CN112792358A - 挤出沉积成形的熔体流量控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种挤出沉积成形的熔体流量控制装置，包括容器，容器用于盛装熔融的熔体；容器的底端形成有通孔，通孔上安装有喷嘴；喷嘴的下方间隔预设距离设置有基板，基板与运动平台连接；活塞杆，活塞杆设置于容器内，活塞杆包括连杆和设置于连杆底端的挤压头，挤压头用于打开或关闭通孔，挤压头呈阶梯型设置。容器用于盛装熔融的熔体，熔体经过容器底端的通孔和安装于通孔上的喷嘴落到基板上，冷却后形成金属固体；基板三维运动平台连接进而获得需要的零件形状。该挤出沉积成形的熔体流量控制装置具有结构简单、制作成本低，能够调整零件制作精度的优点。本发明还提供一种挤出沉积成形的熔体流量控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及熔体流量控制装置领域，尤其涉及一种挤出沉积成形的熔体流量控制方法及装置。
背景技术
增材制造是一种“自下而上”的材料累加成形技术，它是由三维电脑辅助设计(Three-Dimensional Computer-Aided Design,3D CAD)数字模型驱动的，不需要任何模具辅助，通过材料的逐点、逐层累加直接形成三维实体的技术。迄今，已经开发出了多种成熟的金属增材制造技术，比较典型的有：选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)、电子束熔炼(Electron BeamMelting,EBM)和选择性激光熔覆(Selective laser Melting,SLM)等。但上述制造设备价格昂贵，并且零件精度不好把控。
鉴于此，有必要提供一种新型的挤出沉积成形的熔体流量控制方法及装置，以解决或至少缓解上述技术缺陷。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种挤出沉积成形的熔体流量控制方法及装置，旨在解决现有技术中采用增材制造制作零件设备价格昂贵、零件制造精度不易控制的技术问题。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供一种挤出沉积成形的熔体流量控制装置，包括：
容器，所述容器用于盛装熔融的熔体；
所述容器的底端形成有通孔，所述通孔上安装有喷嘴；
所述喷嘴的下方间隔预设距离设置有基板，所述基板与运动平台连接；
活塞杆，所述活塞杆设置于所述容器内，所述活塞杆包括连杆和设置于所述连杆底端的挤压头，所述挤压头用于打开或关闭所述通孔，所述挤压头呈阶梯型设置。
可选地，所述挤压头的横截面的尺寸自所述连杆向远离所述连杆的一端减小。
可选地，所述挤压头为圆柱形挤压头。
可选地，所述挤压头包括依次设置的第一阶梯、第二阶梯和第三阶梯，所述第一阶梯与所述连杆连接，所述第一阶梯的截面圆直径大于所述通孔的直径，所述第二阶梯和所述第三阶梯的截面圆直径均小于所述通孔的直径。
可选地，所述基座挤压头还包括第四阶梯，所述第四阶梯设置于所述第三阶梯背靠所述第二阶梯的一侧。
可选地，所述挤出沉积成形的熔体流量控制装置还包括加压瓶，所述加压瓶通过气管与所述容器的腔体连通，所述加压瓶上还设置有调压阀。
可选地，所述容器为坩埚，所述熔体为金属熔体。
可选地，所述基板为金属板，所述金属板的熔点高于所述金属熔体的熔点。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种挤出沉积成形的熔体流量控制方法，所述挤出沉积成形的熔体流量控制方法采用了上述所述的挤出沉积成形的熔体流量控制装置，所述挤出沉积成形的熔体流量控制方法包括以下步骤：
调节加压瓶以使得所述容器内的气压至预设气压；
调节喷嘴与基板之间的距离；
驱动活塞杆上移至预设位置以打开所述通孔；
驱动基板按照预设运动速度和预设运动轨迹运动。
可选地，所述调节加压瓶以使得所述容器内的气压至预设气压的步骤之前，还包括：
