一种半固态增材制造装置的制作方法

本实用新型涉及增材制造(3D打印)技术领域，特别是涉及一种半固态增材制造装置。

背景技术：

增材制造(3D打印)技术集成了计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、粉末冶金和热熔覆沉积加工等多项技术。增材制造(3D打印)基本原理是利用计算机辅助设计CAD的三维实体模型生成切片和沉积熔池移动轨迹数据，高能热源在被加工零件的外形表面产生移动熔池，合金粉末被输送装置不断送入到熔池中熔化、随着热源的移动熔融态合金快速冷却凝固形成增加的固态合金，在计算机控制下高能源和加工工作台按预设方式和轨迹线运动，由多条线沉积成层，又由多层堆积形成立体部件。通过选择合适的高能热源控制加工工艺窗口，可以对成形组织进行选择和控制，最终获得特定力学性能的金属零件。3D金属打印技术可以用于工模具制造与修复、涡轮叶片修复、工件的快速原型制造等。通常3D金属打印技术被认为是作为传统制造方法和材料加工的补充，适合高端钛合金、价格昂贵或外形复杂的传统方法难加工的零部件。但是，传统的3D金属打印技术存在以下问题：

1.传统的增材制造(3D打印)技术使用的是粉末材料，但大多数材料熔覆效率较低，加工速度缓慢，加工过程由于高温易产生缺陷。

2.可用的粉末合金材料种类和牌号少，使用于增材制造(3D打印)的材料受限，而且价格昂贵。

3.现有的增材制造(3D打印)设备中都含有价格不菲的高能热源如激光、电子束和等离子发生器等。

技术实现要素：

本实用新型是为了解决现有技术中的不足而完成的，本实用新型的目的是提供一种半固态增材制造装置，其优点是将半固态加工和搅拌摩擦焊机理应用于增材制造(3D打印)技术上，从而达到提高加工效率，提高增材质量、增加材料来源和降低加工成本等目的。

本实用新型的一种半固态增材制造装置，包括摩擦工具头、金属基板和金属增材体，所述金属基板外表面与所述金属增材体内表面沿水平面方向延伸相抵，所述摩擦工具头外周与所述金属增材体外侧外表面可解除式旋转切入式滚动接触，所述金属增材体内侧外表面通过摩擦工具头与所述金属基板外表面固定，所述金属基板可解除式水平延伸设置在工作台面上。

本实用新型的一种半固态增材制造装置还可以是：

所述金属增材体为条状体或棒状体或板状体或线状体。

所述摩擦工具头为旋转体，所述金属基板右侧外表面与所述金属增材体左侧外表面沿水平面横向延伸相抵，所述摩擦工具头外周与所述金属增材体右侧外表面可解除式旋转切入式滚动接触，所述金属增材体左侧外表面通过摩擦工具头与所述金属基板右侧外表面固定。

所述摩擦工具头外周表面均匀设有第一齿痕间隙，所述金属增材体通过所述第一齿痕间隙在所述金属基板右侧外表面是设置有至少一级成型体。

所述摩擦工具头为旋转体，所述金属基板上侧外表面与所述金属增材体下侧外表面沿水平面横向延伸相抵，所述摩擦工具头外周与所述金属增材体上侧外表面可解除式旋转切入式滚动接触，所述金属增材体下侧外表面通过摩擦工具头与所述金属基板上侧外表面固定。

