CN104117674B - 利用3d打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材方法及用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材的方法及其用途，首先在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，将零件的三维信息转换成一系列二维轮廓信息，用坩埚将金属融化，从喷嘴流出形成的熔滴，然后在计算机的控制下，使其按照二维轮廓信息逐层堆积，得到三维实体零件或近形件。采用该方法后，全部设计在计算机中完成，实际的制造过程也在计算机控制下进行，真正实现制造的数字化、智能化和无纸化等优点，可直接成形复杂三维结构，减少了传统工艺在零件设计、制造过程中约束条件，已成为无约束成形技术的一个新发展方向。

Description

利用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材方法及用途

技术领域

本发明涉及到电力器材加工领域，具体涉及一种采用3D打印熔滴复合成形与传统制造工艺模具成形相结合的工艺进行电力器材的制造的方法及其用途。

背景技术

3D打印(3D printing)，又被称为增材制造技术，出现在上世纪90年代中期。其源可追溯到快速成型技术(Rapid Prototyping，RP)，从3D计算机辅助设计(3D CAD)发展开始，人们就希望方便地将设计直接转化为实物。

随着科技的不断进度，3D打印技术在越来越成熟，已广泛应用于航天、医药和模型设计领域，是一种前景广阔的金属产品高效制造技术。当今世界最前沿3D打印“金属熔滴沉积技术”，无需价格昂贵的激光系统，运行费用很低，可靠性高。

目前电力器材的成型方法主要有铸造和锻压两种。其中铸造方法有重力或低压铸造、高压压铸和挤压铸造等，但由于铝合金液流的快速注入超越了金属模型腔内气体的上升速度，腔内空气来不及排出而裹入铝合金液内，可能出现气泡和疏松，另一方面，在巨大成型压力下，造成溶于铝合金液体内部的气体来不及排出，气体以固熔体、化合物和气孔滞留在铸件内，使铸件塑性(延伸率、冲击韧性等)显著降低。真空压铸法和充氧压铸法，这两种较为有效的压铸辅助工艺，目的是消除或减少压铸件内部的气孔。但这种“全无”操作工艺，在实施中困难较多，若控制不当，效果并不明显，再加上压铸模具密封结构复杂，制造使安装难度大，又需较高的设备投资，所以在国内应用较少，开展有一定困难。电力金具锻造工艺按方式可以分为自由锻造和模锻，按锻造温度分为热锻、温锻、和冷锻，常用的方式为热锻。自由锻造时，锻造师应控制每次锻造的压下量，对操作者要求比较高。模锻需要设计模具，使毛坯变形获得锻件，时间周期较长，生产成本很高。

目前，电力器材制造和使用存在库存量大、采购成本高、施工效率低和生产制造效益低等问题，这些问题是伴随电网发展的必然问题，也是全国性的问题。

那么如何开发一种就地、即刻、批量、快速、便捷、低成本的电力器材成形技术及其工厂化生产系统，对现代电网建设具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供一种利用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材的方法及其用途，该方法将3D打印与电力器材制造紧密结合，缩短电力器材产品的生产周期、降低生产材料的废弃率，促进电力器材结构的革新、提高了电网建设的施工效率。

本发明的技术方案是：

一种运用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材的用途，具有用于配变电金具、线路金具、电缆金具及附件、预绞式线路金具、不锈钢扎带、出口金具、架空绝缘金具、超高压电力线路器材的用途。

一种利用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材的方

法，它包括以下步骤：

步骤一：在计算机中绘制电力器材的三维零件模型或通过电力器材原物3D扫描得到三维模型，导入3D打印机中；

步骤二：将模型按一定的厚度切片分层，将电力器材的三维信息转换成一系列二维轮廓信息，3D工控机设在熔滴沉积设备一侧，并与熔滴沉积设备通过导线连接和控制，在熔滴沉积设备上设有进出料仓和出料仓，将铜粉或铝粉加入至熔滴沉积设备中的坩埚内，坩埚外端设有加热元件，坩埚端口设有进气装置，通过加热元件将金属融化；