加热容器以使得所述容器内的金属材料受热形成金属熔体。
本发明的上述技术方案中，挤出沉积成形的熔体流量控制装置包括容器，容器用于盛装熔融的熔体；容器的底端形成有通孔，通孔上安装有喷嘴；喷嘴的下方间隔预设距离设置有基板，基板与运动平台连接；活塞杆，活塞杆设置于容器内，活塞杆包括连杆和设置于连杆底端的挤压头，挤压头用于打开或关闭通孔，挤压头呈阶梯型设置。上述方案中，容器用于盛装熔融的熔体，熔体经过容器底端的通孔和安装于通孔上的喷嘴落到基板上，冷却后形成金属固体；基板与运动平台连接，具体地，运动平台为三维运动平台，可以驱动基板在X、Y、Z三个方向上运动，进而获得需要的零件形状。活塞杆的挤压头用于打开或关闭通孔，具体地，当活塞杆上移时，通孔打开，熔体能够经过通孔和喷嘴落到基板上形成沉积体；当活塞杆下移至预设位置是，通孔关闭，不能进行金属沉积。该实施例通过挤出熔体沉积在基板上，实现沉积层间的有效冶金结合，并通过运动平台驱动基板在三维防线上运动以实现三维立体制造。基于金属熔融挤出沉积成形沉积成形原理制造三维实体零件的基本过程是由线条堆积成面，再将面逐层堆叠而最终得到零件，由此可以看出，熔体线是基本的沉积单元，熔体线的精度是制约熔体熔融挤出沉积成形工艺及其应用的一个重要因素，而熔体流量控制会显著影响熔体线精度。因此，将挤压头设置成阶梯型，可以通过挤压头伸入通孔的位置控制熔体的流量，进而控制熔体线的精度，最终控制零件的精度。相比于现有技术而言，该发明具有结构简单、制作成本低，能够调整零件制作精度的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例挤出沉积成形的熔体流量控制装置挤压头关闭通孔的示意图；
图2为本发明实施例挤出沉积成形的熔体流量控制装置挤压头未伸入通孔的示意图；
图3为本发明实施例挤出沉积成形的熔体流量控制装置挤压头部分伸入通孔的示意图；
图4为图3在A处的放大图；
图5为图3在A处的另一放大图(与图4标注不一样)；
图6为挤压头和通孔的某一截面的示意图。
附图标号说明：
1、坩埚；11、通孔；2、活塞杆；21、连杆；22、挤压头；221、第一阶梯；222、第二阶梯；223、第三阶梯；224、第四阶梯；3、喷嘴；4、基板；5、熔体；6、沉积体。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参见图1-图5，根据本发明的一个方面，本发明提供一种挤出沉积成形的熔体流量控制装置，包括：
容器，容器用于盛装熔融的熔体；
容器的底端形成有通孔，通孔上安装有喷嘴；
喷嘴的下方间隔预设距离设置有基板，基板与运动平台连接；
活塞杆，活塞杆设置于容器内，活塞杆包括连杆和设置于连杆底端的挤压头，挤压头用于打开或关闭通孔，挤压头呈阶梯型设置。
上述实施例中，容器用于盛装熔融的熔体，熔体经过容器底端的通孔和安装于通孔上的喷嘴落到基板上，冷却后形成金属固体；基板与运动平台连接，具体地，运动平台为三维运动平台，可以驱动基板在X、Y、Z三个方向上运动，进而获得需要的零件形状。活塞杆的挤压头用于打开或关闭通孔，具体地，当活塞杆上移时，通孔打开，熔体能够经过通孔和喷嘴落到基板上形成沉积体；当活塞杆下移至预设位置是，通孔关闭，不能进行金属沉积。该实施例通过挤出熔体沉积在基板上，实现沉积层间的有效冶金结合，并通过运动平台驱动基板在三维防线上运动以实现三维立体制造。基于金属熔融挤出沉积成形沉积成形原理制造三维实体零件的基本过程是由线条堆积成面，再将面逐层堆叠而最终得到零件，由此可以看出，熔体线是基本的沉积单元，熔体线的精度是制约熔体熔融挤出沉积成形工艺及其应用的一个重要因素，而熔体流量控制会显著影响熔体线精度。因此，将挤压头设置成阶梯型，可以通过挤压头伸入通孔的位置控制熔体的流量，进而控制熔体线的精度，最终控制零件的精度。相比于现有技术而言，该实施例具有结构简单、制作成本低，能够调整零件制作精度的优点。具体地，上述熔体可以是金属熔体，对应的熔体线为金属线。
