CN113070487A - 一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置及制造方法，属于金属增材制造技术领域，该制造装置包括坩埚、加热装置、基板、转杆和加压装置，制造方法包括通过在坩埚中设置能够旋转的中空转杆，转杆启动旋转后将短纤维材料适量有序投放到漏斗中，通过对坩埚内的金属材料加热成熔融状，短纤维材料在重力作用下和熔体混合并被熔体带出出料口，排出的混合体置于基板上或前一层凝固层上，熔体逐层凝固，堆积成形，得到金属基纤维增强构件，本发明装置和制造方法具有通过增加短纤维材料使粘度的变化不依赖于温度，达到控制流动与成形的目的。
Description
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，更具体地说，是涉及一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置及制造方法。
背景技术
金属增材制造技术的优势在于不需要模具即可直接成形复杂结构件，其基本原理是：用高能密度热源熔化粉末或丝材形成熔池，在软件控制下，按照规划好的路径，逐层叠加，堆积成形。
金属基复合材料的增材制造，通常是将颗粒或短纤维混合在金属基粉末中来完成。然而，现有的基于载能束流的增材制造方法是用高能密度热源熔化粉末或丝材形成熔池，从能量利用的角度看，增材制造过程实质上是金属冷却制成粉末+载能束流加热粉末并成形，一冷一热，或二次加热，本身就是一种能源上的浪费。根据冶金行业连铸连轧生产的启示，如果能够从熔融金属的逐渐冷却过程中直接成形，将大幅降低能量消耗。
发明专利《金属构件移动微压铸成型方法》(申请号：CN201310139419) 公开了一种无模成形方法，将精炼的金属熔体从坩埚底部出料口连续挤出，出料口下方约几百微米是一个可作x-y-z三维运动的水平基板，熔体在出料口与基板构成的狭小空间内边凝固边随基板剪切运动，在三维成形制造软件支持下，熔体逐层凝固堆积成形，无需模具。
该方法的实质是半固态增材制造，其主要问题是：对于许多常用合金来说，±1℃的差别足以使熔体的固相分数发生变化，以致粘度发生变化，温度低，粘度高，有利于成形，但不利于层间结合；温度高，粘度低，有利于层间结合，但不利于成形。因此，需要采取一定的方法，使粘度的变化不依赖于温度，将成形与层间(界面)结合的控制条件分开，才能实现金属熔体直接成形。
发明内容
本发明提供一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置及制造方法，旨在解决现有技术中存在的上述技术问题。
本发明的技术方案如下：
本发明一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置，包括坩埚、加热装置、基板、转杆和加压装置；坩埚的底部设有出料口，用于容纳待加工的金属材料；加热装置用于对金属材料加热，加热后可形成熔体，并使熔体温度在液相线以上；基板置于所述坩埚下方，所述基板可在三维空间内移动且移动受控于三维成形制造软件；转杆为中空且设于所述坩埚内部，所述转杆包括上部呈漏斗状的进料斗和设于所述进料斗下部的空心螺杆，短纤维材料从所述进料斗内进入，短纤维材料熔点高于熔体温度，通过所述空心螺杆对熔体均匀搅拌，空心螺杆底端下料口与所述出料口之间留有缝隙，所述坩埚内熔体依次通过该缝隙、所述出料口排出至所述基板上或前一层凝固层上，所述空心螺杆内径小于圆形所述出料口的内径；加压装置用于向所述坩埚内和所述转杆内加压，短纤维材料借助重力从所述空心螺杆下端被挤出并与熔体混合一起从所述出料口排出。
优选的，所述出料口处设有电磁开关，所述电磁开关用于控制所述出料口开关。
优选的，在所述进料斗的外圆周壁上均布设有多个叶片，所述进料斗周向旋转后带动多个所述叶片绕所述进料斗轴线旋转，并搅拌熔体，多个所述叶片与所述空心螺杆共同形成用于搅拌熔体的搅拌系统，多个所述叶片组合形成螺旋状，叶片数量设置为3-10个，所述转杆的转速可调节。
优选的，所述空心螺杆外壁均布有外螺纹，短纤维材料在重力作用下从所述空心螺杆下端口和熔体混合并被熔体带出出料口，短纤维材料直径范围为 100-200μm，长度范围为500-4000μm，直径与长度之比为1:10-20。
优选的，所述坩埚和所述出料口的温度均高于熔体温度，所述出料口直径范围为1-4mm，所述空心螺杆内径范围在0.5-4mm，所述出料口到所述基板之间距离与所述出料口内径的比例范围为1:1-8。
