CN110961625A

CN110961625A - 一种基于电弧热源的新型熔融金属3d打印装置及打印方法

Info

Publication number: CN110961625A
Application number: CN201911116461.4A
Authority: CN
Inventors: 贾传宝; 周继辉; 郭猛; 宋亚东
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: CN110961625B

Abstract

本发明涉及一种基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置及打印方法，属于3D打印技术领域，装置包括铜外套、陶瓷喷嘴、内腔体、导电块、枪管和绝缘垫块。陶瓷喷嘴固定于铜外套底端，两个导电块位于铜外套空腔内，对称分布安装的钨极位于导电块下端，水电导管与导电块的上端相连，并分别连通电源的正负极，用于导电块的水循环冷却和导通电流。通过锥形陶瓷喷嘴，电弧预热，在气压和电弧压力的共同作用下，使产生的大熔滴破碎，细化后的熔滴再稳定快速地射流过渡到基板上或上一层熔覆层上，完成3D打印。

Description

一种基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置及打印方法

技术领域

本发明涉及一种基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置及打印方法，属于3D打印技术领域。

背景技术

3D打印技术因具有柔性高、无需模具、对设计相应速度快、不受结构限制等突出优势，受到国内外学者、研究机构的广泛关注。目前3D打印技术主要包括液态光敏树脂固化成型，粉末或丝材的高能束熔化成型和烧结成型，依据粘结原理的叠层成型以及液体喷印成型等几种形式。

金属材料的3D打印技术有着最为广阔的应用市场和应用前景。目前金属材料的3D打印主要有基于定向能量沉积(DED)的电子束自由成型(EBFFF)和激光近净成型(LENS)；基于粉末熔覆(PBF)的电子束选区熔化(EBSM)、激光选区熔化(SLM)、直接金属激光烧结(DLMS)等。但现有技术的金属3D打印成型，仅支持十多种特定材料且通常需要预先制成专用的金属粉末；利用激光、电子束等高能热源熔化或烧结成型，生产效率低且成本高，另外成型的金属制品致密度低，最高能达到铸件的98％，力学性能远低于铸锻件；若采用电弧熔丝方式进行金属材料3D打印，热源成本较低，且不用制成金属粉末，前期工艺简单。但是打印过程中熔滴尺寸较大、熔滴过渡轨迹控制困难导致制品的精度差，需要进一步加工；另外在多层堆覆时，由于热积累严重，导致严重的残余应力及变形甚至出现熔塌现象。目前金属材料的3D打印产品极少能作为零部件直接组装使用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置。

本发明还提供一种利用该装置的金属熔融挤出打印方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，包括内腔体，内腔体为中空圆柱腔体，内腔体两端均设有绝缘垫块，内腔体内设有枪管，枪管一端与焊枪电缆接头相连，枪管另一端与连杆相连；连杆末端两侧对称设有导电块，导电块位于铜外套的空腔内，铜外套与绝缘垫块相连，铜外套末端设有陶瓷喷嘴，导电块末端与钨极相连，钨极末端位于陶瓷喷嘴内；

连杆末端还设有导丝管，导丝管内设有焊丝，焊丝位于两侧钨极中间位置；

焊枪电缆接头还设有支路，支路与气瓶相连，用于通入保护气。通入的保护气体一来可以拘束压缩电弧，二来保护液态熔滴并促进熔滴过渡。外套为铜材质。因为铜加工性能好，塑性较好，可承受冷热加工；不易发裂，简单易得。陶瓷喷嘴为立方氮化硼陶瓷喷嘴(CBN)。氮化硼喷嘴可长时间耐受电弧高温。

焊枪电缆接头、连杆、导丝管位于枪体中轴线上。

优选的，枪管通过焊枪头锁紧块固定于内腔体侧壁上。

优选的，铜外套外侧还设有水套，防止铜外套过热。

优选的，导电块上端设有水电导管，水电导管用于导电块的水循环冷却和导通电流。两个导电块均连接有水电导管，导电块和水电导管均采用黄铜材质加工。黄铜塑性好，热导性好，耐化学腐蚀性强，切削加工性能突出，不易变形开裂。

优选的，陶瓷喷嘴的结构从上到下包含圆柱空腔、圆台空腔、漏斗空腔，钨极末端位于圆柱空腔上方。通过试验验证，陶瓷喷嘴采用如图倒锥形结构，对电弧可以起到更好的机械约束作用；其次液态熔池在压缩电弧和保护气的作用下，更有利于持续稳定的挤出陶瓷喷嘴，完成3D打印过程；另外，值得注意的是通过改变喷嘴出口孔径大小，可有效调整沉积层壁厚。

