一种用于金属箔带的输送打印装置及方法

技术领域

本发明属于金属箔带增材制造技术，具体涉及一种用于金属箔带的输送打印装置及方法。

背景技术

金属增材制造技术融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将金属材料送入依靠激光、电弧、电子束等热源建立的熔池进行材料累加的方式进行逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。

目前，粉末床熔合技术和定向能量沉积(DED)已被成功用于制造金属材料零件。如粉末床熔合技术，通过控制激光光斑和层厚度，可以用来制造较为复杂的含有精细特征的结构，技术发展已经较为成熟，但由于粉末床自身特性，难以直接应用于微重力等某些特殊环境。定向能量沉积技术使用激光熔融金属细丝沉积方法，在很多情况可以作为近净成型零部件使用，但是其成型效率低，且必须在光斑和丝材之间形成稳定的焊接熔池，因此对丝材进入熔池的距离、高度等参数要求非常严格。超声波增材制造技术是借助超声波焊接原理，采用大功率的超声波，在金属层之间振动摩擦产生热量，促进界面间金属原子的相互扩散并形成固态冶金结合。与定向能量沉积使用激光器能量源相比，超声波增材制造技术是一种塑性成型过程，无熔池以及热变形等特点。电阻焊工艺主要是将正负两个电极与焊接材料紧密接触后，人为在电极两端施加电压，形成电流，通过电阻热来使材料熔化而实现连接。在金属增材制造的原材料中，金属箔带材相对比丝材、粉末价格较低，金属箔带材作为原材料极大降低了原材料的制造成本，同时有助于提高成型效率。

目前，金属增材制造技术对于粉材、丝材的递送方式的研究较多。然而，针对金属箔带的递送方式和增材制造成型过程仍未开展深入研究。在金属箔带展开过程中，由于其厚度小、弱刚性，易扭曲和缠绕、易断裂，难以稳定准确输送，造成增材制造过程难以持续；另外，金属箔带在叠层累加之后，裁断困难。如何在3D打印过程实现金属箔的准确输送及实现连续3D打印过程是需要迫切解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于金属箔带的输送打印装置及方法，以克服现有3D打印过程金属箔的难以输送以及过程不连续的问题。

一种用于金属箔带的输送打印装置，包括放卷系统、焦耳电流发生系统、张力缓冲系统、递送系统和压辊系统；

放卷系统用于放置成卷的金属箔带；

张力缓冲系统包括第一伸缩支撑，第一伸缩支撑的前端设置有导向轮；

递送系统包括第一伺服电机和第二伸缩支撑，第一伺服电机的输出轴上设置有驱动轮，第二伸缩支撑的一端设置有压紧轮，压紧轮能够在第二伸缩支撑的作用下与驱动轮表面贴合，压紧轮的轴线与驱动轮的轴线平行设置；

