1.本發(fā)明涉及金屬增材制造領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓電耦合控制的金屬薄帶三維成形系統(tǒng)。


背景技術(shù)：

2.增材制造(additive manufacturing，am)俗稱3d打印，融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成型技術(shù)、以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件與數(shù)控系統(tǒng)將各種材料，按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的、對(duì)原材料去除－切削、組裝的加工模式不同，是一種“自下而上”通過(guò)材料累加的制造方法，從無(wú)到有。這使得過(guò)去受到傳統(tǒng)制造方式的約束，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡堋?br/>3.現(xiàn)階段金屬多材料增材制造中最常見(jiàn)的金屬材料類型主要是金屬粉末。而原材料的價(jià)格昂貴及粉末的污染導(dǎo)致制造過(guò)程的要求苛刻，成本高，裝備復(fù)雜。使用的熱源主要為高能束比如：激光，電子束，電弧等。激光作為熱源是最受歡迎的研究方式，但它的能量利用率非常低(2％～5％)，其中主要原因是金屬對(duì)激光的高反效應(yīng)及電光轉(zhuǎn)換效率低下；電子束的能量利用率略有提高(15％～20％)，但它需要高真空環(huán)境，對(duì)于設(shè)備的要求較為苛刻；電弧工藝的能量利用率高達(dá)70％，但是電弧設(shè)備往往設(shè)備龐大，伴隨大量的噪聲和弧光的污染。成形過(guò)程復(fù)雜。功能梯度材料是指選用兩種性能不同的材料，將功能梯度材料用作涂層和界面層，可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力，可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性等。高能束增材制造功能結(jié)構(gòu)梯度材料往往設(shè)備功耗高，造價(jià)高、設(shè)備復(fù)雜、體積比較龐大、金屬熔池飛濺，粉末污染輻射污染，而且都需要嚴(yán)苛的氣氛保護(hù)。比如中國(guó)發(fā)明專利說(shuō)明書(shū)cn104923787a和cn104439243a公開(kāi)了一種金屬梯度材料的激光3d打印制備方法，用噴粉的方式，通過(guò)控制送粉器中的粉末組分比，達(dá)到控制金屬梯度的目的。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

4.針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于壓電耦合控制的金屬薄帶三維成形系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)打印效率和對(duì)不同打印方式的需求，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了能量的利用，可以實(shí)現(xiàn)材質(zhì)、性能相差較大的金屬帶材之間的固結(jié)，即功能梯度材料打印。
5.為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
6.一種基于壓電耦合控制的金屬薄帶三維成形系統(tǒng)，包括焦耳熱電源、角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置、陣列安裝在所述角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置上的錘擊式打印機(jī)構(gòu)和輥壓式打印機(jī)構(gòu)、安裝在所述錘擊式打印機(jī)構(gòu)和輥壓式打印機(jī)構(gòu)上的壓力傳感器、基板、控制系統(tǒng)和金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)，所述金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)用于向所述基板上輸送金屬薄帶；所述角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置位于所述基板的上方，且所述角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置與所述基板能夠相對(duì)運(yùn)動(dòng)；所述焦耳熱電源的第一極分別與所述錘擊式打印機(jī)構(gòu)和輥壓式打印機(jī)構(gòu)電連接，第二極與所述基板電連接，其中，所述第一極為正極，所述第二極為負(fù)極，或，所述第一極為負(fù)極，所述第二極為正極；所述焦耳熱電源和所述壓力傳感器均與所
述控制系統(tǒng)連接；所述壓力傳感器用于采集所述錘擊式打印機(jī)構(gòu)和輥壓式打印機(jī)構(gòu)與所述基板上金屬薄帶之間的接觸壓力；所述控制系統(tǒng)用于根據(jù)所述接觸壓力與預(yù)設(shè)的觸發(fā)壓力閾值之間的大小關(guān)系控制所述焦耳熱電源輸出焦耳熱能量。
7.進(jìn)一步地，還包括運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂，所述運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂與所述角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置連接。
