CN116834281A - 增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增材制造装置及方法，该装置包括从内至外依次套设的搅拌针、轴肩和成型套；搅拌针与轴肩之间从上至下配合形成依次连通的送粉区、加热区、搅拌区和成型区；送粉区用于将粉料输送至加热区，加热区用于对其内的粉料进行加热，使其热塑化形成热塑化材料，轴肩能够绕轴肩的轴线转动，轴肩能够搅拌摩擦搅拌区内的粉料，成型区用于拘束并挤压热塑化材料，以使热塑化材料在基材上堆叠形成制品。本发明的设备结构简单、加工余量较小、材料利用率高、所形成的组织强度高。

Description

增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及增材制造装置及方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing,AM)是通过计算机技术预先建立与规划3D模型，结合数字化的可控热源逐层将材料熔化、熔覆或叠加，快速成形结构件或者功能件，具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造等五大技术特点，受到全球的广泛关注，给传统制造业带来一系列深刻的变革，可广泛应用于航空航天、国防、医疗、建筑设计、汽车制造等领域。

常用的金属增材制造方法有激光、电子束和电弧增材制造，3种方法具有各自的优势和适用范围，但在轻合金的增材技术上存在较多的问题。金属增材制造前期研究主要以烧结或熔化金属材料的方式逐层加工制备复杂结构的零件，铝合金由于线膨胀系数大、导热率高等原因，导致激光增材时，成形速率慢、光反射率高，能量利用率低、变形大等；电子束增材时，零件尺寸受到限制，变形较大；电弧增材时，构件变形严重、尺寸难以控制等。搅拌摩擦增材制造作为一种固相增材制造方法，在轻合金增材方面独具优势。

现有的搅拌摩擦增材制造设备存在设备结构复杂、加工余量大、材料利用率低以及晶粒粗大的技术问题。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种增材制造装置及方法，通过搅拌针与轴肩之间从上至下配合形成依次连通的送粉区、加热区、搅拌区和成型区，解决了设备结构复杂、加工余量大、材料利用率低以及晶粒粗大的技术问题。

(2)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种增材制造装置，包括：从内至外依次套设的搅拌针、轴肩和成型套；所述搅拌针与所述轴肩之间从上至下配合形成依次连通的送粉区、加热区、搅拌区和成型区；所述送粉区用于将粉料输送至加热区，所述加热区用于对其内的粉料进行加热，使其热塑化形成热塑化材料，所述轴肩能够绕所述轴肩的轴线转动，所述轴肩能够搅拌摩擦所述搅拌区内的粉料，所述成型区用于拘束并挤压所述热塑化材料，以使所述热塑化材料在基材上堆叠形成制品。

进一步地，所述送粉区包括所述搅拌针与所述轴肩之间配合形成的储料腔，以及设于所述搅拌针外侧且与所述储料腔相连通的第一螺纹槽。

进一步地，所述储料腔为倒圆锥形腔体。

进一步地，所述加热区包括设于所述搅拌针外侧的第二螺纹槽，所述第二螺纹槽与所述送粉段相连通。

进一步地，所述搅拌区包括设于所述轴肩端面的凹槽以及与所述加热区相连通的出料口。

进一步地，所述成型区包括拘束腔和成形槽，所述拘束腔由所述成型套的内壁面、所述搅拌针的端面、所述轴肩的端面和基材的表面合围形成，所述成型套的内壁面开设有与所述拘束腔相连通的成形槽。