步骤三：所述金属微滴产生系统主要由微滴产生器、脉冲压力控制器、温度控制器和沉积平台组成，所述坩埚顶端设有喷嘴，所述喷嘴与坩埚为分体结构，所述脉冲压力控制模块由固态继电器和电磁阀组成，通过固态继电器的通、断来控制气路上电磁阀的开闭状态，利用压力脉冲在腔体内产生膨胀、收缩的波动压力，迫使部分金属熔液从腔体底部的喷嘴射出，所述产生的脉冲压力用来控制微滴的按需喷射，控制工作腔体内压力变化可控制喷射和产生均匀微滴，所述沉积平台为数控系统，它由多轴控制器、伺服驱动单元、伺服电动机以及反馈单元组成，用于沉积平台运动以及与喷射单元的协调控制；溶液从坩埚喷嘴流出形成熔滴；

步骤四：在计算机的控制下，使形成的熔滴按照二维轮廓信息在沉积平台上逐层堆积，沉积平台采用高精度导轨和滚珠丝杠，通过数控移动沉积平台，移动平台按照三维模型中第一层截面轮廓数据和填充数据进行纵向运动，溶液通过喷嘴挤出，再通过三轴运动平台，按照二维轮廓信息逐层对金属熔滴进行堆积得到电力器材三维实体零件；

步骤五：将成型后三维实体零件或近形件利用激光对沉积金属的侧面进行切削、打磨处理；

步骤六：将复合成形的电力金具烘干。

优选地，所述坩埚设有两个，使用两个喷头同时成形，所述坩埚由石墨材料制成，所述坩埚为锥形结构，底部喷头为单一竖直喷孔，喷头为0.3mm-0.8mm。

优选地，所述坩埚外部设有热敏探头和温控装置，所述温控装置用于控制系统的加热温度，并记录加热过程的温度变化。

优选地，所述坩埚外部加装隔热层，加热元件采用加热丝加热，温度调控范围为100～1200℃。

优选地，金属微滴产生系统为真空密闭状态，金属微滴产生系统内设有密封圈，外部水冷装置给其密封处降温。

采用如上技术方案后，其有益效果为：

首先在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，将零件的三维信息转换成一系列二维轮廓信息，用坩埚将金属融化，从喷嘴流出形成的熔滴，然后在计算机的控制下，使其按照二维轮廓信息逐层堆积，得到三维实体零件或近形件。该技术具有制造柔性化程度高，省去了设计和加工模具的时间和费用，产品研制周期短、加工速度快；全部设计在计算机中完成，实际的制造过程也在计算机控制下进行，真正实现制造的数字化、智能化和无纸化等优点。该技术可直接成形复杂三维结构，减少了传统工艺在零件设计、制造过程中约束条件，已成为无约束成形技术的一个新发展方向。

采用本发明制造方法后：实现电力器材“零”库存，融合传统制造技术，实现即时打印，快速打印，批量生产，“零”运输，就地供应，大幅降低电力器材的储存、管理、损耗及运输等成本，经济效益及社会效益显著。提高工程施工效率，传统的制造工艺无法一次成形复杂的金属件，须由多单件组成复杂件，采用该方法后使得安装工艺和工序多重化和复杂化，3D打印技术最大的优点是截层增材打印，可创新若干新产品替代传统的多部件，同时安件工艺、工序简单化，工程施工省时省力，降低人力物力。促进电力器材(施工模式)创新创造，传统制造业流程中，设计师的图纸，需要拆分为各个元素，然后开模、组装，再生产，这样设计生产周期长、成本高。而3D打印，图纸可以快速变成实体或开模或直接规模化生产，特别是紧急抢修过程中急需的配件，通过原件3D扫描即可实现设计，效率高。

采用3D位移平台：三轴运动平台，采用高精度导轨和滚珠丝杠，精度高，载荷惯性小，三轴运动轨迹误差小，机架整体结构强度可靠，可以让金属送料系统固定上面保持不动，保证送料的金属雾滴，正常可靠成型，而免受三维平台的运动带来的影响。

坩埚采用耐高温进口合金材料；设置为锥形，底部喷头订制成单一竖直喷孔，孔径订做成0.3mm-0.8mm，可满足不同实验要求使用；金属微滴产生系统为真空密闭状态，真空密封圈采用纯氟胶密封圈，外部加水冷法兰给其密封处降温，以保证密封圈的正常使用，水冷装置不影响真空腔体和其他控制的正常使用。

