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，融合了計算機輔助設(shè)計、材料加工與成型技術(shù)、以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(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，制造出實體物品的制造技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的、對原材料去除－切削、組裝的加工模式不同，是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統(tǒng)制造方式的約束，而無法實現(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的金屬材料類型主要是金屬粉末。而原材料的價格昂貴及粉末的污染導(dǎo)致制造過程的要求苛刻，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，對于設(shè)備的要求較為苛刻；電弧工藝的能量利用率高達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以及應(yīng)力自由端點的應(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，而且都需要嚴苛的氣氛保護。比如中國發(fā)明專利說明書cn104923787a和cn104439243a公開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，通過控制送粉器中的粉末組分比，達到控制金屬梯度的目的。


技術(shù)實現(xiàn)要素：

4.針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，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)打印效率和對不同打印方式的需求，簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了能量的利用，可以實現(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)問題，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(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)式打印機構(gòu)安裝裝置、陣列安裝在所述角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置上的錘擊式打印機構(gòu)和輥壓式打印機構(gòu)、安裝在所述錘擊式打印機構(gòu)和輥壓式打印機構(gòu)上的壓力傳感器、基板、控制系統(tǒng)和金屬薄帶輸送機構(gòu)，所述金屬薄帶輸送機構(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)式打印機構(gòu)安裝裝置與所述基板能夠相對運動；所述焦耳熱電源的第一極分別與所述錘擊式打印機構(gòu)和輥壓式打印機構(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，所述第二極為負極，或，所述第一極為負極，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構(gòu)和輥壓式打印機構(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.進一步地，還包括運動機械臂，所述運動機械臂與所述角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置連接。
8.進一步地，所述輥壓式打印機構(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)式打印機構(gòu)安裝裝置上。
9.進一步地，所述輥壓輪與所述軸承之間設(shè)置有絕緣層。
10.進一步地，所述錘擊式打印機構(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，所述下壓蓋通過所述連接螺栓連接在所述套筒的下端實現(xiàn)對所述打印頭的固定，所述上壓蓋通過所述連接螺栓連接在所述套筒的上端實現(xiàn)對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.進一步地，所述彈性件為彈簧。
12.進一步地，所述上壓蓋上開設(shè)有用于與所述角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置連接的螺紋孔。
13.進一步地，所述金屬薄帶輸送機構(gòu)包括金屬薄帶纏繞盤、張緊輪機構(gòu)、惰輪、主動輪、從動輪和薄帶引導(dǎo)機構(gòu)，所述主動輪和所述從動輪的圓柱面相互接近形成用于金屬薄帶穿過的縫隙，所述薄帶引導(dǎo)機構(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)所述張緊輪機構(gòu)和所述惰輪后，再依次穿過所述主動輪和所述從動輪形成的縫隙和所述薄帶引導(dǎo)機構(gòu)。
14.進一步地，所述金屬薄帶輸送機構(gòu)還包括剪斷機構(gòu)，所述剪斷機構(gòu)設(shè)置在所述薄帶引導(dǎo)機構(gòu)的出口位置。
