【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及增材制造，尤其是涉及一種固相增材制造裝置及方法。
技術介紹
1、增材制造技術是一種通過逐層堆積材料構建三維實體的制造方法。熔化類金屬增材制造方法(如激光、電子束及電弧等)已經發展多年，并且在多種材料體系中均有較成熟的應用。熔化類增材制造方法(比如激光、電子束及電弧增材制造)難以打印出高強度構件。這是由于熔化焊以及熔化類增材制造過程中溫度需要高于材料熔點溫度，材料熔化后元素蒸發，凝固時容易形成裂紋、氣孔、晶粒粗大等缺陷，導致力學性能較低。
2、中國專利技術專利cn108481744?a公開了一種半固態增材制造裝置及其制造方法，包括摩擦工具頭、金屬基板和金屬增材體，金屬基板外表面與金屬增材體內表面沿水平面方向延伸相抵，摩擦工具頭外周與金屬增材體外側外表面可解除式旋轉切入式滾動接觸，金屬增材體內側外表面通過摩擦工具頭與金屬基板外表面固定。該裝置雖然在一定程度上能夠實現簡單的單道薄壁墻的增材制造，但是該方法存在以下問題：第一，其需要預先在工具頭的前方將增材體平鋪在金屬基板表面，存在無法實現連續送料、增材制造復雜構件時過程不連續、效率低及成本高的問題；第二，該方法所描述的增材體材料經過工具頭摩擦達到“半固態”(即同時存在液態和固態)狀態，而非完全的固相狀態，無法有效地實現材料的動態再結晶和晶粒細化，而且該方法僅僅通過工具頭與材料的摩擦，無法精準地對溫度進行控制；第三，該方法通過工具頭的滾動使得增材體與金屬基板表面實現連接，其摩擦工具頭僅切入增材體上的表面，而未壓入基板，導致層間結合相對較差；第四，該方法需要采用軸
3、鑒于此，特提出本專利技術。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種固相增材制造裝置及方法，該固相增材裝置不僅可實現金屬材料在低于熔點溫度下的連續固相增材制造，而且具備沉積效率高、可連續送料、層間結合好、無熔化缺陷、微觀組織致密、力學性能高以及加工成本低的優勢，具備廣泛的應用前景。
2、第一方面，本專利技術提供一種固相增材制造裝置，包括送料機構、加熱機構、導向機構和摩擦輥壓機構，
3、所述送料機構設置在所述導向機構的上方，并用于將打印材料輸送至所述導向機構的內部，所述摩擦輥壓機構旋轉的輥壓輪外表面壓入金屬基體或第n-1層已沉積金屬內部，并與其滾動接觸，所述導向機構設置在所述摩擦輥壓機構前進方向的一側，并與所述摩擦輥壓機構呈間隙配合，所述加熱機構用于加熱所述導向機構。
4、作為本技術方案優選地，所述摩擦輥壓機構包括輥壓輪，所述輥壓輪的圓周表面設置有多個凸起和/或凹槽結構；
5、優選地，所述凸起的高度或所述凹槽的深度為0.1-1mm，所述凸起或所述凹槽的寬度為1-10mm。
6、作為本技術方案優選地，所述導向機構包括弧形導向槽，所述弧形導向槽與所述輥壓輪同軸設置，且所述弧形導向槽與所述輥壓輪呈間隙配合；
7、優選地，所述弧形導向槽與所述輥壓輪軸向方向的間隙為0.1-1mm，所述弧形導向槽與所述輥壓輪徑向方向的間隙為0.1-1mm。
8、作為本技術方案優選地，所述加熱機構包括加熱電源、正極連接線和負極連接線，所述正極連接線的一端與所述加熱電源的正極連接，另一端與所述弧形導向槽靠近所述送料機構的一端連接，所述負極連接線的一端與所述加熱電源的負極連接，另一端與所述弧形導向槽遠離所述送料機構的一端連接。
9、作為本技術方案優選地，所述送料機構包括主動送料滾輪和從動送料滾輪，所述主動送料滾輪和所述從動送料滾輪之間呈間隙配合。
10、作為本技術方案優選地，所述送料機構包括刮板式送粉系統，所述刮板式送粉系統的出粉管與所述導向機構連通。
11、第二方面，本專利技術還提供了上述固相增材制造方法的制備方法，具體包括以下步驟：
12、s1、將高速旋轉的摩擦輥壓機構壓入至金屬基板表面以下深度h，摩擦輥壓機構與金屬基板或第n-1層已沉積金屬表面進行摩擦產熱，使金屬基板或第n-1層已沉積金屬表面塑化；
13、s2、送料機構將打印材料連續送至摩擦輥壓機構與導向機構的間隙處；
14、s3、利用加熱機構加熱導向機構，以對摩擦輥壓機構與導向機構間隙處的打印材料進行預熱并使其塑化；
15、s4、高速旋轉的摩擦輥壓機構將預熱后的打印材料移動至摩擦輥壓機構與金屬基板或第n-1層已沉積金屬的接觸處；
16、s5、塑化的金屬基板或第n-1層已沉積金屬、塑化的打印材料在摩擦輥壓機構的作用下充分混合并發生動態再結晶，從而實現打印材料的單層沉積。
17、作為本技術方案優選地，還包括以下步驟：
18、s6、單層沉積即將結束時，先關閉送料機構，再關閉加熱機構；
19、s7、將摩擦輥壓機構和加熱機構提高并移動至第二層加工的起始位置，重復步驟s1-s7，完成固相增材的制造。