所述摩擦工具头外周表面均匀设有第二齿痕间隙，所述金属增材体通过所述第二齿痕间隙在所述金属基板上侧外表面上设置有至少一级成型体。

所述摩擦工具头顶部固定设有定位部。

所述定位部为轴肩。

所述摩擦工具头通过机床主轴可解除式旋转切入式滚动在所述金属增材体外表面上。

本实用新型的一种半固态增材制造装置，包括摩擦工具头、金属基板和金属增材体，所述金属基板外表面与所述金属增材体内表面沿水平面方向延伸相抵，所述摩擦工具头外周与所述金属增材体外侧外表面可解除式旋转切入式滚动接触，所述金属增材体内侧外表面通过摩擦工具头与所述金属基板外表面固定，所述金属基板可解除式水平延伸设置在工作台面上。这样，摩擦工具头外周与金属增材体外侧外表面可解除式旋转切入式滚动接触，该旋转切入式滚动是摩擦工具头一部分进入金属增材体内，依靠摩擦挤压生热后，金属增材体发生塑化，摩擦工具头切入金属增材体内后，摩擦工具头在金属增材体外侧外表面一端可解除式旋转切入式滚动至金属增材体的另一端，滚动后成型，摩擦工具头在滚动过程中金属增材体通过挤压摩擦产生热量发生塑化，成为半固态金属，同时金属基板表面金属也同时受摩擦工具头滚动摩擦挤压，金属基板表面金属也因摩擦挤压产生热量发生塑化，金属基板表面金属与成为半固态金属的金属增材体通过摩擦工具头强力碾压混合均匀，在摩擦工具头滚动经过后，金属增材体外表面即可与对应的金属基板外表面形成下压间隙，该下压间隙为冶金结合部，下压间隙上侧为凸起焊缝，该凸起焊缝高度为增材高度，摩擦工具头自金属增材体一端摩擦挤压滚动至金属增材体另一端后，摩擦工具头也就完成一条凸起焊缝，然后解除摩擦工具头在金属增材另一端的接触，同时在金属基板外侧外表面上且位于上一条凸起焊缝侧边上添加金属增材体，摩擦工具头在金属基板外表面上挤压摩擦滚动形成另一条凸起焊缝，或在上一条凸起焊缝外侧外表面添加金属增材体，摩擦工具头在金属增材体外侧外表面上滚动，在上一条凸起焊缝上形成另一条凸起焊缝。依次类推实现增材3D打印，当然可以提前设计好摩擦工具头滚动的轨迹，形成不同的凸起焊缝，最终组合多种如3D打印的实体零件。摩擦工具头高速旋转的同时也加快了成型速度，提高生产效率，并且金属增材体和金属基板材料应用广泛。本实用新型的一种半固态增材制造装置，相对于现有技术而言具有的优点是：将半固态加工和挤压摩擦焊机理应用于增材制造(3D打印)技术上，从而达到提高加工效率，提高增材质量、增加材料来源和降低加工成本等目的。

