CN108941562B - 连续送粉感应加热金属增材制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增材制造技术领域，公开一种连续送粉自主感应加热增材制造方法及装置，通过送粉器持续输送金属粉末，通过感应线圈的预热和融化，使得融滴通过自身重力以及上方熔滴推进的作用下，落入基板上堆积成型形成金属层，而且在金属层堆积过程中，通过机械手三维空间内的运动，控制熔滴落下的位置，使得金属层在基板上不断堆积成型，直至完成打印。本发明可提高金属凝固成型过程中对热源能量的利用率，高效地实现金属零部件的自动化生产，同时能保证成型的金属增材制造零部件具有成型精度高、综合力学性能优良的优势。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体而言涉及一种连续送粉感应加热金属增材制造方法及装置。
背景技术
金属增材制造技术作为一种先进的快速成型技术，其本质上采取数值化离散/堆积成型的增材思维，将三维CAD实体模型通过逐层叠加的制备方式来获得。相较于传统的减材加工制造方法而言，其对金属原材料的利用率较高；同时在制备形状复杂的金属零部件时，具有得天独厚的优势；另外可实现模具及破损零件的快速修复，起到缩短金属零件设计周期及降低生产成本的两大作用，而最终凝固金属组织的综合力学性能能与传统锻件相当。总体而言，金属增材制造技术代表着一种无模、低成本、数字化的先进制造技术，具有无可比拟的应用前景。
现阶段金属增材制造技术所采用的热源主要包括以下三类：激光、电子束和电弧。其中激光作为热源是一种常见的手段，中国专利CN201710843050.X中提出了一种多孔铝合金的激光增材制造方法，采取上层粉末线性扫描轨迹垂直于下层粉末线性扫描轨迹的方式来实现逐层堆积，但是考虑到铝合金对激光具有较高的反射率（通常超过80%），而铝合金本身又具有良好的导热性，从而造成铝合金增材制造过程中对激光能量的吸收不足，难以满足成本及效率的需求。因此，针对铝合金及铜合金等激光反射率较高的金属，激光作为热源无疑具有明显的劣势。电子束作为热源也是一种不错的方法，中国专利CN201710878157.8中提出了一种前置送粉式电子束增材制造装置，能有效避免金属粉末对激光束能量的反射，使得成型速率快；但是电子束工作本身需要严苛的真空环境，对设备和工艺条件要求较高，成型某些大型结构时往往受到限制，导致原料成本及时间成本均较高。而电弧增材制造技术则是另一种常见的方法，中国专利CN201710129920.7中提出了一种铝镁合金结构件增材制造方法，其采用电弧熔丝的方法来获得三维金属结构件，具有成型设备简单及成型效率较高的特点，但是电弧自身的稳定性较差，成型过程往往难以控制，导致熔融沉积层经常出现塌陷等问题，同时将丝材作为原材料，难以摆脱成型件尺寸精度低的问题，造成成型质量和成型精度均较差，难以满足金属增材制造零部件的成型要求。
因此，如何高效且低成本的成型制备出高质量的金属增材制造零部件，已成为当前亟需解决的关键性技术问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种连续送粉感应加热金属增材制造方法及装置，提高金属凝固成型过程中对热源能量的利用率，高效地实现金属零部件的自动化生产，同时能保证成型的金属增材制造零部件具有成型精度高、综合力学性能优良等优势。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
连续送粉感应加热金属增材制造装置，包括：
基板，用于提供增材制造金属层的形成基底；
设置在基板一侧的运动控制装置以及运动单元，所述运动单元上设置有机械手，运动单元被设置用于在所述运动控制装置的控制下移动以驱使机械手在三维空间内运动，所述的运动单元被控制至少在X-Y平面和X-Z平面内运动；
储粉槽，用以储存运送的金属粉末；
低功率感应预热装置，构造为一密封容器，经由第一管连通到所述储粉槽下方；
第一中空铜线圈，螺旋缠绕在所述低功率感应预热装置的外部，用于对经过的金属粉末进行预热；
高功率感应加热装置，包括一连通到低功率感应预热装置的细管；
第二中空铜线圈，螺旋缠绕在所述细管的外部，用于对经过细管的金属粉末加热熔融形成熔滴；
