3D打印沉积能量控制技术
3D打印熔融沉积控制技术，其特征在于，包括主控系统、多工位升降式切换滑车、定向能量沉积喷头、铣制模块，主控系统主要由打印控制系统和摆动控制系统组成，用于控制双工位3D打印机的所有工作流程，打印控制系统主要包括打印控制器、运动控制单元、进给控制单元、切换控制单元，摆动控制系统主要包括电弧/等离子体摆动控制单元、送料摆动控制单元。
发明专利
CN202310440882.2
2019-12-17
CN116441558A
2023-07-18
B22F10/22(2021.01)
赵晴堂
赵晴堂
511370 广东省广州市增城区朱村街道保利东湾8栋
广东;44
1.3D打印熔融沉积控制技术，其特征在于，工作原理包括电弧/等离子体控制技术和摆动送料控制技术； 所述电弧/等离子体控制技术具体是： 1.在熔融沉积的工作过程中，通过使用若干个动态变化的磁场和电场或恒定的磁场和电场干涉等离子体或电弧形态和位置，使得用于加热熔化金属物料的电弧/等离子体的形状、大小、加热范围、能量焦点和焦点数量可以被控，使得电弧/等离子体的能量集中，能量分布均匀，增加了电弧/等离子体的熔深，提高了沉积的速率； 2.在熔融沉积的工作过程中，通过外加若干个动态变化的磁场和电场或恒定的磁场和电场对电弧/等离子体产生的电磁力抵消高速沉积时电弧对熔池产生的水平分力，达到二力平衡，使电弧/等离子体挺直，增加了电弧/等离子体的熔深，提高了沉积的速率； 3.在熔融沉积的工作过程中，通过若干个动态变化的磁场和电场或恒定的磁场和电场控制用于加热熔化母材和3D打印材料的电弧/等离子体进行一定规律的运动，以模拟手工焊接中的摇把动作，促进3D打印材料有序流动及其在熔点较高的金属材料表面破膜、润湿、铺展与扩散，促进3D打印材料与工件表面材料充分地混合，提高3D打印成形部位金属成分的均匀化程度，减少成形缺陷，优化成形组织与性能，进入熔池的丝状或粉末状3D打印材料的母材充分地混合，提高沉积成分的均匀化程度，减少焊接缺陷，优化沉积组织与性能，提高层间熔合质量； 4.在熔融沉积的工作过程中，通过对磁场形态的动态控制形成电磁搅拌作用，改变焊接熔池液态金属结晶过程中的传质和传热过程，从而改变晶粒的结晶方向，控制结晶组织，细化一次组织，减小偏析，提高成形部位的力学性能，降低气孔、层间裂纹和驼峰这些成形缺陷的产生的可能性，有效地降低成形工件的残余应力，其原理在于外加磁场，使合金元素及硅、硫、和氢元素沿树枝晶晶界的偏析都会减少、同时可使氧化物的数量和长度减小，降低了焊缝金属的化学不均匀性，使结晶组织得到控制，减少层间裂纹出现的概率，提高层间熔合质量； 5.在熔融沉积的工作过程中，通过相位变化的交变电流产生多个变化的磁场，有效地抑制成形过程中焊接短路过渡中的飞溅从而获得较好的工艺效果，其原理在于：在磁场的作用下，电弧/等离子体中带电粒子产生绕电弧轴线的螺旋式旋转运动，限制了电弧的扩散，使电弧能量更加集中；同时纵向磁场对弧柱的压缩作用，增加了弧柱的能量密度及其电场强度，使短路液桥缩颈处受到径向向内的磁致压力的作用，加速了缩颈的断开，减少了能量的积累，熔滴过渡的速度提高，短路过渡末期的电爆炸飞溅降低；同时在纵向外加磁场作用下，由于磁压增大的结果，提高了弧柱中心的温度，使得熔滴经过电弧区的过渡频率增加，熔滴尺寸和它们在焊丝端部的存在时间减少，熔滴可以在熔池表面铺展而不会被迅速增长的电磁力排斥出熔池，从而减少了短路初期的瞬时短路飞溅； 所述摆动送料控制技术，其特征在于： 1.