CN106041073A - 采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的方法和设备，方法包括打开等离子束熔积直接成形控制系统，调整或输入各种所需要的工况参数，其中包含等离子束电源和执行机构工艺参数；检查并打开等离子束电源系统备用；执行机构工作；根据熔积直接成形加工需要调整回转工作台工位至下一个工作位置。本发明提供了一种短流程、环保、精密、低成本的采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的方法和设备。

Description

采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的方法和设备。
背景技术
增材制造技术，又称为3D打印技术，是通过CAD辅助设计数据，经过编程后形成CNC加工数据将材料逐层堆积的方法直接制造出实体零件的一种先进技术，实现了“三维设计”“自由成形”的新技术，目前广泛应用于新产品开发、小批量复杂零件的生产。
金属增材制造技术的热源：
金属增材制造方法根据高能束热源不同分为：激光、电子束、等离子束三大熔积热源。
增材制造技术的金属沉积成形方法（正在研究开发的），主要分为两种：
送粉式增材制造；送丝式增材制造。
目前国内外主要还是送粉式增材制造为主。
送粉式增材制造的主要优点是：尺寸精度良好，沉积零件致密、均匀。缺点是：金属粉末利用率极低（仅20%~30%），对金属粉末氧含量要求高，粉末难于控制，易造成污染。
送丝式增材制造则具有良好的材料利用率（60%~85%以上），成本低，直接成形速度快。缺点是：精密度低，部分还需要二次加工。
丝基增材制造目前研究开发的热源利用的是激光、电子束等方法：
激光电子束填丝增材制造方法，虽然能量密度高，较小的热影响区，过程控制性强，成形精度较高，但设备昂贵，热能还不足以以丝基材料作为增材。
发明内容
本发明的目的在于提供一种短流程、环保、精密、低成本的采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的方法和设备。
本发明的技术解决方案是：
一种采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的方法，其特征是：包括下列步骤：
（1）打开等离子束熔积直接成形控制系统，调整或输入各种所需要的工况参数，其中包含等离子束电源和执行机构工艺参数；
（2）检查并打开等离子束电源系统备用；
（3）执行机构工作过程：
<1>预热等离子工位对金属基板进行预热到规定温度；
<2>熔积成形工位根据等离子束熔积直接成形控制系统的规划路径和分层熔积成形工艺开始工作：等离子束开始工作、送丝/棒机构按规定参数送丝/棒，按编辑程序路径逐层熔积成形；
<3>保温/冷却工位根据金属直接成形要求和等离子束熔积直接成形控制系统和过程监控的反馈工况对已熔积成形的部位进行保温或冷却；
<4>根据等离子束熔积直接成形控制系统或测控反馈系统的工艺参数编辑路径和分层工艺反复进行熔积成形到所需要参数的零件；
（4）根据熔积直接成形加工需要调整回转工作台工位至下一个工作位置。
根据熔积直接成形的加工需要金属梯度功能材料的，金属梯度功能材料工位根据预先编辑的程序加入其中，参与熔积直接成形的工作。
一种采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的设备，其特征是：包括下列组成部分：
（1）使金属熔积成形的高温等离子束和电源集中控制系统；
（2）一套等离子束熔积直接成形控制系统，包含：三维CAD等工作软件工艺参数输入；加工路径和分层工艺输入/输出；送丝/棒工况的输入/输出；熔积成形的温度控制输出/输入；基板、增材温度控制输入/输出；增材成形中的过程监控和反馈系统；三轴/多轴机械手联动计算机控制器；
（3）至少一台三轴/多轴机械手，用于操作等离子束和送丝/棒按照分层加工路径、金属丝/棒在等离子束高温熔积堆积逐层生长的执行机构；
（4）至少一台三轴/多轴机械手，用于操作金属熔积前的基板和材料预热的执行机构；
（5）至少一台三轴/多轴机械手，用于操作金属熔积后的材料保温和冷却的执行机构；
（6）一台可以回转配合金属熔积成形过程和等离子束熔积直接成形控制系统联动的伺服回转工作台；
（7）一套自动控制并对过程实时监测反馈的等离子熔积成形系统。
所述自动控制并对过程实时监测反馈的等离子熔积成形系统具有基板温度控制调节及熔积成形的熔池前、后实时温度动态观测与反馈功能。
还具有一套用于梯度功能材料金属熔积直接成形的、和等离子束熔积直接成形控制系统联动的三轴以上机械手和配套的执行机构。
本发明是采用非转移弧的等离子束产生的热源配合送丝/棒机构、预热、保温、冷却、工况反馈、自动控制系统等机构，逐层堆积熔积成形的一种金属增材制造技术工艺和设备。
等离子熔积直接成形技术是属于增材制造（3D打印）的一种原创新工艺，它是直接基于机械零件的三维CAD等软件模型，在三大高能束（激光、电子束、等离子束）之一的等离子束热源的作用下，按照分层的加工路径，丝/棒熔积堆积逐层生长，最终形成满密度的金属构件或零件，还可以通过改变局部金属丝/棒的材料成分的方法，加工成梯度功能材料的金属构件或零件。
用本发明成形的精密构件或零件再经过后续固融等热处理方式和小余量加工即可制造出高质量的金属构件和零件。
本发明是一种金属构件和零件短流程、环保、精密、柔性数字化、低成本的金属增材制造新技术。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的设备的示意图。
具体实施方式
一种采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的方法，其特征是：包括下列步骤：
（1）打开等离子束熔积直接成形控制系统2，调整或输入各种所需要的工况参数，其中包含等离子束电源和执行机构工艺参数；
（2）检查并打开等离子束电源系统1备用；
（3）执行机构工作过程：
<1>预热等离子工位4对金属基板进行预热到规定温度；
<2>熔积成形工位3根据等离子束熔积直接成形控制系统的规划路径和分层熔积成形工艺开始工作：等离子束开始工作、送丝/棒机构按规定参数送丝/棒，按编辑程序路径逐层熔积成形；
<3>保温/冷却工位5根据金属直接成形要求和等离子束熔积直接成形控制系统和过程监控的反馈工况对已熔积成形的部位进行保温或冷却；
<4>根据等离子束熔积直接成形控制系统2或测控反馈系统7的工艺参数编辑路径和分层工艺反复进行熔积成形到所需要参数的零件；
（4）根据熔积直接成形加工需要调整回转工作台6工位至下一个工作位置。
根据熔积直接成形的加工需要金属梯度功能材料的，金属梯度功能材料工位8根据预先编辑的程序加入其中，参与熔积直接成形的工作。
一种采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的设备，包括下列组成部分：
（1）使金属熔积成形的高温等离子束和电源集中控制系统；
（2）一套等离子束熔积直接成形控制系统，包含：三维CAD等工作软件工艺参数输入；加工路径和分层工艺输入/输出；送丝/棒工况的输入/输出；熔积成形的温度控制输出/输入；基板、增材温度控制输入/输出；增材成形中的过程监控和反馈系统；三轴/多轴机械手联动计算机控制器；
（3）至少一台三轴/多轴机械手，用于操作等离子束和送丝/棒按照分层加工路径、金属丝/棒在等离子束高温熔积堆积逐层生长的执行机构；
（4）至少一台三轴/多轴机械手，用于操作金属熔积前的基板和材料预热的执行机构；
（5）至少一台三轴/多轴机械手，用于操作金属熔积后的材料保温和冷却的执行机构；
（6）一台可以回转配合金属熔积成形过程和等离子束熔积直接成形控制系统联动的伺服回转工作台；
（7）一套自动控制并对过程实时监测反馈的等离子熔积成形系统。
所述自动控制并对过程实时监测反馈的等离子熔积成形系统具有基板温度控制调节及熔积成形的熔池前、后实时温度动态观测与反馈功能。
还具有一套用于梯度功能材料金属熔积直接成形的、和等离子束熔积直接成形控制系统联动的三轴以上机械手和配套的执行机构。
本发明是采用非转移弧的等离子束产生的热源配合送丝/棒机构、预热、保温、冷却、工况反馈、自动控制系统等机构，逐层堆积熔积成形的一种金属增材制造技术工艺和设备。
等离子熔积直接成形技术是属于增材制造（3D打印）的一种原创新工艺，它是直接基于机械零件的三维CAD等软件模型，在三大高能束（激光、电子束、等离子束）之一的等离子束热源的作用下，按照分层的加工路径，丝/棒熔积堆积逐层生长，最终形成满密度的金属构件或零件，还可以通过改变局部金属丝/棒的材料成分的方法，加工成梯度功能材料的金属构件或零件。

