CN107470624A

CN107470624A - 多丝材功能梯度结构的增材制造方法与装置

Info

Publication number: CN107470624A
Application number: CN201710685531.2A
Authority: CN
Inventors: 卢秉恒; 方学伟; 张丽娟; 王博文
Original assignee: Xian Jiaotong University; National Institute Corp of Additive Manufacturing Xian
Current assignee: Xian Jiaotong University; National Institute Corp of Additive Manufacturing Xian
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2017-08-11
Publication date: 2017-12-15

Abstract

本发明公开了一种多丝材功能梯度结构的增材制造方法与装置，该装置包括承载平台、热源发生装置、热源出口、送丝机构、工作平台和控制系统；热源出口和送丝机构的出丝嘴均固定在承载平台上；热源发生装置为金属熔化过程提供热源；热源发生装置与热源出口连接；送丝机构包括送丝盘、送丝驱动电机和出丝嘴；送丝机构的出丝嘴位于热源正下方；控制系统电连接送丝驱动电机、承载平台的驱动系统以及热源发生装置。本发明不仅满足了电弧熔丝增材制造成分梯度材料技术要求，简化了传统成分梯度结构材料的工艺步骤，而且拓展了金属增材技术的应用范围，从单一均匀材质材料增材制造向新型成分梯度材料转变，推动更广泛的工业应用。

Description

多丝材功能梯度结构的增材制造方法与装置

技术领域

本发明属于增材制造与修复技术领域，涉及制造金属结构的装置及方法，尤其是一种多丝材功能梯度结构的增材制造方法与装置。

背景技术

增材制造技术又名3D打印或者快速成型。它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料或者熔丝，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。目前在金属部件制造方面，主要有粉床熔融式增材：激光选区熔化、激光同轴送粉直接制造、电子束熔化成型及熔丝式增材：电弧熔丝增材成型、等离子束熔丝增材成型等方法。

粉床熔融由于受成型室尺寸限制、且金属粉末价格高昂、粉末利用率低等劣势，在应用领域上受到一定限制。而熔丝增材制造成型采用金属丝材或焊材为原材料，通过热源熔化丝材的方式实现。热源设置在机器人或CNC上开放式结构，成型件尺寸不受限制，且丝材可达100％利用率。适合大型结构件一次成型。

成分梯度材料为根据具体要求，选择使用两种或两种以上具有不同性能的材料，通过连续地改变两种材料的组成和结构，使其内部界面消失，从而得到功能相应于组成和结构的变化而渐变的非均质材料。传统的成分梯度材料制备方法为单一均匀材质表面沉积或喷涂涂层的方式。这种方式受到涂层厚度与基层结合强度等因素影响。需要一种新型的制备成分梯度金属结构的方法。

而增材制造主要用于单一均匀材料的成型制造，梯度材料的增材制造目前涉及技术很少，尤其对于熔丝增材制造梯度金属结构方面并未实质性突破。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多丝材功能梯度结构的增材制造方法与装置，其采用激光或离子束作为热源，控制系统控制/调整丝材送进速度，实现成分设置梯度变化。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种多丝材功能梯度结构的增材制造装置，包括承载平台、热源发生装置、热源出口、两台或两台以上送丝机构、工作平台和控制系统；所述热源出口和送丝机构的出丝嘴均固定在承载平台上；所述热源发生装置为金属熔化过程提供热源；所述热源发生装置与热源出口连接；所述两台或两台以上送丝机构包括送丝盘、送丝驱动电机和出丝嘴；所述送丝机构的出丝嘴位于热源正下方；所述控制系统电连接送丝驱动电机、承载平台的驱动系统以及热源发生装置。