8.進(jìn)一步地，所述輥壓式打印機(jī)構(gòu)包括輥壓輪、軸承、碳刷架和支架，所述碳刷架連接在所述支架上，所述輥壓輪通過(guò)所述軸承連接在所述碳刷架上，所述壓力傳感器安裝在所述支架頂部，所述支架連接在所述角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置上。
9.進(jìn)一步地，所述輥壓輪與所述軸承之間設(shè)置有絕緣層。
10.進(jìn)一步地，所述錘擊式打印機(jī)構(gòu)包括打印頭、套筒、下壓蓋、上壓蓋、連接螺栓、緩沖圈和彈性件，所述打印頭的一端伸進(jìn)所述套筒內(nèi)，所述壓力傳感器位于所述套筒內(nèi)且與所述打印頭的一端接觸，所述下壓蓋通過(guò)所述連接螺栓連接在所述套筒的下端實(shí)現(xiàn)對(duì)所述打印頭的固定，所述上壓蓋通過(guò)所述連接螺栓連接在所述套筒的上端實(shí)現(xiàn)對(duì)所述壓力傳感器的固定，所述緩沖圈和彈性件套設(shè)在所述打印頭上且位于所述套筒內(nèi)。
11.進(jìn)一步地，所述彈性件為彈簧。
12.進(jìn)一步地，所述上壓蓋上開(kāi)設(shè)有用于與所述角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置連接的螺紋孔。
13.進(jìn)一步地，所述金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)包括金屬薄帶纏繞盤、張緊輪機(jī)構(gòu)、惰輪、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，所述主動(dòng)輪和所述從動(dòng)輪的圓柱面相互接近形成用于金屬薄帶穿過(guò)的縫隙，所述薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)設(shè)置在靠近所述基板上端面的位置，所述金屬薄帶纏繞盤上的金屬薄帶的一端依次繞經(jīng)所述張緊輪機(jī)構(gòu)和所述惰輪后，再依次穿過(guò)所述主動(dòng)輪和所述從動(dòng)輪形成的縫隙和所述薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)。
14.進(jìn)一步地，所述金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)還包括剪斷機(jī)構(gòu)，所述剪斷機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的出口位置。
15.進(jìn)一步地，還包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，所述基板設(shè)置在所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，所述基板與所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間設(shè)置有絕緣板。
16.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明提供的一種基于壓電耦合控制的金屬薄帶三維成形系統(tǒng)，在可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置上安裝了多種打印機(jī)構(gòu)供打印使用，錘擊式打印機(jī)構(gòu)適合非致密性的成形工藝需求，輥壓式打印機(jī)構(gòu)適合致密性成形工藝需求，因此提供了多種打印方式，可根據(jù)工藝需求進(jìn)行自由更換，提高了系統(tǒng)打印效率和對(duì)不同打印方式的需求。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高性能合金材料構(gòu)件打印成形和金屬薄帶編織成形，對(duì)性能差別很大的金屬，實(shí)現(xiàn)異種材料連接，可以實(shí)現(xiàn)材料固相連接，可以使用應(yīng)用范圍較廣的普通商用金屬帶材(如鈦合金、鋁合金、銅合金、鋼等)，而且可以實(shí)現(xiàn)懸殊相差較大的金屬帶材之間的固結(jié)，即功能梯度材料打印，也可以在原有復(fù)雜零件外加上所需要的金屬外層，實(shí)現(xiàn)表面防護(hù)，表面強(qiáng)化表面裝飾，也可以實(shí)現(xiàn)零件修復(fù)再制造功能。角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置上安裝有錘擊式打印機(jī)構(gòu)和輥壓式打印機(jī)構(gòu)，可以自主設(shè)定焊接的致密性，這樣有助于按需實(shí)現(xiàn)不同致密性的金屬薄帶三位成形。錘擊式打印機(jī)構(gòu)和輥壓式打印機(jī)構(gòu)連通焦耳熱電源正極，當(dāng)錘擊式打印機(jī)構(gòu)和輥壓式打印機(jī)構(gòu)與金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)輸送至基板上的金屬薄帶接觸并施加一定壓力時(shí)形成回路，焦耳熱電源輸出電流以達(dá)到焊
接效果，即利用壓電耦合的方式替代傳統(tǒng)的高能束熔覆成形方式，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了能量的利用率。
17.進(jìn)一步地，利用運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂與角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置連接，實(shí)現(xiàn)多方位的靈活控制。
