一种金属或金属基复合材料快速成型装置及其成型方法与流程

本发明涉及快速成型技术领域，特别涉及一种金属或金属基复合材料快速成型装置及方法。

背景技术：

增材制造(additivemanufacturing，am)诞生于20世纪80年代后期，相对于传统的材料去除切削加工技术，am是一种基于离散-堆积原理、采用材料逐渐累加方式获得实体零件的制造技术，因此也称之为快速成型(rapidprototyping)、三维打印(3dprinting)、实体自由制造(solidfree-formfabrication)。增材制造技术对材料的总体利用率高、完全数字化控制且不受零件结构复杂程度的限制，制造完成的零件几乎不用或需要少量的后期加工即可使用。因此增材制造被认为是“改变世界的制造技术”，在航空航天制造领域、生物医疗领域和设计领域具有不可代替的优势和前景。

电阻缝焊或滚焊作为一种传统的焊接方法，适用于同种、异种金属之间的连接，同时基于电阻缝焊或滚焊的应用特性又特别适用于金属箔片之间或金属箔片与厚板材料之间的连接。因此电阻缝焊可以用于多层金属箔片堆叠焊接形成块状实体，机械加工后实现特定几何形装零件的快速成型。

但是目前电阻缝焊或滚焊存在很大的缺陷，在焊接铝、铜板材时，由于板材表面的杂质、污垢、氧化层问题，造成板间飞溅、板间焊接质量下降。其次基于电阻缝焊或滚焊方式的增材制造方法在国内还没有相关报道，国外发明专利(us20120061027a1)公开了一种利用双超声波发生器耦合焊接的系统，最大推挽功率可达9kw，已经应用于金属箔片的超声增材制造，但由于压电陶瓷材料最大承受功率的限制，焊接金属箔片的有效厚度收到了较大限制。国内发明专利(cn201310627808.8)公开了一种辅助加热式超声快速成型方法，利用外加热场预热、软化金属箔片或基体材料，在超声焊接功率受限的条件下增加了金属箔片的可焊厚度与宽度，但快速成型过程中金属箔片的厚度和宽度仍然受限。同时对于金属箔片间添加碳纤维等非金属夹层制造复合材料方面，超声快速成型技术由于受到输入功率的限制，其成品质量并不理想。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种金属或金属基复合材料快速成型装置及成型方法，以达到提供一种低成本、高效率的快速成型方法的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种金属或金属基复合材料快速成型装置，包括加工平台和位于加工平台上的基板，所述加工平台上方设有即时清理钢丝刷机构和电阻焊机的导电滚轮；所述即时清理钢丝刷机构包括位于所述基板上方且相邻设置的滚动轮和钢丝刷一，以及紧贴基板设置的钢丝刷二；所述导电滚轮、滚动轮、钢丝刷一和钢丝刷二均可在其位置处做旋转运动，且其位置可根据金属箔片堆叠的厚度进行调节，所述加工平台可进行平面移动。

上述方案中，所述装置还包括控制单元和与控制单元连接的温度监测单元。

上述方案中，所述加工平台上方设有与加工平台垂直的主控平板，所述即时清理钢丝刷机构和导电滚轮位于主控平板上。

一种金属或金属基复合材料快速成型装置的成型方法，包括如下步骤：

(1)即时清理钢丝刷机构对加工前的基板、放置于基板上的金属箔片进行上下表面的清洁处理，除去污垢、氧化层；

(2)金属箔片经过导电滚轮的滚压，在金属箔片之间产生的电阻热实现金属箔片一次或者多层多次堆叠焊接，金属箔片之间可加入碳纤维材料，形成金属或金属基复合材料的三维固态块状实体；

(3)加工平台对三维固态块状实体进行减材加工，获得所需的几何特征的零件。

上述方案中，金属箔片以多层竖排不交错的方式连续堆积，或以多层竖排交错堆积的方式进行连续堆积。

进一步的技术方案中，步骤(2)中，焊接操作区进行实时气体保护，所用气体为氩气、氦气或者氮气中的一种或几种的混合气体。

进一步的技术方案中，步骤(2)中，使用温度监测单元实时监测金属箔片的温度。

进一步的技术方案中，步骤(1)中，在对金属箔片上表面进行打磨清理时，钢丝刷二在其位置进行旋转运动，由加工平台进行平面移动完成其打磨；在对金属箔片下表面进行打磨清理时，金属箔片穿过钢丝刷一和滚动轮，二者相互挤压，由钢丝刷一完成对金属箔片下表面的打磨。

进一步的技术方案中，步骤(2)中在金属箔片堆叠焊接时，导电滚轮在其位置进行旋转运动，并对金属箔片提供压力，由加工平台运动带动金属箔片完成焊接过程。

通过上述技术方案，本发明提供的一种金属或金属基复合材料快速成型装置及成型方法制备的零件强度高、致密度好，非常适用于零件快速成型的批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种金属或金属基复合材料快速成型装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一所公开的金属复合材料成型方法过程示意图；

