[發(fā)明專利]一種用于熔融涂覆成形工藝的熔體流量控制裝置及方法

有效

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• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN113084202B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發(fā)明（設計）人: 魏正英;賀鵬飛;杜軍;馬琛;蔣敏博
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F12/50
• 分類號: B22F12/50;B22F12/90;B33Y30/00;B33Y50/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

本發(fā)明公開了一種用于熔融涂覆成形工藝的熔體流量控制裝置及方法，包括坩堝熔煉單元、熔融涂覆頭、氣壓驅(qū)動單元、射流啟停裝置、坩堝液位測距模塊和工業(yè)計算機。水冷頂蓋位于熔煉坩堝上方，熔融涂覆頭置于熔煉坩堝下方；坩堝熔煉單元和氣壓驅(qū)動單元連通；射流啟停裝置驅(qū)動啟停控制桿向下壓緊或向上抬升，以實現(xiàn)射流的啟動和停止。壓力控制采用三級分工：計算機根據(jù)壓力?流量函數(shù)關系，向PLC發(fā)送噴射壓力，PLC同時接受來自激光測距模塊的熔體液位信號和工業(yè)計算機的噴射壓力，并將氣壓控制指令發(fā)送至壓力控制器，由壓力控制器實現(xiàn)對坩堝內(nèi)氣體壓力的實時控制，從而實現(xiàn)成形過程中射流流量的精準控制，以完成目標零件高精度高效率涂覆成形。

技術領域

本發(fā)明屬于增材制造（3D打印）技術領域，涉及一種3D打印頭及其流量控制方法尤其是一種用于金屬材料涂覆成形的3D打印頭及其流量控制方法。

背景技術

增材制造技術（又稱為“3D打印”）正在快速改變著傳統(tǒng)的生產(chǎn)和生活方式，其核心思想是將三維零件進行二維離散，形成片層數(shù)據(jù)，按照零件的三維CAD模型的分層數(shù)據(jù)，將離散態(tài)的成形材料逐步結合在一起，形成一個個分層截面，繼而逐層堆積形成實體零件，無需模具，直接制造零件，可以大大降低成本，縮短研制周期。目前用于金屬材料增材制造的方法以打印材料形式的區(qū)別主要分為三個類別，分別是基于粉末材料的增材制造技術，基于絲狀材料的增材制造技術和基于熔融態(tài)金屬的增材制造技術。

基于粉末材料的增材制造技術發(fā)展最為成熟，主要代表為激光選區(qū)成形（SLM）、激光熔覆（LD）和電子束熔化成形（EBM），其中SLM和EBM成形技術采用鋪粉的方式，通過高能束（激光或電子束）選擇性熔化鋪好的粉材，并逐層成形。LD成形技術采用氣流載粉的方式送料，多個送粉管外置于聚焦激光束，并呈環(huán)形布置，混合好的氣流和粉末通過多個送粉管噴射匯聚與激光束焦點附近，在激光束的作用下熔化，逐層熔覆。

基于絲材的增材制造技術，多采用高能束，例如電弧、激光、電子束等將送進過程中的絲材和基體熔化，熔化后的絲材以液滴或者液橋的方式送進至熔池，隨著基板和高能束相對移動逐層沉積，基體指基板或者已成形層。

基于熔融態(tài)金屬的增材制造技術主要分為兩種，一種為微噴熔滴成形技術，另一種為熔融涂覆成形技術。二者均采用坩堝將成形材料熔化，采用氣壓驅(qū)動的方式將熔化后的成形材料從坩堝底部噴出。不同的是，微噴熔滴成形技術采用脈沖氣壓或者壓電激振的方式，將噴射出去的熔體離散成為均勻的熔滴，依靠熔滴攜帶的熱量，選擇性的噴射至特定位置，并與周圍已沉積部分發(fā)生一定程度的重熔并凝固。而熔融涂覆成形技術采用連續(xù)氣壓驅(qū)動，坩堝內(nèi)的熔融金屬在氣壓的驅(qū)動下，通過坩堝底部熔融涂覆頭內(nèi)的噴孔，以一定的流量和流速流出。涂覆頭下端面距離基板或上一成形層較小的間距，流出的金屬在重力、表面張力，粘度的影響下，在涂覆頭端部和上一成形層之間形成熔融態(tài)金屬填充或者半熔態(tài)金屬填充，并在涂覆頭和基板的相對運動過程中形成薄層狀沉積層。涂覆頭噴出熔體所攜帶的熱量和涂覆頭端面向下傳遞的熱量共同作用，促使當前成形層和上一成形層發(fā)生充分的冶金熔合，從而有選擇性的逐層沉積，完成對三維零件的制造。若打印材料導熱率較高，噴出熔體攜帶的熱量以及涂覆頭向下傳遞的熱量不足以形成良好冶金結合時，還需要引入輔助熱源幫助重熔，輔助熱源可以采用電子束、激光束、電弧或者其他沖擊較小的高能束。

金屬熔融涂覆成形技術是一種前景廣闊的金屬構件快速成形技術，有著高的成形效率，低的制造成本，特別適合大型金屬薄壁構件的成形。其較低的熱量輸入使得成形構件的變形和殘余應力較小。采用接觸式的成形方式可以有效的約束成形層的層高，形成層高均勻的成形表面且無需復雜的層高控制技術。

實現(xiàn)金屬構件熔融涂覆成形的核心技術之一是形成流量穩(wěn)定可控的熔體射流，這是涂覆成形的前提條件。而實現(xiàn)穩(wěn)定可控熔體流量需要三個關鍵環(huán)節(jié)：可靠的坩堝熔煉單元、精準的氣壓驅(qū)動單元和快速響應的射流啟停單元。

傳統(tǒng)的通過減小氣壓或者抽取負壓使得射流停止的方法把射流停止當作射流流量為0的特殊狀態(tài)，這在許多對射流啟停響應要求不高的場合應用廣泛，但對于3D打印來說，此響應速度遠遠達不到工藝系統(tǒng)的要求。