18.進(jìn)一步地，上壓蓋上開(kāi)設(shè)有用于與角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置連接的螺紋孔，安裝拆卸方便。
19.進(jìn)一步地，金屬薄帶由非晶薄帶纏繞盤送進(jìn)系統(tǒng)，通過(guò)張緊輪機(jī)構(gòu)調(diào)整金屬薄帶的張緊力，再經(jīng)過(guò)惰輪將送入主、從動(dòng)輪，金屬薄帶再通過(guò)主、從動(dòng)輪遞送至薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，主動(dòng)輪負(fù)責(zé)提供動(dòng)力，從動(dòng)輪負(fù)責(zé)施加一定壓力，以免金屬薄帶打滑造成誤差，薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)將金屬薄帶引導(dǎo)至基板上指定位置，該輸送機(jī)構(gòu)可以有效地防止材料堵塞。
20.進(jìn)一步地，金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)還包括剪斷機(jī)構(gòu)，剪斷機(jī)構(gòu)設(shè)置在薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的出口位置，便于剪斷金屬薄帶，控制遞送長(zhǎng)度。
21.進(jìn)一步地，基板與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間設(shè)置有絕緣板，防止基板通過(guò)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)從其他地方與打印頭機(jī)構(gòu)構(gòu)成回路。
22.為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下。
附圖說(shuō)明
23.為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明具體實(shí)施方式中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
24.圖1為本發(fā)明一種基于壓電耦合控制的金屬薄帶三維成形系統(tǒng)示意圖；
25.圖2為本發(fā)明金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)示意圖；
26.圖3中，(a)為本發(fā)明錘擊式打印機(jī)構(gòu)的主視示意圖；(b)為本發(fā)明錘擊式打印機(jī)構(gòu)的剖視示意圖；
27.圖4中，(a)為本發(fā)明輥壓式打印機(jī)構(gòu)的主視示意圖；(b)為本發(fā)明輥壓式打印機(jī)構(gòu)的剖視示意圖；
28.圖5a、圖5b和圖5c為實(shí)施例中單一類型金屬薄帶的打印方式示意圖；
29.圖5d為實(shí)施例中異種金屬材料堆疊示意圖；
30.圖5e為實(shí)施例中物品表面防護(hù)示意圖；
31.圖6為本發(fā)明一種基于壓電耦合控制的金屬薄帶三維成形系統(tǒng)打印步驟流程圖。
32.圖中：1-焦耳熱電源；2-角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置；3-錘擊式打印機(jī)構(gòu)；301-打印頭；302-套筒；303-下壓蓋；304-上壓蓋；305-連接螺栓；306-緩沖圈；307-彈性件；308-螺紋孔；4-輥壓式打印機(jī)構(gòu)；401-輥壓輪；402-軸承；403-碳刷架；404-支架；405-絕緣層；5-壓力傳感器；6-基板；7-控制系統(tǒng)；8-金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)；801-非晶薄帶纏繞盤；802-張緊輪機(jī)構(gòu)；803-惰輪；804-主動(dòng)輪；805-從動(dòng)輪；806-薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)；807-剪斷機(jī)構(gòu)；9-運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂；10-運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。
具體實(shí)施方式
33.為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
34.作為本發(fā)明的某一具體實(shí)施方式，結(jié)合圖1至圖4所示，一種基于壓電耦合控制的金屬薄帶三維成形系統(tǒng)，包括焦耳熱電源1、角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置2、陣列安裝在角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置2上的錘擊式打印機(jī)構(gòu)3和輥壓式打印機(jī)構(gòu)4、安裝在錘擊式打印機(jī)構(gòu)3和輥壓式打印機(jī)構(gòu)4上的壓力傳感器5、基板6、控制系統(tǒng)7和金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)8，金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)8用于向基板6上輸送金屬薄帶。