焦耳电流发生系统包括焦耳电流发生器以及伸缩臂，伸缩臂的端部设置有接触滚轮，接触滚轮连接于焦耳电流发生器；

放卷系统上的金属箔带经过递送系统后，通过压辊系统压紧于打印基板上。

优选的，放卷系统包括第二伺服电机和放卷盘，放卷盘安装于第二伺服电机的输出轴上，金属箔带缠绕于放卷盘上。

优选的，第二伺服电机、第一伸缩支撑、第一伺服电机和第二伸缩支撑相对固定安装设置，均集成于同一支撑架上。

优选的，放卷系统与张力缓冲系统之间设置有加紧系统。

优选的，加紧系统包括挡板和第三伸缩支撑，第三伸缩支撑的一端设置有加紧滚轮，加紧滚轮设置于挡板一侧。

优选的，张力缓冲系统的第一伸缩支撑连接有第一伺服阀，第一伸缩支撑上设置有位置传感器和张力传感器。

优选的，递送系统底部设置有裁剪系统，裁剪系统包括裁剪板和剪裁刀驱动器，剪裁刀驱动器的一端设置有裁剪刀，裁剪刀与裁剪板之间间隔设置。

优选的，压辊系统包括振动辅助压辊和高频振动器，高频振动器相对固定于递送系统底部，高频振动器上设置有高频振动发生器。

优选的，张力缓冲系统与加紧系统之间设置有定位导轮，定位导轮设置于加紧系统正上方。

一种金属箔带输送打印成型方法，包括以下步骤：

S1，将金属箔带安装于放卷系统上，将金属箔带依次绕设通过张力缓冲系统、重送系统至压辊系统，利用压辊系统将金属箔带压至基板上，将接触滚轮与金属箔带表面接触；

S2，打印过程中，利用重送系统实时获取金属箔带传送速度，启动焦耳电流发生系统，金属箔带在焦耳电流发生系统及压辊系统共同作用下逐层累加打印成型。

具体包括以下步骤：

S1，材料放卷：将金属箔带安装于放卷系统上，并从放卷盘引出，将金属箔带依次绕设穿过张力缓冲系统的导向轮、定位导轮、加紧通道、递送系统的递送通道、裁剪通道直至高频振动压辊，利用该压辊将金属箔带压至基板上；

S2，打印预准备：第三伸缩支撑推动加紧滚轮将金属箔带压紧在挡板一侧；第二伺服阀按设定的压力使第二伸缩支撑推动压紧轮将金属箔带压在驱动轮上；第二伺服电机转动，依靠驱动轮与压紧轮之间的摩擦力将金属箔带送至高频振动压辊下面与基板接触；

S3，开始打印：启动焦耳电流发生系统，预热金属箔带；启动高频振动发生器，压辊产生特定方向的机械振动，对金属箔带施加高频振动；金属箔带在焦耳热和高频振动压辊的共同作用下逐层累加打印成型；

S4，连续打印过程：利用递送系统准确递送金属箔带，并控制金属箔带的传送速度；3D打印头系统在机床、机器人或多轴运动机构的驱动下，按照增材制造规划的路径进行金属箔带的打印成型；在需要截断箔带或者路径发生变更时，开启裁剪系统并剪断金属箔带；

S5，重复上述过程至任务完成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种用于金属箔带的输送打印装置，利用张力缓冲系统将放卷系统上的金属箔带进行初步张定；在张力缓冲系统下端设置递送系统，递送系统包括第一伺服电机和第二伸缩支撑，第一伺服电机的输出轴上设置有驱动轮，第二伸缩支撑的一端设置有压紧轮，压紧轮能够在第二伸缩支撑的作用下与驱动轮表面贴合；焦耳电流发生系统的伸缩臂的端部设置有接触滚轮，焦耳电流发生器将电流值通过压辊系统将电流导入金属箔带，与金属基板形成电流闭环，产生焦耳热对金属箔带进行提前预热，本发明能够解决在3D打印过程金属箔的难以输送以及过程不连续的问题，进而实现金属箔带的连续3D打印。

本发明利用递送系统将金属箔带初步输送后，能够实时获取打印过程中金属箔带的递送速度，利用打印过程中获取的金属箔带的速度实现放卷系统的闭环控制。同时能够自动判别断带等故障，减小箔带打印过程的人为干预，提高打印效率、降低缺陷、降低停机故障，提高效率。

本发明将振动辅助压辊固定于高频振动器上，利用高频振动将预热的金属箔带进行逐层粘合，是一种低温塑性成型制造技术。该方法直接利用电能转化为机械振动和焦耳热，能源使用效率较高，避免了真空环境下高能束成型带来的散热问题，也避免了在微重力环境下高能束沉积金属丝材成型过程中金属液桥过渡难以稳定维护的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中金属箔带打印系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中金属箔带打印头结构组成示意图。