15.進一步地，還包括運動平臺，所述基板設(shè)置在所述運動平臺上，所述基板與所述運動平臺之間設(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)式打印機構(gòu)安裝裝置上安裝了多種打印機構(gòu)供打印使用，錘擊式打印機構(gòu)適合非致密性的成形工藝需求，輥壓式打印機構(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)工藝需求進行自由更換，提高了系統(tǒng)打印效率和對不同打印方式的需求。實現(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，對性能差別很大的金屬，實現(xiàn)異種材料連接，可以實現(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，實現(xiàn)表面防護，表面強化表面裝飾，也可以實現(xiàn)零件修復(fù)再制造功能。角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置上安裝有錘擊式打印機構(gòu)和輥壓式打印機構(gòu)，可以自主設(shè)定焊接的致密性，這樣有助于按需實現(xiàn)不同致密性的金屬薄帶三位成形。錘擊式打印機構(gòu)和輥壓式打印機構(gòu)連通焦耳熱電源正極，當錘擊式打印機構(gòu)和輥壓式打印機構(gòu)與金屬薄帶輸送機構(gòu)輸送至基板上的金屬薄帶接觸并施加一定壓力時形成回路，焦耳熱電源輸出電流以達到焊
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，簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了能量的利用率。
17.進一步地，利用運動機械臂與角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置連接，實現(xiàn)多方位的靈活控制。
18.進一步地，上壓蓋上開設(shè)有用于與角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置連接的螺紋孔，安裝拆卸方便。
19.進一步地，金屬薄帶由非晶薄帶纏繞盤送進系統(tǒng)，通過張緊輪機構(gòu)調(diào)整金屬薄帶的張緊力，再經(jīng)過惰輪將送入主、從動輪，金屬薄帶再通過主、從動輪遞送至薄帶引導(dǎo)機構(gòu)，主動輪負責提供動力，從動輪負責施加一定壓力，以免金屬薄帶打滑造成誤差，薄帶引導(dǎo)機構(gòu)將金屬薄帶引導(dǎo)至基板上指定位置，該輸送機構(gòu)可以有效地防止材料堵塞。
20.進一步地，金屬薄帶輸送機構(gòu)還包括剪斷機構(gòu)，剪斷機構(gòu)設(shè)置在薄帶引導(dǎo)機構(gòu)的出口位置，便于剪斷金屬薄帶，控制遞送長度。
21.進一步地，基板與運動平臺之間設(shè)置有絕緣板，防止基板通過運動平臺從其他地方與打印頭機構(gòu)構(gòu)成回路。
22.為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。
附圖說明
23.為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式中的技術(shù)方案，下面將對具體實施方式描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，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)明金屬薄帶輸送機構(gòu)示意圖；
26.圖3中，(a)為本發(fā)明錘擊式打印機構(gòu)的主視示意圖；(b)為本發(fā)明錘擊式打印機構(gòu)的剖視示意圖；
27.圖4中，(a)為本發(fā)明輥壓式打印機構(gòu)的主視示意圖；(b)為本發(fā)明輥壓式打印機構(gòu)的剖視示意圖；
28.圖5a、圖5b和圖5c為實施例中單一類型金屬薄帶的打印方式示意圖；
29.圖5d為實施例中異種金屬材料堆疊示意圖；
30.圖5e為實施例中物品表面防護示意圖；
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)式打印機構(gòu)安裝裝置；3-錘擊式打印機構(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-金屬薄帶輸送機構(gòu)；801-非晶薄帶纏繞盤；802-張緊輪機構(gòu)；803-惰輪；804-主動輪；805-從動輪；806-薄帶引導(dǎo)機構(gòu)；807-剪斷機構(gòu)；9-運動機械臂；10-運動平臺。
具體實施方式
33.為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
34.作為本發(fā)明的某一具體實施方式，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)式打印機構(gòu)安裝裝置2、陣列安裝在角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置2上的錘擊式打印機構(gòu)3和輥壓式打印機構(gòu)4、安裝在錘擊式打印機構(gòu)3和輥壓式打印機構(gòu)4上的壓力傳感器5、基板6、控制系統(tǒng)7和金屬薄帶輸送機構(gòu)8，金屬薄帶輸送機構(gòu)8用于向基板6上輸送金屬薄帶。角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置2上安裝多種打印機構(gòu)對帶材進行致密性或非致密性等不同的打印方式和效果，不同種的打印機構(gòu)可自由根據(jù)工藝要求自由更換，同時角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置也可以根據(jù)要求在一定空間內(nèi)自由運動，以實現(xiàn)多自由度打印。具體地說，基板6設(shè)置在運動平臺10上，基板6與運動平臺10之間設(shè)置有絕緣板。角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置2位于基板6的上方，且角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置2與基板6能夠相對運動。