CN110977102B - 光导电火花熔化成形装置及方法 - Google Patents

光导电火花熔化成形装置及方法 Download PDF

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Abstract

光导电火花熔化成形装置及方法，属于增材制造领域。解决了现有的金属增材制造技术无法同时兼顾高效率和高精度的问题。本发明将光导电极作为工具电极，光导电极本身导电性能极差，而在特定的光照下，光照区域导电性能迅速升高，可实现导电，粉末或片状材料作为成形材料，基于逐层成形的制造方式，利用工具电极和待加工材料之间的绝缘介质被脉冲电压击穿所产生的火花放电通道作为热源，并通过在光导电极上辐射不同的光照图案对粉末材料进行选择性熔化成形，实现对待加工成形的金属构件的三维结构的重构。本发明主要应用在增材制造领域。

Description

光导电火花熔化成形装置及方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及基于逐层成形的制造方式。
背景技术
不同于传统的减材/增材制造技术，增材制造是指通过逐点加工、逐层累积的制造方式完成对构件的制造，这种独特加工特点使增材制造可以加工出任意复杂形状的零件。激光增材制造、电子束增材制造、等离子束增材制造等增材制造技术在学术界被广泛研究，并已经被应用在航空航天、模具制造和医疗器械等高精密工业领域。
但是现有增材制造技术不能同时兼顾工业界对制造方式高效率和较高精度的要求，这是增材制造技术不能大规模工业化应用的主要原因，寻找一种高效率加工出具有良好力学性能构件的增材制造方法对增材制造技术在各个行业的规模化应用具有重要的意义。
而现有技术中使用的电火花熔化成形装置或方法的增材制造技术，无法同时兼顾高效率和高精度的要求，无法加工出具有优异力学性能的复杂形状构件，因此以上问题亟需解决。
发明内容
本发明是为了解决现有的金属增材制造技术无法同时兼顾高效率和高精度的问题，本发明提供了一种光导电火花熔化成形装置及方法。
光导电火花熔化成形方法，该成形方法包括如下步骤：
步骤一、对待加工成形的金属构件的三维结构进行二维离散化处理，生成二维切片文件，并将二维切片文件发送至光照系统，其中，二维切片文件中包含每一层待加工层的待加工材料的图案；
步骤二、将待加工材料铺设在操作台上，使光导电极完全覆盖当前加工层的待加工材料，且光导电极与当前加工层的待加工材料间存在间距；
步骤三、在光导电极与当前加工层的待加工材料间施加连续的脉冲电压，同时，光照系统根据二维切片文件中的内容，出射相应的光照图案至光导电极上，光导电极在光照图案照射的区域和当前加工层的待加工材料之间的绝缘介质在脉冲电压作用下被击穿，击穿后产生的火花放电通道作为热源，对当前加工层的待加工材料进行加热，使当前加工层的待加工材料根据光照图案进行选择性熔凝成形，并使当前加工层的待加工材料和与其相邻的下层待加工材料熔凝成形为一体；
步骤四、在当前加工层的待加工材料上增加一层待加工材料，重复执行步骤三，直至操作台上任意相邻的两层待加工材料熔凝成形为一体，从而完成对待加工成形的金属构件的重构。
优选的是，步骤一、对待加工成形的金属构件的三维结构进行二维离散化处理，生成二维切片文件的具体过程为：
对待加工成形的金属构件的三维结构进行二维离散化处理，获得每一层切片的二维轮廓数据，并根据每一层切片的二维轮廓数据，获得该层切片所对应的待加工层的待加工材料的图案，从而实现对所有层待加工材料的图案获取，生成二维切片文件。
优选的是，待加工材料为单种导电材料、多种导电材料的混合材料或导电材料与非导电材料组合的材料，且待加工材料的形态为粉末状或片状。
优选的是，当待加工层的待加工材料的形态均为片状时，该待加工层可平铺一片或多片预切割后的待加工材料；
所述预切割后的待加工材料的形状是根据其所在的待加工层的图案进行切割。