水冷系统，包括水冷箱以及通过水冷电缆在所述第一中空铜线圈、第二中空铜线圈中各自形成的水冷循环通道；
其中，所述机械手夹持所述储粉槽，储粉槽、低功率感应预热装置、高功率感应加热装置以及对应的第一中空铜线圈、第二中空铜线圈均设置在基板的垂直上方位置，并且与机械手保持同步移动，在所述运动单元的驱动下，第二中空铜线圈加热熔融形成的熔滴通过自身重力以及上方熔滴的推进下，落入基板上沉积成型。
进一步的，所述储粉槽与所述第一管的连接位置下方以及低功率感应预热装置与所述细管的连接位置下方分别设置有控制阀，以利于根据送粉的速率合理控制预热粉末和熔融粉末的速度。
进一步的，所述水冷系统包括第一水冷电缆以及第二水冷电缆，均设置有入水通道和出水通道，第一水冷电缆与第一中空铜线圈连接，形成第一循环通道，第二水冷电缆与第二中空铜线圈连接，形成第二循环通道，以利于在移动机械手使得熔滴在三维空间内移动时使得水冷系统的管道可随之移动，便于金属层的堆积成型。
进一步的，所述入水通道位于电缆中心，沿着电缆长度方向并截面呈圆形，出水通道位于电缆入水通道外侧，沿着电缆长度方向并截面呈圆环形，采用这样的水冷通道设计，利于在于与中空铜管（感应加热线圈）对接时的连接和内外部的循环水流动。
进一步的，所述水冷系统包括连接到水冷箱的第一入口管、第二入口管、第一出口管和第二出口管，第一入口管连通到第一水冷电缆的入水通道的一端，第一出口管连通到第一水冷电缆的出水通道的一端，第二入口管连通到第二水冷电缆的入水通道的一端，第二出口管连通到第二水冷电缆的出水通道的一端。
进一步的，所述缠绕到低功率感应预热装置外部的第一中空铜线圈的两端分别接入到第一水冷电缆的另一端，其中一端连通入水通道，另一端连通出水通道。
进一步的，所述第一水冷电缆以及第二水冷电缆为线材结构相同、尺寸不同的设计，其截面方向从外到内依次包括外部绝缘橡胶层、出水通道、外绝缘层、电缆铜线、内绝缘层以及入水通道。
根据本发明的公开，还提出一种利用上述装置的增材制造方法，包括以下步骤：
真空环境的抽取与保持，包括对装置所处的环境进行抽真空，直到真空度低于10- 2Pa，然后冲入惰性气体，并监测氧含量；
开启送粉器并通过送粉管向储粉槽送入金属粉末，在储粉槽中的粉末容量达到设定值时控制输送到低功率感应预热装置中，通过第一中空铜线圈进行感应加热，预热粉末；
密封容器内预热的粉末容量达到设定值后控制输送到高功率感应加热装置并通过第二中空铜线圈进行感应加热，熔融粉末形成熔滴，其中第二中空铜线圈的加热功率大于第一中空铜线圈的加热功率，控制熔滴的温度控制在700℃-900℃；
连续熔融态的熔滴通过自身重力以及上方熔滴推进的作用下，落入基板上成型，其中基板的温度通过预热控制在250℃-350℃，并且：在金属层堆积过程中，通过运动单元的三维运动使得熔滴在基板上方的三维空间范围内运动，使得金属层在基板上熔融堆积成型，直至完成打印。
由以上本发明的技术方案，与现有技术相比，其显著的有益效果在于：
（1）本发明采用感应加热作为金属粉末的熔化热源，粉末对热源能量的吸收利用率高，起到降低能耗及提高金属零部件生产效率的作用，相较于丝材能显著提高成型件的表面精度；
（2）本发明可实现金属熔融液滴温度的精确控制，既保证金属流体连续稳定流动的过热度要求，同时也防止温度过高造成元素的过量烧损，造成金属制备件的化学成分缺失；
（3）本发明可于氮气及氩气等惰性气体氛围下工作，减少对真空环境的条件限制。金属粉末熔滴的三维协调运动可实现复杂形状的金属零部件的制备，同时也可保证零件尺寸和粗糙度的精确控制；
（4）本发明制备的金属零部件具有合金化学成分稳定，综合力学性能优良等优势。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例。
图1是本发明实施例所提供的连续送粉感应加热金属增材制造装置的示意图。
图2是本发明实施例所提供的粉末加热装置的示意图。
图3是本发明实施例所提供的水冷结构连接的示意图。
图4是本发明实施例所提供的中空感应线圈的示意图。
图5是本发明实施例所提供的水冷电缆截面的示意图。
附图标记说明：
1—控制系统；2—第一运动单元；3—第二运动单元；4—第三运动单元；
5—机械手；6—基板；7—金属沉积层；8—CCD摄像装置；
