本發(fā)明屬于增材制造領(lǐng)域，尤其涉及一種接觸預(yù)壓式增材制造裝置及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、增材制造也稱之為3d打印，被認(rèn)為是制造業(yè)最具有顛覆性和代表性的新興技術(shù)之一，代表著高端制造的發(fā)展方向。金屬材料增材制造方式主要有：直接能量沉積和粉末床熔融，二者是以電子束或者激光作為熱源加熱金屬粉體，將金屬粉體熔融形成微熔池，層層涂覆到基板上形成三維構(gòu)件。

2、在上述的增材制造技術(shù)中，主要是非接觸式的，即熱源發(fā)生裝置需要與金屬粉體保持一定距離，因此電子束或激光束聚焦加熱的區(qū)域有限，為微熔池點(diǎn)焊模式，上述焊接區(qū)域較窄、焊接效率較低，因此需要熱源裝置和待加工的粉體之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)基板上的粉體加工。在移動(dòng)過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致一些粉體出現(xiàn)飛濺、無(wú)粉可熔、粉體漏熔現(xiàn)象，最終使得增材制造后的材料內(nèi)部容易出現(xiàn)較多的孔隙，除上述外還會(huì)出現(xiàn)因多次熱循環(huán)誘發(fā)的粗大柱狀晶，這些問(wèn)題導(dǎo)致了每層材料或整體材料出現(xiàn)性能各向異性，降低材料力學(xué)性能，使材料在服役過(guò)程產(chǎn)生安全隱患。為了提高效率、降低成本和減少上述問(wèn)題的發(fā)生，現(xiàn)有技術(shù)需要調(diào)整工藝和大量工藝參數(shù)，其中包括：熱源功率、掃描速度、掃描間距、金屬粉體鋪層厚度、金屬粉體粒度以及干濕度等參數(shù)，這將使加工工藝復(fù)雜、成本提高。因此如何簡(jiǎn)化工藝、降低成本、提高效率，減少增材制造后材料表面及內(nèi)部孔隙、降低材料各向異性以及提高材料力學(xué)性能是目前亟待解決的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)難題，本發(fā)明提供了一種接觸預(yù)壓式增材制造裝置，它包括：惰性氣體瓶1、增材制造主體2、數(shù)控系統(tǒng)3、脈沖電源系統(tǒng)4、程序控制電腦5和支撐平臺(tái)6，所述脈沖電源系統(tǒng)4位于支撐平臺(tái)6上方，所述數(shù)控系統(tǒng)3位于脈沖電源系統(tǒng)4左上方，所述程序控制電腦5位于脈沖電源系統(tǒng)4右上方，所述增材制造主體2位于支撐平臺(tái)6左側(cè)，所述惰性氣體瓶1位于增材制造主體2左側(cè)，所述惰性氣體瓶1為增材制造主體2提供惰性氣體，所述惰性氣體瓶1中的惰性氣體為氬氣、氦氣中的一種，所述增材制造主體2用于將待加工的金屬粉體堆疊并增材成型，所述數(shù)控系統(tǒng)3控制增材制造主體2運(yùn)行，所述脈沖電源系統(tǒng)4為增材制造主體2提供脈沖電流，所述程序控制電腦5為數(shù)控系統(tǒng)3提供工藝參數(shù)的信號(hào)；