优选的，熔体和短纤维材料的混合体通过所述出料口的流量受控于所述出料口开口大小和所述加压装置压力。
优选的，所述转杆的搅拌为机械式搅拌或电磁式搅拌。
优选的，所述加热装置为电阻加热装置或感应加热装置。
本发明还提供了一种短纤维增强金属复合材料增材制造方法，包括以下步骤：
S1、在坩埚中加入待加工的金属材料，并通过加热装置对金属材料加热形成熔体，熔体温度在液相线以上；
将基板设置在坩埚下方，并使基板可在三维空间内移动且移动受控于三维成形制造软件；
通过所述空心螺杆对熔体均匀搅拌，空心螺杆底端下料口与所述出料口之间留有缝隙，所述坩埚内熔体依次通过该缝隙、所述出料口排出至所述基板上或前一层凝固层上；
S2、在进料斗内加入短纤维材料，短纤维材料熔点高于熔体温度，通过加压装置向所述坩埚内和所述转杆内加压，短纤维材料借助重力从所述空心螺杆下端被挤出并与熔体混合一起从所述出料口排出，短纤维材料在熔体内起到阻碍熔体流动的作用；
在所述三维成形制造软件上预设有所述基板移动的路径或轨迹、运动方向和速度，在熔体和短纤维材料混合出料过程中，所述基板在所述三维成形制造软件控制下做三维运动；所述三维成形制造软件还可控制所述加压装置压力、所述出料口流量以及短纤维材料向所述转杆内投放量，用于实现对熔体流量和成形控制；
S3、短纤维材料与熔体的混合体在所述出料口与所述基板之间边凝固边随所述基板运动，熔体逐层凝固，堆积成形，得到金属基纤维增强构件。
作为本申请另一技术方案，短纤维材料适量有序投放到进料斗内，所述进料斗下端与所述空心螺杆上端固定连接，位于所述进料斗内短纤维材料呈竖直状；短纤维材料在所述转杆和所述坩埚中、熔体在加热和凝固过程中均受到惰性气体保护。
本发明提供的一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置及制造方法的有益效果在于：
本发明通过在坩埚中设置中空转杆，转杆上部为呈漏斗状的进料斗，下部为空心螺杆，空心螺杆对熔体搅拌，将短纤维材料适量有序投入到进料斗内并从空心螺杆下端排出，纤维材料在重力作用下和熔体混合并被熔体带出出料口，排出的混合体置于基板上或前一层凝固层上，基板的运动受控于三维成形制造软件，短纤维材料在熔体内起到阻碍熔体流动的作用，短纤维材料与熔体的混合体在出料口与基板之间边凝固边随基板运动，熔体逐层凝固，堆积成形，得到金属基纤维增强构件，本发明具有增加短纤维材料使粘度的变化且不依赖于温度，达到控制流动与成形的目的，解决了层间结合不好，粘度的变化依赖于温度，不利于成形的技术问题，本发明实现了金属基纤维增强的金属复合材料的增材制造，实现了金属熔体直接成形，易于层间结合；整个过程易于控制，制造周期短。
附图
图1为本发明提供的一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置的实际应用实施例示意图(图中空心箭头表示基板的运动方向)。
图中：1、坩埚；2、出料口；3、转杆；4、基板；5、前一层凝固层；6、新凝固层；7、短纤维材料；8、熔体；9、进料斗；10、叶片；11、空心螺杆。
具体实施方式
下面将结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
参阅图1，现对本发明提供的一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置进行说明。本实施例为一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置，包括坩埚 1、加热装置、基板4、转杆3和加压装置；坩埚1的底部设有出料口2，用于容纳待加工的金属材料；加热装置用于对金属材料加热，加热后可形成熔体8，并使熔体8温度在液相线以上；基板4置于所述坩埚1下方，所述基板4可在三维空间内移动且移动受控于三维成形制造软件；转杆3为中空且设于所述坩埚1内部，所述转杆3包括上部呈漏斗状的进料斗9和设于所述进料斗9下部的空心螺杆11，短纤维材料7从所述进料斗9内进入，短纤维材料7熔点高于熔体8温度，通过所述空心螺杆11对熔体8均匀搅拌，空心螺杆11底端下料口与所述出料口2之间留有缝隙，所述坩埚1内熔体8依次通过该缝隙、所述出料口2排出至所述基板4上或前一层凝固层5上，所述空心螺杆11内径小于圆形所述出料口2的内径；加压装置用于向所述坩埚1内和所述转杆3内加压，短纤维材料7借助重力从所述空心螺杆11下端被挤出并与熔体8混合一起从所述出料口2排出。