角度可調(diào)式打印機構(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構(gòu)3和輥壓式打印機構(gòu)4進行組合打印。焦耳熱電源1的第一極分別與錘擊式打印機構(gòu)3和輥壓式打印機構(gòu)4電連接，第二極與基板6電連接，其中，第一極為正極，第二極為負極，或，第一極為負極，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構(gòu)3和輥壓式打印機構(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，當接觸壓力與預(yù)設(shè)的觸發(fā)壓力閾值時，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，通過角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置2與基板6之間的相對運動進行連續(xù)的不同位置上金屬薄帶連接以實現(xiàn)三維成形。
35.控制系統(tǒng)7負責以壓力值的變化對系統(tǒng)的各部分進行調(diào)節(jié)，以達到所需的壓力值區(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，決定在合適的時刻控制焦耳熱電源輸出能量以實現(xiàn)帶材的融化結(jié)合的目的。
36.作為本發(fā)明的某一優(yōu)選實施方式，金屬薄帶三維成形系統(tǒng)還包括運動機械臂9，運動機械臂9與角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置2連接，運動機械臂9為現(xiàn)有的多種形式的機械臂，通過運動機械臂9帶動可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置2根據(jù)打印工藝要求進行相應(yīng)的運動。
37.控制系統(tǒng)7在打印過程中不間斷性的對系統(tǒng)中各部分的狀態(tài)和位置進行監(jiān)測，以精確實現(xiàn)工藝要求，并且根據(jù)檢測壓力值的變化對錘擊式打印機構(gòu)3、輥壓式打印機構(gòu)4和焦耳熱電源進行調(diào)整和控制，以協(xié)調(diào)二者之間的功能。
38.具體地說，如圖4所示，輥壓式打印機構(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。本實施例中，輥壓輪401為銅輥輪。
39.具體地說，如圖3所示，錘擊式打印機構(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通過連接螺栓305連接在套筒302的下端實現(xiàn)對打印頭301的固定，上壓蓋304通過連接螺栓305連接在套筒302的上端實現(xiàn)對壓力傳感器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)。本實施例中，彈性件307為彈簧。
40.優(yōu)選的，在上壓蓋304上開設(shè)有用于與角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置2連接的螺紋孔308。
41.錘擊式打印機構(gòu)適合非致密性的成形工藝需求，輥壓式打印機構(gòu)適合致密性成形工藝需求。
42.如圖2所示，本實施方式中，金屬薄帶輸送機構(gòu)8包括金屬薄帶纏繞盤801、張緊輪機構(gòu)802、惰輪803、主動輪804、從動輪805和薄帶引導(dǎo)機構(gòu)806，主動輪804和從動輪805的圓柱面相互接近形成用于金屬薄帶穿過的縫隙，薄帶引導(dǎo)機構(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)張緊輪機構(gòu)802和惰輪803后，再依次穿過主動輪804和從動輪805形成的縫隙和薄帶引導(dǎo)機構(gòu)806。優(yōu)選的，金屬薄帶輸送機構(gòu)8還包括剪斷機構(gòu)807，剪斷機構(gòu)807設(shè)置在薄帶引導(dǎo)機構(gòu)806的出口位置。
43.金屬薄帶輸送機構(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、實際出帶長度檢測控制功能，以保證送帶長度和速度的準確性，各功能都為全閉環(huán)控制方式，也保證了張緊輪機構(gòu)的穩(wěn)定性。
44.金屬薄帶由非晶薄帶纏繞盤送進系統(tǒng)，通過張緊輪機構(gòu)調(diào)整金屬薄帶的張緊力，再經(jīng)過惰輪將送入主、從動輪，同時惰輪對金屬薄帶的送帶速度進行測量，反饋到計算機控制模塊進行閉環(huán)控制，金屬薄帶再通過主、從動輪遞送至薄帶引導(dǎo)機構(gòu)，主動輪負責提供動力，從動輪負責施加一定壓力，以免金屬薄帶打滑造成誤差，薄帶引導(dǎo)機構(gòu)將金屬薄帶引導(dǎo)至可更換基板上指定位置，并且檢測金屬薄帶的實際出帶長度，并反饋到計算機控制系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，在需要對金屬薄帶斷帶時使用剪斷機構(gòu)進行剪斷。
45.運動平臺為抗沖擊運動，抗沖擊運動平臺用于打印過程中和角度可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置配合運動成形，同時因該系統(tǒng)的特殊性，抗沖擊運動平臺不僅可以實現(xiàn)常規(guī)的x、y、z三軸運動，同時各方向帶有將當前實際位置反饋到計算機控制系統(tǒng)，以便控制各方向的精確運動，并且z軸帶有抱閘功能，使得在打印過程中不會因為可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置對平臺的壓力過大而造成z軸位置的被動移動，保證了打印過程中的準確性和穩(wěn)定性。
