CN104493166A - 利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法，包括等离子体炬系统、进料系统和部件移动系统；等离子体炬系统包括电源、等离子体炬和炬移动装置、保护气体和保护气罩；进料系统为线材进料装置或环形送粉器；部件移动系统包括三维移动平台、控制器、伺服电机和电脑；等离子体炬为直流非转移弧放电的层流状态的等离子体炬。等离子体束准直、能量集中，具有温度高、温度梯度小、高温区长、噪音小等特点，能够大大提高成形的精度。

Description

利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法

技术领域

本发明涉及一种快速成形与制造技术，尤其涉及一种利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法。

背景技术

随着快速成形技术的发展，快速成形的对象也从非金属材料扩展到金属材料。在这方面工作中，基于激光、电子束和等离子体束的三种能量束的直接成形制造方法尤其引人注意，代表着先进制造技术的发展方向。由直流电弧放电产生的等离子体束直接成形制造方法，能量利用效率高、成形速率快，冶金质量好，且具有堆积致密、材料适应范围广，成本低等优势，尤其适合复杂形状、高熔点金属及合金部件的快速成形。

现有技术中，常规的等离子体快速成形多利用直流转移弧放电，需要将成形部件作为其中的一个电极，很难实现高精度的快速成形，尤其是高熔点的金属及合金部件的制造。另外在金属部件的制造过程中，由于高温加热及冷却都是在大气环境中进行，容易发生氧化，从而影响了成形的质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种质量好、精度高的利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法，包括等离子体炬系统、进料系统和部件移动系统；

所述等离子体炬系统包括电源、等离子体炬和炬移动装置、保护气体和保护气罩；

所述进料系统为线材进料装置或环形送粉器；

所述部件移动系统包括三维移动平台、控制器、伺服电机和电脑；

所述等离子体炬采用直流非转移弧放电的层流状态的等离子体为能量束。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法，由于采用直流非转移弧放电的层流状态的等离子体为能量束，等离子体束准直、能量集中，具有温度高、温度梯度小、高温区长、噪音小等特点，能够大大提高成形的精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法的装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中直流电弧在典型放电条件下所产生的层流等离子体束照片。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法，其较佳的具体实施方式是：

包括等离子体炬系统、进料系统和部件移动系统；

所述等离子体炬系统包括电源、等离子体炬和炬移动装置、保护气体和保护气罩；

所述进料系统为线材进料装置或环形送粉器；

所述部件移动系统包括三维移动平台、控制器、伺服电机和电脑；

所述等离子体炬采用直流非转移弧放电的层流状态的等离子体为能量束。

所述保护气罩与所述等离子体炬固定在一起。

所述线材进料装置对合金金属丝进料，所述环形送粉器对混合金属粉体进料。

所述线材进料装置设有多路进丝机构。

工作气体为氩气，当所述等离子体的放电电流在40-100A时，氩气流速为100-400L/h；当所述等离子体的放电电流在100-200A时，氩气流速为400-800L/h。

如图2所示，本发明利用层流模式的直流等离子体炬进行金属及合金材料的3D打印，能够实现金属及合金材料的高精度的3D打印，并能够有效地解决3D打印过程中的氧化问题。

与转移弧相比，非转移的直流炬不需要用成形部件作为电极，这样使得其直接成形制造更具有灵活性，可以在绝缘的材料上直接成形，不受基底电导率的影响，不会引起弧区的变化，从而能够长时间的稳定运行。非转移的直流炬分为湍流和层流两种工作模式。在层流模式下，等离子体束准直、能量集中，具有温度高，温度梯度小，高温区长，噪音小等特点，能够大大提高成形的精度。因此层流状态的等离子体炬是一样理想的3D打印能量源。

本发明采用直流非转移弧放电的层流状态的等离子体为能量束。这种层流状态的等离子体放电，气体流量和工作电流是二个重要的运行参数，相对于湍流状态，层流的气体流量小。在本发明中，工作气体为氩气，当所述等离子体的放电电流在40-100A时，氩气流速为100-400L/h；当所述等离子体的放电电流在100-200A时，氩气流速为400-800L/h。形成的层流状态的等离子体，束流准直，长度可调，噪声小，可实现高精度、高沉积速率的复杂形状的三维制造。