进一步优选的，两钨极对称分布，在本装置中，钨极与竖直方向夹角为45°。

陶瓷喷嘴安置于铜外套底端，用于3D打印过程中拘束压缩电弧；在气压和电弧压力的共同作用下细化焊接产生的熔滴，并且有效调节熔滴过渡轨迹，从而提高金属件3D打印的精度。

根据本发明优选的，所述保护气为Ar、He或者是混合气体Ar+O₂、Ar+He、Ar+CO₂其中一种。

进一步优选的，保护气为混合气体Ar+O₂的混合气体。Ar和He按一定比例混合时，可获得兼有两者优点的混合气体，特别适合焊接铝及铝合金、铜及铜合金等热敏性高导热材料；焊丝为不锈钢焊丝时，气体一般为Ar+O₂、Ar+CO₂的混合气体，两者都可以有效改善焊缝成形和焊缝质量。实验验证当采用Ar+O₂的混合气体时，更有利于金属熔滴的细化，大幅度提高3D打印的精度，另外射流过渡的电流值有所降低。

进一步优选的，混合气体中所述O₂在保护气中的比例小于2％。

进一步优选的，混合气体中所述O₂在保护气中的比例为1％。通过配比器将Ar和O₂均匀混合并保证气体占比稳定。实验证明氧气量在2％以下时，对焊缝接头的抗腐蚀性能无明显影响。

进一步优选的，水电导管与焊接电源相连，焊接电源采用WSM—500c逆变式脉冲氩弧焊机。该系列焊机具备高频引弧功能。WSM—500c焊机具有理想的静外特性和良好的动态特性，起弧容易，电弧稳定，飞溅小，可靠性高，使得液态熔滴平稳过渡至氮化硼陶瓷喷嘴。

焊丝可以为不锈钢焊丝，不锈钢焊丝成本较低，简单易得。此处不锈钢焊丝仅作为一种实验材料，并不是所有金属熔丝3D打印都必须使用不锈钢焊丝。工业生产应根据实际需要选择合适材质的金属丝。

一种利用上述装置的熔融金属3D打印的方法，既以电弧热源熔化金属丝，利用陶瓷喷嘴对电弧进行强制压缩并细化液态熔滴，在气压和电弧压力的作用下熔融挤出成型的方法。具体包括如下步骤：

(1)、将两个水电导管分别与WSM-500c逆变式脉冲氩弧焊机的正负极相连，并接通水冷；

(2)、将打印装置与焊接机器人相连，整个打印过程的工艺参数和焊枪的运动均由焊接机器人控制，焊接机器人选用日本生产的MoToMan UP6，机器人的重复定位精度可达0.01mm，完全满足精度需要。随后根据打印需要，对焊接机器人进行离线编程；工艺参数包括电压参数、电流参数、气流量、焊接速度、送丝速度；

(3)、预热：陶瓷喷嘴为立方氮化硼材质，容易在较大热冲击作用下出现开裂现象。在实际熔融打印之前，采用短时间、小电流、多次数的起弧方式：初次采用电流为30A，随后每次增加10-15A，累计3-4次，电弧每次燃烧时间约10-15s，采用多次预热、梯度加热的方式，可有效避免氮化硼喷嘴因热冲击导致的开裂现象，延长喷嘴使用寿命；

(4)、接通电源，通入保护气和水冷；为保证高频起弧容易，设定10s的前气时间使得保护气充满腔体；当两电极引弧稳定后，以一定速度送进不锈钢焊丝，通过焊接机器人利用本装置进行3D打印；打印结束后，后气时间设定为20s，保证两非熔化极的充分冷却和减少烧损。

优选的，步骤(2)中，工艺参数包括电流75-85A，气流量4-8L/min，焊接速度8cm-25cm/min，送丝速度55cm-160cm/min，

本发明中，通过焊接机器人的离线编程控制焊枪的运动，两电极之间引弧，熔化不断送进的不锈钢焊丝，产生的熔滴会在电弧、保护气以及锥形喷嘴压缩作用下得到细化，然后在稳定的过渡到基板上，通过点、线、面的逐层添加完成3D打印过程。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的技术方案创造性的提出了一种基于电弧热源的熔融金属3D打印方法，并根据技术原理设计专用打印装置。不断熔化形成的液态熔滴在陶瓷喷嘴内聚集，在保护气和电弧压力的作用下挤出锥形喷嘴，得到细化的熔滴束流；另外由于陶瓷喷嘴的拘束作用，使得熔滴过渡轨迹得到优化，稳定快速地过渡到基板上实现3D打印，大大提高了金属零件3D打印的成型精度。

2、本发明的技术方案中，采用两电极之间高频起弧，使不断送进的金属丝得到熔化，区别于现有的在焊丝和基板之间起弧，可有效降低热输入和热积累，避免了打印过程中电弧较大的热输入对基板或前一打印层的影响，防止3D打印制品较大的残余应力、变形甚至在打印过程中出现熔塌现象。