2、增材制造主體2包括：多自由度壓頭控制裝置21、壓頭主體22、料缸及鋪粉裝置23、增材基板沉降裝置24、腔室內(nèi)氣氛及溫度濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)25、主體密封頂蓋26，所述增材基板沉降裝置24位于增材制造主體2底部，所述料缸及鋪粉裝置23位于增材基板沉降裝置24上方，所述壓頭主體22位于料缸及鋪粉裝置23上方，所述多自由度壓頭控制裝置21位于壓頭主體22上方，所述腔室內(nèi)氣氛及溫度濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)25位于壓頭主體22右側(cè)，所述主體密封頂蓋26位于多自由度壓頭控制裝置21上方，所述多自由度壓頭控制裝置21用于控制壓頭主體22相對(duì)于增材基板沉降裝置24的運(yùn)動(dòng)，所述腔室內(nèi)氣氛及溫度濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)25用于監(jiān)測(cè)和調(diào)控增材制造主體2內(nèi)部氣體濃度、溫度以及濕度；所述的料缸及鋪粉裝置23為中空結(jié)構(gòu)，所述的壓頭主體22和增材基板沉降裝置24能夠在料缸及鋪粉裝置23內(nèi)部實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)壓頭主體22和增材基板沉降裝置24接觸的可調(diào)可控；所述壓頭主體22包括：壓力傳感器221、壓頭溫度監(jiān)測(cè)與冷卻器222和接觸式壓頭223，所述接觸式壓頭223位于壓頭主體22最下方，所述壓頭溫度監(jiān)測(cè)與冷卻器222位于接觸式壓頭223上方，所述壓力傳感器221位于壓頭溫度監(jiān)測(cè)與冷卻器222上方，所述壓力傳感器221用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接觸式壓頭223所承受壓力，所述壓頭溫度監(jiān)測(cè)與冷卻器222用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制接觸式壓頭223的溫度，所述接觸式壓頭223直接與待加工的金屬粉體接觸并進(jìn)行加壓，所述料缸及鋪粉裝置23包括：料缸壁231、刮刀232、輥輪233和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)234，所述料缸壁231呈薄壁方形狀環(huán)繞在料缸及鋪粉裝置23內(nèi)部，所述刮刀232位于料缸及鋪粉裝置23上方，所述輥輪233位于刮刀232后方，所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)234位于刮刀232前方，所述刮刀232用于控制待加工的金屬粉體的鋪層厚度，所述輥輪233附帶壓力傳感器，能夠同時(shí)完成對(duì)待加工金屬粉體的預(yù)壓實(shí)處理和壓力監(jiān)測(cè)，所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)234用于控制刮刀232和輥輪233同步運(yùn)動(dòng)的速度；所述增材基板沉降裝置24包括：上下移動(dòng)機(jī)構(gòu)241、增材基板固定平臺(tái)242和增材基板243，所述上下移動(dòng)機(jī)構(gòu)241位于增材基板沉降裝置24底部，所述增材基板固定平臺(tái)242位于上下移動(dòng)機(jī)構(gòu)241上方，所述增材基板243位于增材基板固定平臺(tái)242上方，所述上下移動(dòng)機(jī)構(gòu)241用于控制增材基板固定平臺(tái)242的上下移動(dòng)，所述增材基板固定平臺(tái)242用于支撐增材基板243，所述增材基板固定平臺(tái)242與料缸壁231緊密配合防止漏粉，所述增材基板243用于放置待加工的金屬粉體且增材基板243材料種類是可調(diào)整或替換的，所述多自由度壓頭控制裝置21用于控制壓頭主體22相對(duì)于增材基板243上下左右的運(yùn)動(dòng)，其中通過(guò)多自由度壓頭控制裝置21控制壓頭主體22相對(duì)于增材基板243的左右運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)整待加工金屬粉體增材成型的形狀，并通過(guò)多自由度壓頭控制裝置21控制壓頭主體22相對(duì)于增材基板243的上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)接觸式壓頭223對(duì)待加工金屬粉體的壓力可調(diào)可控，所述脈沖電源系統(tǒng)4產(chǎn)生的脈沖電流通過(guò)增材基板243和接觸式壓頭223對(duì)待加工的金屬粉體進(jìn)行脈沖電流處理。

3、本發(fā)明還提供了一種接觸預(yù)壓式增材制造裝置在增材制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，它包括：將金屬粉體放置到增材基板243上，其中，粉體粒徑為10～200μm，增材基板243和金屬粉體組分相同或選用與金屬粉體組分潤(rùn)濕性較好的材料；開啟數(shù)控系統(tǒng)3和程序控制電腦5，使用惰性氣體瓶1對(duì)增材制造主體2內(nèi)部進(jìn)行填充后，增材制造主體2內(nèi)部氧氣濃度小于80ppm，開啟運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)234使得刮刀232和輥輪233同步運(yùn)動(dòng)，二者相對(duì)增材基板243的運(yùn)動(dòng)速率為0.02～0.1m/s，刮刀232在增材基板243上實(shí)現(xiàn)500～2000μm厚度的金屬粉體的鋪設(shè)，同時(shí)輥輪233給予鋪設(shè)完成的金屬粉體50～800n的壓力進(jìn)行壓實(shí)；為適應(yīng)不同工藝以及面與面之間的搭接率所述的接觸式壓頭223為圓形、方形或弧面的一種，并且接觸式壓頭223有效接觸面積為1～150mm2，為適應(yīng)不同材料以及工藝參數(shù)所述接觸式壓頭223為紫銅、鉻鋯銅、氧化鋁銅、鈹銅、鎢銅、鎢或鉬的一種；接觸式壓頭223距離待處理金屬粉體的表層距離為1～5mm，多自由度壓頭控制裝置21控制壓頭主體22相對(duì)增材基板243左右的移動(dòng)速度為0.05～1m/s，多自由度壓頭控制裝置21控制壓頭主體22相對(duì)增材基板243上下的移動(dòng)速度為0.5～1.5cm/s，并通過(guò)多自由度壓頭控制裝置21控制壓頭主體22相對(duì)于基板243的上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)接觸式壓頭223對(duì)待加工金屬粉體壓力的可調(diào)可控，接觸式壓頭223對(duì)金屬粉體施加的壓力為50～3000n，施加壓力時(shí)間為10-2000ms，待前述各步驟達(dá)到所設(shè)定值之后，脈沖電流系統(tǒng)4自動(dòng)啟動(dòng)，向接觸式壓頭223和增材基板243之間的金屬粉體輸送脈沖電流，所述的脈沖電流：電壓為3～20v，電流為50～9000a，頻率為20～1500hz，時(shí)間為50～800ms，在增材制造過(guò)程中，接觸式壓頭223會(huì)因?yàn)殡娮饔枚l(fā)熱，因此需要確保增材制造過(guò)程中接觸式壓頭223溫度恒定，當(dāng)接觸式壓頭223超過(guò)設(shè)定溫度，壓頭溫度監(jiān)測(cè)與冷卻器222將被啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)溫度恢復(fù)到設(shè)定溫度，壓頭溫度監(jiān)測(cè)與冷卻器222檢測(cè)溫度范圍為20～800℃，使得每個(gè)待加工區(qū)域處理工藝和參數(shù)是一致的，然后壓頭主體22按照左右的移動(dòng)速度移動(dòng)到增材基板243的下一個(gè)區(qū)域，按照上述加壓和脈沖電流進(jìn)行連續(xù)的增材成型過(guò)程，直至完成整個(gè)增材基板243上金屬粉體的增材成型，最終形成金屬型材。