图3为本发明实施例中放卷盘结构示意图。

其中，1-放卷系统，1-1-第二伺服电机，1-2-放卷盘，1-2；2-焦耳热系统，2-1-焦耳电流发生器，2-2-接触滚轮，2-3-伸缩臂；3-金属箔带；4-张力缓冲系统，4-1-第一伺服阀，4-2-第一伸缩支撑，4-3-位置传感器，4-4导向轮；5-加紧系统，5-1-挡板，5-2-加紧滚轮，5-3-第三伸缩支撑；6-递送系统；6-1-第一伺服电机，6-2-驱动轮，6-3-压紧轮，6-4-第二伸缩支撑，6-5-第二伺服阀，6-6-裁剪通道，7-裁剪系统，7-1-裁剪板，7-2剪裁刀驱动器，7-3裁剪刀，7-4裁剪通道；8-压辊系统，8-1-压辊，8-2-振动发生器；9-打印件；10-打印基板；11-计算机控制系统，12-运动平台，14-定位导轮。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1、图2所示，本发明一种用于金属箔带的输送打印装置，包括放卷系统1、焦耳电流发生系统2、张力缓冲系统4、递送系统6和压辊系统8；

放卷系统1用于将放卷盘上成卷的金属箔带3按要求展开放卷；压辊系统8包括振动辅助压辊8-1和高频振动器8-2，振动辅助压辊8-1固定于高频振动器8-2上。

放卷系统1包括第二伺服电机1-1和放卷盘1-2，放卷盘1-2安装于第二伺服电机1-1的输出轴上，金属箔带3成卷缠绕于放卷盘1-2上，通过第二伺服电机1-1带动放卷盘1-2转动，使金属箔带3按照设定的转速进行展开下料。

张力缓冲系统4包括第一伸缩支撑4-2，第一伸缩支撑4-2的前端设置有导向轮4-4；

递送系统6包括第一伺服电机6-1和第二伸缩支撑6-4，第一伺服电机6-1的输出轴上设置有驱动轮6-2，第二伸缩支撑6-4的一端设置有压紧轮6-3，驱动轮6-2与压紧轮6-3间隔设置形成递送通道6-6，压紧轮6-3能够在第二伸缩支撑6-4的作用下与驱动轮6-2表面贴合，压紧轮6-3的轴线与驱动轮6-2的轴线平行设置。

焦耳电流发生系统2包括焦耳电流发生器2-1以及伸缩臂2-3，伸缩臂2-3的端部设置有接触滚轮2-2，接触滚轮2-2连接于焦耳电流发生器2-1；

压辊系统8包括振动辅助压辊8-1，放卷系统1上的金属箔带3一端绕设于导向轮4-4，穿设于驱动轮6-2与压紧轮6-3之间，输送至打印基板10上，通过振动辅助压辊8-1压紧于打印基板10上。

上述一种用于金属箔带的输送打印装置将作为3D打印机的一个重要模块，连接于3D打印机的运动平台上。上述一种用于金属箔带的输送打印装置的张力缓冲系统4设置于放卷系统1的下方，递送系统6设置于张力缓冲系统4的下方，振动辅助压辊8-1设置于递送系统6的下方。

第二伺服电机1-1、第一伸缩支撑4-2、第一伺服电机6-1和第二伸缩支撑6-4相对安装于固定位置，可集成于同一支撑架上，形成相对稳定的3D打印头系统的材料输送模块。

利用伸缩臂2-3贴合至金属箔带3表面，焦耳电流发生器2-1将按照设定的电流值通过接触滚轮2-2将电流导入金属箔带3，与打印基板10形成电流闭环，产生焦耳热对金属箔带进行提前预热。

放卷系统1与张力缓冲系统4之间设置有加紧系统5，加紧系统5包括挡板5-1和第三伸缩支撑5-3，第三伸缩支撑5-3的一端设置有加紧滚轮5-2，加紧滚轮5-2设置于挡板5-1一侧，加紧滚轮5-2与挡板5-1之间形成加紧通道，加紧滚轮5-2在第三伸缩支撑5-3的作用下能够移动与挡板5-1接触。通过第三伸缩支撑5-3的作用可以将金属箔带3加紧在挡板5-1上。