3、本发明的技术方案中，利用电弧取代电子束或激光束作为热源，大幅度降低设备成本；利用熔焊方式不断堆积形成金属零件，可避免粉末熔化成型、烧结成型的多孔现象，力学性能突出达到铸锻件水平；此外生产效率得到明显提高。

4、利用本发明的技术方案，通过改变工艺参数(如焊接电压、焊接电流、脉冲波形、超声辅助或激光等外界因素)可稳定的进行多种金属材料的3D打印，尤其适用于航空航天、核电等重大工程领域中各类复杂精密元件。

5、利用本发明技术方案，对于贵重稀有金属零件成型，可大幅度提高材料利用率，丝材利用率将近100％。

附图说明

图1为本发明打印装置的剖面结构示意图；

图2为本发明打印装置左视结构透视图；

图3为本发明打印装置装配图；

图4位本发明打印装置工作时陶瓷喷嘴及电弧的形态示意图；

图5为本发明打印装置水电导管与导电块结构装配图；

其中，1、焊枪电缆接头，2、绝缘垫块1，3、枪管，4、连杆，5、绝缘垫块2，6、导丝管，7、内枪体，8、焊枪头锁紧块，9、水电管，10、导电块，11、铜外套，12、钨极，13、水套，14、陶瓷喷嘴，15、电弧，16、液态熔池，17、保护气，18、沉积层。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

如图1-5所示：

实施例1：

一种基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，包括内腔体，内腔体为中空圆柱腔体，内腔体两端均设有绝缘垫块，内腔体内设有枪管，枪管一端与焊枪电缆接头相连，枪管另一端与连杆相连；连杆末端两侧对称设有导电块，导电块位于铜外套的空腔内，铜外套与绝缘垫块相连，铜外套末端设有陶瓷喷嘴，导电块末端与钨极相连，钨极末端位于陶瓷喷嘴内。

连杆末端还设有导丝管，导丝管内设有焊丝，焊丝位于两侧钨极中间位置。

焊枪电缆接头还设有支路，支路与气瓶相连，用于通入保护气。

导电块上端设有水电导管，水电导管用于导电块的水循环和导通电流。两个导电块均连接有水电导管，导电块和水电导管均采用黄铜材质加工。黄铜塑性好，热导性好，耐化学腐蚀性强，切削加工性能突出，不易变形开裂。

陶瓷喷嘴的结构从上到下包含圆柱空腔、圆台空腔、漏斗空腔，钨极末端位于圆柱空腔上方，如图4所示，可以更好的容纳电弧，电弧在两个钨极之间起弧，电弧不出喷嘴，利用电弧为陶瓷喷嘴提供预热。

焊接电源采用奥泰WSM-500c逆变式脉冲氩弧焊机，焊机与水电导管相连，通过高频在两个钨极之间引燃电弧，该焊机引弧容易，电弧稳定，飞溅小，可靠性高；工艺参数设定以及焊枪运动均由MoToMan UP6焊接机器人控制，重复定位精度达0.01mm，完全满足工艺需求；保护气为Ar+O₂的混合气，氧气比例1％；喷嘴采用立方氮化硼陶瓷喷嘴，开口小，在3D打印过程中约束压缩电弧，在气压和电弧压力的共同作用下细化焊接产生的熔滴，从而提高3D打印的精度。

实施例2：

一种基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，其结构如实施例1所述，其区别在于，铜外套外部设有水套，以防止铜喷嘴过热。

实施例3：

一种基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，其结构如实施例1所述，其区别在于，枪管通过焊枪头锁紧块固定于内腔体侧壁上。

实施例4：

一种基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，其结构如实施例1所述，其区别在于，铜外套与绝缘垫块2之间采用机械连接。在外套上加工合适尺寸螺纹孔，在绝缘垫块相应位置安装螺纹套，用于铜外套和绝缘垫块2的连接。在熔融金属3D打印过程中，铜外套和绝缘垫块2长时间处于高温高压的工作状态，性能和使用寿命最先受到影响。将铜外套和绝缘垫块通过螺钉机械连接，便于维修更换，降低成本。

实施例5：

一种利用实施例1所述的基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置的打印方法，包括如下步骤：

(1)、将打印装置的两个水电导管分别与WSM-500c逆变式脉冲氩弧焊机的正负极相连，并接通水冷。

(2)、将打印装置与焊接机器人相连，整个打印过程的工艺参数和焊枪的运动均由焊接机器人控制，焊接机器人选用日本生产的MoToMan UP6，根据需要打印的金属制件对焊接机器人进行离线编程。

工艺参数包括，电压参数、电流参数、气流量、焊接速度、送丝速度、层间高度：设定电流85A，气流量6L/min，焊接速度12cm/min，送丝速度115cm/min，喷嘴至基板的距离约1.5cm。