附图说明

图1是实用新型的半固态增材制造装置第一实施例示意图。

图2是实用新型的半固态增材制造装置第二实施例示意图。

图3是图1第一实施例增材加工工艺结果示意图。

图4是图2第二实施例增材加工工艺结果示意图。

图号说明

101…第一增材方向 102…第一前进边 103…第一回转边

104…侧边压力 105…第一动态再结晶区 106…第一再结晶连接区

107…第一增材区域 108…第一增材长度 109…第一增材宽度

110…第一增材高度 111…第一下压间隙 112…第一旋转方向

113…第一工具坐标 114…第一齿痕间隙 115…第一凸起焊缝

116…第二凸起焊缝 117…第三凸起焊缝 118…第四凸起焊缝

119…第五凸起焊缝 120…第六凸起焊缝 121…第七凸起焊缝

122…第八凸起焊缝 123…第九凸起焊缝 201…第二增材方向

202…第二前进边 203…第二回转边 204…下边压力

205…第二动态再结晶区 206…第二再结晶连接区

207…第二增材区域 208…第二增材长度 209…第二增材宽度

210…第二增材高度 211…第二下压间隙 212…第二旋转方向

213…第二工具坐标 214…第二齿痕间隙 215…第十凸起焊缝

216…第十一凸起焊缝 217…第十二凸起焊缝 218…第十三凸起焊缝

219…第十四凸起焊缝 220…第十五凸起焊缝 221…第十六凸起焊缝

222…第十七凸起焊缝 300…摩擦工具头 400…金属基板

500…金属增材体 600…定位部

具体实施方式

下面结合附图的图1至图4对本实用新型的一种半固态增材制造装置，作进一步详细说明。

本实用新型的一种半固态增材制造装置，请参考图1至图4相关各图，包括摩擦工具头300、金属基板400和金属增材体500，所述金属基板400外表面与所述金属增材体500内表面沿水平面方向延伸相抵，所述摩擦工具头300外周与所述金属增材体500外侧外表面可解除式滚动接触，所述金属增材体500内侧外表面通过摩擦工具头300与所述金属基板400外表面固定，所述金属基板400可解除式水平延伸设置在工作台面上。具体而言，摩擦工具头300外周与金属增材体500外侧外表面可解除式旋转切入式滚动接触，该旋转切入式滚动是摩擦工具头300一部分进入金属增材体500内，依靠摩擦挤压生热后，金属增材体500发生热塑，切入金属增材体500内后，滚动后成型，摩擦工具头300在金属增材体500外侧外表面一端可解除式旋转切入式滚动至金属增材体500的另一端，摩擦工具头300在滚动过程中金属增材体500通过挤压摩擦产生热量发生塑化，成为半固态金属，同时金属基板400表面金属也同时受摩擦工具头300滚动摩擦挤压，金属基板400表面金属也因摩擦挤压产生热量发生塑化，金属基板400表面金属与成为半固态金属的金属增材体500通过摩擦工具头300强力碾压混合均匀，在摩擦工具头300滚动经过后，金属增材体500外表面即可与对应的金属基板400外表面形成下压间隙，该下压间隙为冶金结合部，下压间隙上侧为凸起焊缝，该凸起焊缝高度为增材高度，摩擦工具头300自金属增材体500一端摩擦挤压滚动至金属增材体500另一端后，摩擦工具头300也就完成一条凸起焊缝，然后解除摩擦工具头300在金属增材另一端的接触，同时在金属基板400外侧外表面上且位于上一条凸起焊缝侧边上添加金属增材体500，摩擦工具头300在金属基板400外表面上挤压摩擦滚动形成另一条凸起焊缝，或在上一条凸起焊缝外侧外表面添加金属增材体500，摩擦工具头300在金属增材体500外侧外表面上滚动，在上一条凸起焊缝上形成另一条凸起焊缝。依次类推实现增材3D打印，当然可以提前设计好摩擦工具头300滚动的轨迹，形成不同的凸起焊缝，最终组合多种如3D打印的实体零件。摩擦工具头300高速旋转的同时也加快了成型速度，提高生产效率，并且金属增材体500和金属基板400材料应用广泛。相对于现有技术的优点是：将半固态加工和挤压摩擦焊机理应用于增材制造3D打印技术上，从而达到提高加工效率，提高增材质量、增加材料来源和降低加工成本等目的，不仅继承了传统摩擦焊的优良特性，而且无需繁重固定夹具对每层增材装夹的限制。还可以增材区域是每道焊缝增材体积的投影，焊缝增材体积计算可先求出增材高度与下压间隙之间的差，再乘以增材长度和增材宽度。还可以该下压间隙比增材高度小。还可以该摩擦工具头300分别与数控机床或驱动机构和控制机构连接，来完成摩擦工具头300与金属基板400的相对移动。还可以金属增材体500和金属基板400材料应用广泛，例如2系铝合金、6系铝合金、7系铝合金、镁合金、A3钢及钛合金等金属均可通过摩擦工具头300进行塑化，具体参数参考表1。

本实用新型的一种半固态增材制造装置，请参考图1至图4相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是:所述金属增材体500为条状体或棒状体或板状体或线状体。这样，金属增材体500可以是条状体或棒状体或板状体或棒状体，保证摩擦工具头300在金属增材体500上实现摩擦挤压功能，使金属增材体500受摩擦挤压发生热量塑化，故而形成半固态金属，再与也因摩擦工具头300摩擦挤压的金属基板400结合形成冶金结合部。