加热控制由热敏探头和温控装置组成。加热区采用加热丝加热，外部加装隔热层，温度可随意调控(100～1200℃)，120分钟从常温加热到1200℃。

气压控制器由储气罐或空压机、气体流量控制器组成，气体流量可精确控制，并可按照不同工艺的要求随意调整。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，不能理解为是对本发明的限制；

本发明运用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材的用途，具有用于配变电金具、线路金具、电缆金具及附件、预绞式线路金具、不锈钢扎带、出口金具、架空绝缘金具、超高压电力线路器材的用途。

本发明具体实施方式如下：

步骤一：在电力金具的模具库中找出成型模具，通过传输装置将模具输送至计算机控制系统，通过计算机扫描绘制三维电力金具零件模型，在计算机中生成工件的三维CAD模型或通过电力器材原物3D扫描得到三维模型，三维模型生成后，绘制需复合成形的电力金具模型，导入3D打印机中；

步骤二：将模型按一定的厚度切片分层，将零件的三维信息转换成一系列二维轮廓信息，3D工控机在熔滴沉积设备一侧，并与熔滴沉积设备通过导线连接和控制，在熔滴沉积设备上设有进出料仓和出料仓，通过模具所需颜色和材质选择粉料，将将铜粉或铝粉加入至熔滴沉积设备中的坩埚内，坩埚外端设有加热元件，所述坩埚外部加装隔热层，加热元件采用加热丝加热，温度调控范围为100～1200℃，坩埚端口设有进气装置，混合后通过加热元件将金属融化；

步骤三：所述金属微滴产生系统主要由微滴产生器、脉冲压力控制器、温度控制器和沉积平台组成，所述坩埚顶端设有喷嘴，微滴产生器中用于熔化金属材料的坩埚由石墨材料制成，形状设计为锥形，底部喷头订制成单一竖直喷孔，孔径订做成0.3mm、0.5mm、0.8mm共三种规格供不同实验要求使用，所述喷嘴与坩埚为分体结构，所述脉冲压力控制模块由固态继电器和电磁阀组成，通过固态继电器的通、断来控制气路上电磁阀的开闭状态，利用压力脉冲在腔体内产生膨胀、收缩的波动压力，迫使部分金属熔液从腔体底部的喷嘴射出，所述产生的脉冲压力用来控制微滴的按需喷射，所述坩埚外部设有热敏探头和温控装置，温度控制模块用来控制系统的加热温度，并且能够实时记录加热过程的温度变化。控制工作腔体内压力变化可控制喷射和产生均匀微滴，所述沉积平台为数控系统，它由多轴控制器、伺服驱动单元、伺服电动机以及反馈单元组成，用于沉积平台运动以及与喷射单元的协调控制；溶液从喷嘴流出在沉积平台上形成的熔滴，为防止金属熔化和喷射过程中被氧化，制造必须在低氧密闭环境(氧浓度不大于1/100000)中进行，为了更快、更好地实现电力器材成形，所述坩埚设有两个，可使用两个喷头同时成形，很好地满足金具不同材料的要求，其工作系统工作情况如下：

当F和F_Ⅰ接通，而F’和F_Ⅱ均闭合时，喷头Ⅰ单独工作；

当F和F_Ⅱ接通，而F’和F_Ⅰ均闭合时，喷头Ⅱ单独工作；

当F、F_Ⅱ和F_Ⅰ均闭合，F’接通时系统停止加工。

气路采用两气路单独控制，即当喷头Ⅰ切换到喷头Ⅱ工作时，V1闭合，喷头Ⅰ停止工作，V1’开启放出压力气体，当工作台移动到喷头Ⅱ下方开始加工时，V2开启进行加工。在制作过程中V1、V1’和V2、V2’两组气路能够互不干涉，避免了方案1中气路切换时材料溢出的情况；

步骤四：由于电力金具部分是不同材料的结合件，首先采用熔融铝合金溶液在未经加热的铜基体上进行沉积，其熔滴和基板间结合强度很小，其原因为基板没有经过预热并且没有保护装置，熔滴滴落到基板上已经氧化、凝固。在熔滴沉积过程中，熔覆层与基板的热膨胀系数失配产生的残余应力和熔覆层中存在的热梯度产生的残余应力，所以对电力金具表面进行预热处理，利用射线应力测定仪对熔覆层显微组织结构残余应力实验分析，通过分析得出电力金具的性能、内部结构参数，在计算机的控制下，按照二维轮廓信息逐层堆积，沉积平台采用高精度导轨和滚珠丝杠，通过数控移动沉积平台，移动平台按照三维模型中第一层截面轮廓数据和填充数据进行纵向运动，溶液通过喷嘴挤出时，通过控制3D位移平台温度调控3D熔滴复合成形模型的固化，让电力金具与相临3D熔滴复合成形模型融合，通过三轴运动平台，逐层对金属熔滴进行堆积得到三维实体零件或近形件；