本发明提供的一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置，与现有技术相比，本发明一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置，通过在坩埚1中设置中空转杆3，并在转杆3的漏斗内适量有序投入短纤维材料7，对坩埚1内的金属材料进行加热并呈熔融状，短纤维材料7在重力作用下和熔体8混合并一起从出料口2处排出，排出的混合体向基板4上或前一层凝固层5上，基板4的运动受控于三维成形制造软件，短纤维材料7在熔体8内起到阻碍熔体8流动的作用，短纤维材料7与熔体8的混合体在出料口2与基板4之间边凝固边随基板4运动，熔体8逐层凝固，堆积成形，得到金属基纤维增强构件，本发明具有增加短纤维材料7使粘度的变化且不依赖于温度，达到控制流动与成形的目的，解决了层间结合不好，粘度的变化依赖于温度，不利于成形的技术问题，本发明实现了金属基纤维增强的金属复合材料的增材制造，实现金属熔体直接成形，易于层间结合。
短纤维材料7不与溶体8发生化学反应，熔体8的粘度由短纤维材料7的长度、摩尔质量与熔体8的摩尔质量的比例关系来控制，达到控制流动与成形的目的，使粘度的变化不依赖于温度。
作为本申请另一实施例，所述出料口2处设有电磁开关，所述电磁开关用于控制所述出料口2开关，同时还能控制出料口2的开口大小。
作为本申请另一实施例，在进料斗9的外圆周壁上均布设有多个叶片10，进料斗9周向旋转后带动多个叶片10绕进料斗9轴线旋转，并搅拌熔体8，多个叶片10与空心螺杆11共同形成用于搅拌熔体8的搅拌系统，多个叶片10 组合形成螺旋状，叶片10的数量设置为3-10个，空心螺杆11的转速可调节。
作为本申请另一实施例，空心螺杆11外壁均布有外螺纹，短纤维材料7 在重力作用下从空心螺杆11下端口和熔体8混合并被熔体8带出出料口2，短纤维材料7直径范围为100-200μm，长度范围为500-4000μm，直径与长度之比为1:10-20。
作为本申请另一实施例，坩埚1和出料口2的温度均高于熔体8温度，出料口2直径范围为1-4mm，空心螺杆11内径范围在0.5-4mm，所述出料口到所述基板之间距离与所述出料口内径的比例范围为1:1-8。。
作为本申请另一实施例，熔体8和短纤维材料7的混合体通过出料口2的流量受控于出料口2开口大小和加压装置压力。
作为本申请另一实施例，所述转杆的搅拌为机械式搅拌或电磁式搅拌。
作为本申请另一实施例，所述加热装置为电阻加热装置或感应加热装置。
需要说明的是，本发明装置中含有的加热装置、加压装置是本技术领域中常用的技术，此外还有一些其他控制装置也是常规的现有技术，不再详细说明。
请参阅图1，现对本发明还提供的一种短纤维增强金属复合材料增材制造方法进行详细说明。本实施例所述的一种短纤维增强金属复合材料增材制造方法，包括以下步骤：
S1、在底部带有出料口2的坩埚1中加入待加工的金属材料，并通过加热装置对金属材料加热形成熔体8，熔体8温度在液相线以上；
基板4置于坩埚1下方，基板4可在三维空间内运动且受控于三维成形制造软件；基板4可作x-y-z三维运动，三维成形制造软件可采用现有技术产品，如可采用厂家为北京瑞科达快速成型科技有限公司，型号为Prodigy Plus的产品，对基板4的运动进行控制；
在坩埚1内设置中空转杆3，转杆3熔点高于熔体8温度，转杆3包括上部呈漏斗状的进料斗9和设于进料斗下部的空心螺杆11，通过空心螺杆11对熔体8均匀搅拌，空心螺杆11底端下料口与出料口2之间留有缝隙，坩埚1 内熔体8依次通过该缝隙、出料口2排出至基板4上或前一层凝固层5上，空心螺杆11内径小于圆形出料口2的内径；前一层凝固层5的上方就是新凝固层 6；
S2、在进料斗9内加入不与该熔体8发生化学反应的短纤维材料7，短纤维材料7熔点高于熔体8温度，通过加压装置向坩埚1内和转杆3内(进料斗 9内和空心螺杆11内)加压，短纤维材料7借助重力从空心螺杆11下端被挤出并与熔体8混合一起从出料口2排出，短纤维材料7在熔体8内起到阻碍熔体8流动的作用；加压装置为一种鼓风或鼓气装置，在坩埚1内和转杆3内形成正压，利于熔体8和短纤维材料的排出，加压装置可采用现有技术产品进行操作；