张力缓冲系统4的第一伸缩支撑4-2连接有第一伺服阀4-1，第一伸缩支撑4-2的一端设置有传感器4-3，传感器分为张力传感器和位置传感器。其中，张力传感器用于获取通过导向轮4-4传导第一伸缩支撑4-2的前端上用于表明金属箔带3打印过程中张力大小；位置传感器4-3用于获取第一伸缩支撑4-2的端部伸缩的位置。若打印过程中金属箔带3张力大于设定阈值，则需要通过第一伸缩支撑4-2缩短，减小金属箔带3打印过程中张力；若打印过程中金属箔带3张力小于设定阈值，则需要通过第一伸缩支撑4-2伸长，增加保持金属箔带3打印过程中张力。第一伸缩支撑4-2、第二伸缩支撑6-4和第三伸缩支撑5-3均采用可控伸缩机构。该可控伸缩机构包括不限于气缸、液压缸、伺服电机驱动丝杆等伺服运动机构。利用可控伸缩机构控制第一伸缩支撑4-2、第二伸缩支撑6-4或第三伸缩支撑5-3的支撑力大小。

递送系统6的第二伸缩支撑6-4连接有第二伺服阀6-5，第二伺服阀6-5控制第二伸缩支撑6-4的压力，通过压紧轮6-3的压力控制金属箔带3与驱动轮6-2之间的摩擦力，从而带动金属箔带3向下滑动。

递送系统6底部设置有裁剪系统7，裁剪系统7包括裁剪板7-1和裁剪刀驱动器7-2，裁剪刀驱动器7-2的一端设置有裁剪刀7-3，裁剪刀7-3与裁剪板7-1之间间隔设置，裁剪刀7-3与裁剪板7-1之间形成裁剪通道7-4，金属箔带3穿过裁剪通道7-4，利用裁剪刀驱动器7-2推动裁剪刀7-3至裁剪板7-1完成金属箔带3的自动裁剪。剪裁刀驱动器包括但不限于电磁阀、气缸等驱动机构，用以实现金属箔带的裁断。

振动辅助压辊8-1固定于高频振动器8-2上，高频振动器8-2相对固定于递送系统6底部，高频振动器8-2上设置有高频振动发生器，通过高频振动发生器产生的高频振动传至高频振动器8-2,高频振动器8-2带动振动辅助压辊8-1将金属箔带3以高频振动的形式压紧焊接至基板上。

张力缓冲系统4与加紧系统5之间设置有定位导轮14，定位导轮14设置于加紧系统5正上方，加紧系统5用于将经过张力缓冲系统4上导向轮4-4后的金属箔带3引导垂直进入加紧系统5中，确保金属箔带3的稳定输送。

通过放卷系统1、张力缓冲系统4及递送系统6的运动控制，实现在曲面结构等需要控制加减速运动的3D打印过程中对金属箔带3输送张力的精确控制。

通过将递送系统6驱动轮6-2转动的在线信号传至控制系统，实现无需人为干预的金属箔带断裂自动监测识别。将上述一种金属箔带的3D打印头系统将作为一个重要模块，安装在机床、机器人或者其它可按照成型指令进行数控运动的多轴运动平台上，即可成为一种金属增材制造装备。

基于上述一种用于金属箔带的输送打印装置，利用其实施金属箔带3的引出准确输送和金属箔带的3D打印成型，包括以下步骤：

S1，材料放卷：将金属箔带3安装于放卷系统1上，并从放卷盘1-2引出，将金属箔带3依次绕设穿过张力缓冲系统4的导向轮4-4、定位导轮14、加紧通道、递送系统6的递送通道6-6、裁剪通道7-4直至振动辅助压辊8-1，利用该振动辅助压辊8-1将金属箔带3压至基板10上；