进一步地，挤压头的横截面的尺寸自连杆向远离连杆的一端减小。更进一步地，挤压头为圆柱形挤压头。挤压头截面的尺寸会影响熔体的流量，进而影响熔体线的精度。该实施例对于挤压头的形状不做具体限定，设置成圆柱形，形成的间隙是环形，熔体在两个圆柱面所形成的缝隙中流动比较均匀。
进一步地，容器为坩埚，熔体为金属熔体。坩埚熔点较高，可以将金属材料放入坩埚中加热后得到金属熔体，也可以将金属加热后形成的熔体倒入坩埚中。
进一步地，基板为金属板，金属板的熔点高于金属熔体的熔点。基板的材质也为金属材料，但与坩埚中盛放的金属材料材质不同，本领域技术人员可以理解，为防止基板融化，基板的熔点应高于金属熔体的熔点。
进一步地，挤出沉积成形的熔体流量控制装置还包括加压瓶，加压瓶通过气管与容器的腔体连通，加压瓶上还设置有调压阀。可以通过人为向坩埚的腔体内部施加气压P。气压的来源可以是惰性高压气源，如高纯度的氮气。高纯度的氮气储存在钢瓶内，利用气阀和气管，将氮气引入金属熔体的坩埚腔体的内部，可以通过减压阀和紧密调压阀控制气压P的大小。当然，也可以采用其他惰性高压气体。
进一步地，挤压头包括依次设置的第一阶梯、第二阶梯和第三阶梯，第一阶梯与连杆连接，第一阶梯的截面圆直径大于通孔的直径，第二阶梯和第三阶梯的截面圆直径均小于通孔的直径，基座挤压头还包括第四阶梯，第四阶梯设置于第三阶梯背靠第二阶梯的一侧。
为清楚地说明本发明的具体实施方式，下面结合附图予以说明。
参考图1-图3，本发明所述的金属熔融挤出沉积成形增材制造的熔体流量控制装置包括：活塞杆、坩埚、喷嘴和基板。喷嘴安装于坩埚的通孔，基板固定于三维运动平台上。位于坩埚内的成形金属材料受热熔化后，形成金属熔体。金属熔体在基板表面沉积冷却，得到沉积体。
参考图3-图5，坩埚的通孔为圆柱孔，其直径为φb。在挤压头上，挤压头各处的横截面均为圆形，每一级阶梯均为圆柱体，第一阶梯、第二阶梯、第三阶梯和第四阶梯的直径分别为φS、φt1、φt2和φt3。其中，φS大于坩埚的通孔直径φb，φt1、φt2和φt3均小于坩埚的通孔直径φb。活塞杆和坩埚通孔同轴，驱动机构带动活塞杆下移，挤压头阶梯形部分深入坩埚通孔后，在坩埚通孔孔壁和活塞杆阶梯形下端侧壁之间形成圆柱环形间隙G。当活塞杆下移距离发生改变，其下端阶梯形部分深入坩埚通孔的长度也相应改变，圆柱环形间隙的单边径向宽度H或轴向长度L随之发生变化。单独改变所述H或L的值，均能改变金属熔体的在喷嘴出口处的流量，进而控制零件的精度。
具体地，根据质量守恒，从喷嘴流出的金属熔液的质量等于沉积体的质量，当基板作直线匀速运动，沉积体是均匀金属线，则有
qv＝Awvs (1)
上述公式(1)中，vs为基板的运动速度，Aw为金属线的横截面面积，当vs保持不变时，qv越小，Aw越小，也就是得到的金属线越细，越细的金属线堆积而成的三维实体，得到的零件精度越高。
而两个圆柱面所形成的缝隙中的流量计算公式为：
上述公式(2)中，qv为圆环形缝隙中的流量，也就是公式(1)中的qv。H和L代表的物理量同图4所示，d代表的物理量同图5中的φt1、φt2、φt3等，图6表示d和H的示意图。
从公式(2)可以看出，H和L对qv的影响程度是不同的，H是三次方，其影响效果比L显著。另外，H的值不是连续变化的，而随着活塞杆1在竖直方向的移动，L的值可以连续变化。调整H的值，qv变化较快，调整L的qv值，变化较慢，对于qv，调整H的值相当于粗调，调整L的值相当于细调。因此，可以通过调整挤压头伸入通孔的距离进而调整H和L的值，使得流量qv变化，进而调整金属线的精度，以调整最后得到的零件的精度。
参考图2，当所述活塞杆金属熔融挤出沉积成形***未工作时，活塞杆下端部直径为φS部分紧贴坩埚底部，因为φS大于坩埚的通孔直径φb，坩埚的通孔被封闭，金属熔体不能流出。当所述活塞杆金属熔融挤出沉积成形***开始工作，驱动机构带动活塞杆上移一定距离，金属熔体流经坩埚的通孔，从喷嘴出口流出。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种挤出沉积成形的熔体流量控制方法，挤出沉积成形的熔体流量控制方法采用了上述的挤出沉积成形的熔体流量控制装置，挤出沉积成形的熔体流量控制方法包括以下步骤：