步骤五：对于不同材质组装的电力器材，其金属部分采用3D打印成形的方法，重复步骤一、二、三；而非金属部分，在系统模具库中根据型号自动筛选出成型模具，通过传输装置将模具输送至注射成型设备，完成注射成型，然后分别将不方式同成形的零件组装；

步骤六：成形的电力器材后期表面处理。

Claims (7)

1.一种运用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材的用途，具体运用于出口金具，所述出口金具由配变电金具、线路金具、电缆金具及附件、预绞式线路金具、不锈钢扎带、架空绝缘金具和超高压电力线路器材组成。

2.一种利用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在计算机中绘制电力器材的三维零件模型或通过电力器材原物3D扫描得到三维模型，导入3D打印机中；

步骤二：将模型按一定的厚度切片分层，将电力器材的三维信息转换成一系列二维轮廓信息，3D工控机设在熔滴沉积设备一侧，并与熔滴沉积设备通过导线连接和控制，在熔滴沉积设备上设有进料仓和出料仓，将铜粉或铝粉加入至熔滴沉积设备中的坩埚内，坩埚外端设有加热元件，坩埚端口设有进气装置，通过加热元件将金属融化；

步骤三：金属微滴产生系统主要由微滴产生器、脉冲压力控制器、温度控制器和沉积平台组成，所述坩埚底端设有喷嘴，所述喷嘴与坩埚为分体结构，脉冲压力控制器由固态继电器和电磁阀组成，通过固态继电器的通、断来控制气路上电磁阀的开闭状态，利用压力脉冲在腔体内产生膨胀、收缩的波动压力，迫使部分金属熔液从腔体底部的喷嘴射出，产生的脉冲压力用来控制微滴的按需喷射，控制腔体内压力变化可控制喷射和产生均匀微滴，所述沉积平台为数控系统，它由多轴控制器、伺服驱动单元、伺服电动机以及反馈单元组成，用于沉积平台运动以及与喷射单元的协调控制；熔液从坩埚喷嘴流出形成熔滴；

步骤四：在计算机的控制下，使形成的熔滴按照二维轮廓信息在沉积平台上逐层堆积，沉积平台采用高精度导轨和滚珠丝杠，通过数控移动沉积平台，移动沉积平台按照三维模型中第一层截面轮廓数据和填充数据进行上下纵向运动，熔液通过喷嘴挤出，再通过三轴运动平台，按照二维轮廓信息逐层对金属熔滴进行堆积得到电力器材三维实体零件；

步骤五：对于不同材质组装的电力器材，其金属部分采用3D打印成形的方法，重复步骤一、二、三、四；而非金属部分，在系统模具库中根据型号自动筛选出成型模具，通过传输装置将模具输送至注射成型设备，完成注射成型，然后分别将不同方式成形的零件组装；

步骤六：成形的电力器材后期表面处理。

3.根据权利要求2所述的利用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材的方法，其特征在于：所述坩埚设有两个，使用两个喷头同时成形。

4.根据权利要求2所述的利用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材的方法，其特征在于：所述坩埚采用耐高温进口合金材料制成，所述坩埚为锥形结构，底部喷头为单一竖直喷孔，喷头孔径为0.3mm-0.8mm。

5.根据权利要求2所述的利用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材的方法，其特征在于：所述坩埚外部设有热敏探头和温控装置，所述温控装置用于控制系统的加热温度，并记录加热过程的温度变化。

6.根据权利要求2或3所述的利用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材的方法，其特征在于：所述坩埚外部加装隔热层，加热元件为加热丝，温度调控范围为100~1200℃。

7.根据权利要求2或3所述的利用3D打印与传统制造工艺相结合的制造电力器材的方法，其特征在于：金属微滴产生系统为真空密闭状态，金属微滴产生系统内设有密封圈，外部水冷装置给其密封处降温。