CN108526653B - 一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，包括：准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板；将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充；在成型腔室内，按照当前切片分块式填充的小区块，控制打开钨电极开关，给钨电极供给一次脉冲高压，使得钨电极与微细金属丝末端之间产生高压电弧放电效应，微细金属丝熔化，随后垂直撞击于成型基板的当前成型表面，使其对应的小区块增加一定厚度；重复执行直至所有分层全部成型完毕。本发明实现了并行脉冲放电的溶滴过渡成型、自动铺平，对任一单层都是一次成型，成型速度相比传统方法有数量级上的极大提高，是一种超高速三维零部件三维成型新方法。
Description
技术领域
本发明属于零部件成型制造技术领域，具体涉及一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法。
背景技术
3D打印(增材制造)技术实际上是一系列零部件快速成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速成型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。目前市场上的快速成型技术分为3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等。
由于金属的熔点很高，金属增材制造技术按热源类型可分为3类：激光、电子束和电弧。过去20年主要研究以激光、电子束为热源的粉基金属增材制造技术，通过不断熔化或烧结金属粉来连续逐层制备复杂结构零部件，现已应用于航空航天、国防军工、能源动力等高精尖技术领域部分关键零部件，但由于其原材料、热源特点，金属粉基激光、电子束增材制造技术在成形某些特定结构或特定成分构件时受到一定限制而无法实现或即使可以成形，其原材料、时间成本很高，具有诸多不足之处：(1)对于激光热源，其成形速率慢、铝合金对激光的吸收率低等；(2)对于电子束热源，真空炉体尺寸对构件体积的限制；(3)粉基金属原材料制备成本较高、易受污染、利用率低等均增加了原料成本。
基于上述原因，现有的技术成形大尺寸复杂结构件时表现出一定的局限性，为了应对大型化、整体化航天结构件的增材制造需求，基于堆焊技术发展起来的低成本、高效率电弧增材制造技术受到部分学者关注。电弧增材制造技术(Wireand Arc AdditiveManufacture,WAAM)以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来，电弧增材制造是数字化连续堆焊成形过程，其基本成形硬件系统应包括成形热源、送丝系统及运动执行机构。电弧增材制造三维实体零件依赖于逐点控制的熔池在线、面、体的重复再现。但电弧增材制造的零件表面波动较大，成形件表面质量较低，一般需要二次表面机加工，相比激光、电子束增材制造，电弧增材制造技术的主要应用目标是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形。
现有技术中，各类金属3D打印技术一般需要依靠外部高能束(激光束电子束、电弧)的辐照使得金属粉末或丝材熔化后再凝固成型，其不足之处有：1)成型过程中需要依赖单个或多个高能束线性扫描，对于每个高能束来说，其扫描路径上的粉末或丝材依次熔化-凝固成型，本质上无法实现并行成型，因此成型速度慢、效率低；2)由于激光器、电子束源的电光转换效率低(一般小于20％)，并且金属粉末的熔点很高，使得成型所需的能量密度极高，实际耗能很高；3)由于点-线顺序成型的工艺特点，使得成型零件某一时刻仅有局部微区接受热源，受热不均，质量不高，容易产生残余应力累积、热应力变形、内部热裂纹等缺陷；4)由于热应力变形问题，成型零件尺寸受限，否则无法获得满足尺寸精度要求的成型件。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种成型精度高、表面质量好的基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板；
所述三维打印成型零件的CAD数据文件是由三维CAD软件对待成型加工的零部件进行三维建模，并根据获得的零部件三维模型尺寸外形添加辅助支撑结构，然后按叠层制造原理设定层厚进行分层切片后获得的封闭轮廓图形数据集合；
所述成型基板的上表面为平面且要求能够将三维打印成型零件的最底层切片的封闭轮廓图形包括在内，所述成型基板的材质为金属或陶瓷材料；