进一步，上述承载平台为机器人或CNC机床。

进一步，上述热源发生装置为激光器；所述热源为激光；所述热源出口为激光头。

进一步，上述热源发生装置为离子束发生器；所述热源为离子束；所述热源出口为喷嘴。

本发明还提出一种基于上述多丝材功能梯度结构的增材制造装置的多丝材功能梯度结构的增材制造方法，包含以下步骤：

步骤1.成分梯度结构设计、建模；

步骤2.将三维实体零件模型图经切片分层处理后的数据导入控制系统中；

步骤3.各沉积层成分配比计算；

步骤4.构建各沉积层控制系统，包括：每一沉积层热源参数、送丝速度、搅拌探针相关参数；

步骤5.计算送丝长度和过渡层配比：

1)根据成分A设计沉积高度，计算并在控制系统中设置成分A送丝长度；

2)根据成分梯度设计，计算过渡层成分A和成分B配比并在控制系统中设置；

步骤6.开启控制系统；开启热源发生装置(6)、成分A丝材送丝电机和成分B丝材送丝电机；

步骤7.单一成分A或B沉积过程：控制系统仅控制系统开启单一送丝电机，一种丝材根据设置送进长度及送进速度送进熔池，完成第一层沉积；

步骤8.重复步骤7直至单一均匀材质沉积过程完成；

步骤9.成分梯度转换过渡层沉积过程：控制系统根据设置的不同成分配比调节下A和B两种丝材的送丝长度及送丝速度，控制成分A丝材送丝电机和成分B丝材送丝电机将规定长度丝材送进熔池；

步骤10.重复步骤9直至多成分过渡层沉积过程结束。

进一步，以上步骤5的1)中，计算并在控制系统中设置成分A送丝长度具体根据下式进行：

式中：L为满足梯度材料要求所需要的成分A丝材长度；d为成分A部分直径；H为成分A部分高度；Φ为焊丝直径。

进一步，以上步骤5的2)中，计算过渡层成分A和成分B配比具体根据下式进行：

上式中：LA为成分A丝材需送进长度；LB为成分B丝材需送进长度；A为过渡层中成分A的质量分数；B为过渡层中成分B的质量分数；H为过渡层高度；d为过渡层直径；ρ为过渡层密度；ρ1为成分A丝材直径；ρ2为成分B丝材直径；Φ为丝材直径。

进一步，上述成分A的质量分数和成分B的质量分数之和为100％。

进一步，上述成分A的质量分数分别为100％、80％、60％、40％、20％、0％；与成分A分别对应的成分B的质量分数为0％、20％、40％、60％、80％、100％。

本发明具有以下有益效果：

本发明的金属材料及其结构的成分可实现连续过渡调节，改善了现有异种材料连接结构中因为材料界面原因而出现的结构性能突变问题，使得成分梯度结构制造易于实现，更加适应整体结构的使用性能要求。本发明无需混料过程，原材料独立供给，工艺过程简单，实现了材料100％利用率。同时解决了传统丝材交互送进产生的成分偏析问题。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明的成分梯度金属结构件示意图。

其中：1为机器人或CNC；2为送丝机构；3为工作平台；4为成型件；5为激光头/喷嘴；6为离子束或激光束；7为出丝头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1：本发明的多丝材功能梯度结构的增材制造装置，包括承载平台1、热源发生装置6、热源出口5、两台或两台以上送丝机构2、工作平台3和控制系统；所述热源出口5和送丝机构2的出丝嘴均固定在承载平台1上；所述热源发生装置6为金属熔化过程提供热源；所述热源发生装置6与热源出口5连接；所述两台或两台以上送丝机构2包括送丝盘、送丝驱动电机和出丝嘴；所述送丝机构2的出丝嘴位于热源正下方；所述控制系统电连接送丝驱动电机、承载平台1的驱动系统以及热源发生装置6。

在本发明的最佳实施例中，承载平台1为机器人或CNC机床。

本发明的热源发生装置6可以选择且不限于选择如下两种形式：

第一种：热源发生装置为激光器；所述热源为激光；所述热源出口5为激光头。

第二种：热源发生装置6为离子束发生器；所述热源为离子束；所述热源出口5为喷嘴。

基于以上装置，本发明还提出一种多丝材功能梯度结构的增材制造方法，参见图2，具体包含以下步骤：

步骤1.成分梯度结构设计、建模；

步骤2.将三维实体零件模型图经切片分层处理后的数据导入设备控制系统中；

步骤3.各沉积层成分配比计算；

步骤5.计算送丝长度和过渡层配比：

①根据成分A设计沉积高度，计算并在控制系统中设置成分A送丝长度：

其中：L:满足梯度材料要求所需要的成分A丝材长度；

d:成分A部分直径；

H：成分A部分高度；

Φ：焊丝直径。

②根据成分梯度设计，计算过渡层成分A、B配比并在控制系统中设置：

其中：

LA为成分A丝材需送进长度；LB为成分B丝材需送进长度。

A为过渡层中成分A质量分数，分别为100％、80％、60％、40％、20％、0％；对应的，B为过渡层中成分B质量分数，分别为0％、20％、40％、60％、80％、100％。

