CN110560837B - 一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法及产品 - Google Patents

Abstract

本发明属于点阵结构制造加工相关技术领域，并公开了一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法，其中一方面通过控制电源输出的脉冲波形，实现一脉一滴的过渡，可精确控制熔滴的尺寸和个数，从而控制点阵结构单元杆件的直径；另一方面通过控制打印路径中的提升量和偏移量，可精确控制点阵结构单元杆件的角度，由此实现任意结构的点阵结构的电弧熔丝增材制造。本发明还公开了相应的产品。通过本发明，不仅可有效克服现有技术中各类制备点阵结构的缺陷及不足，同时具备加工质量高、材料要求低、适用于任何复杂形式和更大尺寸规格等优点。

Description

一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法及产品

技术领域

本发明属于点阵结构制造加工相关技术领域，更具体地，涉及一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法及产品。

背景技术

所谓点阵结构，是一种由节点及连接杆单元组成的空间网架类有序多孔结构。由于它具有轻质、比强度高、隔热、吸能减震和消音降噪等诸多优点，因而被广泛应用于航天等多个领域，并譬如可用于制造高超音速飞行器的蒙皮隔热层。

现有技术中的点阵结构制造方法主要包括熔模铸造、拉伸网折叠法和挤压线切割法等，但这些方法对制造点阵的材料有极高的要求，且难以成形复杂点阵结构，使制造点阵的材料与结构设计自由度受到了较大限制。更具体而言，当采用熔模铸造法制造点阵时，要求液态金属的流动性非常好，仅限于流动性非常好的有色金属及其合金点阵的制造，难于制造采用拓补优化设计、结构复杂的低密度点阵结构。拉伸网折叠法和挤压线切割法在制造点阵过程中需剧烈变形，只能用于高延展性的材料。此外，拉伸网折叠法仅用于形成金字塔型、四面体型、X型等形式简单的点阵结构的制造，且该制造方法制成的点阵结构强度较低；而挤压线切割法仅用于金字塔点阵结构的制造等。

随着近年来增材制造技术的迅猛发展，技术专家开始考虑引入增材制造技术来加工点阵结构。由于它采用材料逐渐累加的方式来制造实体点阵，因而在一定程度上可改善以上技术不足，能制造出多种复杂形式的点阵结构。然而，进一步的研究表明，目前基于增材制造技术来加工点阵结构的工艺主要为激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)，其在具体实践中暴露出了以下的多方面不足：其一，该方法采用铺粉的方式用激光进行区域熔化，但铝、铜合金等材料对激光的吸收率低，造成区域熔化过程中出现未熔化现象产生未熔合缺陷。同时，铝、铜合金等粉末材料表面容易氧化显著降低材料润湿性，导致SLM成形时熔融金属表面收缩成球形造成球化效应，使熔融金属无法凝固形成平滑连续的熔池，导致金属内部形成缺陷，严重时还会阻碍铺粉辊无法运动，最终导致无法成形构件，因此难以在加工形成点阵结构过程中应用；其二，SLM技术会收到激光器功率和扫描振镜偏转角度的限制，使其无法成形较大尺寸的金属零件，同时金属粉末的制造困难，且易受污染、利用率低，增加了成本。相应地，本领域亟需对于如何更好地基于增材制造技术加工点阵结构的工艺作出进一步的研究，以便更好地符合在工艺质量、工艺效率及成本方面的更高需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明不仅专门选择采用了电弧熔丝增材制造技术来加工金属点阵结构，而且进一步紧密结合点阵结构自身的构造特性及电弧熔丝增材制造的工艺特征，针对性提出了通过对熔滴的尺寸和个数、以及焊枪层间提升量和偏移量的特定控制方式来实现点阵结构单元杆件的加工指标控制，相应与其他增材制造点阵结构的工艺方法相比，一方面电弧熔丝增材制造可充分利用以电弧为热源的特性来熔化金属丝材成形，在增材过程中产生阴极雾化效应，清除金属氧化膜，避免球化现象，而且电弧熔丝增材制造点阵结构无SLM方法材料反射问题，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，适用于任意金属材料和尺寸点阵结构的制备；另一方面还更有利于有效实现对单元杆件的直径尺寸和角度等关键参数的质量控制，进而与现有技术相比可获得更高精度和质量性能的金属点阵结构，同时具备便于操控、效率高和成本低等优点；因而尤其适用于制造高超音速飞行器的蒙皮隔热层之类的高性能大尺寸点阵结构应用场合。