所述微细金属丝电弧过渡阵列板包括若干根相互平行的直径在10纳米至200微米范围的微细金属丝，相邻的微细金属丝之间通过微管绝缘兼支撑；每个微细金属丝的末端均设置有一钨电极，钨电极与微细金属丝末端之间不接触且间距小于1mm，每个钨电极均有一独立的钨电极开关控制其是否通电；当钨电极通电时，微细金属丝放电熔化；所述微细金属丝电弧过渡阵列板的尺寸要求能够将三维打印成型零件的各个分层切片的封闭轮廓图形均包括在内；
(2)根据微细金属丝电弧过渡阵列板的平行微管阵列排布关系，将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充；分块式填充方法为：将封闭轮廓图形的内部分割为若干个小区块，要求每个小区块的位置均与唯一一根微细金属丝或钨电极的位置对应，即小区块与微管的数量和位置为一一对应关系，且小区块的质心与其对应的微细金属丝横截面几何中心之间的连线相互平行；小区块的形状是任意多边形或者曲线封闭图形，要求每个小区块的尺寸面积均小于面积设定值，所述面积设定值是指微细金属丝单次电弧放电熔化后的单层平铺面积×(1-重叠量)，所述重叠量为10～50％；
(3)将成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板置于成型腔室内，所述成型腔室内为真空或接近真空，并带有实时真空控制系统用于保持成型腔室的气压；要求所述微细金属丝电弧过渡阵列板的安装方位使得微细金属丝与成型基板表面垂直，并且与第(2)步中三维打印成型零件的CAD数据文件每层切片分块式填充的小区块位置一一对应，即使得微细金属丝熔化后形成的熔滴垂直撞击于成型基板表面，用于填充第(2)步中分块式填充的对应小区块；
(4)将三维打印成型零件的CAD数据文件的最底层切片作为当前切片；
(5)供给微细金属丝，使微细金属丝电弧过渡阵列板的所有钨电极与微细金属丝末端之间不接触且间距小于1mm；取得当前切片的切片数据，按照其对应的分块式填充的小区块，控制打开对应的钨电极开关，给钨电极供给一次脉冲高压，使得钨电极与微细金属丝末端之间产生高压空气击穿放电效应，产生的高温电弧使得一定长度的微细金属丝熔化，形成熔滴滴落，随后垂直撞击于成型基板的当前成型表面，即落在当前成型表面所对应的分块式填充的小区块中，并自动流平于分块式填充的小区块内，随后发生凝固，与当前成型表面熔合一体，并使其对应的小区块增加一定厚度；
(6)调整成型基板与微细金属丝电弧过渡阵列板的钨电极阵列相对距离，按照分层切片从底部到顶部的顺序，取下一个切片为当前切片；
(7)重复执行步骤(5)-(6)，实现成型零件从底部到顶部的层层堆叠，直至所有分层全部成型完毕。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明利用了一种特殊设计的带有阵列钨电极的微细金属丝电弧过渡阵列板，以及对三维打印成型零件的分层切片图形进行一一对应的内部分块式填充，从而实现了并行脉冲放电的溶滴过渡成型、自动铺平，对任一单层都是一次成型，从而成型速度相比传统方法有数量级上的极大提高，是一种超高速三维零部件三维成型(增材制造)新方法。
2)相比传统方法点-线顺序成型的工艺特点，使得成型零件某一时刻仅有局部微区接受热源，受热不均，质量不高，容易产生残余应力累积、热应力变形、内部热裂纹等缺陷，本发明在单层成型过程中，并行电弧放电溶滴过渡成型的原理，层内多点并行受热，不存在受热不均问题，可以有效消除残余应力累积、热应力变形、内部热裂纹等缺陷；并且，本发明在成型过程中还可以将成型基板及已成型部分整体加热，没有成型基板及已成型部分的温度梯度问题，消除了传统高能束扫描三维成型方法因温度梯度无可避免导致的成型热应力难题，有效减小了层间残余应力累积、热应力变形、内部热裂纹等缺陷。
3)本发明采用微纳米直径的微细金属丝作为原材料，并经并行电弧放电溶滴过渡，成型的层厚精度高、成型件表面粗糙度降低，工艺质量更好；并且，成型过程在低真空环境下，不会产生氧化等成型环境影响问题。
4)本发明可以在成型过程中根据需要送不同微细金属丝(微细金属丝电弧过渡阵列板按时间、空间调整送丝的材料种类和直径)，从而可成型梯度材料、异种材料等任意成分与分布的构件，灵活方便，自由度大。
5)本发明由于消除了残余应力累积、热应力变形、内部热裂纹等缺陷问题，使得成型尺寸不受限制，可实现大尺寸零件成型；并且，采用的微纳米直径的微细金属丝也使得其相比传统方法更适应于微纳细小零件的三维成型，可实现超精细、超高速三维零部件三维成型(增材制造)。
附图说明
图1为微细金属丝电弧过渡阵列板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供了一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，包括如下步骤：