9—高功率感应加热装置；10—第一中空铜线圈；11—第一水冷电缆；
12—第一控制阀；13—低功率感应预热装置；14—第二中空铜线圈；
15—第二水冷电缆；16—第二控制阀；17—储粉槽；18—送粉管；
19—水冷系统；20—送粉器；21—外部绝缘橡胶；22—出水通道；
23—外绝缘层；24—高密度电缆铜线；25—内绝缘层；26—入水通道；
31—第一入口管；32—第二入口管；33—第一出口管；34—第二出口管。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图示，结合本发明的实施例所提供的连续送粉自主感应加热增材制造装置，通过送粉器持续输送金属粉末，通过感应线圈的预热和融化，使得融滴通过自身重力以及上方熔滴推进的作用下，落入基板上堆积成型形成金属层，而且在金属层堆积过程中，通过机械手三维空间内的运动，控制熔滴落下的位置，使得金属层在基板上不断堆积成型，直至完成打印。
结合图1所示，在整个装置进行增材制造过程中，装置整体抽真空并达到一定真空度后，充入高纯度的惰性气体（例如氩气）进行保护，随后输送的金属粉末通过低功率感应预热（中空感应线圈）进行预热，预热后处于一定温度的粉末经过下方的高功率感应加热（中空感应线圈）后进行熔化，熔融态的合金液滴在自身重力以及上方熔滴的推进作用下，连续且均匀的落入到基板上。
在金属层形成过程中，可以实时通过摄像装置（如CCD）来观察和监测熔融成型金属层的成型过程。
如图1示出了示例性的连续送粉自主感应加热增材制造装置的可选的实现方案。在该示例的装置中，连续送粉感应加热金属增材制造装置，包括一个基板6，用于提供增材制造金属层的形成基底。
如图1所示，设置在基板6一侧的运动控制装置以及运动单元，提供了融滴落下位置的三维驱动，通过机械手5三维空间内的运动，控制熔滴落下的位置。
如图1所示，运动控制装置包括控制箱1，运动单元包括第一运动单元2、第二运动单元3以及第三运动单元4，第一运动单元2、第二运动单元3以及第三运动单元4均包括对应的电机以及齿轮传动机构，用于驱动旋转运动。
结合图1所示，第一运动单元2设置成一个圆形运动平台单元，可围绕其圆心中轴线进行水平旋转，实现X-Y平面运动。
第二运动单元3和第三运动单元4固定，并通过连接座和杆固定到圆形运动平台单元上，并可保持随着圆形运动平台单元的旋转而同步随动旋转。
第二运动单元3和第三运动单元4均可围绕其旋转轴线实现X-Z平面旋转运动。
控制箱1内可设置有配套的运动控制软件，用于根据增材制造打印的目标进行程序设计，控制三个运动单元（2、3、4）按照设定的方向和位置进行移动。
运动单元（即第三运动单元4）上设置有机械手5，通过前述的三个运动单元（2、3、4）的运动使得机械手在三维空间内运动，以驱动被机械手夹持住的储粉槽17的运动。
储粉槽17，用以储存运送的金属粉末。
如图1所示，一送粉器20通过送粉管18将金属粉末连续输送到储粉槽17内。
结合图1、图2，储粉槽17、第一管36、低功率感应预热装置13、第二管37、高功率感应加热装置9采用固定式设计。
低功率感应预热装置13，构造为一密封容器，经由第一管36连通到储粉槽17的下方。第一管36上还设置有第一控制阀12，用于控制储粉槽内的金属粉末落入低功率感应预热装置13内。
第一中空铜线圈14，作为低功率加热感应线圈，螺旋缠绕在低功率感应预热装置13的外部，用于对经过的金属粉末进行预热，以将粉末加热到预定的温度，避免直接高功率加热时粉末之间极易由于热传递和热辐射作用出现较大的温度梯度。
高功率感应加热装置9，包括一经过第二管37连通到低功率感应预热装置的细管。当预热后的粉末落下时，流入细管内。
结合图1，低功率感应预热装置13与细管之间还设置有第二控制阀16，用于控制预热后的金属粉末向细管的输送。结合图1、2，通过2个控制阀（12、16）的设置，利于根据送粉的速率合理控制预热粉末和熔融粉末的速度。
第二中空铜线圈10，作为高功率加热感应线圈，螺旋缠绕在细管的外部，用于对经过细管的金属粉末加热熔融形成熔滴。
水冷系统，包括水冷箱19以及通过水冷电缆（11、15）在第一中空铜线圈14、第二中空铜线圈10中各自形成的水冷循环通道。