调节加压瓶以使得容器内的气压至预设气压；
调节喷嘴与基板之间的距离；
驱动活塞杆上移至预设位置以打开所述通孔；
驱动基板按照预设运动速度和预设运动轨迹运动。
上述实施例中，在气压P的驱动下，预先通过调节喷嘴和基板之间的距离G可以控制沉积层的厚度，通过调节基板的运动速度可以控制沉积层的宽度，根据实际需要，调节挤压头伸入坩埚的长度，可以控制金属熔体在喷嘴处的流量，进而控制精度。参照图1和图2，具体地，活塞杆上移，将坩埚底部的通孔从封闭状态变为打开状态，金属熔体在其他的驱动下，从喷嘴流出并掉落在基板的表面，同时，三维运动平台以预设运动速度和预设运动轨迹带动基板运动，金属熔体在基板表面沉积冷却，在喷嘴与基板之间形成金属沉积体。随着基板的移动，金属层沉积体的厚度逐层增加，最终形成零件。参照图2，挤出沉积成形工作完成后，活塞杆下移，将坩埚通孔完全封闭。金属沉积体全部冷却后，分离基板和金属沉积体，最终得到所需零件。
进一步地，调节加压瓶以使得容器内的气压至预设气压的步骤之前，还包括：
加热容器以使得容器内的金属材料受热形成金属熔体。可以根据实际需要，在坩埚中加入金属材料加热后得到金属熔体，或者直接往坩埚中加入熔融的金属熔体。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种挤出沉积成形的熔体流量控制装置，其特征在于，包括：
容器，所述容器用于盛装熔融的熔体；
所述容器的底端形成有通孔，所述通孔上安装有喷嘴；
所述喷嘴的下方间隔预设距离设置有基板，所述基板与运动平台连接；
活塞杆，所述活塞杆设置于所述容器内，所述活塞杆包括连杆和设置于所述连杆底端的挤压头，所述挤压头用于打开或关闭所述通孔，所述挤压头呈阶梯型设置。
2.根据权利要求1所述的挤出沉积成形的熔体流量控制装置，其特征在于，所述挤压头的横截面的尺寸自所述连杆向远离所述连杆的一端减小。
3.根据权利要求1所述的挤出沉积成形的熔体流量控制装置，其特征在于，所述挤压头为圆柱形挤压头。
4.根据权利要求3所述的挤出沉积成形的熔体流量控制装置，其特征在于，所述挤压头包括依次设置的第一阶梯、第二阶梯和第三阶梯，所述第一阶梯与所述连杆连接，所述第一阶梯的截面圆直径大于所述通孔的直径，所述第二阶梯和所述第三阶梯的截面圆直径均小于所述通孔的直径。
5.根据权利要求4所述的挤出沉积成形的熔体流量控制装置，其特征在于，所述挤压头还包括第四阶梯，所述第四阶梯设置于所述第三阶梯背靠所述第二阶梯的一侧。
6.根据权利要求1所述的挤出沉积成形的熔体流量控制装置，其特征在于，所述挤出沉积成形的熔体流量控制装置还包括加压瓶，所述加压瓶通过气管与所述容器的腔体连通，所述加压瓶上还设置有调压阀。
7.根据权利要求1所述的挤出沉积成形的熔体流量控制装置，其特征在于，所述容器为坩埚，所述熔体为金属熔体。
8.根据权利要求7所述的挤出沉积成形的熔体流量控制装置，其特征在于，所述基板为金属板，所述金属板的熔点高于所述金属熔体的熔点。
9.一种挤出沉积成形的熔体流量控制方法，其特征在于，所述挤出沉积成形的熔体流量控制方法采用了权利要求1-8中任一项所述的挤出沉积成形的熔体流量控制装置，所述挤出沉积成形的熔体流量控制方法包括以下步骤：
调节加压瓶以使得所述容器内的气压至预设气压；
调节喷嘴与基板之间的距离；
驱动活塞杆上移至预设位置以打开所述通孔；
驱动基板按照预设运动速度和预设运动轨迹运动。
10.根据权利要求9所述的挤出沉积成形的熔体流量控制方法，其特征在于，所述调节加压瓶以使得所述容器内的气压至预设气压的步骤之前，还包括：
加热容器以使得所述容器内的金属材料受热形成金属熔体。
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