优选的是，光照系统的辐射区域大于或者等于光导电极所在的区域。
优选的是，该成形装置包括光照系统、光导电极、脉冲电源、放电间隙伺服控制系统、材料进给系统和升降装置；
升降装置，用于控制铺设有待加工材料的操作台的升降；
光导电极位于操作台上方，用于对待加工材料进行放电加工；
光照系统位于光导电极上方，用于根据每一层待加工层的待加工材料的图案发出相应的光照图案对光导电极进行照射，光导电极被照射的区域为导电区域，在导电区域与该导电区域所对应的待加工材料间形成放电通道；
脉冲电源，用于给光导电极与待加工材料间提供连续的脉冲电压，且脉冲电源的正极与光导电极连接，其负极与升降装置上的待加工材料连接，并接入电源地；
放电间隙伺服控制系统，用于控制光导电极与当前加工层的待加工材料间的间距；
材料进给系统，用于将待加工材料铺设在操作台上。
原理分析：本发明将光导电极作为工具电极，工具电极与待加工材料始终保持一定间隙，在工具电极和待加工材料之间施加高频脉冲电压，利用工具电极和待加工材料之间的绝缘介质被脉冲电压击穿所产生的火花放电通道作为热源，实现对待加工材料的熔凝成形。
光导电极本身导电性能极差，而在特定的光照下，光照区域导电性能迅速升高，可实现导电，所以在加工过程中可以通过光照系统改变辐射到光导电极上的光照图案，对待加工材料进行选择性熔凝成形，实现对待加工成形的金属构件的三维结构的重构。
本发明带来的有益效果是，本发明将光导电极(photoconductive electrode)作为工具电极，粉末或片状材料作为成形材料，基于逐层成形的制造方式，利用工具电极和待加工材料之间的绝缘介质被脉冲电压击穿所产生的火花放电通道作为热源，并通过在光导电极上辐射不同的光照图案对粉末材料进行选择性熔化成形，实现对待加工成形的金属构件的三维结构的重构。
通过本发明所述成形装置和成形方法可以低成本，并高效率的加工出具有优异力学性能的复杂形状构件。
说明书附图
图1为通过本发明所述的光导电火花熔化成形装置对当加工层的待加工材料进行加工的原理示意图；
图2为在图1上增加一层待加工材料后，通过本发明所述的光导电火花熔化成形装置对当加工层的待加工材料进行加工的原理示意图；
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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，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。
参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的光导电火花熔化成形方法，该成形方法包括如下步骤：
步骤一、对待加工成形的金属构件的三维结构进行二维离散化处理，生成二维切片文件，并将二维切片文件发送至光照系统1，其中，二维切片文件中包含每一层待加工层的待加工材料2的图案；
步骤二、将待加工材料2铺设在操作台8上，使光导电极3完全覆盖当前加工层的待加工材料2，且光导电极3与当前加工层的待加工材料2间存在间距；
步骤三、在光导电极3与当前加工层的待加工材料2间施加连续的脉冲电压，同时，光照系统1根据二维切片文件中的内容，出射相应的光照图案至光导电极3上，光导电极3在光照图案照射的区域和当前加工层的待加工材料2之间的绝缘介质在脉冲电压作用下被击穿，击穿后产生的火花放电通道作为热源，对当前加工层的待加工材料2进行加热，使当前加工层的待加工材料2根据光照图案进行选择性熔凝成形，并使当前加工层的待加工材料2和与其相邻的下层待加工材料2熔凝成形为一体；
步骤四、在当前加工层的待加工材料2上增加一层待加工材料2，重复执行步骤三，直至操作台8上任意相邻的两层待加工材料2熔凝成形为一体，从而完成对待加工成形的金属构件的重构。