结合图、图2、所示，机械手5夹持储粉槽17，储粉槽17、低功率感应预热装置13、高功率感应加热装置9以及对应的第一中空铜线圈14、第二中空铜线圈10均设置在基板的垂直上方位置，并且与机械手5保持同步移动，在运动单元（2、3、4）的驱动下，第二中空铜线圈10加热熔融形成的熔滴通过自身重力以及上方熔滴的推进下，落入基板6上沉积成型。
如图1、2，水冷系统包括第一水冷电缆11以及第二水冷电缆15，均设置有入水通道和出水通道，第一水冷电缆11与第一中空铜线圈14连接，形成第一循环通道，第二水冷电缆15与第二中空铜线圈10连接，形成第二循环通道，以利于在移动机械手使得熔滴在三维空间内移动时使得水冷系统的管道可随之移动，便于金属层的堆积成型。
结合图3、图5，入水通道位于电缆中心，沿着电缆长度方向并截面呈圆形，出水通道位于电缆入水通道外侧，沿着电缆长度方向并截面呈圆环形，采用这样的水冷通道设计，利于在于与中空铜管（感应加热线圈）对接时的连接和内外部的循环水流动。
水冷系统包括连接到水冷箱的第一入口管31、第二入口管32、第一出口管33和第二出口管34，第一入口管31连通到第一水冷电缆11的入水通道的一端，第一出口管33连通到第一水冷电缆11的出水通道的一端，第二入口管33连通到第二水冷电缆的入水通道的一端，第二出口管34连通到第二水冷电缆的出水通道的一端。
结合图1、图2，缠绕到低功率感应预热装置外部的第一中空铜线圈14的两端分别接入到第一水冷电缆11的另一端，其中一端连通入水通道，另一端连通出水通道。
缠绕到高功率感应预热装置外部的第二中空铜线圈10的两端分别接入到第二水冷电缆15的另一端，其中一端连通入水通道，另一端连通出水通道。
结合图5，所述第一水冷电缆以及第二水冷电缆为线材结构相同、尺寸不同的设计，其截面方向从外到内依次包括外部绝缘橡胶层21、出水通道22、外绝缘层23、电缆铜线24、内绝缘层25以及入水通道26。电缆铜线24优选高密度电缆铜线。
结合图4，第一中空铜线圈和第二中空铜线圈为线材结构相同、尺寸不同的设计。
结合前述图示和说明，在进行增材制造的过程中，包括以下步骤：
真空环境的抽取与保持，包括对装置及所处的环境进行抽真空，直到真空度低于10-2Pa，然后冲入惰性气体，并监测氧含量；
开启送粉器20并通过送粉管18向储粉槽17送入金属粉末，在储粉槽中的粉末容量达到设定值时控制输送到低功率感应预热装置中，通过第一中空铜线圈进行感应加热，预热粉末；
密封容器内预热的粉末容量达到设定值后控制输送到高功率感应加热装置并通过第二中空铜线圈进行感应加热，熔融粉末形成熔滴，其中第二中空铜线圈的加热功率大于第一中空铜线圈的加热功率，控制熔滴的温度控制在700℃-900℃；
连续熔融态的熔滴通过自身重力以及上方熔滴推进的作用下，落入基板上成型，其中基板的温度通过预热控制在250℃-350℃，并且：在金属层堆积过程中，通过运动单元的三维运动使得熔滴在基板上方的三维空间范围内运动，使得金属层在基板上熔融堆积成型，直至完成打印。
前述粉末在储粉槽和密封容器内的设定容量，可以选择50%，以利于连续输送和生产，而且也不至于过满而影响输送。
在一些实施例中，结合附图1，还可以在基板6的两个边缘还分别设置有CCD摄像装置8，分别为第一摄像装置和第二摄像装置，其成像镜头均朝向形成的金属层，以实时观察熔融成型金属层的成型过程。
结合图1所示，前述实施例提出的连续送粉感应加热金属感应加热增材制造装置的运行过程，即使用其进行增材制造的步骤包括：
真空环境的抽取与保持，包括对装置所处的环境进行抽真空，直到真空度低于10- 2Pa，然后冲入惰性气体，并监测氧含量；
开启送粉器并通过送粉管向储粉槽送入金属粉末，在储粉槽中的粉末容量达到设定值时控制输送到低功率感应预热装置中，通过第一中空铜线圈进行感应加热，预热粉末；
密封容器内预热的粉末容量达到设定值后控制输送到高功率感应加热装置并通过第二中空铜线圈进行感应加热，熔融粉末形成熔滴，其中第二中空铜线圈的加热功率大于第一中空铜线圈的加热功率，控制熔滴的温度控制在700℃-900℃；
连续熔融态的熔滴通过自身重力以及上方熔滴推进的作用下，落入基板上成型，其中基板的温度通过预热控制在250℃-350℃，并且：在金属层堆积过程中，通过运动单元的三维运动使得熔滴在基板上方的三维空间范围内运动，使得金属层在基板上熔融堆积成型，直至完成打印。