相应地，按照本发明的一个方面，提供了一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1、根据待加工金属点阵结构的特征参数，建立对应的点阵结构三维模型，其中所述特征参数包括各单元杆件的直径、角度、底边长和高度等；

S2、针对所建立的点阵结构三维模型，将其沿着高度方向切片为多层；根据每层切片厚度，将切片面从低到高离散化处理，得到模型中各杆件的切片截面坐标并予以排序；

S3、基于排序后的切片截面坐标，采用电弧熔丝增材制造技术来加工上述点阵结构，并且在此过程中，依照以下方式来控制每层堆积金属的熔滴个数和尺寸，进而实现对点阵结构中各单元杆件的直径控制：

每层堆积金属的熔滴个数n由电弧熔丝增材制造工艺中电源脉冲波形的脉冲个数而确定，并且一次脉冲中仅有一个熔滴过渡，也即一脉一滴的过渡形式；同时通过调节所述电源脉冲波形的电流、电压和脉冲周期来控制单个熔滴的尺寸，并使得单个熔滴的体积v被设定等于V/m，其中V为每层堆积金属的总体积，m为上述电源脉冲波形的脉冲个数；

S4、重复以上步骤S3分别加工各层，直至形成所需的完整金属点阵结构。

作为进一步优选地，在步骤S3中，优选还依照以下方式来控制弧焊枪层间的提升量和偏移量，进而实现对点阵结构中各单元杆件的角度控制：

δ＝arctan(h/x)，其中δ表示各单元杆件的堆积角度，h表示弧焊枪相对于各切片的提升量，它也等于每层堆积金属在单元构件上所形成的高度，x表示弧焊枪相对于各切片的偏移量，它也等于每层堆积金属相对于垂直中心线的偏移量。

作为进一步优选地，在步骤S3中，优选还对电弧熔丝增材制造工艺中电源脉冲周期T的熄弧时间进行控制，并使得前一个熔滴未完全凝固时，下一熔滴已经到达，所有熔滴共同聚集形成一个大熔滴由此形成每层堆积金属。

作为进一步优选地，在上述电弧熔丝增材制造过程中，优选设定各单元杆件的高度差不超过一层切片的厚度，由此避免已加工单元杆件与弧焊枪之间的干涉。

作为进一步优选地，在上述电弧熔丝增材制造过程中，堆积工艺参数优选与所选用的丝材相对应。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的金属点阵结构产品。

作为进一步优选地，所述金属点阵结构产品优选为高超音速飞行器的蒙皮隔热层之类的高性能大尺寸点阵结构。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明通过选择电弧熔丝增材制造技术来加工金属点阵结构，是能够充分利用以电弧为热源，依靠熔化金属丝材逐层堆积金属实现实体构件制造的工艺特性，相应不仅可克服熔模铸造、拉伸网折叠法和挤压线切割法等传统方法的各种缺陷，而且能够改善SLM工艺制备点阵材料在材料要求及加工质量方面的不足，同时适用于任何复杂形式和任意金属材料的点阵结构制备，且开放的成形环境对成形件尺寸无限制；

2、尤其是，本发明通过对熔滴参数及弧焊枪加工参数的控制等方面的进一步深入研究和针对性改进，较多的实际测试表明，能够有效实现对单元杆件的直径尺寸和角度这些关键参数的质量控制，进而与现有技术相比可获得更高精度和质量性能的金属点阵结构，同时适于更大尺寸规格的加工应用场合；