进一步地，所述成形槽为弧形状开口或矩形状开口。

进一步地，所述增材制造装置还包括驱动组件，所述驱动组件与所述轴肩连接，所述驱动组件能够驱使所述轴肩绕所述轴肩的轴线转动；

和/或，所述增材制造装置还包括驱动组件，所述驱动组件与所述搅拌针连接，所述驱动组件能够驱使所述搅拌针绕所述搅拌针的轴线转动。

进一步地，所述加热区为倒锥形结构。

第二方面，提供了一种采用第一方面的增材制造装置的增材制造方法，所述方法包括：

S10，粉料从所述送粉区输送至所述加热区；

S20，所述加热区对所述加热区内的粉料进行加热，使其热塑化形成热塑化材料，并将所述热塑化材料输送至所述搅拌区和所述成型区内；

S30，所述搅拌针和/或轴肩对所述搅拌区内的所述热塑化材料进行搅拌，所述热塑化材料进入所述成型区并被所述成型区约束；

S40，所述增材制造装置沿预设行进路径进行移动，所述热塑化材料从所述成型区内挤出至基材上，形成单层增材结构；

S50，所述增材制造装置移动至单层增材结构上方的对应位置，并重复上述步骤S10-S40，使得单层增材结构多次堆叠，以形成制品。

(3)有益效果

综上，本发明通过搅拌针与轴肩之间从上至下配合形成依次连通的送粉区、加热区、搅拌区和成型区，仅通过搅拌针、轴肩和成型套的配合即可以实现粉料的摩擦加热、破碎变形以及增材成型，设备结构简单；通过对粉料进行摩擦搅拌来实现增材制造，相对于填丝搅拌摩擦增材和填棒搅拌摩擦增材而言，加工余量较小、材料利用率高；搅拌针与轴肩产生相对转动对粉料进行摩擦加热，使得粉料发生形变破碎，细化晶粒，提升组织强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的增材制造装置的剖视图。

图2是本发明实施例的搅拌针的结构示意图。

图3是本发明实施例的轴肩的结构示意图。

图4是本发明实施例一的成型套的剖视图。

图5是本发明实施例一的成型套的结构示意图。

图6是本发明实施例二的成型套的剖视图。

图7是本发明实施例二的成型套的结构示意图。

图中：

100、增材制造装置；1、搅拌针；2、轴肩；3、成型套；4、送粉区；5、加热区；6、搅拌区；7、成型区；41、储料腔；42、第一螺纹槽；43、第三螺纹槽；51、第二螺纹槽；52、第四螺纹槽；61、凹槽；62、出料口；71、拘束腔；72、成形槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是本发明实施例的增材制造装置100的剖视图。如图1所示，该增材制造装置100包括：从内至外依次套设的搅拌针1、轴肩2和成型套3；搅拌针1与轴肩2之间从上至下配合形成依次连通的送粉区4、加热区5、搅拌区6和成型区7；送粉区4用于将粉料输送至加热区5，加热区5用于对其内的粉料进行加热，使其热塑化形成热塑化材料，轴肩2能够绕轴肩2的轴线转动，轴肩2能够搅拌摩擦搅拌区6内的粉料，成型区7用于拘束并挤压热塑化材料，以使热塑化材料在基材上堆叠形成制品。具体地，搅拌针1的旋转速度可以为0，轴肩2的旋转速度应当大于0，即可以是搅拌针1和轴肩2都转动，或者只有轴肩2转动，搅拌针1不转动。搅拌针1和轴肩2的旋转方向可以相反，也可以相同。

对于现有的搅拌摩擦增材制造方法而言，增材完成后仍需要对搅拌摩擦制品进行后期机械加工，将多余的基材部分除去。去除部分越多，材料的利用率就会越低。而本实施例提供的增材制造装置100可以通过控制轴肩2的转速来控制粉料输出的快慢，可以减少增材过程中材料的浪费，提升材料的利用率。

如图2所示，作为一种优选实施方式，送粉区4包括搅拌针1与轴肩2之间配合形成的储料腔41，以及设于搅拌针1外侧且与储料腔41相连通的第一螺纹槽42。储料腔41用于储存增材制造所需的粉料，该金属粉料可以是铝粉、铁粉等。

作为一种优选实施方式，储料腔41为倒圆锥形腔体。圆锥形状的储料腔41可以方便粉料的移动，在重力作用下，粉料可以沿倒圆锥形腔体的侧壁缓慢移动至倒圆锥形腔体的底部出口处。

如图3所示，作为一种优选实施方式，加热区5包括设于搅拌针1外侧的第二螺纹槽51，第二螺纹槽51与送粉区4相连通。

不难理解地，在一些实施例中，轴肩2与第一螺纹槽42相对应的内壁上设有第三螺纹槽43，第三螺纹槽43可以与第一螺纹槽42一起配合实现粉料输送的功能。轴肩2与第二螺纹槽51相对应的内壁上设有第四螺纹槽52，第四螺纹槽52可以与第二螺纹槽51一起配合实现搅拌摩擦加热的功能。

