金屬絲材快速成型增材制造設(shè)備

阮亮 朱雪巖

摘 要：因傳統(tǒng)的增材制造技術(shù)存在金屬材料利用率低、成型慢、成本高且對(duì)成型環(huán)境要求苛刻等諸多缺點(diǎn)而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，本文設(shè)計(jì)的金屬絲材快速成型設(shè)備很好地將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)和增材制造技術(shù)結(jié)合在一起，提高了金屬成型的效率，降低了設(shè)備的制造成本，并為金屬增材制造技術(shù)提供了一種新的方法。

關(guān)鍵詞：金屬絲材;快速成型;電磁感應(yīng);設(shè)備

1 緒論

增材制造俗稱3D打印，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料加工技術(shù)來說，是一種“自下而上”的制造方法。增材制造技術(shù)的特點(diǎn)是可以快速制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜而傳統(tǒng)方式無法加工的零件，尤其適合于單件小批量的定制化產(chǎn)品[1-2]。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的實(shí)質(zhì)是利用電磁感應(yīng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流發(fā)熱來加熱金屬，感應(yīng)線圈通過電磁感應(yīng)的方式把電能傳遞給被加熱的金屬，電能在金屬內(nèi)部由于存在電阻率而轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到快速加熱金屬的目的[3-4]。因傳統(tǒng)的增材制造技術(shù)存在金屬材料利用率低、成型慢、成本高且對(duì)成型環(huán)境要求高等諸多缺點(diǎn)而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的金屬絲材快速成型設(shè)備很好地將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)和增材制造技術(shù)結(jié)合在一起，提高了金屬成型效率，降低了設(shè)備的制造成本及運(yùn)行成本。

2 設(shè)備設(shè)計(jì)

金屬絲材快速成型增材制造設(shè)備主要包括成型平臺(tái)、絲材驅(qū)動(dòng)裝置、氣體保護(hù)裝置、感應(yīng)加熱噴頭、運(yùn)動(dòng)臺(tái)和控制系統(tǒng)。該設(shè)備的工作原理是利用電磁感應(yīng)加熱的技術(shù)對(duì)金屬絲材進(jìn)行快速加熱，金屬絲材成熔融狀態(tài)后再經(jīng)噴頭擠出并層層沉積，如此循環(huán)直至成型。設(shè)備的工作原理示意圖如圖1所示。

1.金屬絲材 2.絲材驅(qū)動(dòng)裝置 3.感應(yīng)加熱系統(tǒng)4.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 5.成型工件 6.成型平臺(tái)7.保護(hù)氣體

2.1 感應(yīng)加熱噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

感應(yīng)加熱噴頭的主要功能是將金屬線材以非接觸加熱的方式加熱至熔融，并將熔融態(tài)的溫度控制在安全范圍內(nèi)，在磁場(chǎng)和絲材驅(qū)動(dòng)裝置的共同作用下，熔融的液滴沉積到成型平臺(tái)上。在整個(gè)設(shè)備運(yùn)行過程當(dāng)中，保護(hù)氣體（惰性氣體）會(huì)通過感應(yīng)加熱噴頭的內(nèi)部以防止或減少金屬材料與成型環(huán)境中的空氣發(fā)生反應(yīng)。依據(jù)上述功能需求，本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)加熱噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2（a）所示，其中1-感應(yīng)線圈，2-高溫保護(hù)管，3-固定件，4-金屬絲材，5-氣體分流與水冷卻裝置，6-密封件，7-感應(yīng)加熱噴頭固定裝置。