3、本发明还具备便于操控、成形环境开放、效率高和成本低等优点，因而尤其适用于制造高超音速飞行器的蒙皮隔热层之类的高性能大尺寸点阵结构应用场合。

附图说明

图1是按照本发明所构建的电弧熔丝增材制造金属点阵结构的工艺方法流程示意图；

图2是用于具体解释本发明工艺原理的基本结构示意图；

图3是对应于实施例一的具体产品示意图；

图4是对应于实施例二的具体产品示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如前所分析地，增材制造技术是金属点阵结构的一种值得考虑的加工方式，但目前缺乏对其具体工艺过程及机理影响的针对性研究。本发明中不仅选择采用了电弧熔丝增材制造技术来加工金属点阵结构，而且进一步提出了通过对熔滴的尺寸和个数、以及焊枪层间提升量和偏移量的特定控制方式来实现点阵结构单元杆件的加工指标控制，相应与其他增材制造点阵结构的工艺方法相比能够获得更高质量及精度的尺寸结构。

图1是按照本发明所构建的电弧熔丝增材制造金属点阵结构的工艺方法流程示意图。如图1所示，该工艺方法主要包括以下步骤，下面将结合附图对其进行具体说明。

首先，可根据待加工金属点阵结构的特征参数，建立对应的点阵结构三维模型，其中所述特征参数包括各单元杆件的直径、角度、底边长和高度等。

更具体地，在实际操作中，譬如可利用三维建模软件建立点阵结构各单元的三维模型；再根据点阵单元的分布方式，将建立的单元模型通过阵列叠加，形成完整的点阵结构三维模型；最终将完整的点阵三维模型输出为.STL文件。

其次，针对所建立的点阵结构三维模型，将其沿着高度方向切片为多层；根据每层切片厚度，将切片面从低到高离散化处理，得到模型中各杆件的切片截面坐标并予以排序。

举例来说，例如可定义初始切片高度为H0；点阵结构的高度为H；切片厚度为h0，即每层堆积金属的高度，则将点阵结构三维模型离散为(H-H0)/h0层。按照每层切片厚度h0，将切片面高度从H0逐渐提升到H，对输出的点阵模型.STL文件进行切片离散化处理，得到模型中各杆件的切片截面坐标；然后譬如使用冒泡排序法或其他算法，对杆件的切片截面坐标进行排序。

接着，是采用采用电弧熔丝增材制造技术来加工上述点阵结构的步骤。在实际操作中，例如按照机器人语法规则，将排序后的切片截面坐标转化为机器人运动指令；然后在机器人运动指令中加入弧焊指令，形成点阵结构的堆积程序，最后将堆积程序导入机器人控制柜中。

作为本发明的关键改进所在，在此过程中，依照以下方式来控制每层堆积金属的熔滴个数和大小，进而实现对点阵结构中各单元杆件的直径控制：每层堆积金属的熔滴个数n由电弧熔丝增材制造工艺中电源脉冲波形的脉冲个数而确定，并且一次脉冲中仅有一个熔滴过渡，也即一脉一滴的过渡形式；单个熔滴的体积v被设定等于V/m，其中V为每层堆积金属的总体积，m为上述电源脉冲波形的脉冲个数。以此方式，单元杆件直径能够由每层堆积熔滴的大小和熔滴的个数来更为精确地决定，由此通过控制溶滴尺寸和溶滴个数，可以实现点阵结构单元杆件尺寸的控制，可制造出不同直径的点阵结构杆件，同时提升杆件的最终加工质量。

此外，按照本发明的一个优选实施方式，在此步骤中还可依照以下方式来控制弧焊枪层间的提升量和偏移量，进而实现对点阵结构中各单元杆件的角度精确控制：δ＝arctan(h/x)，其中δ表示各单元杆件的堆积角度，h表示弧焊枪相对于各切片的提升量，它也等于每层堆积金属在单元构件上所形成的高度，x表示弧焊枪相对于各切片的偏移量，它也等于每层堆积金属相对于垂直中心线的偏移量。以此方式，通过控制弧焊枪层间提升量和偏移量，即可制造出任意角度的点阵结构杆件。

换而言之，在实际操作中，可根据所给的点阵结构单元杆件的直径和丝材，确定堆积工艺参数；所述参数除了包括前面的脉冲个数、脉冲周期时间等之外，还可包括脉冲周期内电弧燃烧熔化丝材的时间tb、电流值和电压值等，在弧焊电源中输入上述工艺参数。然后在电弧增材制造设备中安装基板以及丝材，按照上述堆积程序和工艺参数，打印完整点阵结构单层堆积金属。

