CN108607992B - 基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法 - Google Patents

基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种实现简单、可控性好、可实现设备小型化的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法，属于增材制造领域。本发明包括：根据要加工零件的数字化模型，确定分层及各层所要加工的截面形状，在成型台面上均匀平铺一层金属粉末；步骤二：对平铺的粉末层预热；在粉末层上方垂直设置工具电极，采用直流电源为工具电极供电，调整工具电极与粉末层上表面之间的间隙，间隙在设定电压作用下能够被击穿产生稳定的微束电弧；步骤四：工具电极根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，完成该层截面形状的熔凝成型，在粉末层上表面平铺下一层粉末，完成所有层的熔凝成型，结束。本发明成本低、寿命长、可实现设备小型化。

Description

基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，涉及一种增材制造方法，具体涉及一种基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法。
背景技术
增材制造技术也被称为3D打印技术，是一种通过材料逐层累积的方式根据数字化模型直接制造出实体零件的一种技术。经过二十余年的发展，增材制造技术已被广泛地应用于各个领域。
直接制造金属零件以及金属部件，甚至是组装好的功能性金属制件产品，无疑是制造业对增材制造技术提出的终极目标。在此目标促进下，金属增材制造技术作为增材制造技术的一个重要分支，更是得到了快速的发展，已初步应用于航天等领域。
目前金属增材制造技术所使用的热源主要有3种：激光束、电子束、电弧(等离子束)；原材料主要有2类：粉末、丝材；原材料送给方式主要有2种：预置粉末、同步送粉(丝)。
结合不同热源、原材料、原材料送给方式，目前已经出现了以下几类金属增材制造技术：预置粉末激光选择性烧结/熔化、送粉式激光熔化沉积、激光熔丝沉积；预置粉末电子束选择性熔化、电子束熔丝沉积；电弧熔丝沉积等。
但尚未出现将电弧与预置粉末法相结合的金属增材制造技术。
以激光为热源的金属增材制造技术主要有以下不足：大功率激光器体积庞大、价格昂贵、寿命短、对铝合金铜合金等低激光吸收率材料成型困难。
以电子束为热源的金属增材制造技术主要有以下不足：装置结构复杂价格昂贵、真空炉尺寸对构件体积有很大限制。
目前以电弧为热源的增材制造技术均是采用送丝的方式，主要有以下不足：堆积层形状难于控制、熔滴过渡不稳定、金属件存在明显的“台阶”效应、相邻截面重合度小或不重合时或需要支撑或需要多次成型甚至无法成型。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种实现简单、可控性好、精度较高、可实现设备小型化的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法。
本发明的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：根据要加工零件的数字化模型，确定分层及各层所要加工的截面形状，在成型腔底板上均匀平铺一层金属粉末11；
步骤二：对平铺的粉末层预热；
步骤三：在粉末层上方垂直设置工具电极5，将电极跟直流电源的一极相连，将粉末层与直流电源的另一极相连，调整工具电极5与粉末层上表面之间的间隙，所述间隙在设定电压作用下能够被击穿产生稳定的微束电弧6；
步骤四：工具电极5以一定的速度根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，在被工具电极5扫描的区域，粉末层被微束电弧6加热，粉末层受热熔化后凝固粘接且与所述截面形状相同，完成该层的熔凝成型，在所述粉末层上表面平铺下一层粉末，然后转入步骤二，直至完成所有层的熔凝成型，结束。
优选的是，所述微束电弧6的直流电压范围为150V至数百V,所述微束电弧6的电流在数安培以内，所述微束电弧6的直径通过放电电流和放电间隙实现数十微米-数百微米级范围内的控制调节。
优选的是，所述步骤四中，当前粉末层相应扫描区域相互粘连的同时，与已熔凝成型的前一层凝固连接在一起。
优选的是，所述步骤四中，通过设置直流电源电压、放电极性、电弧电流、放电间隙、工具电极5相对粉末层表面的扫描速度，获得最佳的成型质量和速度。