下面结合示例以更加具体的说明上述装置的操作以及实现增材制造打印的过程。
下面将结合本发明实施例中的附图，以6061铝合金、4047铝合金、2319铝合金和纯铜四种金属粉末为例，对本发明实施例中的技术方案进行增材制造打印过程的实现。
【实例1】
首先，对金属增材制造装置及环境整体抽真空，充入惰性保护气体。开启机械预抽泵进行预抽，待真空计指示系统压力小于200Pa后，开启罗茨泵继续进行真空抽取，直到装置内压力值小于5Pa。随后依次关闭机械预抽泵和罗茨泵，然后开启扩散泵对设备进行高真空抽取，直到设备真空度低于10-2Pa后，关闭扩散泵，完成设备的整体抽真空，抽真空时间约为11min。随后向设备中充入99.999%高纯度惰性气体氩气进行保护，此过程中通过氧分仪实时测量设备内腔中的氧含量，确保氧含量控制在100ppm以下。
其次，开启送粉器，将6061铝合金粉末经送粉管运送到储粉槽中，此6061铝合金粉末的粒度为45~105μm，化学成分为：0.34%铜、0.95%镁、0.73%硅、0.71%铁，其余为铝及少量其他合金化元素。6061铝合金粉末的送粉速度为50mg/s。
随后，待储粉槽中的粉末容量达到容器的1/2时，控制开启第一控制阀，使6061铝合金粉末进入低功率感应预热装置中进行预热。粉末流入预热装置中的流速控制为50mg/s；预热装置的工作功率为330W，保证粉末的温度稳定在300℃左右，装置内壁的温度传感系统和控制系统实时测量预热装置内温度并随时通过调节感应预热功率来保证粉末温度满足要求。6061铝合金材料由于导热系数较大，同时粉末的粒径值较小，导致粉末之间极易由于热传递和热辐射作用出现较大的温度梯度，最终可能导致成型件内部出现组织不均一及裂纹等缺陷，影响成型件的综合性能。因此采用预热合金粉末的方法来调整粉末之间的温度分布不均一性，尽量减小出现缺陷的可能性；另外预热合金粉末也能提高对热源能量的吸收率，为后续充分利用高功率感应加热装置的能量提供必要条件。
后续，待预热装置（密封容器）中的粉末容量达到容器的1/2时，控制开启第二控制阀，经预热后的6061铝合金粉末进入高功率感应加热装置中进行熔融。粉末流入加热装置中的流速控制在50mg/s；加热装置的工作功率为620W，加热装置内壁同样安装有温度传感系统和控制系统来保证合金熔滴的温度控制在850℃左右。由于感应加热的方式不需要利用合金自身的电阻产热，因而特别适合低电阻率的金属丝材；同时铝合金对感应加热的能量不具有反射作用，对热源能量的吸收利用率较高，而合金粉末的预热过程无疑为熔滴温度的稳定提供了保证。在此温度下，满足了金属液流100~250℃过热度的最佳要求，实现金属熔滴连续且稳定的流动；同时合理的过热度条件也降低了对低熔点铝等元素的烧损作用，使得最终合金成型件的化学成分更加均匀和稳定。
最后，连续熔融态的6061铝合金液滴通过自身重力以及上方铝合金熔滴的推进作用下，落入基板上沉积成型。基板温度通过预热控制在300℃左右，以防止成型件边缘及内部出现较大温度梯度致使零件内应力增加，从而降低出现微裂纹的可能性。此过程中通过控制运动单元驱使机械手5的空间运动使合金粉末完成三维协调运动，从而实现复杂6061铝合金零部件水平及垂直方向的精密成型，同时利用基板两侧的CCD摄像装置实时监测沉积成型过程。
所成型的6061铝合金零部件的合金成分为0.35%铜、0.93%镁、0.75%硅、0.74%铁，其余为铝和少量其他合金化元素，满足目标铝合金的化学成分要求。分别测试三组截取样品的表面粗糙度、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，进行对比，结果见表1。
表1 - 实施例1数据
【实例2】
首先，对金属增材制造装置及环境整体抽真空及充入惰性保护气体。开启机械预抽泵对设备进行预抽，待真空计指示系统压力小于200Pa后，开启罗茨泵继续对设备进行真空抽取，直到设备内压力值小于5Pa。随后依次关闭机械预抽泵和罗茨泵，然后开启扩散泵进行高真空抽取，待设备真空度低于10-2Pa后，关闭扩散泵，即完成设备的整体抽真空，抽真空时间为10min（要求控制在15min以内）。随后向设备中充入99.999%高纯度惰性气体氮气进行保护，此过程中通过氧分仪实时测量设备内腔中的氧含量，确保氧含量控制在100ppm以内。