最后，重复以上步骤分别加工各层，直至形成所需的完整金属点阵结构。

具体如图2所示，在打印点阵结构的所有单元杆件到n层后，再从杆件1开始打印n+1层，直至杆件16的n+1层打印完毕。再从杆件1开始打印n+2层，直至杆件16的n+2层打印完毕。如此往复循环，直至打印杆件至规定尺寸。

在此过程中，根据杆件要求的角度算出每层的偏移量，打印完一层后，弧焊枪按计算的偏移量实现平移，打印杆件的下一层。打印杆件的每一层，同时控制弧焊枪的层间提升量和偏移量，循环往复地逐层打印点阵结构单元杆件，直至杆件规定尺寸。即可打印出满足要求的点阵结构。

下面将结合两个实施例来更为具体地解释本发明。

实施例一

如图3所示，整体点阵结构的X方向边长为30mm，Y轴方向边长为30mm，Z轴方向高度为22.8mm。点阵结构的分布方式为“2×2×3”，在X轴向和Y轴向上各分布有2个点阵结构单元，在Z轴向上分布有3层点阵结构单元；共由12个点阵结构单元组成。

点阵结构单元为金字塔结构，其X方向边长为15mm，Y轴方向边长为15mm，Z轴方向高度为7.6mm，点阵结构单元杆件的直径为3mm,杆件与水平面的角度均为45°。可使用UG软件建立点阵结构单元的三维模型，再将建立的点阵单元模型按照“2×2×3”的分布方式通过阵列叠加，形成完整的点阵结构三维模型如图3所示，并将其导出为.STL文件。

按照每层切片厚度0.4mm，将切片面高度从z＝0逐渐提升到z＝22.8mm，将导出的点阵模型.STL文件进行切片离散化处理，模型被离散化为22.8/0.4＝57层。通过切片离散化处理得到模型中各杆件的切片截面坐标；然后使用冒泡排序法，对杆件的切片截面坐标进行排序。

电弧增材制造设备譬如可采用KUKAKR30HA机器人与福尼斯TPS4000弧焊电源。利用KUKA机器人控制弧焊枪运动，将排序后的切片截面坐标按照KUKA机器人语法规则转化为机器人运动指令；然后在机器人运动指令中加入弧焊指令，形成点阵结构的堆积程序，最后将堆积程序导入KUKA机器人控制柜中。

单元杆件每层堆积金属的直径为3mm,高度为0.4mm，其体积为2.8mm3。设定电源脉冲周期T为15ms，脉冲波形中的脉冲个数为9，则单个溶滴的体积应为2.8/9＝0.31mm3。点阵结构增材制造丝材采用Φ0.8mm的铝合金丝材，设置燃弧电流I为179A，电压为12.7V。根据本发明可计算出单个溶滴体积及弧焊枪偏移量等并确定弧焊电流，进而得到脉冲周期内电弧燃烧熔化丝材的时间tb为2.8ms。最终在福尼斯TPS 4000弧焊电源中输入上述工艺参数。

在电弧增材制造设备中安装铝合金基板以及铝合金丝材，使用导入控制柜中的堆积程序和设定的工艺参数打印点阵结构。首先，按照杆件1至杆件16的顺序依次打印单层堆积金属；然后，按照相同顺序依次打印下一层堆积金属；如此循环打印，直至点阵结构杆件至规定尺寸，即可打印出满足要求的点阵结构。

实施例二

如图4所示，整体点阵结构的X方向边长为36mm，Y轴方向边长为36mm，Z轴方向高度为30mm。点阵结构的分布方式为“2×2×2”，在X轴向和Y轴向上各分布有2个点阵结构单元，在Z轴向上分布有2层点阵结构单元；共由8个点阵结构单元组成。

点阵结构单元X方向边长为18mm，Y轴方向边长为18mm，Z轴方向高度为15mm，点阵结构单元杆件的直径为2mm,中心杆件与水平面的角度为90°，四边杆件与水平面的角度均为30°。可使用UG软件建立点阵结构单元的三维模型，再将建立的点阵单元模型按照“2×2×2”的分布方式通过阵列叠加，形成完整的点阵结构三维模型，并将其导出为.STL文件。

