喷嘴到合适的打印起点位置，关闭密闭腔门；

(e)在上位机软件上设置氧含量参数、成型基板预热参数和密闭腔内的压力参数，以及送丝装置的送丝速度参数、喷嘴移动速度参数和感应加热设备的配套参数；

(f)将预先处理好的打印数据导入到工控机上，然后在上位机软件上点击打印准备按钮，这时工控机给工业控制器发出指令，工业控制器控制真空泵、感应加热设备以及各个电磁阀按指令有序的工作；待所有参数达到预先在上位机软件上设定的数值后，上位机软件会自动弹出提示条件已满足；

(g)在上位机软件上点击开始打印，然后设备将自动运行，进行打印；

(h)整个模型打印完成后，送丝装置会将耐高温管内未熔融的金属丝材拉出，然后保护气体发生装置产生的气体通过电磁阀和气管对耐高温管进行充气，设备自动对耐高温管和成型头进行清理工作；

(i)待设备自动清理工作完成后，上位机软件上自动提示打印已完成；等成型基板自动冷却后，打开密闭腔门，卸载成型基板，关闭设备总电源。

另外，还包括以下步骤：

(j)在低氧的环境中，相同材料或者不同材料的金属丝材通过多个送丝装置将其送入对应的耐高温管内，环绕在耐高温管外面的电磁感应线圈产生磁场透过耐高温管快速将每根金属丝材分别加热至熔融，熔融的液滴汇入混合腔内；

(k)在变径变螺距螺杆的充分搅拌混合下通过喷嘴可控的将熔融液滴挤出到预先预热的成型基板上，喷嘴按照预先规划好的路径连续打印，单层完成后喷头向上移动一个单层距离，然后继续打印，如此循环直到打印完成。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。