CN106180710A - 基于等离子体电弧熔覆的3d金属增材制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置及方法，该装置包括：金属基体；以及金属丝，所述金属基体与金属丝分别连接有电源，两者之间形成高电压，所述高电压击穿金属基体与金属丝之间的空气产生等离子体电弧放电，使得金属基体形成熔池，金属丝熔化，在重力和电磁力作用下，金属丝熔化后掉入熔池而融于金属基体，使得金属基体增长。本装置直接利用等离子体电弧熔覆金属丝达到增材制造的目的，具有体积小、成本低、速度快，以及材料制备简单、金相成长方向可控、后处理工艺简单的优点。
Description
技术领域
本发明涉及3D金属增材制造，具体地指一种基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置及方法，属于3D打印技术领域。
背景技术
随着3D打印技术及3D金属增材制造技术的发展，使得3D金属增材制造技术的应用越来越广泛。而目前3D金属增材制造主要采用激光熔覆和电子束熔覆技术，虽然这些技术在逐步走向成熟，产品性能较好，但也存在技术复杂、体积庞大、制造成本高、打印速度较慢等不足，使得3D金属增材制造产品价格昂贵，在一定程度上阻碍了这些先进制造技术的推广应用，主要表现在：(1)原材料是金属合金粉末，高品质金属粉末制备技术复杂，主要依赖国外产品。(2)热源是大功率激光，技术复杂，设备成本高，能量利用效率低。(3)工艺技术要求及工序复杂，激光烧结前先要配比、混合及均匀铺粉，烧结后要高温析出辅助焊剂和浸入金属改性材料等复杂工艺。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提出一种基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置及方法，直接利用等离子体电弧熔覆金属丝达到增材制造的目的，具有体积小、成本低、速度快，以及材料制备简单、金相成长方向可控、后处理工艺简单的优点。
实现本发明目的采用的技术方案是一种基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置及方法，该装置包括：
金属基体；以及
金属丝，所述金属基体与金属丝施加有高电压，所述高电压击穿金属基体与金属丝之间的空气产生等离子体电弧放电，使得金属基体形成熔池，金属丝熔化后覆盖在在金属基体上形成金属增材点。
此外，本发明还提供一种基于等离子体电弧熔覆的增材制造方法，该方法包括：
将金属基体与金属丝之间施加高电压，高电压击穿金属基体与金属丝之间的空气产生等离子体电弧放电，使得金属基体形成熔池，金属丝熔化，在重力和电磁力作用下，金属丝熔化后掉入熔池而融于金属基体，使得金属基体增长。
本发明装置实现3D金属增材的原理是：金属基体和金属丝两电极之间加适当高电压会击穿两电极间空气产生等离子体电弧放电，其温度极高，会熔化两电极，其中一个电极——金属基体上会形成熔池，而另一电极——金属丝则会熔化，在重力和电磁力作用下，金属丝熔化后掉入熔池而融于金属基体；同时会因金属丝熔断后电流通路断了而自动产生所需适当高电压，形成可控连续增材制造技术。
本发明具有以下优点：
1、增材制造的材料不一样，现有基于激光和电子束技术的金属增材制造的原材料是金属粉末，而本发明的增材制造的原材料是金属丝，原材料制备简单。
2、直接利用电能熔化导电金属基及合金丝类材料，能量利用效率高。
3、设备环境要求低，非特殊材料成型要求可以不做特殊净室要求。
附图说明
图1为基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置结构框图。
图2为本发明所用一种优选高电压发生电路的电路图。
图3为本发明所用另一种优选高电压发生电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置包括四部分：其一是3D平台控制系统2，包括人机交互系统5、XY水平面2D随动系统6、Z轴垂直随动系统7等，可以在现有3D打印装置基础上改造，完成人机对话、模型输入、3维移动控制等功能。其二是送丝系统3，包括送丝机构8、送气机构9、送电机构10、出丝机构11等，完成送丝、送电、送气和出丝等功能。其三是电源系统4，包括大功率开关电源12、高电压发生电路13等，完成供应电力、产生高电压等功能。其四是温度传感器测量控制系统，完成金属基体和熔池温度的测量保持，以便于金属金相形成，保持金属材料的机械性能。下面分别对各个部件分别进行说明：
人机交互系统5：包括计算机33、显示器34、键盘35、鼠标36、接口电路37等，完成人机对话、模型输入等功能，自动完成基于三维机械设计软件的模型输入、模型切片、材料打印预设区域控制等。人机交互系统5可以通过现有技术实现，此处不再赘述。
XY水平面2D随动系统6：包括X轴移动及控制机构和Y轴移动及控制机构等，控制出丝机构11按模型切片输入在XY水平面区域移动。
Z轴垂直随动系统7：包括Z轴移动及控制机构、制造平台等，控制金属基体和制造平台在Z轴垂直方向按模型切片输入厚度区域移动。金属基体放置于制造平台上表面。
送丝机构8：包括放丝平台14、送丝管道15、送丝电机16、控制器32等，金属丝环绕在放丝平台14上，控制器32控制送丝电机16转动放丝平台14，把金属丝31沿送丝管道15顺利送到出丝机构11。
送气机构9：包括气源17、喷气阀18及其控制器19、输气管20等，控制器19控制喷气阀18的开度，把气源17中的保护气体沿输气管20顺利送到出丝机构11。
送电机构10：包括电缆21、控制开关22等，控制开关22控制大功率开关电源12的电通过电缆21能顺利送到出丝机构11。
出丝机构11：又称为“打印头”，包括进丝口23、进气口24、进电端25、出丝口26、出气口27、拉丝轮28、压丝轮29、上电装置30、控制电机38、弹簧39等，拉丝轮28是主动轮，由控制电机38拖动，压丝轮29受弹簧39推力接近拉丝轮28，上电装置30把来自大功率开关电源12的电能加到金属丝31上，送丝管道15输出的金属丝31被拉丝轮28和压丝轮29夹住，控制电机驱动拉丝轮28转动，从而实现把金属丝31顺利送出出丝口26，金属丝31熔化后受到出气口27喷出气体的保护而不被氧化。出丝口26采用陶瓷等耐高温材料。