按照每层切片厚度0.3mm，将切片面高度从z＝0逐渐提升到z＝30mm，将导出的点阵模型.STL文件进行切片离散化处理，模型被离散化为30/0.3＝100层。通过切片离散化处理得到模型中各杆件的切片截面坐标；然后使用冒泡排序法，对杆件的切片截面坐标进行排序。

电弧增材制造设备譬如可采用ABB IRB4600-60机器人与福尼斯TPS4000弧焊电源。利用ABB机器人控制弧焊枪运动，将排序后的切片截面坐标按照ABB机器人语法规则转化为机器人运动指令；然后在机器人运动指令中加入弧焊指令，形成点阵结构的堆积程序，最后将堆积程序导入ABB机器人控制柜中。

单元杆件每层堆积金属的直径为2mm,高度为0.3mm，其体积为0.94mm3。设定电源脉冲周期T为14ms，脉冲波形中的脉冲个数为6，则单个溶滴的体积应为0.94/6＝0.16mm3。点阵结构增材制造丝材采用Φ0.8mm的合金钢丝材，设置燃弧电流I为184A，电压为13.5V。根据本发明可计算出单个溶滴体积并确定弧焊枪偏移量及弧焊电流，进而得到脉冲周期内电弧燃烧熔化丝材的时间tb为2.0ms。最终在福尼斯TPS 4000弧焊电源中输入上述工艺参数。

在电弧增材制造设备中安装钢基板以及合金钢丝材，使用导入控制柜中的堆积程序和设定的工艺参数打印点阵结构。首先，按照杆件1至杆件20的顺序依次打印单层堆积金属；然后，按照相同顺序依次打印下一层堆积金属；如此循环打印，直至点阵结构杆件至规定尺寸，即可打印出满足要求的点阵结构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1、根据待加工金属点阵结构的特征参数，建立对应的点阵结构三维模型，其中所述特征参数包括各单元杆件的直径、角度、底边长和高度；

S2、针对所建立的点阵结构三维模型，将其沿着高度方向切片为多层；根据每层切片厚度，将切片面从低到高离散化处理，得到模型中各杆件的切片截面坐标并予以排序；

S3、基于排序后的切片截面坐标，采用电弧熔丝增材制造工艺来加工上述点阵结构，并且在此过程中，依照以下方式来控制每层堆积金属的熔滴个数和尺寸，进而实现对点阵结构中各单元杆件的直径控制：

每层堆积金属的熔滴个数n由电弧熔丝增材制造工艺中电源脉冲波形的脉冲个数而确定，并且一次脉冲中仅有一个熔滴过渡，也即一脉一滴的过渡形式；同时通过调节所述电源脉冲波形的电流、电压和脉冲周期来控制单个熔滴的尺寸，并使得单个熔滴的体积v等于V/m，其中V为每层堆积金属的总体积，m为上述电源脉冲波形的脉冲个数；

同时依照以下方式来控制弧焊枪层间的提升量和偏移量，进而实现对点阵结构中各单元杆件的角度控制：δ＝arctan(h/x)，其中δ表示各单元杆件的堆积角度，h表示弧焊枪相对于各切片的提升量，它也等于每层堆积金属在单元构件上所形成的高度，x表示弧焊枪相对于各切片的偏移量，它也等于每层堆积金属相对于垂直中心线的偏移量；

S4、重复以上步骤S3分别加工各层，直至形成所需的完整金属点阵结构。

2.如权利要求1所述的一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法，其特征在于，在步骤S3中，还对电弧熔丝增材制造工艺中电源脉冲周期T的熄弧时间进行控制，并使得前一个熔滴未完全凝固时，下一熔滴已经到达，所有熔滴共同聚集形成一个大液滴由此形成每层堆积金属。

3.如权利要求1所述的一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法，其特征在于，在上述电弧熔丝增材制造过程中，设定各单元杆件的高度差不超过一层切片的厚度，由此避免已加工单元杆件与弧焊枪之间的干涉。

4.如权利要求1-3任意一项所述的一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法，其特征在于，在上述电弧熔丝增材制造过程中，堆积工艺参数与所选用的丝材相对应。

5.一种金属点阵结构产品，其采用如权利要求1-4任意一项所述的方法而加工获得。

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