需要说明地是，本申请对第一螺纹槽42、第二螺纹槽51、第三螺纹槽43以及第四螺纹槽52的螺旋圈数及形貌不作限定。具体地，第一螺纹槽42与第三螺纹槽43优选为粗牙螺纹，第二螺纹槽51与第四螺纹槽52优选为细牙螺纹。第一螺纹槽42、第二螺纹槽51、第三螺纹槽43以及第四螺纹槽52的旋向取决于增材过程中搅拌针1和轴肩2的旋转方向，本申请对此不进行限定。

作为一种优选实施方式，搅拌区6包括设于轴肩2端面的凹槽61以及与加热区5相连通的出料口62。

作为一种优选实施方式，成型区7包括拘束腔71和成形槽72，拘束腔71由成型套3的内壁面、搅拌针1的端面、轴肩2的端面和基材的表面合围形成，成型套3的内壁面开设有与拘束腔71相连通的成形槽72。

如图4和图5所示的实施例一，作为一种优选实施方式，成形槽72为或矩形状开口；如图6和图7所示的实施例二，成形槽72为弧形状开口。可以根据实际使用的需求，选择对应形状的成形槽72，进而可以按照成形槽72的形状挤出热塑化材料。

作为一种优选实施方式，增材制造装置100还包括驱动组件，驱动组件与轴肩2连接，驱动组件能够驱使轴肩2绕轴肩2的轴线转动；具体地，驱动组件优选为电机。

作为一种优选实施方式，增材制造装置100还包括驱动组件，驱动组件与搅拌针1连接，驱动组件能够驱使搅拌针1绕搅拌针1的轴线转动。具体地，驱动组件优选为电机。

作为一种优选实施方式，加热区5为倒锥形结构。倒锥形结构有助于加热区5内的粉料的移动排出。加热区5为倒锥形结构，送粉区4与加热区5的连接处会形成一个转角通道，粉料从送粉区4输送至加热区5时，因通道转角的作用，材料发生剪切变形从而产生大的剪切应变，由此导致位错的重排而使晶粒得到细化并形成新的剪切变形织构。通过上述方式使得粉料在大塑性变形作用下晶粒细化，进而提升最终基材上成型组织的物理性能。

以图1所示的实施例为例进行说明，本实施例的实施过程如下：搅拌针1插入轴肩2，搅拌针1和轴肩2在外力驱动下旋转，或者在轴肩2在外力驱动下旋转，搅拌针1在外力约束下不旋转，并且搅拌针1和轴肩2不发生轴向窜动。轴肩2与基材之间保持一定的顶锻力。搅拌针1和轴肩2插入成型套3，成型套3在外力约束下不发生旋转，并且与基材保持一定的顶锻力。搅拌针1、轴肩2和成型套3三者在外力驱动下沿基材以一定的速度移动。粉料通过搅拌针1和轴肩2之间的间隙从上端送入并储存至储料腔41内。储料腔41内的粉料在重力作用下进入至第一螺纹槽42，轴肩2转动带动第一螺纹槽42转动，第一螺纹槽42转动可以带动其内的粉末往下输送，粉末向下输送至加热区5。粉料连续不断的进入加热区5，搅拌针1和轴肩2对进入加热区5的粉料进行摩擦加热以及在大塑性变形作用(轴肩2与成型套3对基材施加一定大小的顶锻力，而且轴肩2会进行高速旋转，在大的转速下晶粒的塑性变形量大，所受到的剪切应力较大，使得晶粒破碎细化，物理性能提升，即高压扭转HPT工艺)下发生热塑化形成热塑化材料。热塑化材料连续不断的堆积到搅拌针1和轴肩2的下端面。轴肩2上的凹槽61驱使热塑化材料均匀堆覆于基材表面。拘束腔71将热塑化材料拘束于其内，并在轴肩2搅拌摩擦作用下保持热塑化状态。随着成型套3沿增材区移动，热塑化材料从成形槽72挤出，并冷却，形成新的堆覆层。随着增材制造装置100沿预先设定轨迹的移动，实现基材上单层材料的堆覆。根据所需要增材的高度，可在基材上重复上述过程，进行多层材料堆覆，直至达到所需要的增材高度。

