CN104959601A - 一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法 - Google Patents
一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104959601A CN104959601A CN201510386551.0A CN201510386551A CN104959601A CN 104959601 A CN104959601 A CN 104959601A CN 201510386551 A CN201510386551 A CN 201510386551A CN 104959601 A CN104959601 A CN 104959601A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gradient
- distribution
- electromagnetic
- tissue
- numerical control
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite materials Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 238000002360 preparation methods Methods 0.000 title abstract 3
- 239000000463 materials Substances 0.000 claims abstract description 54
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 44
- 210000001519 tissues Anatomy 0.000 claims abstract description 27
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000000203 mixtures Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000010410 layers Substances 0.000 claims abstract 6
- 238000000034 methods Methods 0.000 claims description 26
- 239000002184 metals Substances 0.000 claims description 10
- 229910052751 metals Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 230000036335 Tissue distribution Effects 0.000 claims description 8
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims description 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 7
- 238000003786 synthesis reactions Methods 0.000 claims description 6
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 claims description 6
- 239000000843 powders Substances 0.000 claims description 4
- 230000003068 static Effects 0.000 claims description 4
- -1 size Substances 0.000 claims 1
- 230000001808 coupling Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005859 coupling reactions Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 2
- 241000563994 Cardiopteridaceae Species 0.000 abstract 2
- 238000005755 formation reactions Methods 0.000 abstract 2
- 281999990011 institutions and organizations companies 0.000 abstract 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical group data:image/svg+xml;base64,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 data:image/svg+xml;base64,PD94bWwgdmVyc2lvbj0nMS4wJyBlbmNvZGluZz0naXNvLTg4NTktMSc/Pgo8c3ZnIHZlcnNpb249JzEuMScgYmFzZVByb2ZpbGU9J2Z1bGwnCiAgICAgICAgICAgICAgeG1sbnM9J2h0dHA6Ly93d3cudzMub3JnLzIwMDAvc3ZnJwogICAgICAgICAgICAgICAgICAgICAgeG1sbnM6cmRraXQ9J2h0dHA6Ly93d3cucmRraXQub3JnL3htbCcKICAgICAgICAgICAgICAgICAgICAgIHhtbG5zOnhsaW5rPSdodHRwOi8vd3d3LnczLm9yZy8xOTk5L3hsaW5rJwogICAgICAgICAgICAgICAgICB4bWw6c3BhY2U9J3ByZXNlcnZlJwp3aWR0aD0nODVweCcgaGVpZ2h0PSc4NXB4JyB2aWV3Qm94PScwIDAgODUgODUnPgo8IS0tIEVORCBPRiBIRUFERVIgLS0+CjxyZWN0IHN0eWxlPSdvcGFjaXR5OjEuMDtmaWxsOiNGRkZGRkY7c3Ryb2tlOm5vbmUnIHdpZHRoPSc4NScgaGVpZ2h0PSc4NScgeD0nMCcgeT0nMCc+IDwvcmVjdD4KPHRleHQgeD0nMzUuMDQ1NScgeT0nNTMuNTkwOScgY2xhc3M9J2F0b20tMCcgc3R5bGU9J2ZvbnQtc2l6ZToyM3B4O2ZvbnQtc3R5bGU6bm9ybWFsO2ZvbnQtd2VpZ2h0Om5vcm1hbDtmaWxsLW9wYWNpdHk6MTtzdHJva2U6bm9uZTtmb250LWZhbWlseTpzYW5zLXNlcmlmO3RleHQtYW5jaG9yOnN0YXJ0O2ZpbGw6IzNCNDE0MycgPkY8L3RleHQ+Cjx0ZXh0IHg9JzUxLjA0MDknIHk9JzUzLjU5MDknIGNsYXNzPSdhdG9tLTAnIHN0eWxlPSdmb250LXNpemU6MjNweDtmb250LXN0eWxlOm5vcm1hbDtmb250LXdlaWdodDpub3JtYWw7ZmlsbC1vcGFjaXR5OjE7c3Ryb2tlOm5vbmU7Zm9udC1mYW1pbHk6c2Fucy1zZXJpZjt0ZXh0LWFuY2hvcjpzdGFydDtmaWxsOiMzQjQxNDMnID5lPC90ZXh0Pgo8L3N2Zz4K [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 229910000529 magnetic ferrite Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 3
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical group data:image/svg+xml;base64,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 data:image/svg+xml;base64,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 [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000002146 bilateral Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000005712 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000001537 neural Effects 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—BASIC ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
- H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
Abstract
本发明公开了一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，包括以下步骤：(1)建模：运用功能梯度材料CAD/CAM软件建立零件的几何三维模型，在几何三维模型中确定材料梯度分布和组织梯度分布，形成一个空间综合模型；(2)切片和生成数控代码：对步骤(1)形成的空间综合模型进行分层切片处理，生成数控代码；(3)电磁特性反求：反求外加的磁极分布和励磁电流特性；(4)熔积成形：布置磁极和/或电磁线圈，逐层熔积成形。本发明采用CAD/CAM软件确立零件组织和材料的梯度分布，结合电-磁-热力多物理场耦合控制，实现新型梯度组织与梯度材料零件形状和微观组织的一体化制造。
Description
技术领域
[0001] 本发明属于快速成型技术领域，更具体地，涉及一种梯度零件的电磁柔性复合熔 积直接制备成形方法。
背景技术
[0002] 金属零件的増材制造方法主要包括激光烧结法、激光熔融法、电子束熔融法以及 电弧熔融法等。增材制造是采取高能束加工与数控技术相结合，计算机将三维CAD模型分 层处理，采用分层堆积的方法将丝材或粉末在工作台上逐层堆积，最后得到最终的三维金 属实体零件。采用增材制造技术可大大缩短研制和生产周期，节约成本，提高材料利用率。 该技术还可用来修复和强化已损伤零件，不受形状、材料等因素制约，目前已越来越被航 空航天等领域所重视。
[0003] 对于高温合金零件、合金刀具零件等，材料的磨损、腐蚀等破坏大都发生在表面， 因此要求零件表层组织细密，硬度高，耐磨性好；同时又要求零件心部韧性好，耐冲击；传 统制造方法往往是采用金属零件熔覆涂层的方法，采用表面技术提高材料的性能，对涂层 强度、硬度、厚度及结合强度也提出了很高的要求；常用的表面处理技术有电镀、气相沉积、 喷涂（焊）、熔覆等，其中应用最为广泛的是激光熔覆技术，其具有沉积率高、能量输入低等 优点，但存在工艺复杂、成本高等问题。
[0004] 表面处理技术存在以下主要问题：（1)零件成形过程与表面处理过程相分离，制 造工艺复杂、流程长，成本高；（2)局限于制造简单的梯度组织变化的金属零件，对于增强 相与基体材料的物理化学性质差异大的制件，难以按设计来控制材料成分与组织呈梯度分 布，以致无法制造面向使役条件的三维复杂梯度组织材料的高性能零件。
[0005] 中国专利说明书CN102974928A公开了一种航空铝合金表面熔敷成形层的快速 成形方法，采用了的10~25A,磁场频率10~20Hz的磁控MIG焊的方法实现表面熔 敷，所得熔敷组织细化、力学性能良好，气孔和氧化夹杂小，摩擦性能优异、熔敷层磨损量 < 5X KT4cm3。这种磁控的表面熔敷成形层的快速成形方法实现了熔敷层的性能提升，但其 选用的参数和方法只具备一种材料的针对性，不具备通用性。