20、作為本技術方案優選地，步驟s1中，所述深度h為0.1-1mm，所述摩擦輥壓機構的轉速為200-3000r/min。
21、作為本技術方案優選地，步驟s3中，所述預熱時，使打印材料的溫度達到打印材料熔點的50％-90％。
22、本專利技術的固相增材制造裝置，至少具有以下有益效果：
23、本專利技術的固相增材制造裝置包括送料機構、加熱機構、導向機構和摩擦輥壓機構，其中，高速旋轉的摩擦輥壓機構可預先切入至金屬基板的內部，通過輥壓輪與金屬基板或第n-1層已沉積金屬的摩擦熱，使金屬基板或第n-1層已沉積金屬表面發生塑化，進而通過送料機構和導向機構連續向摩擦輥壓機構與金屬基板或第n-1層已沉積金屬的接觸處連續送料，送料機構不僅可以實現帶材、棒材、絲材、粉末或顆粒料的連續進料，而且在導向機構和加熱機構的共同作用下，可對送料機構所輸送的打印材料進行預熱，使打印材料預先呈塑化狀態，此時，塑化的打印材料及塑化的金屬基板或第n-1層已沉積金屬在摩擦輥壓機構的持續高速旋轉下不僅可實現充分混合，而且在輥壓輪向下的輥壓力及垂直于輥壓輪外徑的剪切力作用下可發生動態再結晶，從而可使得金屬基板或第n-1層已沉積金屬表面及待加工的第n層打印材料整體均呈致密且細小的等軸晶粒，層間結合好、微觀組織致密，待混合的兩種塑化材料移動至輥壓輪的后方，即可完成材料的單層沉積成型。因此，本專利技術的固相增材裝置不僅可實現金屬材料在低于熔點溫度下的連續固相增材制造，而且具備沉積效率高、可連續送料、可自由成形、層間結合好、無熔化缺陷、微觀組織致密、力學性能高以及加工成本低的優勢，具備廣泛的應用前景。
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1.一種固相增材制造裝置，其特征在于，包括送料機構(2)、加熱機構、導向機構和摩擦輥壓機構，
2.根據權利要求1所述的固相增材制造裝置，其特征在于，所述摩擦輥壓機構包括輥壓輪(10)，所述輥壓輪(10)的圓周表面設置有多個凸起和/或凹槽結構；
3.根據權利要求2所述的固相增材制造裝置，其特征在于，所述導向機構包括弧形導向槽(6)，所述弧形導向槽(6)與所述輥壓輪(10)同軸設置，且所述弧形導向槽(6)與所述輥壓輪(10)呈間隙配合；
4.根據權利要求3所述的固相增材制造裝置，其特征在于，所述加熱機構包括加熱電源(3)、正極連接線(4)和負極連接線(5)，所述正極連接線(4)的一端與所述加熱電源(3)的正極連接，另一端與所述弧形導向槽(6)靠近所述送料機構(2)的一端連接，所述負極連接線(5)的一端與所述加熱電源(3)的負極連接，另一端與所述弧形導向槽(6)遠離所述送料機構(2)的一端連接。
5.根據權利要求1所述的固相增材制造裝置，其特征在于，所述送料機構(2)包括主動送料滾輪和從動送料滾輪，所述主動送料滾輪和所述從動送料滾輪之間呈
6.根據權利要求1所述的固相增材制造裝置，其特征在于，所述送料機構(2)包括刮板式送粉系統，所述刮板式送粉系統的出粉管與所述導向機構連通。
7.一種固相增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：
8.根據權利要求7所述的固相增材制造方法，其特征在于，還包括以下步驟：
9.根據權利要求7所述的固相增材制造方法，其特征在于，步驟S1中，所述深度h為0.1-1mm，所述摩擦輥壓機構的轉速為200-3000r/min。
10.根據權利要求7所述的固相增材制造方法，其特征在于，步驟S3中，所述預熱時，使打印材料(1)的溫度達到打印材料(1)熔點的50％-90％。
...【技術特征摘要】
1.一種固相增材制造裝置，其特征在于，包括送料機構(2)、加熱機構、導向機構和摩擦輥壓機構，
2.根據權利要求1所述的固相增材制造裝置，其特征在于，所述摩擦輥壓機構包括輥壓輪(10)，所述輥壓輪(10)的圓周表面設置有多個凸起和/或凹槽結構；
3.根據權利要求2所述的固相增材制造裝置，其特征在于，所述導向機構包括弧形導向槽(6)，所述弧形導向槽(6)與所述輥壓輪(10)同軸設置，且所述弧形導向槽(6)與所述輥壓輪(10)呈間隙配合；
4.根據權利要求3所述的固相增材制造裝置，其特征在于，所述加熱機構包括加熱電源(3)、正極連接線(4)和負極連接線(5)，所述正極連接線(4)的一端與所述加熱電源(3)的正極連接，另一端與所述弧形導向槽(6)靠近所述送料機構(2)的一端連接，所述負極連接線(5)的一端與所述加熱電源(3)的負極連接，另一端與所述弧形導向槽(6)遠離所述送...
【專利技術屬性】
技術研發人員：謝瑞山，劉海濱，陳樹君，王瀟宇，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：
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