本发明采用的直流等离子体炬位置可调，来改变熔化金属到达成形平台的距离，调整成形温度，解决成形过程中温度过高或过低引起的形状误差。

本发明采用拖拽式等离子体保护罩，与等离子体炬结合在一起，有效地解决成形过程中的氧化问题。

本发明利用弧放电等离子体能量密度高的特点，可使高熔点金属及合金进行熔化，材料适应范围广。可进料合金金属丝或混合金属粉体，也可同时多路进料金属丝，实现可控合金比例的金属合金部件制造。具有冶金质量好、积致密，组织性能明显优于真空铸件，密度和锻造件相当，成形效率高，低成本等优势，

本发明的部件移动平台，在三维方向上运动。通过计算机对复杂结构进行图形设计，分层数据处理，以保证部件成形。

本发明也适合于高熔点的陶瓷及陶瓷基复合材料的部件快速成形制造，不同于金属部件快速成形的是，由进料系统送入的为按一定比例混合的陶瓷和其他粉材。

具体实施例：

如图1所示，包括等离子体炬系统、进料系统和部件移动系统三部分、。

等离子体炬系统包括电源、等离子体炬、保护气体、保护气罩和炬移动装置。

进料系统包括两种形式，一种是针对线材进料，包括24V直流电源、送丝机构、金属丝、准直器等；可以是一路送丝，或是多路同时送丝。另一种是常规的环形送粉器，用来输入粉材。

部件移动系统包括三维移动平台、控制器、伺服电机、电脑。数据传输系统通过三维设计软件进行图形设计，之后进行分层数据处理，产生的路径数据，将数据传输给控制器，控制三维移动平台的移动路径。根据实验条件，设定三维移动平台的移动速度(移动速度与功率，送丝速度，成形不同的位置有关)，以保证成形质量。

具体实施的工作流程：

1、保护气体通过保护罩进入等离子体炬的下方以及成形件的周围，排出内部的空气，形成保护层，并对成形件进行冷却，防止在成形过程中部件被氧化。

保护气体通过保护罩进入等离子体炬的下方以及成形件的周围，形成保护层，并对成形件进行冷却，并防止在冷却过程中发生氧化。

2、启动电源，通过等离子体炬产生层流状态的等离子体束，保护气体一般采用氩气。放电功率根据送入的金属材料和金属丝直径来选择。功率太低金属无法熔化，功率太高会出现过熔现象，导致成形精度降低。若采用金属粉末，可以适当减小功率。调节基底与直流炬之间的距离，一般在10cm以内。通过直流炬对基底预热，防止金属液滴落下时，急剧收缩。实施过程中，通过炬炬移动结构来控制成形件温度。

3、启动进料系统进行送料，将其送入层流状等离子体的正下方。启动控制器，调节移动速度，控制三维移动平台在XY平面内移动，使熔融的金属落在基底上形成单层的成形轨迹。每进行完一层的成形后，移动平台自动沿Z轴下降一个层间距，再进行下一层的沉积，直到成形结束。在沉积过程中，也可调节送料系统，进行不同配比的金属沉积，从而实现复合梯度材料的制造。

4、成形结束后，停止送料机构，关闭电源以及三维移动平台的运动。加大保护性气体的流量，防止成形件氧化，并进行冷却，直到合适的温度，关闭保护性气体。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法，其特征在于，包括等离子体炬系统、进料系统和部件移动系统；

所述等离子体炬系统包括电源、等离子体炬和炬移动装置、保护气体和保护气罩；

所述进料系统为线材进料装置或环形送粉器；

所述部件移动系统包括三维移动平台、控制器、伺服电机和电脑；

所述等离子体炬采用直流非转移弧放电的层流状态的等离子体为能量束。

2.根据权利要求1所述的利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法，其特征在于，所述保护气罩与所述等离子体炬固定在一起。

3.根据权利要求2所述的利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法，其特征在于，所述线材进料装置对合金金属丝进料，所述环形送粉器对混合金属粉体进料。

4.根据权利要求3所述的利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法，其特征在于，所述线材进料装置设有多路进丝机构。

5.根据权利要求1至4任一项所述的利用层流状态的直流等离子体炬进行金属部件快速成形方法，其特征在于，工作气体为氩气，当所述等离子体的放电电流在40-100A时，氩气流速为100-400L/h；当所述等离子体的放电电流在100-200A时，氩气流速为400-800L/h。