在熔融沉积的工作过程中使3D打印材料进入熔池的位置发生规律性的改变，或者是在熔融沉积的工作过程中使得3D打印材料进入熔池的位置可以跟随加热熔化的电弧/等离子体进行运动或震动，促进3D打印材料有序流动及其在熔点较高的金属材料表面破膜、润湿、铺展与扩散，使得熔化的3D打印材料可以均匀铺开，促进3D打印材料的母材充分地混合，提高沉积成分的均匀化程度，减少成形缺陷，优化沉积组织与性能，提高层间熔合质量； 2.在熔融沉积的工作过程中通过程序控制机械结构移动的送料管使得3D打印材料进入熔池的位置发生改变，在熔融沉积的工作过程中的过程中通过移动的送料管使得3D打印材料可以跟随加热熔化的电弧/等离子体进行运动或震动，促进3D打印材料有序流动及其在熔点较高的金属材料表面破膜、润湿、铺展与扩散，使得熔化的3D打印材料可以均匀铺开，促进3D打印材料的母材充分地混合，提高沉积成分的均匀化程度，减少成形缺陷，优化沉积组织与性能，提高层间熔合质量； 3D打印熔融沉积控制技术是通过摆动控制系统实现的，所述摆动控制系统；是一种电子控制系统，主要包括电弧/等离子体摆动控制单元、送料摆动控制单元； 电弧/等离子体摆动控制单元使用电弧/等离子体控制技术控制电弧/等离子体和3D打印材料的形态/摆动，通过电弧/等离子体控制技术使用磁场或电场动态控制电弧/等离子进行熔融沉积的过程； 送料摆动控制单元使用摆动送料控制技术以摆动或震动的方式向熔融沉积位置输送3D 打印材料； 所述摆动控制系统，包括电弧/等离子体摆动控制单元、送料摆动控制单元，具体的是通过微型电脑控制器连接控制电弧/等离子体摆动控制单元和送料摆动控制单元，微型电脑控制器中预设了多套电弧/等离子体摆动控制单元和送料摆动控制单元的控制逻辑，微型电脑控制器连接并控制多通道函数波/任意波发生器和运动控制器，通过内部储存的逻辑组合控制多通道函数波/任意波发生器和运动控制器，使得多通道函数波/任意波发生器和运动控制器可以选择内部存储的工作模式，以适应不同的工况。 2.根据权利要求1所述的3D打印熔融沉积控制技术，其特征在于，所述电弧/等离子体摆动控制单元，是一种电子控制系统，用于控制电弧/等离子体的形态和摆动，包括多通道函数波/任意波发生器、多通道信号功率放大器、磁头装置，多通道函数波/任意波发生器连接多通道信号功率放大器，多通道信号功率放大器连接着多个磁头装置，在工作时微型电脑控制器连接控制多通道函数波/任意波发生器，多通道函数波/任意波发生器根据微型电脑控制器的信号选择内部存储的其中一套波形信号，将该信号发送给多通道信号功率放大器，多通道信号功率放大器将该信号的功率放大，然后通过连接在多通道信号功率放大器输出端的磁头装置，磁头装置将放大后的信号转化成磁场和电场。 3.根据权利要求1所述的3D打印熔融沉积控制技术，其特征在于，所述多通道函数波/任意波发生器，是一种电子信号发生器，用于发生控制电弧/等离子体的信号，由微型电脑控制器操控，可以向多通道信号功率放大器发送电信号，多通道函数波/任意波发生器是一种集函数信号发生器、任意波形发生器、脉冲信号发生器、TTL信号发生器、VCO、扫频仪、计数器和频率计功能的多功能的信号发生器，有完全独立的多通道输出，能够同步工作，相位差精确可调，有波形存储功能。 4.