金屬絲材快速成型增材制造設備

阮亮 朱雪巖

摘 要：因傳統的增材制造技術存在金屬材料利用率低、成型慢、成本高且對成型環境要求苛刻等諸多缺點而限制了其應用領域，本文設計的金屬絲材快速成型設備很好地將電磁感應加熱技術和增材制造技術結合在一起，提高了金屬成型的效率，降低了設備的制造成本，并為金屬增材制造技術提供了一種新的方法。

關鍵詞：金屬絲材;快速成型;電磁感應;設備

1 緒論

增材制造俗稱3D打印，相對于傳統的材料加工技術來說，是一種“自下而上”的制造方法。增材制造技術的特點是可以快速制造出結構復雜而傳統方式無法加工的零件，尤其適合于單件小批量的定制化產品[1-2]。電磁感應加熱技術的實質是利用電磁感應在導體內產生渦流發熱來加熱金屬，感應線圈通過電磁感應的方式把電能傳遞給被加熱的金屬，電能在金屬內部由于存在電阻率而轉化為熱能，從而達到快速加熱金屬的目的[3-4]。因傳統的增材制造技術存在金屬材料利用率低、成型慢、成本高且對成型環境要求高等諸多缺點而限制了其應用領域。本文設計的金屬絲材快速成型設備很好地將電磁感應加熱技術和增材制造技術結合在一起，提高了金屬成型效率，降低了設備的制造成本及運行成本。

2 設備設計

金屬絲材快速成型增材制造設備主要包括成型平臺、絲材驅動裝置、氣體保護裝置、感應加熱噴頭、運動臺和控制系統。該設備的工作原理是利用電磁感應加熱的技術對金屬絲材進行快速加熱，金屬絲材成熔融狀態后再經噴頭擠出并層層沉積，如此循環直至成型。設備的工作原理示意圖如圖1所示。

1.金屬絲材 2.絲材驅動裝置 3.感應加熱系統4.運動控制系統 5.成型工件 6.成型平臺7.保護氣體

2.1 感應加熱噴頭結構設計

感應加熱噴頭的主要功能是將金屬線材以非接觸加熱的方式加熱至熔融，并將熔融態的溫度控制在安全范圍內，在磁場和絲材驅動裝置的共同作用下，熔融的液滴沉積到成型平臺上。在整個設備運行過程當中，保護氣體（惰性氣體）會通過感應加熱噴頭的內部以防止或減少金屬材料與成型環境中的空氣發生反應。依據上述功能需求，本文設計的感應加熱噴頭結構設計圖如圖2（a）所示，其中1-感應線圈，2-高溫保護管，3-固定件，4-金屬絲材，5-氣體分流與水冷卻裝置，6-密封件，7-感應加熱噴頭固定裝置。

2.2 運動臺設計

根據實際功能需要，運動臺在水平面上需要兩個相互垂直方向上的運動，在垂直方向上需要一個方向上的運動，因此運動臺的設計就采用X/Y軸的十字滑臺加Z軸的方案。成型平臺安裝在十字滑臺上，并在步進電機的驅動下完成X方向與Y方向的移動。感應加熱噴頭和絲材驅動裝置則固定在Z軸上，在步進電機的驅動下完成Z方向的移動。其X/Y軸十字滑臺+Z軸方案示意圖如圖3所示。

2.3 控制系統設計

金屬絲材快速成型增材制造設備整個控制流程描述如下：（1）將現有的或通過三維設計軟件（如UG，PRO/E等）建立的三維實體模型處理成切片軟件可識別的STL文件。（2）將STL文件導入到切片軟件里，并在切片軟件上設置成型過程當中的各種工藝參數，如切片厚度、成型速度、填充間距、填充方式以及成型平臺溫度等。（3）設置完工藝參數后導出G代碼文件。（4）啟動金屬絲材快速成型增材制造設備，設備的各個運動控制單元進行歸零動作，其他配件也進行復位動作。（5）當設備復位完成后，整個設備進入待機狀態，同時成型平臺里的預熱裝置進行預熱工作。待成型平臺的溫度達到預定值后，熱電偶將溫度采集信號反饋到主控單元并執行恒溫程序。（6）將導出G代碼文件的拷貝到設備上，待一切準備就緒后打開程序運行按鈕執行開始動作。（7）設備執行G代碼里的程序。成型平臺在十字滑臺的聯動下完成單層的成型軌跡后，感應加熱噴頭在Z軸步進電機的驅動下完成設定切片厚度的抬升動作，抬升動作完成后成型平臺在十字滑臺的聯動下完成下一層的成型軌跡，如此重復執行，直至整個程序執行結束。（8）成型程序運行完后，感應加熱設備進入待機模式且其他配件也進行復位動作，整個設備進入待機狀態。整個控制系統的流程示意圖如圖4所示。金屬絲材快速成型增材制造設備的主控制單元是在單片機的基礎上開發的，其主控板的實物圖如圖5所示。

2.4 設備整體結構設計

金屬絲材快速成型增材制造設備的整體設計結構如圖6所示。其中，1為絲材驅動裝置;2為Z軸運動模組;3為感應加熱噴頭;4為成型平臺;5為X/Y軸十字滑臺;6為電機驅動器安裝板;7為成型平臺溫度控制器;8為氣體電磁控制閥;9為冷卻水泵;10為冷水機;11為金屬熔滴紅外測溫裝置;12為感應加熱裝置;13為設備操作顯示屏;14為設備上的各種操作按鈕。

3 金屬絲材成型樣件

以黃銅絲材和純錫絲材為原材料，絲材直徑為2mm，利用金屬絲材快速成型增材制造設備進行成型實驗，其成型樣件分別如圖7（a）和（b）所示。實驗表明金屬絲材快速成型增材制造設備可對高熔點金屬以及低熔點金屬進行增材制造。

4 結語

本文詳細介紹了金屬絲材快速成型設備的組成部分，并闡述了其各個部分的詳細設計。金屬絲材快速成型設備將電磁感應加熱技術和增材制造技術很好地結合在一起，提高了金屬成型效率，并降低了設備成本及運行成本，并為金屬增材制造提供一種新的方法。

參考文獻：

[1]王澤力，張元彬，史傳偉.絲材增材制造技術研究現狀與展望[J].熱加工工藝，2019，（3）：6-10.

[2]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術發展[J].機械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.

[3]姜土林.感應加熱原理與應用[M].天津科技翻譯出版公司，1993.

[4]羅慶生.工頻電感應加熱原理探討和工程計算[J].電工技術，1989（9）：13-16.