S2，打印预准备：第三伸缩支撑5-3推动加紧滚轮5-2将金属箔带3压紧在挡板5-1一侧；第二伺服阀6-5按设定的压力P1输出使第二伸缩支撑6-4推动压紧轮6-3将金属箔带3压在驱动轮6-2上；第一伺服电机6-1转动，依靠驱动轮6-2与压紧轮6-3之间的摩擦力将金属箔带3送至压辊8-2下面与基板10接触；

S3，开始打印：启动焦耳电流发生系统2，预热金属箔带3；启动高频振动发生器8-2，压辊8-1产生特定方向的机械振动，对金属箔3带施加高频振动；金属箔带3在焦耳热和高频振动压辊8-1的共同作用下逐层累加打印成型；

S4，连续打印过程：利用递送系统6准确递送金属箔带3，并控制金属箔带的传送速度；3D打印头系统在机床、机器人或多轴运动机构的驱动下，按照增材制造规划的路径进行金属箔带的打印成型；在需要截断箔带3或者路径发生变更时，开启裁剪系统7并剪断金属箔带3；重复上述过程至任务完成。

递送上述打印过程中，面对曲面打印时，3D打印头会遇到突然的加速或者减速要求，金属箔带3在送料过程中的张力必然发生变化。为保证金属箔带3张力的恒定，要求第二伺服电机1-1的转速与第一伺服电机6-1的转速相匹配。

初始状态下，根据计算机控制系统计算得到第二伺服电机1-1的转动速度w1；第二伺服阀6-5调整压力P2，第二伸缩支撑6-4驱动压紧轮6-3将金属箔带3压紧在驱动轮6-2上，压紧力将在金属箔带与驱动轮间产生摩擦力，驱动轮6-2在第一伺服电机6-1的作用下将金属箔带输送至振动辅助压辊8-1下。打印开始时，第一伺服电机6-1上的驱动轮6-2停止提供驱动力；在打印过程中，金属箔带受振动辅助压辊8-1以及打印平台左右移动的作用力，将金属箔带辊压在基板上；金属箔带受振动辅助压辊8-1以及对应的打印头驱动，伺服电机6-1上的驱动轮6-2以转速ω3转动。

其中转速ω3从第一伺服电机6-1中方便读取ω3，为已知量，设驱动轮6-2的转动半径为R3，则送丝速度为:

v3＝ω3×R3

如图3所示，当前放卷盘上放卷半径为R4，放卷初始长度为L1，则第二伺服电机1-1的转速为：

其中，当前放卷半径R4是一个不断发生变化的量，只需求解出R4，则可以求解第二伺服电机1-1在任意Δt时间转速w1,

剩余箔带卷层数n1:

式中，R5为放卷盘上放卷初始半径；

剩余长度L2：L2＝L1-Ln

剩余长度L2:

式中，R6为放卷盘的芯轴半径；D1为金属箔带3单层厚度；

以上方程为二元一次方程，通过求根公式解得：n1＝((D1-2R6)±√((D1-2R6)

其中n取正值解，即可求当前放卷半径R4＝R5-n×D1

则伺服电机1-1当前Δt时实时转速:

打印系统工作过程中，可能出现金属箔带3断裂现象，这时，第一伺服电机6-1由于没有金属箔带-3摩擦力引起的电机转动。当控制系统-11无法收到伺服电机6-1反馈的的转动信号w3，即伺服电机6-1上驱动轮6-2的转速为0，则认为系统发生断带故障，需停机进行检查，排除断纱故障。

在初始阶段，本发明专利申请的递送系统作为动力源将金属箔带3递送至所要求的位置。在打印过程中，金属箔带3会跟随运动平台移动速度运动。此时，递送系统可转变为检测系统对递送速度进行检测。

重复上述步骤开始进行金属箔带的自动化打印制造，形成打印件9，控制系统11控制运动平台12停止，打印制造工作结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。