(1)准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板；
所述三维打印成型零件的CAD数据文件是由设计人员采用三维CAD软件对待成型加工的零部件进行三维建模，并根据获得的零部件三维模型尺寸外形添加必要的辅助支撑结构，然后按传统三维打印的叠层制造原理设定层厚(单次电弧放电熔化微细金属丝的单层平铺层厚)进行分层切片后获得的封闭轮廓图形数据集合；
所述成型基板的上表面为平面且要求能够将三维打印成型零件的最底层切片的封闭轮廓图形包括在内，所述成型基板的材质为导热性良好的金属或陶瓷材料；
优选的，所述成型基板带有可控温度的加热装置以实现将成型基板的上表面加热并保持在设定温度范围内。
所述微细金属丝电弧过渡阵列板(如图1所示)包括若干根相互平行的直径在10纳米至200微米范围的微细金属丝1，相邻的微细金属丝1之间通过微管3绝缘兼支撑；每个微细金属丝1的末端均设置有一钨电极4，钨电极4与微细金属丝1末端之间不接触且间距小于1mm，每个钨电极4均通过钨电极导线2与一独立的钨电极开关相连，用于控制钨电极4是否通电；当钨电极4通脉冲高压电时，即使得钨电极4与微细金属丝1末端之间发生高压空气击穿放电效应，产生的高温电弧使得微细金属丝1末端熔化。所述微细金属丝1电弧过渡阵列板的尺寸要求能够将三维打印成型零件的各个分层切片的封闭轮廓图形均包括在内。
(2)根据微细金属丝电弧过渡阵列板的平行微管阵列排布关系，将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充，其分块式填充方法为：将封闭轮廓图形的内部分割为若干个小区块，要求每个小区块的位置均与唯一一根微细金属丝或钨电极的位置对应，即小区块与微管(钨电极)的数量和位置为一一对应关系，且小区块的质心(假设为均匀密度的等厚板，质心一定存在)与其对应的微细金属丝横截面几何中心之间的连线相互平行；与微细金属丝对应的，小区块的形状是任意多边形或者曲线封闭图形，要求每个小区块的尺寸面积均小于面积设定值，所述面积设定值是指步骤(5)中微细金属丝单次电弧放电熔化后的单层平铺面积×(1-重叠量)，所述重叠量为10～50％。其中，步骤(5)中微细金属丝单次电弧放电熔化后的单层平铺面积和步骤(1)中单次电弧放电熔化微细金属丝的单层平铺层厚可以通过实验方法提前测出。
(3)将成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板置于成型腔室内，所述成型腔室内为真空或接近真空(气压小于100帕斯卡)，并带有实时真空控制系统，可以实时抽气保持极低气压(小于100帕斯卡)。
要求所述微细金属丝电弧过渡阵列板的安装方位使得微细金属丝与成型基板表面垂直，并且与第(2)步中三维打印成型零件的CAD数据文件每层切片分块式填充的小区块位置一一对应，即使得微细金属丝熔化后形成的熔滴垂直撞击于成型基板表面，用于填充第(2)步中分块式填充的对应小区块。
优选的，使成型方向(微细金属丝单次电弧放电熔化后形成的熔滴的运动方向)为沿重力竖直方向，以避免重力偏折效应。
优选的，对真空成型腔室进行隔振处理，使其振动幅度不大于成型尺寸精度。
优选的，加热成型基板，使成型基板及已成型部分在成型过程中始终保持足够高的温度，所述温度要求在成型零件的金属材料熔点以下。
(4)将三维打印成型零件的CAD数据文件最底层切片作为当前切片；
(5)供给微细金属丝1，使微细金属丝电弧过渡阵列板的所有钨电极4与微细金属丝1末端之间不接触且间距小于1mm；取得当前切片的切片数据，按照其对应的分块式填充的小区块，控制打开对应的钨电极开关，给钨电极4供给一次脉冲高压，使得钨电极与微细金属丝末端之间产生高压空气击穿放电效应，产生的高温电弧使得一定长度的微细金属丝熔化，形成熔滴滴落，随后垂直撞击于成型基板的当前成型表面，即落在当前成型表面所对应的分块式填充的小区块中，并自动流平于分块式填充的小区块内，随后发生凝固，与当前成型表面熔合一体，并使其对应的小区块增加一定厚度；
优选的，可以采用与微细金属丝电弧过渡阵列板结构原理相似的LCD液晶面板显示控制原理，控制微细金属丝电弧过渡阵列板的面阵型钨电极的脉冲高压开关。
优选的，可以在微细金属丝的微管中通以惰性气流，以加速液滴直至撞击成型表面。
(6)调整成型基板与微细金属丝电弧过渡阵列板的钨电极阵列相对距离(即移动一个单层成型层厚，保持二者不发生碰触且处于合适的滴落成型距离范围内)，按照分层切片从底部到顶部的顺序，取下一个切片为当前切片；
(7)重复执行步骤(5)-(6)，实现成型零件从底部到顶部的层层堆叠，直至所有分层全部成型完毕。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。