4、進(jìn)一步地，所述的金屬粉體為tc4鈦合金粉體、6061鋁合金粉體、k213高溫合金粉體、in718高溫合金粉體、ta1鈦合金粉體、純鎂粉、az91鎂合金粉體、we43鎂合金粉體、雙相不銹鋼粉體、高熵合金粉體或碳化鎢粉體中的一種。

5、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

6、現(xiàn)有技術(shù)增材成型裝置采用的是微熔池點(diǎn)焊模式，由于是點(diǎn)焊接，成型過(guò)程中微熔池與微熔池之間的搭接會(huì)出現(xiàn)漏點(diǎn)或不連貫現(xiàn)象，從而形成孔洞，而且這種點(diǎn)焊模式需要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)加工，因此成型效率較低，在增材過(guò)程中，粉體還會(huì)發(fā)生飛濺、無(wú)粉可熔，粉體漏熔現(xiàn)象，最終導(dǎo)致增材制造的材料內(nèi)部出現(xiàn)較多的孔隙，除上述外還會(huì)出現(xiàn)因多次熱循環(huán)誘發(fā)的粗大柱狀晶，這些問(wèn)題導(dǎo)致了每層材料或整體材料出現(xiàn)性能各向異性，最終導(dǎo)致材料整體和局部力學(xué)性能出現(xiàn)差異性，使材料力學(xué)性能下降以及強(qiáng)度和塑性較難同步提高。

7、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)粉體、工藝和工藝參數(shù)的協(xié)同調(diào)控作用，同步實(shí)現(xiàn)如下優(yōu)異效果：一是在成型過(guò)程中使用面接觸代替原有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸，具有更大的增材區(qū)域和成形效率；二是在成型過(guò)程中，抑制粉體發(fā)生飛濺、無(wú)粉可熔和粉體漏熔現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)抑制增材制造材料內(nèi)部產(chǎn)生較多孔隙(有效降低孔隙率)和區(qū)域間的不連貫、每層材料或整體材料各向異性等現(xiàn)象的發(fā)生，最終同步提高材料的致密度和力學(xué)性能(包括強(qiáng)塑性同步提高)；三是在成型過(guò)程壓頭給予粉體的壓力中能夠使得粉體被自動(dòng)填充到孔隙位置，極大程度上減少了孔隙的形成，因此使得材料能夠致密化，每層之間成型材料的結(jié)合強(qiáng)度被提高，增加了成型材料的力學(xué)性能，同步提高了材料的強(qiáng)度和塑性；四是通過(guò)高溫下的加壓實(shí)現(xiàn)微區(qū)鍛造，促進(jìn)了成型層的動(dòng)靜態(tài)再結(jié)晶，消除了粗大的柱狀晶；五是本發(fā)明對(duì)于不同材料進(jìn)行加工時(shí)，采用的工藝參數(shù)均有所不同，因此本發(fā)明使得材料具有優(yōu)異的性能不是由某個(gè)工藝參數(shù)決定的，而是由粉體、基板和工藝參數(shù)的協(xié)同調(diào)控作用實(shí)現(xiàn)的，缺一不可，并且只有在本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)異效果。