角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置2上安裝多種打印機(jī)構(gòu)對(duì)帶材進(jìn)行致密性或非致密性等不同的打印方式和效果，不同種的打印機(jī)構(gòu)可自由根據(jù)工藝要求自由更換，同時(shí)角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置也可以根據(jù)要求在一定空間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)多自由度打印。具體地說(shuō)，基板6設(shè)置在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)10上，基板6與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)10之間設(shè)置有絕緣板。角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置2位于基板6的上方，且角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置2與基板6能夠相對(duì)運(yùn)動(dòng)。角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置2為全方位角度調(diào)節(jié)，便于根據(jù)不同的打印工藝要求，切換不同的錘擊式打印機(jī)構(gòu)3和輥壓式打印機(jī)構(gòu)4進(jìn)行組合打印。焦耳熱電源1的第一極分別與錘擊式打印機(jī)構(gòu)3和輥壓式打印機(jī)構(gòu)4電連接，第二極與基板6電連接，其中，第一極為正極，第二極為負(fù)極，或，第一極為負(fù)極，第二極為正極；焦耳熱電源1和壓力傳感器5均與控制系統(tǒng)7連接；壓力傳感器5用于采集錘擊式打印機(jī)構(gòu)3和輥壓式打印機(jī)構(gòu)4與基板6上金屬薄帶之間的接觸壓力；控制系統(tǒng)7用于根據(jù)接觸壓力與預(yù)設(shè)的觸發(fā)壓力閾值之間的大小關(guān)系控制焦耳熱電源1輸出焦耳熱能量。具體地說(shuō)，當(dāng)接觸壓力與預(yù)設(shè)的觸發(fā)壓力閾值時(shí)，控制系統(tǒng)7控制焦耳熱電源1輸出焦耳熱能量，將金屬薄帶的搭接處熱壓結(jié)合，通過(guò)角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置2與基板6之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行連續(xù)的不同位置上金屬薄帶連接以實(shí)現(xiàn)三維成形。
35.控制系統(tǒng)7負(fù)責(zé)以壓力值的變化對(duì)系統(tǒng)的各部分進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到所需的壓力值區(qū)間，根據(jù)設(shè)定壓力閾值與壓力傳感器5反饋壓力值的比較，決定在合適的時(shí)刻控制焦耳熱電源輸出能量以實(shí)現(xiàn)帶材的融化結(jié)合的目的。
36.作為本發(fā)明的某一優(yōu)選實(shí)施方式，金屬薄帶三維成形系統(tǒng)還包括運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂9，運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂9與角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置2連接，運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂9為現(xiàn)有的多種形式的機(jī)械臂，通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂9帶動(dòng)可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置2根據(jù)打印工藝要求進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。
37.控制系統(tǒng)7在打印過(guò)程中不間斷性的對(duì)系統(tǒng)中各部分的狀態(tài)和位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以精確實(shí)現(xiàn)工藝要求，并且根據(jù)檢測(cè)壓力值的變化對(duì)錘擊式打印機(jī)構(gòu)3、輥壓式打印機(jī)構(gòu)4和焦耳熱電源進(jìn)行調(diào)整和控制，以協(xié)調(diào)二者之間的功能。
38.具體地說(shuō)，如圖4所示，輥壓式打印機(jī)構(gòu)4包括輥壓輪401、軸承402、碳刷架403和支架404，碳刷架403含碳刷，支架404含連接軸，碳刷架403連接在支架404上，輥壓輪401通過(guò)軸承402連接在碳刷架403上，壓力傳感器5安裝在支架404頂部，支架404連接在角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置2上。優(yōu)選的，輥壓輪401與軸承402之間設(shè)置有絕緣層405，或者，采用陶瓷軸承。本實(shí)施例中，輥壓輪401為銅輥輪。
39.具體地說(shuō)，如圖3所示，錘擊式打印機(jī)構(gòu)3包括打印頭301、套筒302、下壓蓋303、上