优选的是，所述金属粉末11为一种金属的粉末、多种金属的粉末的混合或者金属粉末与粘结剂的混合。
优选的是，所述方法基于一种增材制造装置实现，该装置包括密封室1、XY轴扫描运动机构2、Z轴伺服进给机构3、铺粉压辊4、工具电极5、送料腔9、成型腔8、收集腔10、直流电源和限流电阻；
所述密封室1的底部依次设置有送料腔9、成型腔8和收集腔10，所述送料腔9、成型腔8和收集腔10的底部分别设置有升降机构，铺粉压辊4设置在密封室1内，铺粉压辊4将送料腔9内的金属粉末11推入成型腔8内，铺成一层，并对该层粉末有预热作用，同时铺粉压辊4将多余的金属粉末推入收集腔10内；
工具电极5、XY轴扫描运动机构2和Z轴伺服进给机构3设置在密封室1内，工具电极5位于成型成型腔8的上方；
XY轴扫描运动机构2，用于控制工具电极5在X轴、Y轴方向运动，实现对粉末层的扫描；
Z轴伺服进给机构3，用于调整工具电极5与粉末层上表面的间隙；
直流电源与限流电阻串联为工具电极5和粉末7之间提供设定电压；
所述密封室1的底部侧面设有保护气进气口，密封室1的顶部侧面设有保护气出气口，密封室1内通保护气，避免金属材料在成型过程中被氧化。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明提出利用一种新热源：微束电弧6，结合预置粉末法，实现增材制造的方法，与激光为热源的金属增材制造技术相比，本发明成本低、寿命长、可实现设备小型化、可成型铝合金铜合金等低激光吸收率的材料；与电子束为热源的金属增材制造技术相比，本发明不需要真空环境、装置简单；与现有的送丝式电弧增材制造技术相比，本发明成型形状可控性好、不需要支撑和模具、成型精度高；本发明通过减小工具电极5的直径、粉末的直径、微束电弧6的电流可实现微细增材制造，具有很大的潜在发展前途。
附图说明
图1为本发明实施例中增材制造装置的结构原理示意图；
图2为本发明实施例在熔凝成型时热物理变化过程示意图；
图3为本发明实施例分层扫描成型过程及成型件示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法，包括如下步骤：
步骤一：根据要加工零件的数字化模型，确定分层及各层所要加工的截面形状，在成型台面上均匀平铺一层金属粉末11；
步骤二：对平铺的粉末层预热；
步骤三：在粉末层上方垂直设置工具电极5，将工具电极5跟直流电源的一极相连，将粉末层与直流电源的另一极相连，调整工具电极5与粉末层上表面之间的间隙，所述间隙在设定电压作用下能够被击穿产生稳定的微束电弧6；
步骤四：工具电极5根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，在被工具电极5扫描的区域，粉末层被微束电弧6加热，粉末层受热熔化后凝固粘接，且与所述截面形状相同，完成该层的熔凝成型，在所述的已成型的粉末层7上表面平铺下一层粉末，然后转入步骤二，直至完成所有层的熔凝成型，结束。
本实施方式的工具电极的截面尺寸足够小，以保证较高的熔凝定域性。
本实施方式的微束电弧6的直流电压范围为150V至数百V,所述微束电弧6的电流在数安培以内，所述微束电弧6的直径通过放电电流和放电间隙实现数十微米-数百微米级范围内的控制调节，具有弧柱稳定性好和集束性高的特点。
本实施方式的步骤四中，当前粉末层熔凝粘接的同时，与已熔凝成型的前一层凝固连结在一起。
本实施方式的步骤四中，通过设置直流电源电压、放电极性、电弧电流、放电间隙、工具电极5相对粉末层表面的扫描速度，获得最佳的成型质量和速度。
本实施方式的微束电弧6与预置粉末法相结合，有利于高精度的粉末选择性熔凝成型。
本实施方式的金属粉末11为一种金属的粉末、多种金属的粉末的混合或者金属粉末与粘结剂的混合。
具体实施例：
本实施例的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法基于一种增材制造装置实现，如图1所示，该装置包括密封室1、XY轴扫描运动机构2、Z轴伺服进给机构3、铺粉压辊4、工具电极5、送料腔9、成型腔8、收集腔10、直流电源和限流电阻；
所述密封室1的底部依次设置有送料腔9、成型腔8和收集腔10，所述送料腔9、成型腔8和收集腔10的底部分别设置有升降机构，铺粉压辊4设置在密封室1内，铺粉压辊4将送料腔9内的金属粉末11推入成型腔8内，铺成一层，并对该层粉末有预热作用，同时铺粉压辊4将多余的金属粉末推入收集腔10内；
工具电极5、XY轴扫描运动机构2和Z轴伺服进给机构3设置在密封室1内，工具电极5位于成型腔8的上方；
XY轴扫描运动机构2，用于控制工具电极5在X轴、Y轴方向运动，实现对粉末层的扫描；