大功率开关电源12：提供足够电能熔化金属丝。
高电压发生电路13：包括储能电感40和高压电容41等。本实施例提供一种大功率开关电源12与高电压发生电路13之间的电路，如图2所示，大功率开关电源12的两极分别与金属丝31和金属基体42连接，储能电感40连接在大功率开关电源12与金属丝31之间，高压电容41的两端分别与金属丝31和金属基体42连接。大功率开关电源12经金属丝31给储能电感40充电，在金属丝熔断瞬间，对高压电容41谐振充电产生高电压，在金属丝31和金属基体42之间产生等离子体电弧，接通电路，进而熔化出丝口26外的金属丝，在重力和电磁力作用下，金属丝31熔化后掉入熔池而融于金属基体42；同时会因金属丝31熔断后电流通路断了而自动产生所需适当高电压，通过该电路能够实现自动对金属丝31与金属基体4加高电压，上述过程循环出现，实现可控连续的增材制造。
作为改进，本发明所用高电压发生电路13也可以采用升压变压器产生高电压，包括充电二极管、充电电感、储能电容、放电开关及其控制电路、升压变压器等，如图3所示。升压变压器次级串联在大功率开关电源12和金属丝31之间。大功率开关电源12通过充电二极管和充电电感对储能电容充电。适时控制放电开关导通，储能电容通过放电开关对升压变压器初级放电，在升压变压器次级产生适当的高电压，去击穿金属丝与金属基体之间的空气。
Claims (10)
1.一种基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置，其特征在于，包括：
金属基体；以及
金属丝，所述金属基体与金属丝施加有高电压，所述高电压击穿金属基体与金属丝之间的空气产生等离子体电弧放电，使得金属基体形成熔池，金属丝熔化后覆盖在在金属基体上形成金属增材点。
2.根据权利要求1所述基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置，其特征在于：所述高电压以当前产生的金属增材点与制造下一个增材点的时间间隔周期性的施加于金属基体与金属丝之间。
3.根据权利要求2所述基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置，其特征在于：还包括出丝机构，所述出丝机构包括拉丝轮、压丝轮、控制电机和弹簧；所述拉丝轮和压丝轮夹住金属丝，所述弹簧与压丝轮连接，压丝轮在弹簧推力作用下接近压丝轮，以夹住拉丝轮和压丝轮之间的金属丝；控制电机驱动拉丝轮转动，从而将金属丝送出。
4.根据权利要求3所述基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置，其特征在于：还包括送气机构，送气机构包括气源、喷气阀、第一控制器和输气管，第一控制器控制喷气阀的开度，将气源中的保护气体沿输气管送到出丝机构中金属丝的熔化端。
5.根据权利要求4所述基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置，其特征在于：还包括送丝机构，所述送丝机构包括放丝平台、送丝管道、送丝电机和第二控制器，第二控制器控制送丝电机驱动送丝平台转动，送丝平台带动放于送丝平台上的金属丝沿送丝管道送至出丝机构。
6.根据权利要求5所述基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置，其特征在于：还包括大功率开关电源和高电压发生电路；
所述高电压发生电路包括储能电感和高压电容，储能电感与金属丝连接，大功率开关电源经金属丝给储能电感充电，在金属丝熔断瞬间，对高压电容谐振充电产生高电压，在金属丝和金属基体之间产生等离子体电弧，接通电路，进而熔化出丝机构出丝口处的金属丝；或者，
所述高电压发生电路采用升压变压器产生高电压，包括充电二极管、充电电感、储能电容、放电开关及其控制电路、升压变压器，升压变压器次级串联在大功率开关电源和金属丝之间，大功率开关电源通过充电二极管和充电电感对储能电容充电，适时控制放电开关导通，储能电容通过放电开关对升压变压器初级放电，在升压变压器次级产生适当的高电压，去击穿金属丝与金属基体之间的空气产生等离子体电弧放电。
7.根据权利要求1～6任一项所述基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置，其特征在于，还包括：
3D平台控制系统，用于输入操作信息，并根据操作信息输出控制信息；
温度传感器测量控制系统，用于金属基体和熔池温度的测量保持。
8.根据权利要求7所述基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造装置，其特征在于，所述3D平台控制系统包括：
人机交互系统，包括计算机、显示器、键盘、鼠标、接口电路，用于人机对话、模型输入的功能，自动完成基于三维机械设计软件的模型输入、模型切片、材料打印预设区域控制；
XY水平面2D随动系统，包括X轴移动及控制机构和Y轴移动及控制机构等，控制出丝机构按模型切片输入在XY水平面区域移动；以及
Z轴垂直随动系统，包括Z轴移动及控制机构、制造平台，控制金属基体和制造平台在Z轴垂直方向按模型切片输入厚度区域移动。所述金属基体放置于制造平台的上表面。
9.一种基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造方法，其特征在于，包括：
将金属基体与金属丝之间施加高电压，高电压击穿金属基体与金属丝之间的空气产生等离子体电弧放电，使得金属基体形成熔池，金属丝熔化，在重力和电磁力作用下，金属丝熔化后掉入熔池而融于金属基体，使得金属基体增长。
10.根据权利要求9所述基于等离子体电弧熔覆的3D金属增材制造方法，其特征在于：
所述金属丝熔断后，电流通路断后而自动产生所需适当高电压，形成可控连续增材的制造。
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