Claims (5)

1.一种采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的方法，其特征是：包括下列步骤：
（1）打开等离子束熔积直接成形控制系统，调整或输入各种所需要的工况参数，其中包含等离子束电源和执行机构工艺参数；
（2）检查并打开等离子束电源系统备用；
（3）执行机构工作过程：
<1>预热等离子工位对金属基板进行预热到规定温度；
<2>熔积成形工位根据等离子束熔积直接成形控制系统的规划路径和分层熔积成形工艺开始工作：等离子束开始工作、送丝/棒机构按规定参数送丝/棒，按编辑程序路径逐层熔积成形；
<3>保温/冷却工位根据金属直接成形要求和等离子束熔积直接成形控制系统和过程监控的反馈工况对已熔积成形的部位进行保温或冷却；
<4>根据等离子束熔积直接成形控制系统或测控反馈系统的工艺参数编辑路径和分层工艺反复进行熔积成形到所需要参数的零件；
（4）根据熔积直接成形加工需要调整回转工作台工位至下一个工作位置。
2.根据权利要求1所述的采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的方法，其特征是：根据熔积直接成形的加工需要金属梯度功能材料的，金属梯度功能材料工位根据预先编辑的程序加入其中，参与熔积直接成形的工作。
3.一种采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的设备，其特征是：包括下列组成部分：
（1）使金属熔积成形的高温等离子束和电源集中控制系统；
（2）一套等离子束熔积直接成形控制系统，包含：三维CAD等工作软件工艺参数输入；加工路径和分层工艺输入/输出；送丝/棒工况的输入/输出；熔积成形的温度控制输出/输入；基板、增材温度控制输入/输出；增材成形中的过程监控和反馈系统；三轴/多轴机械手联动计算机控制器；
（3）至少一台三轴/多轴机械手，用于操作等离子束和送丝/棒按照分层加工路径、金属丝/棒在等离子束高温熔积堆积逐层生长的执行机构；
（4）至少一台三轴/多轴机械手，用于操作金属熔积前的基板和材料预热的执行机构；
（5）至少一台三轴/多轴机械手，用于操作金属熔积后的材料保温和冷却的执行机构；
（6）一台可以回转配合金属熔积成形过程和等离子束熔积直接成形控制系统联动的伺服回转工作台；
（7）一套自动控制并对过程实时监测反馈的等离子熔积成形系统。
4.根据权利要求3所述的采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的设备，其特征是：所述自动控制并对过程实时监测反馈的等离子熔积成形系统具有基板温度控制调节及熔积成形的熔池前、后实时温度动态观测与反馈功能。
5.根据权利要求3或4所述的采用等离子束熔积直接成形的金属增材制造的设备，其特征是：还具有一套用于梯度功能材料金属熔积直接成形的、和等离子束熔积直接成形控制系统联动的三轴以上机械手和配套的执行机构。
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