46.本發(fā)明不僅可以對同種金屬材料進行焊接，對異種、性能差別較大的金屬，也可以采用本發(fā)明進行異種材料焊接，實現(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，并且可以實現(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，而且對非晶材料的熱塑性連接和成形有較大的優(yōu)勢。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)的體積可以進行小型化，操作方便。
47.本發(fā)明在打印成形過程中無須復(fù)雜氣氛保護或者真空環(huán)境，由于系統(tǒng)的特殊性，帶材之間熔化結(jié)合和全過程不會與空氣發(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成本。同時打印成形過
程中的熔化結(jié)合全過程在壓力電極之間進行連接，因此不會生成飛濺蒸汽廢渣等污染源，且采用的帶材無粉末污染，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)的熱輸入是通過焦耳熱電源的輸入方式進行調(diào)控，比如采用高頻脈沖電源，從而實現(xiàn)了快速的冷卻速度。例如，在鋼帶情況下，冷卻速度達到105k/s，并且隨著薄帶厚度的減小而增加。因此，通過獲得更快的冷卻速度，可以獲得更細的微觀組織，從而實現(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％，當輸出的電壓電流通過負載時，由負載消耗的電功率e見下公式(1)為：
[0050][0051]
式中：
[0052]
i(t)是通過電流通過負載時間t的電流；ρe是金屬薄帶的電阻率；l是樣品長度；a是電流通過的截面積。
[0053]
假設(shè)電源輸出的電流全部用來進行加熱的話，則溫度的上升可近似的表示公式見下公式(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，接合面通過焦耳熱產(chǎn)生的熱量連接在一個點上，電流通過工件流動，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，同時施加一定的壓力，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，繼而點成線，線成面構(gòu)建零件。且機構(gòu)簡單，對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，實現(xiàn)材料的直接接觸，為金屬材料在界面之間的原子擴散創(chuàng)造條件。而金屬薄帶在厚度這個維度上比其他2個維度均小的多，無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，同時不會產(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(換向)脈沖、比例脈沖、間隔脈沖、計數(shù)脈沖、計時脈沖、程序脈沖等功能。焦耳熱電源支持根據(jù)開關(guān)量和模擬量觸發(fā)脈沖功能，具有本地觸摸屏人機界面顯示控制，并支持遠程上位機通信智能控制。該焦耳熱電源的輸出能量值不會因為壓力傳感器反饋的信號波形的變化而出現(xiàn)誤差的情況，只要檢測到壓力值超過設(shè)定值，焦耳熱電源即會輸出能量，對金屬薄帶進行焊接。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)式打印機構(gòu)安裝裝置上安裝有錘擊式打印機構(gòu)和輥壓式打印機構(gòu)，可以自主設(shè)定焊接的致密性，這樣有助于按需實現(xiàn)不同致密性的金屬薄帶三位成形。本
實施例中，錘擊式打印機構(gòu)和輥壓式打印機構(gòu)連通焦耳熱電源正極，當錘擊式打印機構(gòu)和輥壓式打印機構(gòu)對可更換基板接觸并施加一定壓力時形成回路，焦耳熱電源輸出電流以達到焊接效果，同時該裝置不同于其他的增材制造設(shè)備所有打印過程均需在真空或氬氣環(huán)境下進行打印，該設(shè)備可以根據(jù)材料不同和工藝要求來決定是否需要添加電極氣氛保護系統(tǒng)，這極大的節(jié)約了成本，同時提高了該裝備的適用性，并且所用的獨特錘擊式打印機構(gòu)和輥壓式打印機構(gòu)以及焦耳熱電源解決了設(shè)備熱累積問題，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]
本實施例中，運動平臺具有極好的抗沖擊、振動效果，同時帶有當前位置檢測、自鎖功能，以防止打印過程中因壓力造成的z軸掉落，影響打印精度和效果。同時可調(diào)式打印機構(gòu)安裝裝置上的錘擊式打印機構(gòu)和輥壓式打印機構(gòu)可以實現(xiàn)不同的打印方式的需求，如不同方向的打印方式，同時可以實現(xiàn)或者異種金屬材料的結(jié)合、物品的表面防護鍍膜，表面防護，表面強化，表面裝飾等等，也可以實現(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，按需求選擇打印機構(gòu)和打印方式。考慮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)及三維溫度場控制方程如下：
[0063]
在用于描述金屬流動和熱傳導(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]
能量守恒方程表達如下：
[0067][0068]
式中，k為導(dǎo)熱系數(shù)，t為溫度，h為熱焓。
[0069]
動量守恒方程表達如下：
[0070][0071][0072]
式中，ρ為流體密度，υ為動態(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為固體分數(shù)，b為大于0的數(shù)(以防止除數(shù)為0)，g為重力加速度，因為為微重力環(huán)境，所以g為0。