H为过渡层高度；d为过渡层直径；ρ为过渡层密度；ρ1为成分A丝材直径；ρ2为成分B丝材直径；Φ为丝材直径。

步骤6.开启控制系统；

步骤7.开启热源发生器、成分A丝材送丝电机、成分B丝材送丝电机；

步骤8.单一成分A或B沉积过程为：控制系统仅控制系统开启单单丝电机，单丝根据设置送进长度及送进速度恒定送进熔池，完成第一层沉积；

步骤9.重复步骤8直至单一均匀材质沉积过程完成；

步骤10.成分梯度转换过渡层沉积过程为：控制系统根据设置的不同成分配比调节下两种丝材的送丝长度及送丝速度，控制送丝电机转速将规定长度丝材送进熔池；

步骤11.重复步骤10直至多成分过渡层沉积过程结束。

本发明最后制造的成分梯度金属结构件如图3所示，可见，本发明改善了现有异种材料连接结构中因为材料界面原因而出现的结构性能突变问题，使得成分梯度结构制造易于实现，更加适应整体结构的使用性能要求。

综上所述，本发明不仅满足了电弧熔丝增材制造成分梯度材料技术要求，简化传统成分梯度结构材料的工艺步骤；而且本发明拓展了金属增材技术的应用范围，从单一均匀材质材料增材制造向新型成分梯度材料转变，推动更广泛的工业应用。

Claims

1.一种多丝材功能梯度结构的增材制造装置，其特征在于，包括承载平台(1)、热源发生装置(6)、热源出口(5)、两台或两台以上送丝机构(2)、工作平台(3)和控制系统；

所述热源出口(5)和送丝机构(2)的出丝嘴均固定在承载平台(1)上；所述热源发生装置(6)为金属熔化过程提供热源；所述热源发生装置(6)与热源出口(5)连接；所述两台或两台以上送丝机构(2)包括送丝盘、送丝驱动电机和出丝嘴；所述送丝机构(2)的出丝嘴位于热源正下方；所述控制系统电连接送丝驱动电机、承载平台(1)的驱动系统以及热源发生装置(6)。

2.根据权利要求1所述的多丝材功能梯度结构的增材制造装置，其特征在于，所述承载平台(1)为机器人或CNC机床。

3.根据权利要求1所述的多丝材功能梯度结构的增材制造装置，其特征在于，所述热源发生装置(6)为激光器；所述热源为激光；所述热源出口(5)为激光头。

4.根据权利要求1所述的多丝材功能梯度结构的增材制造装置，其特征在于，所述热源发生装置(6)为离子束发生器；所述热源为离子束；所述热源出口(5)为喷嘴。

5.基于权利要求1所述多丝材功能梯度结构的增材制造装置的多丝材功能梯度结构的增材制造方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1.成分梯度结构设计、建模；

步骤3.各沉积层成分配比计算；

步骤5.计算送丝长度和过渡层配比：

步骤8.重复步骤7直至单一均匀材质沉积过程完成；

步骤10.重复步骤9直至多成分过渡层沉积过程结束。

6.根据权利要求5所述的多丝材功能梯度结构的增材制造方法，其特征在于，步骤5的1)中，计算并在控制系统中设置成分A送丝长度具体根据下式进行：

7.根据权利要求5所述的多丝材功能梯度结构的增材制造方法，其特征在于，步骤5的2)中，计算过渡层成分A和成分B配比具体根据下式进行：

8.根据权利要求7所述的多丝材功能梯度结构的增材制造方法，其特征在于，所述成分A的质量分数和成分B的质量分数之和为100％。

9.根据权利要求8所述的多丝材功能梯度结构的增材制造方法，其特征在于，成分A的质量分数分别为100％、80％、60％、40％、20％、0％；与成分A分别对应的成分B的质量分数为0％、20％、40％、60％、80％、100％。