本实施例还提供一种增材制造方法，采用上述实施例中任一种增材制造装置100，方法包括：

S10，粉料从送粉区4输送至加热区5；

S20，加热区5对加热区5内的粉料进行加热，使其热塑化形成热塑化材料，并将热塑化材料输送至搅拌区6和成型区7内；本步骤中，加热区5对加热区5内的粉料进行加热的方式可以是通过电阻发热进行加热或者是通过物理摩擦进行加热。

S30，搅拌针1和/或轴肩2对搅拌区6内的热塑化材料进行搅拌，热塑化材料进入成型区7并被成型区7约束；轴肩2的旋转作用，使堆积到搅拌针1和轴肩2下端面的热塑化材料被充分搅拌，并均匀堆覆于基材上。

S40，增材制造装置100沿预设行进路径进行移动，热塑化材料从成型区7内挤出至基材上，形成单层增材结构；

S50，增材制造装置100移动至单层增材结构上方的对应位置，并重复上述步骤S10-S40，使得单层增材结构多次堆叠，以形成制品。

上述实施例中的增材制造装置100和增材制造方法可实现飞机带筋壁板及框梁结构的高效率、低成本制造，且制造工艺灵活性高，材料组织细化，强韧性高，在飞机铝合金机身带筋壁板结构、框梁结构、进气道等结构上具有良好的应用前景。采用该技术可以实现复杂曲面结构铝合金材料加强筋及加强框的制造，基于设计优化，还可以实现任意空间曲线分布的加强结构制造，解决常规制造工艺难以制造或制造成本过高的问题。

此外，该技术还可以在运载火箭、船舶、汽车等领域的铝合金带筋壁板结构或复杂框梁结构的制造中得到推广应用，实现铝合金复杂结构的高效、高质量、低成本制造。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明(根据撰写情况采用)。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种增材制造装置，其特征在于，包括：

从内至外依次套设的搅拌针、轴肩和成型套；所述搅拌针与所述轴肩之间从上至下配合形成依次连通的送粉区、加热区、搅拌区和成型区；所述送粉区用于将粉料输送至加热区，所述加热区用于对其内的粉料进行加热，使其热塑化形成热塑化材料，所述轴肩能够绕所述轴肩的轴线转动，所述轴肩能够搅拌摩擦所述搅拌区内的粉料，所述成型区用于拘束并挤压所述热塑化材料，以使所述热塑化材料在基材上堆叠形成制品。

2.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述送粉区包括所述搅拌针与所述轴肩之间配合形成的储料腔，以及设于所述搅拌针外侧且与所述储料腔相连通的第一螺纹槽。

3.根据权利要求2所述的增材制造装置，其特征在于，所述储料腔为倒圆锥形腔体。

4.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述加热区包括设于所述搅拌针外侧的第二螺纹槽，所述第二螺纹槽与所述送粉区相连通。

5.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述搅拌区包括设于所述轴肩端面的凹槽以及与所述加热段相连通的出料口。

6.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述成型区包括拘束腔和成形槽，所述拘束腔由所述成型套的内壁面、所述搅拌针的端面、所述轴肩的端面和基材的表面合围形成，所述成型套的内壁面开设有与所述拘束腔相连通的成形槽。

7.根据权利要求6所述的增材制造装置，其特征在于，所述成形槽为弧形状开口或矩形状开口。

8.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述增材制造装置还包括驱动组件，所述驱动组件与所述轴肩连接，所述驱动组件能够驱使所述轴肩绕所述轴肩的轴线转动；

和/或，所述增材制造装置还包括驱动组件，所述驱动组件与所述搅拌针连接，所述驱动组件能够驱使所述搅拌针绕所述搅拌针的轴线转动。

9.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述加热区为倒锥形结构。

10.一种增材制造方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的增材制造装置，所述方法包括：

S10，粉料从所述送粉区输送至所述加热区；

S20，所述加热区对所述加热区内的粉料进行加热，使其热塑化形成热塑化材料，并将所述热塑化材料输送至所述搅拌区和所述成型区内；

S30，所述搅拌针和/或轴肩对所述搅拌区内的所述热塑化材料进行搅拌，所述热塑化材料进入所述成型区并被所述成型区约束；

S40，所述增材制造装置沿预设行进路径进行移动，所述热塑化材料从所述成型区内挤出至基材上，形成单层增材结构；

S50，所述增材制造装置移动至单层增材结构上方的对应位置，并重复上述步骤S10-S40，使得单层增材结构多次堆叠，以形成制品。