出料口2与基板4之间距离与出料口2内径的比例范围为1:1-1:8；在图1 中出料口2内径为d2，转杆3内径为d1，出料口2与基板4之间距离为h；
在三维成形制造软件上预设有基板4移动的路径或轨迹、运动方向和速度，在熔体8和短纤维材料7混合出料过程中，基板4在三维成形制造软件控制下做三维运动；三维成形制造软件还可控制加压装置压力、出料口2流量以及短纤维材料7向转杆3内投放量，用于实现对熔体8流量和成形控制；
S3、短纤维材料7与熔体8的混合体在出料口2与基板4之间边凝固边随基板4运动，熔体8逐层凝固，堆积成形，得到金属基纤维增强构件。
本发明提供的一种短纤维增强金属复合材料增材制造方法，与现有技术相比，本发明一种短纤维增强金属复合材料增材制造方法，通过在坩埚1中设置中空转杆3，并在转杆3的漏斗内适量有序投入短纤维材料7，对坩埚1内的金属材料进行加热并呈熔融状，短纤维材料7在重力作用下和熔体8混合并一起从出料口2处排出，排出的混合体向基板4上或前一层凝固层5上，基板4的运动受控于三维成形制造软件，短纤维材料7在熔体8内起到阻碍熔体8流动的作用，短纤维材料7与熔体8的混合体在出料口2与基板4之间边凝固边随基板4运动，熔体8逐层凝固，堆积成形，得到金属基纤维增强构件，本发明具有增加短纤维材料7使粘度的变化且不依赖于温度，达到控制流动与成形的目的，解决了层间结合不好，粘度的变化依赖于温度，不利于成形的技术问题，本发明实现了金属基纤维增强的金属复合材料的增材制造，实现金属熔体直接成形，易于层间结合。
作为本发明提供的一种短纤维增强金属复合材料增材制造方法的一种具体实施方式，请参阅图1，短纤维材料7适量有序投放到进料斗9内，所述进料斗9下端与所述空心螺杆11上端固定连接，位于所述进料斗9内短纤维材料7 呈竖直状；短纤维材料7在转杆3和坩埚1中、熔体8在加热和凝固过程中均受到惰性气体保护。
转杆3上部为漏斗状进料斗9，短纤维材料7从进料斗9投入并呈竖直状态，然后进入至空心螺杆11内部。进料斗9的下端是空心螺杆11，且相互固定连接。
在本发明的实施例中，金属复合材料可为纯铝或与其它金属材料的复合材料，加热熔体8的温度为660℃以上，使熔体8变为熔融状态，在增材制造过程中，包括坩埚1、基板4在内的整个装置或系统都处于氩气保护环境中。
空心螺杆11的转速可调节，转杆3(或空心螺杆11)的转速在0-200rpm 之间，且转速也可调节，转杆3通过传动带或传动链与外界的动力装置连接，b 动力装置用于驱动转杆3旋转，也可以在动力装置上设置减速器，减速器的动力输出端与转杆3连接，作用是使转杆3旋转得到减速。
具体的，可设置出料口2的内径为4mm，设置出料口2与基板4之间距离为1mm。
通过空心螺杆11(或进料斗9上的叶片10)搅拌熔体8，将直径为100μm、长度为500μm的SiC短纤维材料7投入到进料斗9内部，同时打开出料口2，使短纤维材料7呈竖直状态，且在重力作用下不断的落入到出料口2，与熔体8 混合，并被熔体8带出出料口2，熔体8和短纤维材料7混合后从出料口2流出至基板4上或前一层凝固层5上。在出料口2打开的同时，通过三维成形制造软件控制基板4的移动，混合有短纤维材料7的熔体8经出料口2流出后在室温下逐层凝固，堆积成形，得到铝基SiC纤维增强构件。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置，其特征在于，包括：
坩埚(1)，用于容纳待加工的金属材料，其底部设有出料口(2)；
加热装置，用于加热坩埚(1)以使坩埚(1)内的金属材料形成熔体(8)，并使熔体(8)温度在液相线以上；基板，置于所述坩埚(1)下方，所述基板(4)可在三维空间内移动且移动受控于三维成形制造软件；
转杆(3)，为中空且设于所述坩埚(1)内部，所述转杆(3)包括上部呈漏斗状的进料斗(9)和设于所述进料斗(9)下部的空心螺杆(11)，短纤维材料从所述进料斗(9)内进入，短纤维材料熔点高于熔体(8)温度，通过所述空心螺杆(11)对熔体(8)均匀搅拌，空心螺杆(11)底端下料口与所述出料口(2)之间留有缝隙，所述坩埚(1)内熔体(8)依次通过该缝隙、所述出料口(2)排出至所述基板(4)上或前一层凝固层(5)上，所述空心螺杆(11)内径小于圆形所述出料口(2)的内径；
加压装置，用于向所述坩埚(1)内和所述转杆(3)内加压，短纤维材料(7)借助重力从所述空心螺杆(11)下端被挤出并与熔体(8)混合一起从所述出料口(2)排出；
工控机，用于控制各部件的协调运行，工控机中安装有三维成形制造软件。
