CN115283870B - 一种复合热源增材制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复合热源增材制造方法及装置，涉及增材制造技术领域，以解决单一热源增材制造过程中会产生飞溅、咬边和气孔等缺陷，导致成形零件质量差，且单一热源增材制造效率低、能量大的问题。复合热源增材制造方法包括：控制激光熔覆头在基板上形成第一熔池；控制等离子设备在所述第一熔池上发射等离子体，扩大第一熔池的面积与深度，形成第二熔池；控制电弧设备将金属丝材熔化成金属液滴，并将金属液滴滴入第二熔池并摊开；以使所述金属液滴凝固后形成零件。本发明提供的复合热源增材制造方法用于消除飞溅、咬边和气孔缺陷，提高增材成型速度，得到高质量的零件。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种复合热源增材制造方法及装置。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。常见的增材制造用金属材料有镁合金、铝合金、高温合金、不锈钢等，这几种金属材料具有蒸汽压低、易挥发、成形困难的特点，采用传统的单一热源增材制造过程中会产生飞溅、咬边、气孔等缺陷，导致成形零件质量差，而且单一热源进行增材制造效率低、能量大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合热源增材制造方法及装置，用于解决单一热源增材制造过程中会产生飞溅、咬边和气孔等缺陷，导致成形零件质量差，且单一热源增材制造效率低、能量大的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种复合热源增材制造方法，应用于增材制造设备，所述增材制造设备至少包括：激光熔覆头、电弧设备以及等离子设备，所述复合热源增材制造方法包括：
控制所述激光熔覆头在基板上形成第一熔池；
控制所述等离子设备在所述第一熔池上发射等离子体，扩大所述第一熔池的面积与深度，形成第二熔池；
控制所述电弧设备将金属丝材熔化成金属液滴，并将所述金属液滴滴入所述第二熔池并摊开；以使所述金属液滴凝固后形成零件。
可选的，在增材成形过程中所述电弧设备始终垂直于所述基板，且所述激光熔覆头和所述等离子设备均以相同角度固定在所述电弧设备两侧。
可选的，在增材成形过程中所述激光熔覆头、电弧设备以及等离子设备均沿同一方向运动，所述基板进行多方向运动。
可选的，所述电弧设备为CMT电弧设备；所述CMT电弧设备内的所述金属丝材连接电源正极，所述基板连接电源负极。
可选的，所述控制所述激光熔覆头在基板上形成第一熔池包括：
控制所述激光熔覆头发射激光，所述激光能量集中在丝材正下方的基板表面，形成所述第一熔池。
可选的，所述CMT电弧设备增材速度大于500mm/min。
可选的，所述控制所述激光熔覆头在基板上形成第一熔池之前还包括：
构建待打印零件的三维模型，对所述三维模型进行切片处理得到多个切片层；
对多个所述切片层进行路径填充，得到所述待打印零件的增材成形路径；
根据所述增材成形路径控制所述增材制造设备进行所述待打印零件的增材制造。
可选的，所述金属丝材从所述CMT电弧设备的导电嘴中心送出。
可选的，所述第一熔池的宽度为2～3mm；所述第二熔池的深度为0.5mm，所述第二熔池的宽度为8～10mm。
另一方面，本发明还提供一种复合热源增材制造装置，应用于增材制造设备，所述增材制造设备至少包括：激光熔覆头、电弧设备以及等离子设备，所述复合热源增材制造装置包括：
第一熔池形成模块，用于控制所述激光熔覆头在基板上形成第一熔池；
第二熔池形成模块，用于控制所述等离子设备在所述第一熔池上发射等离子体，扩大所述第一熔池的面积与深度，形成第二熔池；
零件成形模块，用于控制所述电弧设备将金属丝材熔化成金属液滴，并将所述金属液滴滴入所述第二熔池并摊开；以使所述金属液滴凝固后形成零件。
与现有技术相比，本发明提供的一种复合热源增材制造方法，应用于增材制造设备，增材制造设备至少包括：激光熔覆头、电弧设备以及等离子设备，复合热源增材制造方法包括：控制激光熔覆头在基板上形成第一熔池；控制等离子设备在第一熔池上发射等离子体，扩大第一熔池的面积与深度，形成第二熔池；控制电弧设备将金属丝材熔化成金属液滴，并将金属液滴滴入第二熔池并摊开；以使金属液滴凝固后形成零件。通过激光熔覆头在基板上形成第一熔池，等离子设备在第一熔池上发射等离子体可以扩大第一熔池的面积和宽度，形成较大面积的浅熔池，消除飞溅、咬边和气孔的缺陷，同时细化晶粒，提高增材效率以及零件质量，同时电弧设备将金属丝材熔化成金属液滴，电弧能量主要集中在丝材上，可实现更少能量输出就能熔化更多的丝材，提高了增材速度，此外，激光具有光斑小，能量高的特点，激光熔覆头在基板上形成第一熔池，与电弧熔丝配合可提高增材速度，实现快速增材。
与现有技术相比，本发明提供的一种复合热源增材制造装置的有益效果与上述技术方案所述一种复合热源增材制造方法的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的一种增材制造设备结构示意图；
图2为本发明提供的一种复合热源增材制造方法流程图；
图3为本发明提供的不同数量热源的熔池及熔滴形态示意图；
图4为本发明提供的一种复合热源增材制造装置的结构示意图。
附图标记：