其次，开启送粉器，将4047铝合金粉末经送粉管运送到储粉槽中，此4047铝合金粉末的粒度为53~150μm，化学成分为：12.4%硅、0.47%铁、0.26%铜，其余为铝及少量其他合金化元素。4047铝合金粉末的送粉速度为75mg/s。
随后，待储粉槽中的粉末容量达到容器的1/2时，自动开启第一控制阀，使4047铝合金粉末进入低功率感应预热装置中进行预热。粉末流入预热装置中的流速控制为75mg/s；预热装置的工作功率为450W，保证粉末的温度稳定在300℃左右，装置内壁的温度传感系统和控制系统实时测量预热装置内温度并随时通过调节感应预热功率来保证粉末温度满足要求。
后续，待预热装置中的粉末容量达到容器的1/2时，自动开启第二控制阀，经预热后的4047铝合金粉末进入高功率感应加热装置中进行熔融。粉末流入加热装置中的流速控制在75mg/s；加热装置的工作功率为850W，加热装置内壁同样安装有温度传感系统和控制系统来保证合金熔滴的温度控制在800℃左右。在此温度下，既满足了金属液流连续且稳定流动的过热度要求；同时也降低了对低熔点铝等元素的烧损作用，使得最终合金成型件的化学成分更加均匀和稳定。
最后，连续熔融态的4047铝合金液滴通过自身重力以及上方铝合金熔滴的推进作用下，落入基板上沉积成型。基板温度通过预热控制在300℃左右，以防止成型件边缘及内部出现较大温度梯度致使零件内应力增加，从而降低出现微裂纹的可能性。此过程中通过控制运动单元驱使机械手5的空间运动使合金粉末完成三维协调运动，从而实现复杂4047铝合金零部件水平及垂直方向的精密成型，同时利用基板两侧的CCD摄像装置实时监测沉积成型过程。
所成型的4047铝合金零部件的合金成分为12.3%硅、0.49%铁、0.26%铜，其余为铝和少量其他合金化元素，满足目标铝合金的化学成分要求。分别测试三组截取样品的表面粗糙度、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，进行对比，结果见表2。
表2 - 实施例2数据
【实例3】
首先，对金属增材制造装置及环境整体抽真空及充入惰性保护气体。开启机械预抽泵对设备进行预抽，待真空计指示系统压力小于200Pa后，开启罗茨泵继续对设备进行真空抽取，直到设备内压力值小于5Pa。随后依次关闭机械预抽泵和罗茨泵，然后开启扩散泵进行高真空抽取，待设备真空度低于10-2Pa后，关闭扩散泵，完成设备的整体抽真空，抽真空时间为13min（要求控制在15min以内）。随后向设备中充入99.999%高纯度惰性气体氩气进行保护，此过程中通过氧分仪实时测量设备内腔中的氧含量，确保氧含量控制在100ppm以内。
其次，开启送粉器，将2319铝合金粉末经送粉管运送到储粉槽中，此2319铝合金粉末的粒度为45~150μm，化学成分为：6.0%铜、0.32%锰、0.26%锌、0.25%铁，其余为铝及少量其他合金化元素。2319铝合金粉末的送粉速度为100mg/s。
随后，待储粉槽中的粉末容量达到容器的1/2时，自动开启第一控制阀，使2319铝合金粉末进入低功率感应预热装置中进行预热。粉末流入预热装置中的流速控制为100mg/s；预热装置的工作功率为600W，保证粉末的温度稳定在300℃左右，装置内壁的温度传感系统和控制系统实时测量预热装置内温度并随时通过调节感应预热功率来保证粉末温度满足要求。
后续，待预热装置中的粉末容量达到容器的1/2时，自动开启第二控制阀，经预热后的2319铝合金粉末进入高功率感应加热装置中进行熔融。粉末流入加热装置中的流速控制在100mg/s；加热装置的工作功率为1150W，加热装置内壁同样安装有温度传感系统和控制系统来保证合金熔滴的温度控制在800℃左右。在此温度下，既满足了金属液流连续且稳定流动的过热度要求；同时也降低了对低熔点铝等元素的烧损作用，使得最终合金成型件的化学成分更加均匀和稳定。
最后，连续熔融态的2319铝合金液滴通过自身重力以及上方铝合金熔滴的推进作用下，落入基板上沉积成型。基板温度通过预热控制在300℃左右，以防止成型件边缘及内部出现较大温度梯度致使零件内应力增加，从而降低出现微裂纹的可能性。此过程中通过控制运动单元驱使机械手5的空间运动使合金粉末完成三维协调运动，从而实现复杂2319铝合金零部件水平及垂直方向的精密成型，同时利用基板两侧的CCD摄像装置实时监测沉积成型过程。