壓蓋304、連接螺栓305、緩沖圈306和彈性件307，打印頭301的一端伸進(jìn)套筒302內(nèi)，壓力傳感器5位于套筒302內(nèi)且與打印頭301的一端接觸，下壓蓋303通過(guò)連接螺栓305連接在套筒302的下端實(shí)現(xiàn)對(duì)打印頭301的固定，上壓蓋304通過(guò)連接螺栓305連接在套筒302的上端實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器5的固定，緩沖圈306和彈性件307套設(shè)在打印頭301上且位于套筒302內(nèi)。本實(shí)施例中，彈性件307為彈簧。
40.優(yōu)選的，在上壓蓋304上開(kāi)設(shè)有用于與角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置2連接的螺紋孔308。
41.錘擊式打印機(jī)構(gòu)適合非致密性的成形工藝需求，輥壓式打印機(jī)構(gòu)適合致密性成形工藝需求。
42.如圖2所示，本實(shí)施方式中，金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)8包括金屬薄帶纏繞盤801、張緊輪機(jī)構(gòu)802、惰輪803、主動(dòng)輪804、從動(dòng)輪805和薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)806，主動(dòng)輪804和從動(dòng)輪805的圓柱面相互接近形成用于金屬薄帶穿過(guò)的縫隙，薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)806設(shè)置在靠近基板5上端面的位置，金屬薄帶纏繞盤801上的金屬薄帶的一端依次繞經(jīng)張緊輪機(jī)構(gòu)802和惰輪803后，再依次穿過(guò)主動(dòng)輪804和從動(dòng)輪805形成的縫隙和薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)806。優(yōu)選的，金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)8還包括剪斷機(jī)構(gòu)807，剪斷機(jī)構(gòu)807設(shè)置在薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)806的出口位置。
43.金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)8用于金屬薄帶的遞送、剪斷功能，因帶材的厚度決定了金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)的特殊性，其具有帶材張緊力調(diào)節(jié)功能、遞送速度反饋控制功能、實(shí)際出帶長(zhǎng)度檢測(cè)控制功能，以保證送帶長(zhǎng)度和速度的準(zhǔn)確性，各功能都為全閉環(huán)控制方式，也保證了張緊輪機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。
44.金屬薄帶由非晶薄帶纏繞盤送進(jìn)系統(tǒng)，通過(guò)張緊輪機(jī)構(gòu)調(diào)整金屬薄帶的張緊力，再經(jīng)過(guò)惰輪將送入主、從動(dòng)輪，同時(shí)惰輪對(duì)金屬薄帶的送帶速度進(jìn)行測(cè)量，反饋到計(jì)算機(jī)控制模塊進(jìn)行閉環(huán)控制，金屬薄帶再通過(guò)主、從動(dòng)輪遞送至薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，主動(dòng)輪負(fù)責(zé)提供動(dòng)力，從動(dòng)輪負(fù)責(zé)施加一定壓力，以免金屬薄帶打滑造成誤差，薄帶引導(dǎo)機(jī)構(gòu)將金屬薄帶引導(dǎo)至可更換基板上指定位置，并且檢測(cè)金屬薄帶的實(shí)際出帶長(zhǎng)度，并反饋到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，在需要對(duì)金屬薄帶斷帶時(shí)使用剪斷機(jī)構(gòu)進(jìn)行剪斷。
45.運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為抗沖擊運(yùn)動(dòng)，抗沖擊運(yùn)動(dòng)平臺(tái)用于打印過(guò)程中和角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置配合運(yùn)動(dòng)成形，同時(shí)因該系統(tǒng)的特殊性，抗沖擊運(yùn)動(dòng)平臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的x、y、z三軸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)各方向帶有將當(dāng)前實(shí)際位置反饋到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以便控制各方向的精確運(yùn)動(dòng)，并且z軸帶有抱閘功能，使得在打印過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榭烧{(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置對(duì)平臺(tái)的壓力過(guò)大而造成z軸位置的被動(dòng)移動(dòng)，保證了打印過(guò)程中的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