[0073]
三維溫度場控制方程：
[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)——溫度場分布函數(shù)；
[0080]
q(x,y,z,t)——熱源強度分布；
[0081]
t——傳熱時間；
[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間、送帶速度、運動速度、壓力大小、壓力保持時間、打印頭尺寸等對金屬成形形貌及質(zhì)量的影響規(guī)律。分析工藝參數(shù)對成形件微組織結(jié)構(gòu)形貌、孔隙率、裂紋的影響，對成形件質(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、性能及其對構(gòu)件整體性能的影響規(guī)律，根據(jù)計算結(jié)果得到各項最優(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、控形指標和控性指標要求確定；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間、送帶速度、運動速度、壓力大小、壓力保持時間、打印頭尺寸。控性指標q2(m1,m2,m3
…
mn
…
)：mn表示成形零件各項性能指標；比如力學(xué)性能包括強度、硬度、韌性和疲勞。輸入變量：焦耳熱功率、送帶速度，運動速度、壓力大小、壓力保持時間、打印頭尺寸pj(焦耳熱功率)，i(電流幅值)，it(保持時間)，u(電壓幅值)，ut(電壓保持時間)，vs(送帶速度)，vm(運動速度)，f(壓力)，ft(壓力保持時間)，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行仿真計算，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)境的熱對流熱輻射等復(fù)雜熱交換過程，并且和材料屬性密切相關(guān)，通過實驗的方法研究這些工藝參數(shù)對壓電耦合控制的金屬薄帶三維制造過程成形件質(zhì)量的影響非常困難，需要通過仿真計算和實驗相結(jié)合的方法來找出規(guī)律。
[0085]
4、根據(jù)待成形零件的結(jié)構(gòu)要求，對待成形零件進行三維建模及結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化得到優(yōu)化后的模型，再對待成形零件優(yōu)化后的模型進行分層切片得到打印路徑。
[0086]
5、進行系統(tǒng)自檢，步驟為先用打印頭對帶材施加壓力，同時檢測壓力值是否到達設(shè)定值，到達后焦耳熱電源輸出能量對搭接處進行加熱，使得帶材融化結(jié)合，在計算機控制系統(tǒng)檢測中這些設(shè)定值全部達到需求后結(jié)束自檢，準備開始打印。
[0087]
6、系統(tǒng)開始打印，將金屬薄帶通過金屬薄帶輸送機構(gòu)遞送至基板上，打開焦耳熱電源開關(guān)并開始打印，同時系統(tǒng)不間斷性的檢測打印過程中各模塊的實時狀況，若有錯誤發(fā)生即停止打印，解決錯誤后繼續(xù)打印；若無錯誤發(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)運行，更換后需根據(jù)新的工藝需求重新進行工藝設(shè)定和系統(tǒng)自檢，完成后繼續(xù)進行打印，進一步遞送薄帶焊接，逐層累計，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現(xiàn)比常規(guī)打印方式的更高效的能量
輸出，同時對于不同工藝需求，也可以對熱源的輸出方式及其余參數(shù)進行更改設(shè)定，以滿足不同材質(zhì)的金屬薄帶的打印需求。成形過程無須復(fù)雜氣氛保護或者真空環(huán)境，由于薄帶之間形成焊縫，熔化或者塑性的金屬從不與大氣接觸；這意味著該工藝過程不需要無氧等環(huán)境，固結(jié)過程在壓力電極之間，時間短，氧化可以忽略。成形過程中在壓力電極之間進行連接，不會生成飛濺蒸汽廢渣污染源，無粉末污染，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)式打印機構(gòu)安裝裝置上安裝了多種打印機構(gòu)供打印使用，因此提供了多種打印方式，可根據(jù)工藝需求進行自由更換，提高了系統(tǒng)打印效率和對不同打印方式的需求。對性能差別很大的金屬，實現(xiàn)異種材料連接，可以實現(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，而且對非晶材料的熱塑性連接和成形有較大的優(yōu)勢。通過焦耳熱電源比如高頻脈沖電源獲得更快的冷卻速度，可以獲得更細的微觀組織，從而實現(xiàn)更好的力學(xué)性能及其他性能。
[0090]
最后應(yīng)說明的是：以上所述實施例，僅為本發(fā)明的具體實施方式，用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制，本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：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)，其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改或可輕易想到變化，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；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)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護范圍為準。