[0006] 中国专利说明书CN104190930A公开了一种同质功能梯度材料及结构的激光增材 制造方法，将不同的功能映射为不同的温度，将不同的温度作为边界条件分别施加在三维 模型的不同部位，利用三维有限元方法计算模型的热传导方程，获得内部的温度梯度分布， 即模型的温度场，在切片时获得每一层上的平面等温线，从而控制激光扫描路径，实现获得 同质功能梯度结构。这种同质功能梯度材料及结构的激光增材制造方法只考虑将温度与功 能映射，只能实现同质的能梯度和结构的零件，未能控制组织的梯度分布以及材料梯度的 一体化。
发明内容
[0007] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种梯度零件的电磁柔性 复合熔积直接制备成形方法，其采用CAD/CAM软件确立零件组织和材料的梯度分布，结合 电-磁-热力多物理场耦合控制，实现新型梯度组织与梯度材料零件形状和微观组织的一 体化制造。
[0008] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制 备成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0009] (1)建模：建立零件的几何三维模型，根据零件的机械和力学性能要求，并在几何 三维模型中确定相应的材料梯度分布和组织梯度分布，即将三维模型的几何位置与材料的 梯度分布、组织的梯度分布通过空间坐标关系进行关联，形成一个空间综合模型；
[0010] (2)切片和生成数控代码：对步骤（1)形成的空间综合模型进行分层切片处理，然 后根据各层的形状、尺寸、材料的梯度分布和组织的梯度分布特点进行成形路径规划，生成 各层的快速成形所需的数控代码，所述数控代码包含路径的空间坐标信息，以及材料成分、 组织分别与空间坐标的关系；
[0011] (3)电磁特性反求：建立材料的梯度分布、组织的梯度分布与外加在零件上的电 磁扰动的映射关系；然后根据步骤（2)中得到的数控代码中各层的材料分布、组织分布信 息，以及零件性能要求，并通过上述映射关系反求外加的磁极分布和励磁电流特性；其中， 通过外加在零件上的磁极的分布和/或励磁电流特性来实现反应映射关系的电磁干扰；
[0012] (4)熔积成形：根据步骤（3)得到的磁极分布和/或励磁电流特性，布置相应的磁 极和/或电磁线圈，然后熔化成分材料的丝材或粉末，并按照步骤（2)生成的各层的数控代 码，逐层熔积成形；上述的各种成分材料是按照步骤（2)的数控代码中材料分布信息配给， 组织分布控制是按照步骤（3)中反求结果实施电磁扰动进行实时控制。
[0013] 优选地，步骤（4)中，进行电磁扰动的磁场为静态和/或低频和/或高频交变磁 场，以实现零件组织的细化、粗化和晶粒取向控制以及各种金属相的分布调控。
[0014] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0015] 1)本发明采用CAD/CAM软件确立零件组织和材料的梯度分布，结合电-磁-热力 多物理场耦合控制，诱导晶粒生长方向，控制结晶形态、晶粒度，使晶粒大小、组织形态与成 分分布接近最优设计的状态，实现新型梯度组织与梯度材料零件形状和微观组织的一体化 制造；
[0016] 2)本发明提供的电磁场仅作用于熔池及附近的局部区域，远小于现有电磁约束熔 体自由成形技术电磁场作用的体积，既能按设计自由调控梯度组织与梯度材料一体化零 件的组织特征和成分的空间分布、改善成形性，又可避免设备体积和成本的显著增加，污染 小，是高质量、短流程、低成本的难加工FGM零件的无模直接成形技术；
[0017] 3)用于成形过程中的磁极的数量、位置和磁场特性以及相应的励磁电流特性是根 据零件的组织梯度要求和电磁场耦合特性进行反求的得到的，因此对熔积区域电磁调控是 精确的、主动控制的。
附图说明
[0018] 图1为利用电磁线圈和铁心对熔积成形过程施加横向磁场示意图
[0019] 图2为利用电磁线圈和铁心对熔积成形过程施加纵向磁场示意图
[0020] 图3为利用永磁体对熔积成形过程施加横向磁场示意图 [0021 ] 图4为利用永磁体对熔积成形过程施加纵向磁场示意图
[0022] 图5为利用多组电磁线圈和铁心对熔积成形过程施加多向或者多类型磁场组合 示意图
[0023] 图中，1-基板，2-横向磁场线圈，3-铁心，4-恪积热源，5-纵向磁场线圈，6-横向 磁场永磁体块，7-纵向磁场永磁体环。
具体实施方式
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025] -种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，包括以下步骤：
[0026] (1)建模：运用功能梯度材料CAD/CAM软件建立零件的几何三维模型，并根据零件 的机械和力学性能要求，在几何三维模型中确定材料的梯度分布和组织的梯度分布，即将 三维模型的几何位置与材料梯度分布、组织梯度分布通过空间坐标关系进行关联，形成一 个空间综合模型。
[0027] 对于上述关联处理的步骤，可以采用本领域各种适当的处理方式，因此在此不再 赘述。此外，为了提高自动化处理，也可以采用本发明所使用的CAD/CAM软件，其代码请参 考登记号为2013SR071506的计算机软件著作权，使用此软件能实现在几何三维模型中关 联材料的梯度分布、组织的梯度分布；三维模型可以看做是点阵，那么每个位置对应有一个 三维坐标，每个坐标位置的材料信息和组织结构信息可以和这个坐标对应，这样就建立了 几何空间、材料空间和组织结构的统一；
[0028] (2)切片和生成数控代码：对步骤（1)形成的空间综合模型进行分层切片处理，然 后根据各层的形状、尺寸、材料的梯度分布和组织的梯度分布特点进行成形路径规划，生成 各层的快速成形所需的数控代码，所述数控代码包含路径的空间坐标信息，以及材料成分、 组织成分与空间坐标的关系；此步可以得到熔积热源的行走路径，以及各层上具体位置处 的材料和组织分布情况；