所成型的2319铝合金零部件的合金成分为6.3%铜、0.31%锰、0.27%锌，0.26%铁，其余为铝和少量其他合金化元素，满足目标铝合金的化学成分要求。分别测试三组截取样品的表面粗糙度、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，进行对比，结果见表3。
表3- 实施例3数据
【实例4】
首先，对金属增材制造装置及环境整体抽真空及充入惰性保护气体。开启机械预抽泵对设备进行预抽，待真空计指示系统压力小于200Pa后，开启罗茨泵继续对设备进行真空抽取，直到设备内压力值小于5Pa。随后依次关闭机械预抽泵和罗茨泵，然后开启扩散泵进行高真空抽取，待设备真空度低于10-2Pa后，关闭扩散泵，完成设备的整体抽真空，抽真空时间为12min（要求控制在15min以内）。随后向设备中充入99.999%高纯度惰性气体氮气进行保护，此过程中通过氧分仪实时测量设备内腔中的氧含量，确保氧含量控制在100ppm以内。
其次，开启送粉器，将纯铜粉末经送粉管运送到储粉槽中，此纯铜粉末的粒度为53~105μm，化学成分为：99.96%铜，其余为少量其他合金化元素。纯铜粉末的送粉速度为25mg/s。
随后，待储粉槽中的粉末容量达到容器的1/2时，自动开启第一控制阀，使纯铜粉末进入低功率感应预热装置中进行预热。粉末流入预热装置中的流速控制为25mg/s；预热装置的工作功率为300W，保证粉末的温度稳定在500℃左右，装置内壁的温度传感系统和控制系统实时测量预热装置内温度并随时通过调节感应预热功率来保证粉末温度满足要求。
后续，待预热装置中的粉末容量达到容器的1/2时，自动开启第二控制阀，经预热后的纯铜粉末进入高功率感应加热装置中进行熔融。粉末流入加热装置中的流速控制在25mg/s；加热装置的工作功率为600W，加热装置内壁同样安装有温度传感系统和控制系统来保证合金熔滴的温度控制在1250℃左右。在此温度下，既满足了金属液流连续且稳定流动的过热度要求；同时也降低了对低熔点元素的烧损作用，使得最终合金成型件的化学成分更加均匀和稳定。
最后，连续熔融态的纯铜液滴通过自身重力以及上方纯铜熔滴的推进作用下，落入基板上沉积成型。基板温度通过预热控制在500℃左右，以防止成型件边缘及内部出现较大温度梯度致使零件内应力增加，从而降低出现微裂纹的可能性。此过程中通过控制运动单元驱使机械手5的空间运动使合金粉末完成三维协调运动，从而实现复杂纯铜零部件水平及垂直方向的精密成型，同时利用基板两侧的CCD摄像装置实时监测沉积成型过程。
所成型的纯铜零部件的成分为99.95%铜，其余为少量其他合金化元素，满足目标纯铜的化学成分要求。分别测试三组截取样品的表面粗糙度、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，进行对比，结果见表4。
表4 - 实施例4数据
由上述实施例的过程以及得到的金属合金样品的分析可见，实施例数据表1-4中表面粗糙度值用于评价金属样品尺寸精度的优劣，表面粗糙度值越低表示尺寸精度越高。抗拉强度值、屈服强度值以及断后伸长率值共同用于评价金属样品综合力学性能的好坏，抗拉强度值、屈服强度值以及断后伸长率值越大表示综合力学性能越好。
对比上述表1-4可知，实例1-4中四种金属试样在表面粗糙度值、抗拉强度值、屈服强度值和断后伸长率四个参数上都明显优于相对应的普通成型件，表明通过以上方法和装置制得的金属增材零部件具有尺寸精度高、综合力学性能优良的特点。这是因为本发明中采用感应加热作为热源，同时辅以温度反馈控制系统来严格控制金属粉末熔滴的温度，不仅起到提高金属粉末对热源能量利用率的作用，同时在保证熔滴连续稳定流动的过热度要求下，还尽量减少了合金元素的烧损作用，提高了合金试样的化学成分稳定性。而感应加热预热过程的引入在保证金属粉末较高能量利用率的前提下，降低了粉末内部的温度梯度，为得到综合力学性能优良的金属样品提供了必要条件。另外金属粉末熔滴的三维协调运动为金属零部件的高精度提供了保证。最终成型出高质量的金属零部件