46.本發(fā)明不僅可以對(duì)同種金屬材料進(jìn)行焊接，對(duì)異種、性能差別較大的金屬，也可以采用本發(fā)明進(jìn)行異種材料焊接，實(shí)現(xiàn)異種材料固相連接。在多種應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的商用金屬帶材(如鈦合金、鋁合金、銅合金、鋼等)異種焊接具有較大優(yōu)勢(shì)，并且可以實(shí)現(xiàn)材質(zhì)、性能相差較大的金屬帶材之間的固結(jié)，即功能梯度材料打印，而且對(duì)非晶材料的熱塑性連接和成形有較大的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)的原材料成本較低，能量利用度較激光方式高，耗能低，系統(tǒng)的體積可以進(jìn)行小型化，操作方便。
47.本發(fā)明在打印成形過(guò)程中無(wú)須復(fù)雜氣氛保護(hù)或者真空環(huán)境，由于系統(tǒng)的特殊性，帶材之間熔化結(jié)合和全過(guò)程不會(huì)與空氣發(fā)生接觸，這意味著該系統(tǒng)不需要傳統(tǒng)增材制造方式的保護(hù)氣氛限制，提高了系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，并且降低了制造和維護(hù)成本。同時(shí)打印成形過(guò)
程中的熔化結(jié)合全過(guò)程在壓力電極之間進(jìn)行連接，因此不會(huì)生成飛濺蒸汽廢渣等污染源，且采用的帶材無(wú)粉末污染，是一種節(jié)能環(huán)保的快速成形疊層復(fù)合制造方法。
48.系統(tǒng)的熱輸入是通過(guò)焦耳熱電源的輸入方式進(jìn)行調(diào)控，比如采用高頻脈沖電源，從而實(shí)現(xiàn)了快速的冷卻速度。例如，在鋼帶情況下，冷卻速度達(dá)到105k/s，并且隨著薄帶厚度的減小而增加。因此，通過(guò)獲得更快的冷卻速度，可以獲得更細(xì)的微觀組織，從而實(shí)現(xiàn)更好的力學(xué)性能及其他性能。
49.利用壓電耦合的方式替代傳統(tǒng)的高能束熔覆成形方式，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了能量的利用率。金屬材料具有良好的導(dǎo)電性，而采用電加熱金屬成形的能量利用率接近100％，當(dāng)輸出的電壓電流通過(guò)負(fù)載時(shí)，由負(fù)載消耗的電功率e見(jiàn)下公式(1)為：
[0050][0051]
式中：
[0052]
i(t)是通過(guò)電流通過(guò)負(fù)載時(shí)間t的電流；ρe是金屬薄帶的電阻率；l是樣品長(zhǎng)度；a是電流通過(guò)的截面積。
[0053]
假設(shè)電源輸出的電流全部用來(lái)進(jìn)行加熱的話，則溫度的上升可近似的表示公式見(jiàn)下公式(2)：
[0054][0055]
式中：c
p
是j.m-3
k-1
的比熱容。
[0056]
溫度的上升δt隨著i(t)增加而增加，接合面通過(guò)焦耳熱產(chǎn)生的熱量連接在一個(gè)點(diǎn)上，電流通過(guò)工件流動(dòng)，工件在電極的壓力作用下結(jié)合在一起。電流集中區(qū)內(nèi)的接觸表面由具有高電流，低壓或者短時(shí)脈沖加熱，焦耳熱給材料微表面提供足夠熱量，使其溫度升高，表面軟化，產(chǎn)生塑性流動(dòng)，同時(shí)施加一定的壓力，既可以完成材料之間的連接，其輸出的一個(gè)預(yù)定的焦耳熱能量配合一定的壓力可以保證在打印頭和金屬薄帶焊接成功，繼而點(diǎn)成線，線成面構(gòu)建零件。且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)某些特定材料可以采用施加交流電或者脈沖電流，還可以去除材料表面的氧化膜，使光滑的界面裸露出來(lái)，實(shí)現(xiàn)材料的直接接觸，為金屬材料在界面之間的原子擴(kuò)散創(chuàng)造條件。而金屬薄帶在厚度這個(gè)維度上比其他2個(gè)維度均小的多，無(wú)須很大的功率即能焊接成功，在材料遞送上及壓力保持上能有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生粉末污染，在太空的微重力調(diào)節(jié)下也是優(yōu)選的制造方案。
[0057]
優(yōu)選的，焦耳熱電源具有直流、交流、脈沖等形式，具備正脈沖、負(fù)(換向)脈沖、比例脈沖、間隔脈沖、計(jì)數(shù)脈沖、計(jì)時(shí)脈沖、程序脈沖等功能。焦耳熱電源支持根據(jù)開(kāi)關(guān)量和模擬量觸發(fā)脈沖功能，具有本地觸摸屏人機(jī)界面顯示控制，并支持遠(yuǎn)程上位機(jī)通信智能控制。該焦耳熱電源的輸出能量值不會(huì)因?yàn)閴毫鞲衅鞣答伒男盘?hào)波形的變化而出現(xiàn)誤差的情況，只要檢測(cè)到壓力值超過(guò)設(shè)定值，焦耳熱電源即會(huì)輸出能量，對(duì)金屬薄帶進(jìn)行焊接。焦耳熱電源的電壓、電流值從零至額定值連續(xù)可調(diào)，恒壓、恒流可自動(dòng)轉(zhuǎn)換，在額定范圍內(nèi)任意設(shè)定電流電壓，根據(jù)工藝要求，輸出能夠滿足金屬薄帶焊接所需的能量值。
[0058]
壓力傳感器、控制系統(tǒng)和焦耳熱電源的配合，高效、快速的實(shí)現(xiàn)了金屬薄帶層與層之間的焊接結(jié)合，角度可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置上安裝有錘擊式打印機(jī)構(gòu)和輥壓式打印機(jī)構(gòu)，可以自主設(shè)定焊接的致密性，這樣有助于按需實(shí)現(xiàn)不同致密性的金屬薄帶三位成形。本