本实用新型的一种半固态增材制造装置，请参考图1至图4相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是:所述摩擦工具头300为旋转体，所述金属基板400右侧外表面与所述金属增材体500左侧外表面沿水平面横向延伸相抵，所述摩擦工具头300外周与所述金属增材体500右侧外表面可解除式旋转切入式滚动接触，所述金属增材体500左侧外表面通过摩擦工具头300与所述金属基板400右侧外表面固定。这样，摩擦工具头300外周与金属增材体500右侧外表面可解除式旋转切入式滚动接触，该旋转切入式滚动是摩擦工具头300一部分进入金属增材体500内，依靠摩擦挤压生热后，切入金属增材体500内后，滚动后成型。如图1所示，摩擦工具头300在第一工具坐标113中沿第一旋转方向112旋转，同时按照侧边压力104方向挤压摩擦金属基板400和金属增材体500，随着摩擦工具头300旋转滚动，摩擦工具头300一部分进入压金属增材体500内，依靠挤压摩擦升热后，切入金属增材体500内部后滚动成型，该挤压摩擦遍历过程是先从第一前进边102进入，后从第一回转边103出来，多圈强烈摩擦挤压滚动即可产生足以达到使金属增材体500受热软化的程度，金属增材体500因受热挤压和摩擦热而塑化形成半固态金属，而金属基板400表面金属在摩擦工具头300强烈摩擦挤压下也发生塑化和软化，摩擦工具头300将金属增材体500摩擦下来的半固态金属与金属基板400表面金属强力混合均匀，在摩擦工具头300滚动经过后，金属增材体500左侧外表面即可与对应的金属基板400右侧外表面形成第一下压间隙111，该第一下压间隙111为冶金结合部，同时形成第一动态再结晶区105和第一再结晶连接区106，第一下压间隙111上侧为凸起焊缝，该凸起焊缝高度为增材高度，还可以第一增材区域107是每道焊缝增材体积的投影，焊缝增材体积计算可先求出第一增材高度110与第一下压间隙111之间的差，再乘以第一增材长度108和第一增材宽度109。摩擦工具头300沿着第一增材方向101与金属基板400相对移动，摩擦工具头300头自金属增材体500一端可解除式旋转切入式滚动至金属增材体500另一端后，摩擦工具头300也就完成一条凸起焊缝，然后解除摩擦工具头300在金属增材另一端的接触，同时在金属基板400外侧外表面上且位于上一条凸起焊缝侧边添加金属增材体500，摩擦工具头300在金属基板400外表面上挤压摩擦滚动下形成另一条凸起焊缝，或在上一条凸起焊缝外侧外表面添加金属增材体500，摩擦工具头300在金属增材体500外侧外表面上滚动，在上一条凸起焊缝上形成另一条凸起焊缝。依次类推实现增材3D打印，多条平行焊缝可形成凸起的台阶，多个台阶即可形成增材制造3D打印实体零件，当然增材加工焊缝具有工艺顺序。其中一个实施例，如图3所示，9条凸起焊缝可形成3个凸起的台阶，增材加工过程工艺控制参数见表1，增材加工焊缝顺序是第二凸起焊缝116是金属基板400与第一金属增材体500冶金结合，第二凸起焊缝是第二凸起焊缝116与第二金属增材体500冶金结合，第三凸起焊缝117是第二凸起焊缝116与第三金属增材体500冶金结合，第四凸起焊缝118是第三凸起焊缝117与第四金属增材体500冶金结合，第五凸起焊缝119是第四凸起焊缝118与第五金属增材体500冶金结合，第六凸起焊缝120是金属基板400与第六金属增材体500冶金结合，第七凸起焊缝121是第六凸起焊缝120与第七金属增材体500冶金结合，第八凸起焊缝122是第七凸起焊缝121与第八金属增材体500冶金结合，第九凸起焊缝123是金属基板400与第九金属增材体500冶金结合。改变金属基板400与金属增材体500可改变台阶形状尺寸，台阶的大小即可控制增材零件毛坯的精度。摩擦工具体头为旋转体，该旋转体可以是圆柱体或者球体，还可以是腰鼓形状或者是中间凹入的形状。在前面技术方案的基础上进一步优选的技术方案为：所述摩擦工具头300外周表面均匀设有第一齿痕间隙(114)，所述金属增材体500通过所述第一齿痕间隙(114)在所述金属基板400右侧外表面是设置有至少一级成型体。这样，这样，如图1所示，摩擦工具头300在金属增材体500外表面可解除式旋转切入式滚动摩擦挤压时，金属增材体500受到摩擦挤压形成半固态金属，摩擦工具头300外周在滚动时通过第一齿痕间隙114可带入金属增材体500摩擦下来的半固态金属，最终与金属基板400表面软化的金属强力混合均匀，摩擦工具头300从金属增材体500外侧外表面一端可解除式旋转切入式滚动到金属增材体500外侧外表面的另一端后，形成凸起焊缝，该凸起焊缝为一级成型体，然后解除摩擦工具头300在金属增材体500另一端的接触，同时在金属基板400外侧外表面上且位于上一条凸起焊缝侧边上添加金属增材体500，摩擦工具头300在金属基板400外表面上挤压摩擦滚动形成另一条凸起焊缝，成为两级成型体，或在上一条凸起焊缝外侧外表面添加金属增材体500，摩擦工具头300在金属增材体500外侧外表面上滚动，在上一条凸起焊缝上形成另一条凸起焊缝，成为两级成型体。依次类推实现增材3D打印，当然可以提前设计好摩擦工具头300滚动的轨迹，形成不同级别的成型体，最终组合多种如3D打印的实体零件。该一级成型体可以是一级台阶体。