根据权利要求1所述的3D打印熔融沉积控制技术，其特征在于，所述多通道信号功率放大器，是一种信号功率放大器，连接着多通道函数波/任意波发生器和磁头装置，用于放大控制电弧/等离子体的信号，可以将多通道函数波/任意波发生器发送来的电信号的功率进行放大，然后发送到磁头装置。 5.根据权利要求1所述的3D打印熔融沉积控制技术，其特征在于，所述磁头装置是一种电磁/电场转化装置，是一种信号发射装置，用于发射控制电弧/等离子体的信号，包括线圈、电极板、导磁杆，电极板和线圈并联，磁头装置连接多通道信号功率放大器，将多通道信号功率放大器输送来的信号变成磁场和电场，所述导磁杆安装在线圈中，可以增大磁感应强度，也使得磁场的力更加集中的作用于熔融沉积部位和电弧/等离子体上；所述磁头装置，可以单独安装固定在电弧/等离子体发生器上，不与送料管进行同步的位移；可以设置在安装夹上，与送料管进行同步的位移。 6.根据权利要求1所述的3D打印熔融沉积控制技术，其特征在于，所述送料摆动控制单元，是一种机电控制系统，用于进行 3D 打印材料的送料摆动，包括运动控制器、多轴电机驱动器、摆动电机，运动控制器连接并控制多轴电机驱动器，多轴电机驱动器连接控制送料移动装置中的摆动电机，在工作时微型电脑控制器连接控制运动控制器，运动控制器根据微型电脑控制器的信号选择内部存储的其中一套运动控制代码或者是其它的电机控制信号，将该套代码/信号变成多轴电机驱动器可以识别的电信号发送给多轴电机驱动器，并将这段信号重复回放，多轴电机驱动器接收到信号后将根据该信号驱动摆动电机进行运动。 7.根据权利要求1所述的3D打印熔融沉积控制技术，其特征在于，所述运动控制器，是一种单片机，设置有存储装置，存储有多套运动控制代码或其它的电机控制信号，运动控制器连接微型电脑控制器和多轴电机驱动器，由微型电脑控制器操控向多轴电机驱动器发送信号控制多轴电机驱动器连接的摆动电机转动。 8.根据权利要求1所述的3D打印熔融沉积控制技术，其特征在于，所述多轴电机驱动器是一种数控电机驱动器，连接着运动控制器和摆动电机，可以根据运动控制器发送来的电信号控制和驱动摆动电机的运动。 9.根据权利要求1所述的3D打印熔融沉积控制技术，其特征在于，所述熔融沉积喷头是用于一种 3D 打印的喷头，能在供应金属物料的同时使用加热装置熔化金属物料，使之沉积在成形台或工件上，熔融沉积喷头包括电弧等离子体发生器、磁头装置、送料移动装置； 所述电弧/等离子体发生器选择范围包括TIG焊枪、MIG焊枪、等离子焊枪、激光复合式TIG/MIG焊枪或其它种类设置有电弧和等离子加热装置的焊枪； 所述磁头装置包括线圈、导磁杆、电极板、水冷管，所述导磁杆上设置有水冷管路，导磁杆上安装有线圈，线圈和水冷管是为一体或分体的，电极板安装在线圈旁边，电极板和线圈连接电弧/等离子体摆动控制单元的多通道信号功率放大器； 所述送料移动装置，具体是一种可以进行输送方向调节的送料喷头，包括摆动电机、安装夹、送料管，摆动电机带动安装夹进行运动，使得安装具上的送料管可以和安装夹一起进行运动，若干个摆动电机连接电弧/等离子体发生器和安装夹，安装夹上有安装有送料管，摆动控制单元的多轴电机驱动器控制摆动电机的带动送料管相对电弧/等离子体发生器进行一定范围的运动，从而带动送料管中的焊丝在一定范围的运动；所述安装夹是一个环形夹具，安装在电弧/等离子体发生器发射能量的一端，安装夹上设置有若干个磁头装置，安装夹上还安装有若干个送料管，送料管指向熔池方向或电弧/等离子体发生器的轴线方向。