2.2 運(yùn)動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際功能需要，運(yùn)動(dòng)臺(tái)在水平面上需要兩個(gè)相互垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，在垂直方向上需要一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，因此運(yùn)動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)就采用X/Y軸的十字滑臺(tái)加Z軸的方案。成型平臺(tái)安裝在十字滑臺(tái)上，并在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成X方向與Y方向的移動(dòng)。感應(yīng)加熱噴頭和絲材驅(qū)動(dòng)裝置則固定在Z軸上，在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成Z方向的移動(dòng)。其X/Y軸十字滑臺(tái)+Z軸方案示意圖如圖3所示。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金屬絲材快速成型增材制造設(shè)備整個(gè)控制流程描述如下：（1）將現(xiàn)有的或通過三維設(shè)計(jì)軟件（如UG，PRO/E等）建立的三維實(shí)體模型處理成切片軟件可識(shí)別的STL文件。（2）將STL文件導(dǎo)入到切片軟件里，并在切片軟件上設(shè)置成型過程當(dāng)中的各種工藝參數(shù)，如切片厚度、成型速度、填充間距、填充方式以及成型平臺(tái)溫度等。（3）設(shè)置完工藝參數(shù)后導(dǎo)出G代碼文件。（4）啟動(dòng)金屬絲材快速成型增材制造設(shè)備，設(shè)備的各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元進(jìn)行歸零動(dòng)作，其他配件也進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作。（5）當(dāng)設(shè)備復(fù)位完成后，整個(gè)設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)成型平臺(tái)里的預(yù)熱裝置進(jìn)行預(yù)熱工作。待成型平臺(tái)的溫度達(dá)到預(yù)定值后，熱電偶將溫度采集信號(hào)反饋到主控單元并執(zhí)行恒溫程序。（6）將導(dǎo)出G代碼文件的拷貝到設(shè)備上，待一切準(zhǔn)備就緒后打開程序運(yùn)行按鈕執(zhí)行開始動(dòng)作。（7）設(shè)備執(zhí)行G代碼里的程序。成型平臺(tái)在十字滑臺(tái)的聯(lián)動(dòng)下完成單層的成型軌跡后，感應(yīng)加熱噴頭在Z軸步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成設(shè)定切片厚度的抬升動(dòng)作，抬升動(dòng)作完成后成型平臺(tái)在十字滑臺(tái)的聯(lián)動(dòng)下完成下一層的成型軌跡，如此重復(fù)執(zhí)行，直至整個(gè)程序執(zhí)行結(jié)束。（8）成型程序運(yùn)行完后，感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)入待機(jī)模式且其他配件也進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作，整個(gè)設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。整個(gè)控制系統(tǒng)的流程示意圖如圖4所示。金屬絲材快速成型增材制造設(shè)備的主控制單元是在單片機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的，其主控板的實(shí)物圖如圖5所示。

2.4 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金屬絲材快速成型增材制造設(shè)備的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，1為絲材驅(qū)動(dòng)裝置;2為Z軸運(yùn)動(dòng)模組;3為感應(yīng)加熱噴頭;4為成型平臺(tái);5為X/Y軸十字滑臺(tái);6為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝板;7為成型平臺(tái)溫度控制器;8為氣體電磁控制閥;9為冷卻水泵;10為冷水機(jī);11為金屬熔滴紅外測(cè)溫裝置;12為感應(yīng)加熱裝置;13為設(shè)備操作顯示屏;14為設(shè)備上的各種操作按鈕。

3 金屬絲材成型樣件

以黃銅絲材和純錫絲材為原材料，絲材直徑為2mm，利用金屬絲材快速成型增材制造設(shè)備進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)，其成型樣件分別如圖7（a）和（b）所示。實(shí)驗(yàn)表明金屬絲材快速成型增材制造設(shè)備可對(duì)高熔點(diǎn)金屬以及低熔點(diǎn)金屬進(jìn)行增材制造。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了金屬絲材快速成型設(shè)備的組成部分，并闡述了其各個(gè)部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)。金屬絲材快速成型設(shè)備將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)和增材制造技術(shù)很好地結(jié)合在一起，提高了金屬成型效率，并降低了設(shè)備成本及運(yùn)行成本，并為金屬增材制造提供一種新的方法。

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