[0029] (3)电磁特性反求：建立材料的梯度分布、组织的梯度分布与外加在零件上的电 磁扰动的映射关系；此映射关系可以通过仿真，以及使用神经网络训练、实验数据及经验等 方式获得，并建立相关的专家数据库；然后根据步骤（2)中得到的数控代码中各层的材料 分布、组织分布信息和零件性能要求，并通过上述映射关系反求外加的磁极分布和励磁电 流特性；其中，电磁扰动通过外加在零件上的磁极的分布和/或励磁电流特性实现；上述的 电磁扰动为对熔池的热扰动和/或磁扰动，这种扰动可以得到预定的组织梯度分布；
[0030] (4)熔积成形：根据步骤（3)得到的磁极分布和/或励磁电流特性，布置相应的磁 极和/或电磁线圈，然后采用气保焊电弧或激光束熔化成分材料的丝材或粉末，并按照步 骤（2)生成的各层的数控代码，逐层熔积成形；上述的各种成分材料是按照步骤（2)的数控 代码中材料分布信息配给，组织分布控制是是按照步骤（3)中反求结果实施电磁扰动进行 实时控制。
[0031] 进一步，步骤（4)中，进行电磁扰动的磁场为静态和/或低频和/或高频交变磁 场，以实现零件组织的细化、粗化和晶粒取向控制以及各种金属相的调控。静态的磁场可以 由永磁体产生，低频和/或高频交变磁场可以由电磁线圈产生。利用成分材料磁化率各向 异性的特点以及母相和生成相的磁矩差，不同组织和材料对磁场力和热感应不同的特点， 在控制材料分布的同时现成形组织分布梯度变化和晶粒取向控制，实现梯度组织与梯度材 料零件的几何成形和微观组织控制一体化，使得成形件能达到所期望的机械和力学性能。
[0032] 为了满足不同成形区域梯度组织控制对电磁特性的要求，用于成形过程中的磁极 的数量、位置和磁场特性以及相应的励磁电流特性是根据零件的组织梯度要求和电磁场耦 合特性进行反求的，磁控特性是完全精确的、主动控制的。
[0033] 以下结合不同的加工设备来阐述加工过程。
[0034] 参照图1，在电弧或激光熔积成形梯度组织零件过程中，采用横向磁场线圈2和铁 心3产生的、与热源4移动方向垂直的磁场，横向磁场线圈2通过的电流可以是恒定、低频 交变或高频交变的，电流大小和频率由步骤（3)所述反求的电流特性决定。
[0035] 参照图2,在电弧或激光熔积成形梯度组织零件过程中，采用与熔积热源4发出的 高能束轴向平行的纵向磁场线圈5,纵向线圈5产生纵向磁场，纵向磁场线圈5通过的电流 可以是恒定、低频交变或高频交变的，电流大小和频率由步骤（3)所述反求的电流特性决 定。
[0036] 参照图3,在电弧或激光熔积成形梯度组织零件过程中，采用两侧对称安装的永磁 体块6在熔池区域产生横向恒定磁场，永磁铁块6采用Y30铁氧体永磁铁，其物理特性如下 表1。
[0037] 表1铁氧体永磁铁参数
[0039] 参照图4,在电弧或激光熔积成形梯度组织零件过程中，采用轴向与高能束轴向重 合的永磁体环7在熔池区域产生纵向恒定磁场，永磁铁环采用Y30铁氧体永磁铁，永磁铁的 物理特性如表1。
[0040] 参照图5,在电弧或激光熔积成形梯度组织零件过程中，采用多组横向磁场线圈2 和铁心3产生作用于热源和熔池的多向或者多类型组合的磁场，横向磁场线圈2施加的励 磁电流可以是恒定、低频交变或高频交变的或者是根据需要多种类型电流组合的实时动态 控制的，具体的特性由步骤（3)所述反求的电流特性决定，铁心3的大小以及角度可以根据 计算需要调节。
[0041] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1. 一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，其特征在于：包括以下步 骤： (1) 建模：建立零件的几何三维模型，根据零件的机械和力学性能要求，并在几何三维 模型中确定相应的材料梯度分布和组织梯度分布，即将三维模型的几何位置与材料的梯度 分布、组织的梯度分布通过空间坐标关系进行关联，形成一个空间综合模型； (2) 切片和生成数控代码：对步骤（1)形成的空间综合模型进行分层切片处理，然后根 据各层的形状、尺寸、材料的梯度分布和组织的梯度分布特点进行成形路径规划，生成各层 的快速成形所需的数控代码，所述数控代码包含路径的空间坐标信息，以及材料成分、组织 分别与空间坐标的关系； (3) 电磁特性反求：建立材料的梯度分布、组织的梯度分布与外加在零件上的电磁扰 动的映射关系；然后根据步骤（2)中得到的数控代码中各层的材料分布、组织分布信息，以 及零件性能要求，并通过上述映射关系反求外加的磁极分布和励磁电流特性；其中，通过外 加在零件上的磁极的分布和/或励磁电流特性来实现反应映射关系的电磁干扰； (4) 熔积成形：根据步骤（3)得到的磁极分布和/或励磁电流特性，布置相应的磁极和 /或电磁线圈，然后熔化成分材料的丝材或粉末，并按照步骤（2)生成的各层的数控代码， 逐层熔积成形；上述的各种成分材料是按照步骤（2)的数控代码中材料分布信息配给，组 织分布控制是是按照步骤（3)中反求结果实施电磁扰动进行实时控制。
2. 权利要求1所述的一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法，其特征在 于：步骤（4)中，进行电磁扰动的磁场为静态和/或低频和/或高频交变磁场，以实现零件 组织的细化、粗化和晶粒取向控制以及各种金属相的分布调控。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510386551.0A CN104959601B (zh) | 2015-07-03 | 2015-07-03 | 一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510386551.0A CN104959601B (zh) | 2015-07-03 | 2015-07-03 | 一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104959601A true CN104959601A (zh) | 2015-10-07 |
| CN104959601B CN104959601B (zh) | 2017-11-28 |
Family
ID=54213778