2.如权利要求1所述的一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置，其特征在于，所述出料口(2)处设有电磁开关，所述电磁开关用于控制所述出料口(2)开关。
3.如权利要求1所述的一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置，其特征在于，在所述进料斗(9)的外圆周壁上均布设有多个叶片(10)，所述进料斗(9)周向旋转后带动多个所述叶片(10)绕所述进料斗(9)轴线旋转，并搅拌熔体(8)，多个所述叶片(10)与所述空心螺杆(11)共同形成用于搅拌熔体(8)的搅拌系统，多个所述叶片(10)组合形成螺旋状，叶片(10)数量设置为3-10个，所述转杆(3)的转速可调节。
4.如权利要求1所述的一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置，其特征在于，所述空心螺杆(11)外壁均布有外螺纹，短纤维材料(7)在重力作用下从所述空心螺杆(11)下端口和熔体(8)混合并被熔体(8)带出出料口(2)。
5.如权利要求1所述的一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置，其特征在于，所述坩埚(1)和所述出料口(2)的温度均高于熔体(8)温度，所述出料口(2)直径范围为1-4mm，所述空心螺杆(11)内径范围在0.5-4mm。
6.如权利要求1所述的一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置，其特征在于，所述转杆(3)的搅拌为机械式搅拌或电磁式搅拌。
7.如权利要求1所述的一种短纤维增强金属复合材料增材制造装置，其特征在于，所述加热装置为电阻加热装置或感应加热装置。
8.一种短纤维增强金属复合材料增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在坩埚(1)中加入待加工的金属材料，并通过加热装置对金属材料加热形成熔体(8)，熔体(8)温度在液相线以上；
将基板(4)设置在坩埚(1)下方，并使基板(4)可在三维空间内移动且移动受控于三维成形制造软件；
通过所述空心螺杆(11)对熔体(8)均匀搅拌，空心螺杆(11)底端下料口与所述出料口(2)之间留有缝隙，所述坩埚(1)内熔体(8)依次通过该缝隙、所述出料口(2)排出至所述基板(4)上或前一层凝固层(5)上；
S2、在进料斗(9)内加入短纤维材料(7)，短纤维材料(7)熔点高于熔体(8)温度，通过加压装置向所述坩埚(1)内和所述转杆(3)内加压，短纤维材料(7)借助重力从所述空心螺杆(11)下端被挤出并与熔体(8)混合一起从所述出料口(2)排出，短纤维材料(7)在熔体(8)内起到阻碍熔体(8)流动的作用；
在所述三维成形制造软件上预设有所述基板(4)移动的路径或轨迹、运动方向和速度，在熔体(8)和短纤维材料(7)混合出料过程中，所述基板(4)在所述三维成形制造软件控制下做三维运动；所述三维成形制造软件控制所述加压装置的压力、出料口(2)流量以及短纤维材料(7)向转杆(3)内的投放量，用于实现对熔体(8)流量和成形控制；
S3、调节出料口(2)与可作x-y-z三维运动的水平基板(4)的距离，使其与出料口(2)直径之比为1:1～1:8，短纤维材料(7)与熔体(8)的混合体在所述出料口(2)与所述基板(4)之间边凝固边随所述基板(4)运动，熔体(8)逐层凝固，堆积成形，得到金属基纤维增强构件。
9.如权利要求8所述的一种短纤维增强金属复合材料增材制造方法，其特征在于，短纤维材料(7)有序投放到进料斗(9)内，所述进料斗(9)下端与所述空心螺杆(11)上端固定连接，位于所述进料斗(9)内短纤维材料(7)呈竖直状；短纤维材料(7)在所述转杆(3)和所述坩埚(1)中、熔体(8)在加热和凝固过程中均受到惰性气体保护。
10.如权利要求8所述的一种短纤维增强金属复合材料增材制造方法，其特征在于，熔体(8)和短纤维材料(7)的混合体通过所述出料口(2)的流量受控于工控机中的三维成形制造软件。所述短纤维材料(7)直径范围为100-200μm，长度范围为500-4000μm，直径与长度之比为1:10-20。
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