图1中，操作台8上铺设有一层粉末状的待加工材料2，光导电极3根据相应的光照图案对粉末状的待加工材料2的加工区域进行加工，实现对加工区域的选择性熔凝成形。
图2中，将图1中的一层粉末状的待加工材料2加工完成后，在其上层又铺设一层粉末状的待加工材料2，通过光导电极3根据相应的光照图案对当前层的粉末状的待加工材料2的加工区域进行加工，实现当前层的加工区域的选择性熔凝成形，以及该当前层与其下层所对应加工区域的熔凝成形。
光导电极3本身导电性能极差，而在特定的光照下，光照区域导电性能迅速升高，可实现导电，所以在加工过程中可以通过光照系统1改变辐射到光导电极3上的光照图案，对待加工材料2进行选择性熔凝成形，实现待加工成形的金属构件的三维结构的重构。
本发明将光导电极(photoconductive electrode)作为工具电极，粉末或片状材料作为成形材料，基于逐层成形的制造方式，利用工具电极和待加工材料之间的绝缘介质被脉冲电压击穿所产生的火花放电通道作为热源，并通过在光导电极上辐射不同的光照图案对粉末材料进行选择性熔化成形。
通过本发明所述成形方法可高效率的加工出具有优异力学性能的复杂形状构件。
参见1和图2说明本优选实施方式，本优选实施方式中，步骤一、对待加工成形的金属构件的三维结构进行二维离散化处理，生成二维切片文件的具体过程为：
对待加工成形的金属构件的三维结构进行二维离散化处理，获得每一层切片的二维轮廓数据，并根据每一层切片的二维轮廓数据，获得该层切片所对应的待加工层的待加工材料2的图案，从而实现对所有层待加工材料2的图案获取，生成二维切片文件。
参见1和图2说明本优选实施方式，本优选实施方式中，待加工材料2为单种导电材料、多种导电材料的混合材料或导电材料与非导电材料组合的材料，且待加工材料2的形态为粉末状或片状。
参见图1和图2说明本优选实施方式，本优选实施方式中，当待加工层的待加工材料2的形态均为片状时，该待加工层可平铺一片或多片预切割后的待加工材料2；
所述预切割后的待加工材料2的形状是根据其所在的待加工层的图案进行切割。
参见1和图2说明本优选实施方式，本优选实施方式中，光照系统1的辐射区域大于或者等于光导电极3所在的区域。使光照系统1的辐照区域完全覆盖光导电极3。
参见1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的根据所述的光导电火花熔化成形方法实现的成形装置，该成形装置包括光照系统1、光导电极3、脉冲电源4、放电间隙伺服控制系统5、材料进给系统6和升降装置7；
升降装置7，用于控制铺设有待加工材料2的操作台8的升降；
光导电极3位于操作台8上方，用于对待加工材料2进行放电加工；
光照系统1位于光导电极3上方，用于根据每一层待加工层的待加工材料2的图案发出相应的光照图案对光导电极3进行照射，光导电极3被照射的区域为导电区域3-1，在导电区域3-1与该导电区域3-1所对应的待加工材料2间形成放电通道；
脉冲电源4，用于给光导电极3与待加工材料2间提供连续的脉冲电压，且脉冲电源4的正极与光导电极3连接，其负极与升降装置7上的待加工材料2连接，并接入电源地；
放电间隙伺服控制系统5，用于控制光导电极3与当前加工层的待加工材料2间的间距；
材料进给系统6，用于将待加工材料2铺设在操作台8上。
本实施方式中，在于在加工之前或者加工过程中可以根据成形材料和其它成形条件在竖直方向上移动光导电极3，使光导电极3和粉末(片状)材料之间的间隙满足稳定放电成形要求，无需对光导电极3进行水平移动，只需通过改变照射到光导电极3的图案，即可实现对待加工材料2的选择性熔凝成形，整个操作过程简单、快速、可实现对三维的金属构件快速重构。
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，并且可以设计出其它的布置，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它所述实施例。