Z轴伺服进给机构3，用于调整工具电极5与粉末层上表面的间隙；
直流电源与限流电阻串联为工具电极5提供设定电压；
密封室1的底部侧面设有保护气进气口，密封室1的顶部侧面设有保护气出气口；
在成型时，铺粉压辊4将送料腔9内的金属粉末11平铺到成型腔8并对粉末预热，收集腔10用于收集每次铺粉后多余的粉末，Z轴伺服进给机构3用于调整工具电极5与粉末层上表面的间隙，以保证能够产生稳定的微束电弧6，电极在XY轴扫描运动机构2的带动下对当前粉末层材料进行选择性扫描熔凝成型，密封室1内通保护气，保护气可避免金属材料在成型过程中被氧化。
本实施例在熔凝成型时热物理变化过程如图2所示，微束电弧6具有很高的能量密度，对表面粉末层进行加热使之熔化形成熔池，熔池的深度略大于粉末层的厚度，当微束电弧6沿运动方向离开时，当前熔池冷却，与其相邻的本层和前一层的已成型区凝固成一体。
本实施例分层扫描成型过程及成型件如图3所示，工具电极5根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，在被电极扫描的区域，微束电弧6将表面层粉末加热熔化后凝固成型，如图2中的凝固层12，未被扫描到的粉末仍呈松散状，作为成型件和下一粉末层的支撑，完成该层对应截面形状的熔凝成型后，在该粉末层上表面平铺下一层粉末，直至完成所有层的熔凝成型，结束。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：根据要加工零件的数字化模型，确定分层及各层所要加工的截面形状，在成型台面上均匀平铺一层金属粉末；
步骤二：对平铺的粉末层预热；
步骤三：在粉末层上方垂直设置工具电极，将工具电极跟直流电源的一极相连，将粉末层与直流电源的另一极相连，调整工具电极与粉末层上表面之间的间隙，所述间隙在设定电压作用下能够被击穿产生稳定的微束电弧；
步骤四：工具电极根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，在被工具电极扫描的区域，粉末层被微束电弧加热，粉末层受热熔化后凝固粘接，且与所述截面形状相同，完成该层的熔凝成型，在所述粉末层上表面平铺下一层粉末，然后转入步骤二，直至完成所有层的熔凝成型，结束。
2.根据权利要求1所述的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法，其特征在于，所述微束电弧的直流电压范围为150V至数百V,所述微束电弧的电流在数安培以内，所述微束电弧的直径通过放电电流和放电间隙实现数十微米-数百微米级范围内的控制调节。
3.根据权利要求1所述的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法，其特征在于，所述步骤四中，当前粉末层熔凝粘接的同时，与已熔凝成型的前一层凝固连结在一起。
4.根据权利要求1所述的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法，其特征在于，所述步骤四中，通过设置直流电源电压、放电极性、电弧电流、放电间隙、工具电极相对粉末层表面的扫描速度，获得最佳的成型质量和速度。
5.根据权利要求1所述的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法，其特征在于，所述金属粉末为一种金属的粉末、多种金属的粉末的混合或者金属粉末与粘结剂的混合。
6.根据权利要求1所述的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法，其特征在于，所述方法基于一种增材制造装置实现，该装置包括密封室、XY轴扫描运动机构、Z轴伺服进给机构、工具电极、铺粉压辊、送料腔、成型腔、收集腔、直流电源和限流电阻；
所述密封室的底部依次设置有送料腔、成型腔和收集腔，所述送料腔、成型腔和收集腔的底部分别设置有升降机构，铺粉压辊设置在密封室内，铺粉压辊将送料腔内的金属粉末推入成型腔内，铺成一层，并对该层粉末有预热作用，同时铺粉压辊将多余的金属粉末推入收集腔内；
工具电极、XY轴扫描运动机构和Z轴伺服进给机构设置在密封室内；工具电极位于成型腔的上方；
XY轴扫描运动机构，用于控制工具电极在X轴、Y轴方向运动，实现对粉末层的扫描；
Z轴伺服进给机构，用于调整工具电极与粉末层上表面的间隙；
直流电源与限流电阻串联为工具电极和粉末之间提供设定电压；
密封室的底部侧面设有保护气进气口，密封室的顶部侧面设有保护气出气口，密封室内通保护气，避免金属材料在成型过程中被氧化。
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