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (8)
1.一种连续送粉感应加热金属增材制造装置，其特征在于，包括：
基板，用于提供增材制造金属层的形成基底；
设置在基板一侧的运动控制装置以及运动单元，所述运动单元上设置有机械手，运动单元被设置用于在所述运动控制装置的控制下移动以驱使机械手在三维空间内运动；
储粉槽，用以储存运送的金属粉末；
低功率感应预热装置，构造为一密封容器，经由第一管连通到所述储粉槽下方；
第一中空铜线圈，螺旋缠绕在所述低功率感应预热装置的外部，用于对经过的金属粉末进行预热；
高功率感应加热装置，包括一连通到低功率感应预热装置的细管；
第二中空铜线圈，螺旋缠绕在所述细管的外部，用于对经过细管的金属粉末加热熔融形成熔滴；
水冷系统，包括水冷箱以及通过水冷电缆在所述第一中空铜线圈、第二中空铜线圈中各自形成的水冷循环通道；
其中，所述机械手夹持所述储粉槽，储粉槽、低功率感应预热装置、高功率感应加热装置以及对应的第一中空铜线圈、第二中空铜线圈均设置在基板的垂直上方位置，并且与机械手保持同步移动，在所述运动单元的驱动下，第二中空铜线圈加热熔融形成的熔滴通过自身重力以及上方熔滴的推进下，落入基板上沉积成型；
所述的运动单元被控制至少在X-Y平面和X-Z平面内运动；
所述储粉槽与所述第一管的连接位置下方以及低功率感应预热装置与所述细管的连接位置下方分别设置有控制阀。
2.根据权利要求1所述的连续送粉感应加热金属增材制造装置，其特征在于，所述水冷系统包括第一水冷电缆以及第二水冷电缆，均设置有入水通道和出水通道，第一水冷电缆与第一中空铜线圈连接，形成第一循环通道，第二水冷电缆与第二中空铜线圈连接，形成第二循环通道。
3.根据权利要求2所述的连续送粉感应加热金属增材制造装置，其特征在于，所述入水通道位于电缆中心，沿着电缆长度方向并截面呈圆形，出水通道位于电缆入水通道外侧，沿着电缆长度方向并截面呈圆环形。
4.根据权利要求3所述的连续送粉感应加热金属增材制造装置，其特征在于，所述水冷系统包括连接到水冷箱的第一入口管、第二入口管、第一出口管和第二出口管，第一入口管连通到第一水冷电缆的入水通道的一端，第一出口管连通到第一水冷电缆的出水通道的一端，第二入口管连通到第二水冷电缆的入水通道的一端，第二出口管连通到第二水冷电缆的出水通道的一端。
5.根据权利要求4所述的连续送粉感应加热金属增材制造装置，其特征在于，所述缠绕到低功率感应预热装置外部的第一中空铜线圈的两端分别接入到第一水冷电缆的另一端，其中一端连通入水通道，另一端连通出水通道。
6.根据权利要求4所述的连续送粉感应加热金属增材制造装置，其特征在于，所述缠绕到高功率感应预热装置外部的第二中空铜线圈的两端分别接入到第二水冷电缆的另一端，其中一端连通入水通道，另一端连通出水通道。
7.根据权利要求2-6中任意一项所述的连续送粉感应加热金属增材制造装置，其特征在于，所述第一水冷电缆以及第二水冷电缆为线材结构相同、尺寸不同的设计，其截面方向从外到内依次包括外部绝缘橡胶层、出水通道、外绝缘层、电缆铜线、内绝缘层以及入水通道。
8.一种使用权利要求1-7中任意一项所述装置的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
真空环境的抽取与保持，包括对装置及所处的环境进行抽真空，直到真空度低于10- 2Pa，然后冲入惰性气体，并监测氧含量；
开启送粉器并通过送粉管向储粉槽送入金属粉末，在储粉槽中的粉末容量达到设定值时控制输送到低功率感应预热装置中，通过第一中空铜线圈进行感应加热，预热粉末；
密封容器内预热的粉末容量达到设定值后控制输送到高功率感应加热装置并通过第二中空铜线圈进行感应加热，熔融粉末形成熔滴，其中第二中空铜线圈的加热功率大于第一中空铜线圈的加热功率，控制熔滴的温度控制在700℃-900℃；
连续熔融态的熔滴通过自身重力以及上方熔滴推进的作用下，落入基板上成型，其中基板的温度通过预热控制在250℃-350℃，并且：在金属层堆积过程中，通过运动单元的三维运动使得熔滴在基板上方的三维空间范围内运动，使得金属层在基板上熔融堆积成型，直至完成打印。
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