實(shí)施例中，錘擊式打印機(jī)構(gòu)和輥壓式打印機(jī)構(gòu)連通焦耳熱電源正極，當(dāng)錘擊式打印機(jī)構(gòu)和輥壓式打印機(jī)構(gòu)對(duì)可更換基板接觸并施加一定壓力時(shí)形成回路，焦耳熱電源輸出電流以達(dá)到焊接效果，同時(shí)該裝置不同于其他的增材制造設(shè)備所有打印過(guò)程均需在真空或氬氣環(huán)境下進(jìn)行打印，該設(shè)備可以根據(jù)材料不同和工藝要求來(lái)決定是否需要添加電極氣氛保護(hù)系統(tǒng)，這極大的節(jié)約了成本，同時(shí)提高了該裝備的適用性，并且所用的獨(dú)特錘擊式打印機(jī)構(gòu)和輥壓式打印機(jī)構(gòu)以及焦耳熱電源解決了設(shè)備熱累積問(wèn)題，也因此減少打印成品的應(yīng)變力，從而提高了成形質(zhì)量。
[0059]
本實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有極好的抗沖擊、振動(dòng)效果，同時(shí)帶有當(dāng)前位置檢測(cè)、自鎖功能，以防止打印過(guò)程中因壓力造成的z軸掉落，影響打印精度和效果。同時(shí)可調(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置上的錘擊式打印機(jī)構(gòu)和輥壓式打印機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)不同的打印方式的需求，如不同方向的打印方式，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)或者異種金屬材料的結(jié)合、物品的表面防護(hù)鍍膜，表面防護(hù)，表面強(qiáng)化，表面裝飾等等，也可以實(shí)現(xiàn)零件修復(fù)等再制造功能。
[0060]
圖6是本發(fā)明的打印過(guò)程閉環(huán)控制方法的流程圖，具體包括包括如下步驟：
[0061]
1、確定待成形零件的材料，進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作。
[0062]
2、設(shè)定成形工藝參數(shù)值，按需求選擇打印機(jī)構(gòu)和打印方式?？紤]金屬材料熱物性隨溫度依賴關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立基于壓電耦合控制的金屬薄帶三維成形系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型。其內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)納維-斯托克斯方程組(navier-stokes equations，n-s)及三維溫度場(chǎng)控制方程如下：
[0063]
在用于描述金屬流動(dòng)和熱傳導(dǎo)的控制方程中，質(zhì)量守恒方程如下：
[0064][0065]
式中，v為速度矢量。
[0066]
能量守恒方程表達(dá)如下：
[0067][0068]
式中，k為導(dǎo)熱系數(shù)，t為溫度，h為熱焓。
[0069]
動(dòng)量守恒方程表達(dá)如下：
[0070][0071][0072]
式中，ρ為流體密度，υ為動(dòng)態(tài)粘滯度，p為壓力，k為糊狀區(qū)的阻力系數(shù)，c為常數(shù)，反映糊狀區(qū)的相貌，fs為固體分?jǐn)?shù)，b為大于0的數(shù)(以防止除數(shù)為0)，g為重力加速度，因?yàn)闉槲⒅亓Νh(huán)境，所以g為0。
[0073]
三維溫度場(chǎng)控制方程：
[0074][0075]
式中：
[0076]
ρ——材料密度；
[0077]
c——材料比熱；
[0078]
k——熱傳導(dǎo)系數(shù)；
[0079]
t(x,y,z,t)——溫度場(chǎng)分布函數(shù)；
[0080]
q(x,y,z,t)——熱源強(qiáng)度分布；
[0081]
t——傳熱時(shí)間；
[0082]
其中ρ、c、k參數(shù)值都隨溫度變化。
[0083]
根據(jù)以上金屬成形傳熱傳質(zhì)數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，得出金屬熱塑性區(qū)間溫度、焦耳熱功率、電壓和電流幅值及保持時(shí)間、送帶速度、運(yùn)動(dòng)速度、壓力大小、壓力保持時(shí)間、打印頭尺寸等對(duì)金屬成形形貌及質(zhì)量的影響規(guī)律。分析工藝參數(shù)對(duì)成形件微組織結(jié)構(gòu)形貌、孔隙率、裂紋的影響，對(duì)成形件質(zhì)量和精度的影響規(guī)律，研究不同工藝條件下多重搭接區(qū)域顯微組織、性能及其對(duì)構(gòu)件整體性能的影響規(guī)律，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到各項(xiàng)最優(yōu)的工藝參數(shù)。
[0084]
3、具體的工藝參數(shù)根據(jù)成形材料的屬性、控形指標(biāo)和控性指標(biāo)要求確定；優(yōu)化增材制造成形工藝；工藝參數(shù)包括焦耳熱功率、電壓和電流幅值及保持時(shí)間、送帶速度、運(yùn)動(dòng)速度、壓力大小、壓力保持時(shí)間、打印頭尺寸?？匦灾笜?biāo)q2(m1,m2,m3
…
mn
…