Claims (6)
1.一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板；
所述三维打印成型零件的CAD数据文件是由三维CAD软件对待成型加工的零部件进行三维建模，并根据获得的零部件三维模型尺寸外形添加辅助支撑结构，然后按叠层制造原理设定层厚进行分层切片后获得的封闭轮廓图形数据集合；
所述成型基板的上表面为平面且要求能够将三维打印成型零件的最底层切片的封闭轮廓图形包括在内，所述成型基板的材质为金属或陶瓷材料；
所述微细金属丝电弧过渡阵列板包括若干根相互平行的直径在10纳米至200微米范围的微细金属丝，相邻的微细金属丝之间通过微管绝缘兼支撑；每个微细金属丝的末端均设置有一钨电极，钨电极与微细金属丝末端之间不接触且间距小于1mm，每个钨电极均有一独立的钨电极开关控制其是否通电；当钨电极通电时，微细金属丝放电熔化；所述微细金属丝电弧过渡阵列板的尺寸要求能够将三维打印成型零件的各个分层切片的封闭轮廓图形均包括在内；
(2)根据微细金属丝电弧过渡阵列板的平行微管阵列排布关系，将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充；分块式填充方法为：将封闭轮廓图形的内部分割为若干个小区块，要求每个小区块的位置均与唯一一根微细金属丝或钨电极的位置对应，即小区块与微管的数量和位置为一一对应关系，且小区块的质心与其对应的微细金属丝横截面几何中心之间的连线相互平行；小区块的形状是任意多边形或者曲线封闭图形，要求每个小区块的尺寸面积均小于面积设定值，所述面积设定值是指微细金属丝单次电弧放电熔化后的单层平铺面积×(1-重叠量)，所述重叠量为10～50％；
(3)将成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板置于成型腔室内，所述成型腔室内为真空或接近真空，并带有实时真空控制系统用于保持成型腔室的气压；要求所述微细金属丝电弧过渡阵列板的安装方位使得微细金属丝与成型基板表面垂直，并且与第(2)步中三维打印成型零件的CAD数据文件每层切片分块式填充的小区块位置一一对应，即使得微细金属丝熔化后形成的熔滴垂直撞击于成型基板表面，用于填充第(2)步中分块式填充的对应小区块；
(4)将三维打印成型零件的CAD数据文件的最底层切片作为当前切片；
(5)供给微细金属丝，使微细金属丝电弧过渡阵列板的所有钨电极与微细金属丝末端之间不接触且间距小于1mm；取得当前切片的切片数据，按照其对应的分块式填充的小区块，控制打开对应的钨电极开关，给钨电极供给一次脉冲高压，使得钨电极与微细金属丝末端之间产生高压空气击穿放电效应，产生的高温电弧使得一定长度的微细金属丝熔化，形成熔滴滴落，随后垂直撞击于成型基板的当前成型表面，即落在当前成型表面所对应的分块式填充的小区块中，并自动流平于分块式填充的小区块内，随后发生凝固，与当前成型表面熔合一体，并使其对应的小区块增加一定厚度；
(6)调整成型基板与微细金属丝电弧过渡阵列板的钨电极阵列相对距离，按照分层切片从底部到顶部的顺序，取下一个切片为当前切片；
(7)重复执行步骤(5)-(6)，实现成型零件从底部到顶部的层层堆叠，直至所有分层全部成型完毕。
2.根据权利要求1所述的基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，其特征在于，步骤(1)中所述成型基板带有可控温度的加热装置以实现将成型基板的上表面加热并保持在设定温度范围内。
3.根据权利要求1所述的基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，其特征在于，步骤(3)中使成型方向沿重力竖直方向，用于避免重力偏折效应。
4.根据权利要求1所述的基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，其特征在于，步骤(3)中对真空成型腔室进行隔振处理，使其振动幅度不大于成型尺寸精度。
5.根据权利要求1所述的基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，其特征在于，步骤(3)中加热成型基板，使成型基板及已成型部分在成型过程中始终保持足够高的温度，所述温度要求在成型零件的金属材料熔点以下。
6.根据权利要求1所述的基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，其特征在于，步骤(5)中在微细金属丝的微管中通以惰性气流，用于加速液滴直至撞击成型表面。
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