金属丝材快速成型增材制造设备

阮亮 朱雪岩

摘 要：因传统的增材制造技术存在金属材料利用率低、成型慢、成本高且对成型环境要求苛刻等诸多缺点而限制了其应用领域，本文设计的金属丝材快速成型设备很好地将电磁感应加热技术和增材制造技术结合在一起，提高了金属成型的效率，降低了设备的制造成本，并为金属增材制造技术提供了一种新的方法。

关键词：金属丝材;快速成型;电磁感应;设备

1 绪论

增材制造俗称3D打印，相对于传统的材料加工技术来说，是一种“自下而上”的制造方法。增材制造技术的特点是可以快速制造出结构复杂而传统方式无法加工的零件，尤其适合于单件小批量的定制化产品[1-2]。电磁感应加热技术的实质是利用电磁感应在导体内产生涡流发热来加热金属，感应线圈通过电磁感应的方式把电能传递给被加热的金属，电能在金属内部由于存在电阻率而转化为热能，从而达到快速加热金属的目的[3-4]。因传统的增材制造技术存在金属材料利用率低、成型慢、成本高且对成型环境要求高等诸多缺点而限制了其应用领域。本文设计的金属丝材快速成型设备很好地将电磁感应加热技术和增材制造技术结合在一起，提高了金属成型效率，降低了设备的制造成本及运行成本。

2 设备设计

金属丝材快速成型增材制造设备主要包括成型平台、丝材驱动装置、气体保护装置、感应加热喷头、运动台和控制系统。该设备的工作原理是利用电磁感应加热的技术对金属丝材进行快速加热，金属丝材成熔融状态后再经喷头挤出并层层沉积，如此循环直至成型。设备的工作原理示意图如图1所示。

1.金属丝材 2.丝材驱动装置 3.感应加热系统4.运动控制系统 5.成型工件 6.成型平台7.保护气体

2.1 感应加热喷头结构设计

感应加热喷头的主要功能是将金属线材以非接触加热的方式加热至熔融，并将熔融态的温度控制在安全范围内，在磁场和丝材驱动装置的共同作用下，熔融的液滴沉积到成型平台上。在整个设备运行过程当中，保护气体（惰性气体）会通过感应加热喷头的内部以防止或减少金属材料与成型环境中的空气发生反应。依据上述功能需求，本文设计的感应加热喷头结构设计图如图2（a）所示，其中1-感应线圈，2-高温保护管，3-固定件，4-金属丝材，5-气体分流与水冷却装置，6-密封件，7-感应加热喷头固定装置。

2.2 运动台设计

根据实际功能需要，运动台在水平面上需要两个相互垂直方向上的运动，在垂直方向上需要一个方向上的运动，因此运动台的设计就采用X/Y轴的十字滑台加Z轴的方案。成型平台安装在十字滑台上，并在步进电机的驱动下完成X方向与Y方向的移动。感应加热喷头和丝材驱动装置则固定在Z轴上，在步进电机的驱动下完成Z方向的移动。其X/Y轴十字滑台+Z轴方案示意图如图3所示。

2.3 控制系统设计

金属丝材快速成型增材制造设备整个控制流程描述如下：（1）将现有的或通过三维设计软件（如UG，PRO/E等）建立的三维实体模型处理成切片软件可识别的STL文件。（2）将STL文件导入到切片软件里，并在切片软件上设置成型过程当中的各种工艺参数，如切片厚度、成型速度、填充间距、填充方式以及成型平台温度等。（3）设置完工艺参数后导出G代码文件。（4）启动金属丝材快速成型增材制造设备，设备的各个运动控制单元进行归零动作，其他配件也进行复位动作。（5）当设备复位完成后，整个设备进入待机状态，同时成型平台里的预热装置进行预热工作。待成型平台的温度达到预定值后，热电偶将温度采集信号反馈到主控单元并执行恒温程序。（6）将导出G代码文件的拷贝到设备上，待一切准备就绪后打开程序运行按钮执行开始动作。（7）设备执行G代码里的程序。成型平台在十字滑台的联动下完成单层的成型轨迹后，感应加热喷头在Z轴步进电机的驱动下完成设定切片厚度的抬升动作，抬升动作完成后成型平台在十字滑台的联动下完成下一层的成型轨迹，如此重复执行，直至整个程序执行结束。（8）成型程序运行完后，感应加热设备进入待机模式且其他配件也进行复位动作，整个设备进入待机状态。整个控制系统的流程示意图如图4所示。金属丝材快速成型增材制造设备的主控制单元是在单片机的基础上开发的，其主控板的实物图如图5所示。

2.4 设备整体结构设计

金属丝材快速成型增材制造设备的整体设计结构如图6所示。其中，1为丝材驱动装置;2为Z轴运动模组;3为感应加热喷头;4为成型平台;5为X/Y轴十字滑台;6为电机驱动器安装板;7为成型平台温度控制器;8为气体电磁控制阀;9为冷却水泵;10为冷水机;11为金属熔滴红外测温装置;12为感应加热装置;13为设备操作显示屏;14为设备上的各种操作按钮。

3 金属丝材成型样件

以黄铜丝材和纯锡丝材为原材料，丝材直径为2mm，利用金属丝材快速成型增材制造设备进行成型实验，其成型样件分别如图7（a）和（b）所示。实验表明金属丝材快速成型增材制造设备可对高熔点金属以及低熔点金属进行增材制造。

4 结语

本文详细介绍了金属丝材快速成型设备的组成部分，并阐述了其各个部分的详细设计。金属丝材快速成型设备将电磁感应加热技术和增材制造技术很好地结合在一起，提高了金属成型效率，并降低了设备成本及运行成本，并为金属增材制造提供一种新的方法。

参考文献：

[1]王泽力，张元彬，史传伟.丝材增材制造技术研究现状与展望[J].热加工工艺，2019，（3）：6-10.

[2]卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42（4）：1-4.

[3]姜土林.感應加热原理与应用[M].天津科技翻译出版公司，1993.

[4]罗庆生.工频电感应加热原理探讨和工程计算[J].电工技术，1989（9）：13-16.