(3)、预热：陶瓷喷嘴为立方氮化硼喷嘴材质，由于立方氮化硼较脆，为防止喷嘴受到高温电弧和金属熔滴的热冲击作用而破裂，采用小电流、短时间、多次数的方式进行预热。初次采用电流为30A，随后每次增加10A，累计3次，电弧每次燃烧时间约10s，采用多次预热的方式，可有效避免氮化硼喷嘴因热冲击导致的开裂现象。

(4)、接通电源，通入保护气和水冷。通入的保护气为Ar，为保证高频起弧容易，设定10s的前气时间使得保护气充满腔体；后气时间设定为20s，保证两非熔化极的充分冷却和减少烧损。气流量为6L/min时，起弧容易、电弧燃烧稳定。当两电极引弧稳定后，以115cm/min送进不锈钢焊丝，通过焊接机器人利用本装置进行3D打印。本设备采用熔融挤出的方式进行3D打印制造，可有效降低热输入和控制束状熔滴过渡轨迹。

实施例6：

一种如实施例5所述的基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置的打印方法，步骤如实施例5所述，所不同的是，步骤(3)中，利用电弧预热陶瓷喷嘴，初次采用电流为30A，随后每次增加15A，累计4次，电弧每次燃烧时间约15s。

对比例1：

公开号为CN108817611A的方案中，采用高频线圈对喷嘴进行预热，设备结构较为复杂；另外由于陶瓷喷嘴位于铜外壳的内侧，所以预热温度也受到一定限制。

实验例1：

利用本申请实施例1的结构和实施例5的工艺步骤，进行焊接试验，与对比例1的方案同时加工，在加工过程中、加工后结果如表1所示，利用本发明的结构和方法可得到理想的细化的熔滴束流，熔滴过渡轨迹得到优化，可以稳定快速地过渡到基板上实现3D打印，提高了成型精度。

表1焊接过程对比

	熔滴过渡方式	过渡轨迹可控性	设备结构
				实施例1	熔融挤出，呈束流状过渡	相对较好	操作简单
对比例1	熔滴滴状过渡	相对较差	结构复杂

Claims

1.一种基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，其特征在于，包括内腔体，内腔体为中空圆柱腔体，内腔体两端均设有绝缘垫块，内腔体内设有枪管，枪管一端与焊枪电缆接头相连，枪管另一端与连杆相连；连杆末端两侧对称设有导电块，导电块位于铜外套的空腔内，铜外套与绝缘垫块相连，铜外套末端设有陶瓷喷嘴，导电块末端与钨极相连，钨极末端位于陶瓷喷嘴内；

2.根据权利要求1所述的基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，其特征在于，枪管通过焊枪头锁紧块固定于内腔体侧壁上。

3.根据权利要求1所述的基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，其特征在于，铜外套外侧还设有水套。

4.根据权利要求1所述的基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，其特征在于，导电块上端设有水电导管，水电导管用于导电块的水循环冷却和导通电流；

优选的，水电导管与焊接电源相连，所述焊接电源采用WSM—500c逆变式脉冲氩弧焊机。

5.根据权利要求4所述的基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，其特征在于，陶瓷喷嘴的结构从上到下包含圆柱空腔、圆台空腔、漏斗空腔，钨极末端位于圆柱空腔上方。

6.根据权利要求1所述的基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，其特征在于，钨极与竖直方向夹角为45°。

7.根据权利要求1所述的基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，其特征在于，所述保护气为Ar、He或者是混合气体Ar+O₂、Ar+He、Ar+CO₂其中一种。

8.根据权利要求7所述的基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，其特征在于，保护气为混合气体Ar+O₂的混合气体。

9.根据权利要求8所述的基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置，其特征在于，混合气体中所述O₂在保护气中的比例小于2％；

优选的，混合气体中所述O₂在保护气中的比例为1％。

10.一种利用权利要求5所述基于电弧热源的新型熔融金属3D打印装置的工作方法，包括如下步骤：

(2)、将打印装置与焊接机器人相连，整个打印过程的工艺参数和焊枪的运动均由焊接机器人控制，焊接机器人选用日本生产的MoToMan UP6，根据打印需要，对焊接机器人进行离线编程；工艺参数包括电压参数、电流参数、气流量、焊接速度、送丝速度、层间高度；

(3)、预热：在实际熔融打印之前，采用短时间、小电流、多次数的起弧方式：初次采用电流为30A，随后每次增加10-15A，累计3-4次，电弧每次燃烧时间约10-15s；

(4)、接通电源，通入保护气和水冷；设定10s的前气时间使得保护气充满腔体；当两电极引弧稳定后，以一定速度送进不锈钢焊丝，通过焊接机器人利用本装置进行3D打印；打印结束后，后气时间设定为20s。