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510386551.0A CN104959601B (zh) | 2015-07-03 | 2015-07-03 | 一种梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104959601B (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105364073A (zh) * | 2015-12-21 | 2016-03-02 | 西安电子科技大学 | 基于磁场调控的3d金属打印系统 |
| CN105499570A (zh) * | 2015-12-25 | 2016-04-20 | 吉林大学 | 一种在交变磁场中金属陶瓷功能梯度零件的3d打印方法 |
| CN105921851A (zh) * | 2016-06-01 | 2016-09-07 | 西安铂力特激光成形技术有限公司 | 一种不锈钢零件弧焊增材制造方法 |
| CN105945281A (zh) * | 2016-05-09 | 2016-09-21 | 华中科技大学 | 零件与模具的熔积成形加工制造方法 |
| CN109128435A (zh) * | 2018-08-20 | 2019-01-04 | 南京理工大学 | 磁场控制式电弧机器人增材制造方法 |
| CN110181805A (zh) * | 2019-06-03 | 2019-08-30 | 吉林大学 | 一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3d打印方法 |
| CN110802304A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-02-18 | 华中科技大学 | 一种电磁辅助电弧增材制造成形装置及方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020023008A1 (en) * | 2018-07-23 | 2020-01-30 | Siemens Energy, Inc. | Method to enhance geometric resolution in arc and high deposition additive manufacturing |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110236713A1 (en) * | 2010-03-26 | 2011-09-29 | Diamorph Ab | Functionally graded material shape and method for producing such a shape |
| CN102240860A (zh) * | 2011-04-26 | 2011-11-16 | 罗键 | 梯度材料模具制造方法及设备 |
| CN202052935U (zh) * | 2011-04-15 | 2011-11-30 | 华中科技大学 | 一种激光感应复合熔化直接成形装置 |
| CN102350566A (zh) * | 2011-09-06 | 2012-02-15 | 华中科技大学 | 一种制备梯度功能材料的方法 |
| CN102962451A (zh) * | 2012-10-22 | 2013-03-13 | 华中科技大学 | 多功能梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法 |
| CN102240861B (zh) * | 2011-04-26 | 2013-07-03 | 重庆大学 | 梯度功能结构制造方法及设备 |
-
2015
- 2015-07-03 CN CN201510386551.0A patent/CN104959601B/zh active IP Right Grant
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110236713A1 (en) * | 2010-03-26 | 2011-09-29 | Diamorph Ab | Functionally graded material shape and method for producing such a shape |
| CN202052935U (zh) * | 2011-04-15 | 2011-11-30 | 华中科技大学 | 一种激光感应复合熔化直接成形装置 |
| CN102240860A (zh) * | 2011-04-26 | 2011-11-16 | 罗键 | 梯度材料模具制造方法及设备 |
| CN102240861B (zh) * | 2011-04-26 | 2013-07-03 | 重庆大学 | 梯度功能结构制造方法及设备 |
| CN102350566A (zh) * | 2011-09-06 | 2012-02-15 | 华中科技大学 | 一种制备梯度功能材料的方法 |
| CN102962451A (zh) * | 2012-10-22 | 2013-03-13 | 华中科技大学 | 多功能梯度零件的电磁柔性复合熔积直接制备成形方法 |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105364073A (zh) * | 2015-12-21 | 2016-03-02 | 西安电子科技大学 | 基于磁场调控的3d金属打印系统 |
| CN105364073B (zh) * | 2015-12-21 | 2017-05-10 | 西安电子科技大学 | 基于磁场调控的3d金属打印系统及其打印方法 |
| CN105499570A (zh) * | 2015-12-25 | 2016-04-20 | 吉林大学 | 一种在交变磁场中金属陶瓷功能梯度零件的3d打印方法 |
| CN105945281A (zh) * | 2016-05-09 | 2016-09-21 | 华中科技大学 | 零件与模具的熔积成形加工制造方法 |
| CN105921851A (zh) * | 2016-06-01 | 2016-09-07 | 西安铂力特激光成形技术有限公司 | 一种不锈钢零件弧焊增材制造方法 |