本实用新型的一种半固态增材制造装置，请参考图1至图4相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是:所述摩擦工具头300为旋转体，所述金属基板400上侧外表面与所述金属增材体500下侧外表面沿水平面横向延伸相抵，所述摩擦工具头300外周与所述金属增材体500上侧外表面可解除式旋转切入式滚动接触，所述金属增材体500下侧外表面通过摩擦工具头300与所述金属基板400上侧外表面固定。这样，摩擦工具头300外周与金属增材体500上侧外表面可解除式旋转切入式滚动接触，该旋转切入式滚动是摩擦工具头300一部分进入金属增材体500内，依靠摩擦挤压生热后，切入金属增材体500内后，滚动后成型。如图2所示，摩擦工具头300在第二工具坐标213中沿第二旋转方向212旋转，同时按照下边压力204方向挤压摩擦金属基板400和金属增材体500，随着摩擦工具头300旋转，摩擦工具头300一部分进入金属增材体500内，依靠挤压摩擦升热后，切入金属增材体500内部后滚动成型，该挤压摩擦遍历过程是先从第二前进边202进入，后从第二回转边203出来，多圈强烈挤压摩擦旋转即可产生足以达到使金属增材体500受热软化的程度，金属增材体500因受热挤压和摩擦热而塑化形成半固态金属，而金属基板400表面金属在摩擦工具头300强烈摩擦下也发生塑化和软化，摩擦工具头300将金属增材体500摩擦下来的半固态金属与金属基板400表面金属强力混合均匀，在摩擦工具体头300滚动经过后，金属增材体500下侧外表面即可与对应的金属基板400上侧外表面形成了第二下压间隙211，该第二下压间隙211为冶金结合，同时形成第二动态再结晶区205和第二再结晶连接区206，第二下压间隙211上侧为凸起焊缝，该凸起焊缝高度为一个增材高度，还可以第二增材区域207是每道焊缝增材体积的投影，焊缝增材体积计算可先求出第二增材高度210与第二下压间隙211之间的差，再乘以第二增材长度208和第二增材宽度209。摩擦工具头300沿着第二增材方向201与金属基板400相对移动，摩擦工具头300头自金属增材体500一端可解除式旋转切入式滚动至金属增材体500另一端后，摩擦工具头300也就完成第一条凸起焊缝，然后解除摩擦工具头300在金属增材另一端的接触，同时在金属基板400外侧外表面上且位于上一条凸起焊缝侧边添加金属增材体500，摩擦工具头300在金属基板400外表面上挤压摩擦滚动下形成另一条凸起焊缝，或在上一条凸起焊缝外侧外表面上滚动，在上一条凸起焊缝上形成另一条凸起焊缝。依次类推实现增材3D打印，多条平行焊缝可形成凸起的台阶，多个台阶即可形成增材制造3D打印实体零件，当然增材加工焊缝具有工艺顺序。其中一个实施例，如图4所示，台阶另一个实施例中，8条凸起焊缝可形成5个凸起的台阶，增材加工过程工艺控制参数见表1，增材加工焊缝顺序是第十凸起焊缝215是金属基板400与第一金属增材体500冶金结合，第十一凸起焊缝216是金属基板400与第二金属增材体500冶金结合，第十二凸起焊缝217是金属基板400与第三金属增材体500冶金结合，第十三凸起焊缝218是第十二凸起焊缝217与第四金属增材体500冶金结合，第十四凸起焊缝219是第十一凸起焊缝216与第五金属增材体500冶金结合，第十五凸起焊缝220是第十凸起焊缝215与第六金属增材体500冶金结合，第十六凸起焊缝221是第十四凸起焊缝219与第七金属增材体500冶金结合，第十七凸起焊缝222是第十六凸起焊缝221与第八金属增材体500冶金结合。改变金属基板400与金属增材体500可改变台阶形状尺寸，台阶的大小即可控制增材零件毛坯的精度。摩擦工具体头为旋转体，该旋转体可以是圆柱体或者球体，还可以是腰鼓形状或者是中间凹入的形状。在前面技术方案的基础上进一步优选的技术方案为：所述摩擦工具头300外周表面均匀设有第二齿痕间隙(214)，所述金属增材体500通过所述第二齿痕间隙(214)在所述金属基板400上侧外表面上设置有至少一级成型体。这样，如图2所示，摩擦工具头300在金属增材体500外表面可解除式旋转切入式滚动摩擦挤压时，金属增材体500受到摩擦挤压形成半固态金属，摩擦工具头300外周在滚动时通过第二齿痕间隙214可带入金属增材体500摩擦下来的半固态金属，金属增材体500受到摩擦挤压形成半固态金属，最终与金属基板400表面软化的金属强力混合均匀，摩擦工具头300从金属增材体500外侧外表面一端可解除式旋转切入式滚动到金属增材体500外侧外表面的另一端后，形成凸起焊缝，该凸起焊缝为一级成型体，然后解除摩擦工具头300在金属增材体500另一端的接触，同时在金属基板400外侧外表面上且位于上一条凸起焊缝侧边上添加金属增材体500，摩擦工具头300在金属基板400外表面上挤压摩擦滚动形成另一条凸起焊缝，成为两级成型体，或在上一条凸起焊缝外侧外表面添加金属增材体500，摩擦工具头300在金属增材体500外侧外表面上滚动，在上一条凸起焊缝上形成另一条凸起焊缝，成为两级成型体。依次类推实现增材3D打印，当然可以提前设计好摩擦工具头300滚动的轨迹，形成不同级别的成型体，最终组合多种如3D打印的实体零件。该一级成型体可以是一级台阶体。

本实用新型的一种半固态增材制造装置，请参考图1至图4相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是:所述摩擦工具头300顶部固定设有定位部600。这样，摩擦工具头300通过定位部600实现定位功能，防止摩擦工具头300在旋转滚动过程中发生偏移。在前面技术方案的基础上进一步优选的技术方案为：所述定位部600为轴肩。这样，通过轴肩与摩擦工具头300顶端固定，轴肩给摩擦工具头300施加一定压力后摩擦工具头300在旋转滚动时有效避免发生偏移，从而避免因摩擦挤压发生塑化成为半固态金属的金属增材体500挤出摩擦工具头300外。

本实用新型的一种半固态增材制造装置，请参考图1至图4相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是:所述摩擦工具头300通过机床主轴可解除式切入摩擦式旋转滚动在所述金属增材体500外表面上。这样，摩擦工具头300与机床主轴连接，摩擦工具头300由机床主轴带动旋转滚动，摩擦工具头300滚动方向通常是机床主轴的旋转方向，摩擦工具头300旋转方向与增材制造方向形成对应关系。

表1为半固态增材制造装置加工工艺参数表：

表1

上述仅对本实用新型中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本实用新型的保护范围，凡是依据本实用新型中的设计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本实用新型的保护范围。