图3为本发明实施例二所公开的金属基复合材料成型方法过程示意图；

图4为本发明实施例所公开的金属箔片多层竖排不交错堆积方式示意图；

图5为本发明实施例所公开的金属箔片多层竖排交错堆积方式示意图。

图中，1、加工平台；2、基板；3、金属箔片；4、导电滚轮；5、滚动轮；6、钢丝刷一；7、钢丝刷二；8、第一层铝箔；9、第二层铝箔；10、碳纤维层。

具体实施方式

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。

本发明提供了一种金属或金属基复合材料快速成型装置及成型方法，本发明利用成熟的电阻焊技术，具有较大功率，并辅助以即时清理钢丝刷机构的焊前预清理，可以进一步提高加工质量和效率。

如图1所示的金属或金属基复合材料快速成型装置，包括加工平台1和位于加工平台1上的基板2，加工平台1上方设有与加工平台1垂直的主控平板，主控平板上设有即时清理钢丝刷机构和电阻焊机的导电滚轮4；即时清理钢丝刷机构包括位于基板2上方且相邻设置的滚动轮5和钢丝刷一6，以及紧贴基板2设置的钢丝刷二7；导电滚轮4、滚动轮5、钢丝刷一6和钢丝刷二7均可在其位置处做旋转运动，且其位置可根据金属箔片3堆叠的厚度进行调节，加工平台1可进行平面移动。

该装置还包括控制单元和与控制单元连接的温度监测单元，图中未显示。

基板只作为焊接支撑材料，在加工平台进行焊接制得的三维实体的加工之后，基板将与该三维实体分离，而不是最终加工获得零件的一部分。

一种金属或金属基复合材料快速成型装置的成型方法，包括如下步骤：

(1)即时清理钢丝刷机构对加工前的基板2、放置于基板2上的金属箔片3进行上下表面的清洁处理，除去污垢、氧化层；在对金属箔片3上表面进行打磨清理时，钢丝刷二7在其位置进行旋转运动，由加工平台1进行平面移动完成其打磨；在对金属箔片3下表面进行打磨清理时，金属箔片3穿过钢丝刷一6和滚动轮5，二者相互挤压，由钢丝刷一6完成对金属箔片3下表面的打磨。

(2)金属箔片3经过导电滚轮4的滚压，在金属箔片3之间产生的电阻热实现金属箔片3一次或者多层多次堆叠焊接，金属箔片3之间可加入碳纤维材料，形成金属或金属基复合材料的三维固态块状实体；焊接操作区进行实时气体保护，所用气体为氩气、氦气或者氮气中的一种或几种的混合气体；使用温度监测单元实时监测金属箔片3的温度；在金属箔片3堆叠焊接时，导电滚轮4在其位置进行旋转运动，并对金属箔片3提供压力，由加工平台1运动带动金属箔片3完成焊接过程。

(3)加工平台1对三维固态块状实体进行减材加工，获得所需的几何特征的零件。

实施例一：

使用0.8mm的铝箔采用本发明的方法和装置进行快速成型，如图2所示，首先利用钢丝刷二7将基板2进行清理打磨，然后将第一层铝箔8穿过钢丝刷一6和滚动轮5，进行下表面的打磨清理；然后将其固定在加工平台1上装配好，随后将第二层铝箔9放置在第一层箔片铝箔8上并穿过钢丝刷一6和滚动轮5，在即时打磨清理机构的作用下两层铝箔接触面被清理和打磨，污垢、杂质和氧化层被去除；随后通过导电滚轮4并施加一定的压力在第二层铝箔9上进行电阻焊接，使两层铝箔快速连接在一起，该层焊接完成后，再按照以上步骤进行下一层铝箔的焊接。焊接完成后，加工平台1对三维固态块状实体进行减材加工，获得所需的几何特征的零件。

实施例二：

使用0.2mm的铝箔和碳纤维采用本发明的方法和装置进行复合版材料的快速成型，如图3所示，首先利用钢丝刷二7将基板2进行清理打磨，然后将第一层铝箔8穿过钢丝刷一6和滚动轮5，进行下表面的打磨清理；然后将其固定在加工平台1上装配好并利用钢丝刷二7对其上表面进行清理打磨，然后将碳纤维层10均匀放置在第一层铝箔8表面，随后放置第二层铝箔9在碳纤维层10上并穿过钢丝刷一6和滚动轮5，在即时打磨清理机构的作用下第二层铝箔9和碳纤维层10的接触面被清理和打磨，污垢、杂质和氧化层被去除；随后通过导电滚轮4并施加一定的压力在第二层铝箔9上进行电阻焊接，使中间夹层碳纤维层10的两层铝箔快速连接在一起，该层焊接完成后，再按照以上步骤进行下一层的焊接，最终形成铝合金碳纤维复合材料。焊接完成后，加工平台1对三维固态块状实体进行减材加工，获得所需的几何特征的零件。

如图4和图5所示，金属箔片3以多层竖排不交错的方式连续堆积，或以多层竖排交错堆积的方式进行连续堆积。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。