| CN109128435A (zh) * | 2018-08-20 | 2019-01-04 | 南京理工大学 | 磁场控制式电弧机器人增材制造方法 |
| CN110181805A (zh) * | 2019-06-03 | 2019-08-30 | 吉林大学 | 一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3d打印方法 |
| CN110181805B (zh) * | 2019-06-03 | 2020-12-01 | 吉林大学 | 一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3d打印方法 |
| CN110802304A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-02-18 | 华中科技大学 | 一种电磁辅助电弧增材制造成形装置及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104959601B (zh) | 2017-11-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sun et al. | Selective laser melting of stainless steel 316L with low porosity and high build rates | |
| Iveković et al. | Selective laser melting of tungsten and tungsten alloys | |
| Sun et al. | Simultaneously enhanced strength and ductility for 3D-printed stainless steel 316L by selective laser melting | |
| Galati et al. | A literature review of powder-based electron beam melting focusing on numerical simulations | |
| Shi et al. | Effects of laser processing parameters on thermal behavior and melting/solidification mechanism during selective laser melting of TiC/Inconel 718 composites | |
| Zhai et al. | Additive manufacturing: making imagination the major limitation | |
| CN105102160B (zh) | 选择性激光固化设备和方法 | |
| Körner | Additive manufacturing of metallic components by selective electron beam melting—a review | |
| CN107130124B (zh) | 一种增材制造技术成形高熵合金的方法 | |
| US20170182595A1 (en) | Composition and method for fusion processing aluminum alloy | |
| JP6553039B2 (ja) | 磁性材料及びその製造方法 | |
| Karunakaran et al. | Rapid manufacturing of metallic objects | |
| Dutta et al. | The additive manufacturing (AM) of titanium alloys | |
| CN105339114B (zh) | 用于增材制造的方法和装置 | |
| Duda et al. | 3D metal printing technology | |
| CN104136149B (zh) | 用于制备具有改进性质的三维制品的方法和装置 | |
| Xu et al. | Wear and corrosion resistance of laser cladding AISI 304 stainless steel/Al2O3 composite coatings | |
| JP2016014188A (ja) | 繊維強化を用いた付加製造方法及びシステム | |
| JP2014169500A (ja) | ハイブリッド部品の製造方法 | |
| US10479010B2 (en) | Metal product having internal space formed therein and method of manufacturing thereof | |
| EP2891533B1 (en) | Apparatus and method for adjusting and controlling the stacking-up layer manufacturing | |
| Tan et al. | Selective laser melting of high-performance pure tungsten: parameter design, densification behavior and mechanical properties | |
| Kudzal et al. | Effect of scan pattern on the microstructure and mechanical properties of powder bed fusion additive manufactured 17-4 stainless steel | |
| WO2018091000A1 (zh) | 一种适用于零件与模具的复合增材制造方法 | |
| CN101678570B (zh) | 用于聚合物成型的模塑设备和方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |