一种电磁电阻复合熔丝电流驱动熔滴过渡增材制造技术

技术领域

本发明涉及一种3D打印增材制造技术，具体涉及一种电磁电阻复合熔丝电流驱动熔滴过渡增材制造的技术。

背景技术

增材制造技术，又名3D打印，是一种以 CAD 模型文件为基础，通过三维造型软件建模并切片分层后，利用激光束、等离子束、粘结剂、电子束及电弧等化学或物理结合方式将预处理过的离散材料通过逐层堆积的形式来实现零件无模成型的先进制造技术总称。其原理是:首先由设计人员在计算机上设计出预制造零件的三维数字模型，然后用切片软件按等距或自适应厚度在其材料积累方向上进行切片处理，得到各层截面的二维轮廓及其填充等数据文件，设备成型部件(激光束、电子束、等离子束、导电嘴等)依据切片数据规定的轨迹形成各层截面轮廓，并逐层叠加成所设计的零件。简而言之，其原理是从三维到二维再到三维的转换过程。

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，这项技术在航天航空技术领域、汽车零件制造领域、生物医学领域和军事领域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。

现如今的金属增材制造技术的热源以激光、电子束、电弧、等离子弧等为主，由以上热源作为金属增材制造技术的有以下几种，如：电子束或激光的熔融沉积、选择性烧结成形等加工技术。该些技术由于可以制造外形复杂多变、材料硬度强度和性能较高的零件，因此得到很多制造商的青睐，但与此同时，仍存在能量利用率低、成型速度慢、材料利用率低等缺点；而电磁感应因其电能消耗低、工件受热变形小等特点，倍受市场的关注。且近年来，国际上增材制造技术的研究重点逐渐地趋向于直接金属制造方向，解决增材制造中的材料不得不说是一个大问题，而增材制造的材料形式主要由粉末和丝材为主。然而，传统送粉式增材制造技术存在设备成本高、材料利用率低、成型环境要求严格等诸多问题，而丝材增材制造可以有效降低设备及运行成本。

目前，增材制造多采用驱动熔滴过渡的方式来实现，而驱动熔滴过渡最常用的方法有：脉冲电流控制法、脉动送丝控制法、机械振动控制法、波形控制法等，而脉冲电流控制法相比于其他三种方法，有着更加稳定的熔滴过渡，采用不同的脉冲电流频率和不同的脉冲电流幅值，即可实现一个电流脉冲过渡一滴或多滴，或多个脉冲过渡一滴的方式进行打印，因此本发明采用脉冲电流控制法来实现。

基于以上背景，本发明提出了一种电磁电阻复合熔丝电流驱动熔滴过渡增材制造技术方法。此方法可以解决电能消耗高、工件受热变形大等缺点，同时具有加热速度快、环保节能、安全可靠等诸多优点。

发明内容

本发明内容的目的在于提供一种电磁电阻复合熔丝电流驱动熔滴过渡增材制造技术，用于解决上述电能消耗高、工件受热变形大等问题。

为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种电磁电阻复合熔丝电流驱动熔滴过渡增材制造技术，涉及了一种电磁电阻复合熔丝电流驱动熔滴过渡增材制造装置，所述装置包括送丝机构2、电磁感应线圈3、电源设备5、金属导电嘴7、交流电源4、水冷系统和基板6。

所述的电磁感应线圈3为紫铜制的管状结构，固定于基板6的上方的支架位置，管中通有冷却水，避免电磁感应线圈3本身电阻在受大电流的情况下产生大量的热，影响打印的速度。

所述的具体技术方法包括以下几个步骤：

S1.将要制备工件的三维模型数据导入控制系统，控制系统将要制备的工件模型分层形成每层的运动轨迹，并设置相关参数，包括切片厚度、成型速度等；

S2.电磁感应加热感应线圈通电在导电嘴上产生感应电流，导电嘴由于自身电阻产生电阻热，导电嘴被加热到接近熔化丝材的温度；

S3.两根丝材通过送丝机构送入到导电嘴中，在导电嘴的加热和电磁感应线圈的作用下加热熔融，并通过控制电流短路的波形来驱动熔滴过渡，经导电嘴将熔融态挤出到基板上；

S4.控制系统控制基板在水平面上的移动，实现单层打印成型；通过升降台控制垂直方向上的移动，实现下一层的打印路径；

S5. 如此重复，直至制备工件的成型。

进一步优选的，所述的丝材的范围为所有金属丝材。

进一步优选的，所述的丝材的直径范围为1.5mm～10mm。

进一步优选的，所述的与丝材连接的交流电源4的功率为500w，交流电源4设备的调控电压范围为0～220v。

进一步优选的，所述的电磁感应线圈3为紫铜制的管状结构，其外部包有一层绝缘漆。

进一步优选的，所述的铜管的直径为1mm～6mm。

进一步优选的，所述的电磁感应线圈3的螺距为1mm～10mm之间，匝数在1～20匝之间。

进一步优选的，所述的电磁感应线圈3内部通有冷却水。

进一步优选的，所述的整体装置的空间结构为送丝机构2安装在整个装置的上端，底部水平放置基板6，送丝机构2与基板6两者间安装电磁感应线圈3和金属导电嘴7，且电磁感应线圈3与电源设备5相连接，同时两根金属丝材的底段相接触，丝材的底端伸入到金属导电嘴7中，并且两根金属丝材分别连接交流电源4的正负极。

依照本申请较佳实施例所述的一种电磁电阻复合熔丝电流驱动熔滴过渡增材制造技术：

两根金属丝材通过送丝机构2，送丝机构2内置有送丝电动机和导轮，通过电动机和导轮的驱动，将金属丝材送入电磁感应线圈3中，并将丝材进行矫直；利用电磁感应原理在导体内产生涡流，从而产生焦耳热实现对金属丝材加热，电磁感应线圈3通过电磁感应将电能传递给金属丝材，电能在金属丝材内部由于存在电阻而转化为热能，达到熔融金属丝材的目的。同时，两根金属丝材的底端相接触，两根金属丝材分别与交流电源4的正负极相连接，且金属丝材底端伸入金属导电嘴7中，形成一个闭合的回路。通过控制电流短路的波形来驱动熔滴过渡，经导电嘴挤出到基板上，基板按照特定的成形轨迹移动，打印特定的工件。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

本发明将电磁感应加热技术和熔融沉积成型技术结合在一起，该发明拥有独特的非接触式传热的电磁感应的方式，可以在包括真空的各种环境中稳定工作，具有加热效率高、环境污染小、控制性好、再生能力强等特点；同时电磁感应还可以提供更均匀和稳定的加热。

本发明利用电磁感应加热技术的原理对金属导电嘴7和金属丝材进行加热，可实现对于所有金属丝材的加工，拓宽了打印材料的范围，提高了金属成型效率，降低了设备的制造成本及运行成本。

本发明采用脉冲电流控制法的成型方法，该方法有着更加稳定的熔滴过渡，采用不同的脉冲电流频率和不同的脉冲电流幅值，即可实现一个电流脉冲过渡一滴或多滴，或多个脉冲过渡一滴的方式进行打印，大大提高了工件成型的效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种电磁电阻复合熔丝电流驱动熔滴过渡增材制造装置的整体结构图；

图2为一种电磁电阻复合熔丝电流驱动熔滴过渡增材制造装置的结构示意图，展示了送丝机构2送丝的示意图；

图3一种电磁电阻复合熔丝电流驱动熔滴过渡增材制造装置的结构示意图，展示了丝材熔融的示意图。

附图标记：1、丝材；2、送丝机构；3、电磁感应线圈；4、交流电源；5、电源设备；6、基板7、金属导电嘴。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种电磁电阻复合熔丝电流驱动熔滴过渡增材制造技术，涉及一种电磁电阻复合熔丝电流驱动熔滴过渡增材制造装置。

如图1所示，所述装置包括送丝机构2、电磁感应线圈3、电源设备5、金属导电嘴7、交流电源4、水冷系统和基板6。

所述的整体装置的空间结构为送丝机构安装在整个装置的上端位置，底部水平放置基板6，电磁感应线圈和金属导电嘴安装于送丝机构与基板之间，且电磁感应线圈与电源设备相连接，同时两根金属丝材的底端相接触，丝材的底端伸入到金属导电嘴中，且两根金属丝材分别连接交流电源的正负极，组成闭合回路。

依照本申请较佳实施例所述的实验方法，实施例如下：

本实施例选用铅锡合金作为丝材材料，丝材直径为2mm，铅锡合金丝材与基板6呈45°；电磁感应线圈3选用紫铜管，感应频率为250Hz；送丝机构2的送丝速度为10mm/s，起初导电嘴至基板6的距离为5mm，线圈距离基板6为8mm，紫铜管直径选为2mm，耦合距离选为2mm，金属导电嘴对应的流量为30mm

如下是具体的实施步骤：

S1.两根2mm的铅锡合金丝材通过送丝速度为10mm/s的送丝机构2，伸至感应频率为250Hz、直径为2mm的电磁感应线圈3中，在电磁感应的作用下，两根铅锡合金丝材加热熔融；两根铅锡合金丝材底端相接触，形成共同的熔池，同时两根铅锡合金丝材的底端伸入流量为30mm

S2.两根底端相接触的铅锡合金丝材与功率为350w的交流电源4组成闭合回路，通过控制电流短路的波形来驱动熔滴过渡；

S3.通过感应频率为250Hz、直径为2mm的电磁感应线圈3以及由于对应流量为30mm

S4. 控制系统控制基板在水平面上的移动，实现单层打印成型；通过升降台控制垂直方向上的移动，实现下一层的打印路径；如此重复，直至制备工件的成型。

依照本申请较佳实施例所述的实验方法，分析工件的成型质量。

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。