)：mn表示成形零件各項(xiàng)性能指標(biāo)；比如力學(xué)性能包括強(qiáng)度、硬度、韌性和疲勞。輸入變量：焦耳熱功率、送帶速度，運(yùn)動(dòng)速度、壓力大小、壓力保持時(shí)間、打印頭尺寸pj(焦耳熱功率)，i(電流幅值)，it(保持時(shí)間)，u(電壓幅值)，ut(電壓保持時(shí)間)，vs(送帶速度)，vm(運(yùn)動(dòng)速度)，f(壓力)，ft(壓力保持時(shí)間)，a2(送帶角)，d(打印頭尺寸)。根據(jù)成形零件的要求及輸入的金屬帶材尺寸及材料的屬性進(jìn)行仿真計(jì)算，得到輸入和輸出變量之間的量化及最優(yōu)關(guān)系式：q2(m1,m2,m3
……
)＝f(pj，i，it，u，ut，vs，vm，f，ft，a2，d)。壓電耦合控制的金屬薄帶三維成形過(guò)程包含了電熱轉(zhuǎn)換及打印工件及基板中的熱傳導(dǎo)及和周圍環(huán)境的熱對(duì)流熱輻射等復(fù)雜熱交換過(guò)程，并且和材料屬性密切相關(guān)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究這些工藝參數(shù)對(duì)壓電耦合控制的金屬薄帶三維制造過(guò)程成形件質(zhì)量的影響非常困難，需要通過(guò)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)找出規(guī)律。
[0085]
4、根據(jù)待成形零件的結(jié)構(gòu)要求，對(duì)待成形零件進(jìn)行三維建模及結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化得到優(yōu)化后的模型，再對(duì)待成形零件優(yōu)化后的模型進(jìn)行分層切片得到打印路徑。
[0086]
5、進(jìn)行系統(tǒng)自檢，步驟為先用打印頭對(duì)帶材施加壓力，同時(shí)檢測(cè)壓力值是否到達(dá)設(shè)定值，到達(dá)后焦耳熱電源輸出能量對(duì)搭接處進(jìn)行加熱，使得帶材融化結(jié)合，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)中這些設(shè)定值全部達(dá)到需求后結(jié)束自檢，準(zhǔn)備開(kāi)始打印。
[0087]
6、系統(tǒng)開(kāi)始打印，將金屬薄帶通過(guò)金屬薄帶輸送機(jī)構(gòu)遞送至基板上，打開(kāi)焦耳熱電源開(kāi)關(guān)并開(kāi)始打印，同時(shí)系統(tǒng)不間斷性的檢測(cè)打印過(guò)程中各模塊的實(shí)時(shí)狀況，若有錯(cuò)誤發(fā)生即停止打印，解決錯(cuò)誤后繼續(xù)打??；若無(wú)錯(cuò)誤發(fā)生及持續(xù)打印。中途如需更換異種帶材或不同打印頭，即需暫停系統(tǒng)運(yùn)行，更換后需根據(jù)新的工藝需求重新進(jìn)行工藝設(shè)定和系統(tǒng)自檢，完成后繼續(xù)進(jìn)行打印，進(jìn)一步遞送薄帶焊接，逐層累計(jì)，最終堆積成形。
[0088]
7、打印完成后，按照各種材料的處理要求，進(jìn)行消去內(nèi)應(yīng)力操作，打印結(jié)束，去除工件。
[0089]
本發(fā)明壓電耦合的成形方式具有原材料成本低，能量利用度高，耗能低，裝備體積小，操作方便。其中焦耳熱電源做為熱源的方式可以實(shí)現(xiàn)比常規(guī)打印方式的更高效的能量
輸出，同時(shí)對(duì)于不同工藝需求，也可以對(duì)熱源的輸出方式及其余參數(shù)進(jìn)行更改設(shè)定，以滿足不同材質(zhì)的金屬薄帶的打印需求。成形過(guò)程無(wú)須復(fù)雜氣氛保護(hù)或者真空環(huán)境，由于薄帶之間形成焊縫，熔化或者塑性的金屬?gòu)牟慌c大氣接觸；這意味著該工藝過(guò)程不需要無(wú)氧等環(huán)境，固結(jié)過(guò)程在壓力電極之間，時(shí)間短，氧化可以忽略。成形過(guò)程中在壓力電極之間進(jìn)行連接，不會(huì)生成飛濺蒸汽廢渣污染源，無(wú)粉末污染，是一種節(jié)能環(huán)保的快速成形疊層復(fù)合制造方法?？烧{(diào)式打印機(jī)構(gòu)安裝裝置上安裝了多種打印機(jī)構(gòu)供打印使用，因此提供了多種打印方式，可根據(jù)工藝需求進(jìn)行自由更換，提高了系統(tǒng)打印效率和對(duì)不同打印方式的需求。對(duì)性能差別很大的金屬，實(shí)現(xiàn)異種材料連接，可以實(shí)現(xiàn)材料固相連接，可以使用應(yīng)用范圍較廣的普通商用金屬帶材(如鈦合金、鋁合金、銅合金、鋼等)，而且可以實(shí)現(xiàn)懸殊相差較大的金屬帶材之間的固結(jié)，即功能梯度材料打印，而且對(duì)非晶材料的熱塑性連接和成形有較大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)焦耳熱電源比如高頻脈沖電源獲得更快的冷卻速度，可以獲得更細(xì)的微觀組織，從而實(shí)現(xiàn)更好的力學(xué)性能及其他性能。
[0090]
最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上所述實(shí)施例，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改或可輕易想到變化，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改、變化或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。