Claims (6)

1.光导电火花熔化成形方法，其特征在于，该成形方法包括如下步骤：
步骤一、对待加工成形的金属构件的三维结构进行二维离散化处理，生成二维切片文件，并将二维切片文件发送至光照系统(1)，其中，二维切片文件中包含每一层待加工层的待加工材料(2)的图案；
步骤二、将待加工材料(2)铺设在操作台(8)上，使光导电极(3)完全覆盖当前加工层的待加工材料(2)，且光导电极(3)与当前加工层的待加工材料(2)间存在间距；
步骤三、在光导电极(3)与当前加工层的待加工材料(2)间施加连续的脉冲电压，同时，光照系统(1)根据二维切片文件中的内容，出射相应的光照图案至光导电极(3)上，光导电极(3)在光照图案照射的区域和当前加工层的待加工材料(2)之间的绝缘介质在脉冲电压作用下被击穿，击穿后产生的火花放电通道作为热源，对当前加工层的待加工材料(2)进行加热，使当前加工层的待加工材料(2)根据光照图案进行选择性熔凝成形，并使当前加工层的待加工材料(2)和与其相邻的下层待加工材料(2)熔凝成形为一体；
步骤四、在当前加工层的待加工材料(2)上增加一层待加工材料(2)，重复执行步骤三，直至操作台(8)上任意相邻的两层待加工材料(2)熔凝成形为一体，从而完成对待加工成形的金属构件的重构。
2.根据权利要求1所述的光导电火花熔化成形方法，其特征在于，步骤一、对待加工成形的金属构件的三维结构进行二维离散化处理，生成二维切片文件的具体过程为：
对待加工成形的金属构件的三维结构进行二维离散化处理，获得每一层切片的二维轮廓数据，并根据每一层切片的二维轮廓数据，获得该层切片所对应的待加工层的待加工材料(2)的图案，从而实现对所有层待加工材料(2)的图案获取，生成二维切片文件。
3.根据权利要求1所述的光导电火花熔化成形方法，其特征在于，待加工材料(2)为单种导电材料、多种导电材料的混合材料或导电材料与非导电材料组合的材料，且待加工材料(2)的形态为粉末状或片状。
4.根据权利要求1所述的光导电火花熔化成形方法，其特征在于，当待加工层的待加工材料(2)的形态均为片状时，该待加工层可平铺一片或多片预切割后的待加工材料(2)；
所述预切割后的待加工材料(2)的形状是根据其所在的待加工层的图案进行切割。
5.根据权利要求1所述的光导电火花熔化成形方法，其特征在于，光照系统(1)的辐射区域大于或者等于光导电极(3)所在的区域。
6.根据权利要求1所述的光导电火花熔化成形方法实现的成形装置，其特征在于，该成形装置包括光照系统(1)、光导电极(3)、脉冲电源(4)、放电间隙伺服控制系统(5)、材料进给系统(6)和升降装置(7)；
升降装置(7)，用于控制铺设有待加工材料(2)的操作台(8)的升降；
光导电极(3)位于操作台(8)上方，用于对待加工材料(2)进行放电加工；
光照系统(1)位于光导电极(3)上方，用于根据每一层待加工层的待加工材料(2)的图案发出相应的光照图案对光导电极(3)进行照射，光导电极(3)被照射的区域为导电区域(3-1)，在导电区域(3-1)与该导电区域(3-1)所对应的待加工材料(2)间形成放电通道；
脉冲电源(4)，用于给光导电极(3)与待加工材料(2)间提供连续的脉冲电压，且脉冲电源(4)的正极与光导电极(3)连接，其负极与升降装置(7)上的待加工材料(2)连接，并接入电源地；
放电间隙伺服控制系统(5)，用于控制光导电极(3)与当前加工层的待加工材料(2)间的间距；
材料进给系统(6)，用于将待加工材料(2)铺设在操作台(8)上。
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