1-激光熔覆头，2-CMT电弧设备，3-等离子设备，4-电源，5-基板。
具体实施方式
为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
现有增材制造往往采用激光、CMT电弧或等离子电弧单一热源进行增材制造，对于镁合金、铝合金、高温合金、不锈钢等金属材料来说，蒸汽压低，易挥发且成型困难，仅采用单一热源会出现飞溅、咬边和气孔等缺陷使所得产品质量难以突破。
为解决以上问题，本发明提供一种复合热源增材制造方法及装置，采用多热源结合的方式可以消除飞溅、咬边和气孔缺陷，增材效率高。接下来结合附图进行说明。
图1为一种增材制造设备结构示意图，如图1所示，该增材制造设备包括：激光系统、CMT电弧系统和等离子电弧系统，激光系统包括激光熔覆头1，CMT电弧系统包括CMT电弧设备2，等离子电弧系统包括等离子设备3，CMT电弧设备2始终垂直于基板5，且激光熔覆头1和等离子设备3均以相同的角度固定在CMT电弧设备2两侧，激光熔覆头1与CMT电弧设备2的焊枪之间夹角为30°，等离子设备3与CMT电弧设备2的焊枪之间夹角为30°。在增材制造过程中，以CMT电弧设备2为主弧，金属丝材从CMT电弧设备2的导电嘴中心送出，金属丝材连接电源4的正极作为增材制造的正极，基板5连接电源4的负极作为增材制造的负极。
激光熔覆头1、CMT电弧设备2以及等离子设备3之间位置相对固定，在增材成制造过程中，激光熔覆头1、CMT电弧设备2以及等离子设备3整体沿同一方向运动，例如可以沿垂直于基板5的方向运动；基板5可以进行多方向运动，可以将基板5设置在两轴变位机上，进行两轴方向的运动，也可以在水平方向以及垂直于水平方向进行移动。基板5、激光熔覆头1、CMT电弧设备2以及等离子设备3均在运动程序的控制下按照规划路径运动。
本发明提供一种复合热源增材制造方法，应用于上述增材制造设备，结合图2进行说明，图2为本发明提供的一种复合热源增材制造方法流程图，如图2本复合热源增材制造方法包括以下步骤：
步骤201：控制所述激光熔覆头在基板上形成第一熔池。
通过计算机程序对增材制造设备进行控制；激光熔覆头产生的激光光斑能量集中在金属丝材正下方的基板上，第一熔池宽度为2～3mm。
步骤202：控制所述等离子设备在所述第一熔池上发射等离子体，扩大所述第一熔池的面积与深度，形成第二熔池。
等离子体指部分或完全电离的气体，且自由电子和离子所带正、负电荷的总和完全抵消，宏观上呈现中性电。等离子体又叫电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质。第二熔池的深度为0.5mm，宽度为8～10mm。
步骤203：控制所述电弧设备将金属丝材熔化成金属液滴，并将所述金属液滴滴入所述第二熔池并摊开；以使所述金属液滴凝固后形成零件。
电弧设备为CMT电弧设备，在仅采用CMT电弧设备增材成型时，在增材速度小于500mm/min时，可以获得较好的增材成型零件，但当速度提高到大于500mm/min时，成型的零件晶粒粗大、缺陷较多或者无法成型零件。本复合热源增材制造方法可以在增材速度大于500mm/min时，保证成型零件质量。
在2～5m/min的高速增材成形过程中，熔池及熔滴形态可以结合图3进行说明，如图3所示，当仅以CMT电弧作为单一热源进行增材制造时，CMT电弧设备高速移动难以形成熔池，当CMT电弧设备将金属丝材熔化成金属液滴，熔化的金属液滴称为熔滴，滴在基板上时，多滴熔滴之间就会形成飞溅、咬边和气孔缺陷；当CMT电弧和激光共同作为热源时，由于激光光斑小，激光在基板上形成的熔池也小，当CMT电弧设备熔化金属丝材形成金属液滴滴落在基板上时，同样会产生飞溅、咬边和气孔缺陷；当采用CMT电弧、激光、等离子体三种热源进行增材制造时，激光熔覆头和等离子设备先在基板及增材零件表面形成深度为0.5mm，宽度为8～10mm的大熔池，可将CMT电弧设备熔化金属丝材形成的熔滴快速摊平，消除飞溅、咬边和气孔缺陷，同时细化晶粒，提高增材成形速度后，仍可以得到高质量的增材构件。
上述复合热源增材制造方法，通过激光熔覆头在基板上形成第一熔池，等离子设备在第一熔池上发射等离子体可以扩大第一熔池的面积和宽度，形成较大面积的浅熔池，消除飞溅、咬边和气孔的缺陷，同时细化晶粒，提高零件的制造效率以及零件质量，同时电弧设备将金属丝材熔化成金属液滴，电弧能量主要集中在丝材上，可实现更少能量输出就能熔化更多的丝材，提高了增材速度，此外，激光具有光斑小，能量高的特点，激光熔覆头在基板上形成第一熔池，与电弧熔丝配合可提高增材速度，实现快速增材。本复合热源增材制造方法可攻克镁合金、铝合金、高温合金、不锈钢等金属电弧增材制造过程中的技术难题，尤其是镁合金蒸汽压低、易挥发、成型困难等全球技术难题，实现高质量金属结构件的快速、高质量成型。
进一步的，所述控制所述激光熔覆头在基板上形成第一熔池包括：
控制所述激光熔覆头发射激光，所述激光能量集中在丝材正下方的基板表面，形成所述第一熔池。
在增材制造过程中，由于激光具有光斑小，能量高的特点，与CMT电弧设备熔丝进行配合可加快金属丝材熔化速度，实现快速增材。
进一步的，所述控制所述激光熔覆头在基板上形成第一熔池之前还包括：
构建待打印零件的三维模型，对所述三维模型进行切片处理得到多个切片层；
对多个所述切片层进行路径填充，得到所述待打印零件的增材成形路径；
根据所述增材成形路径控制所述增材制造设备进行所述待打印零件的增材制造。
在实际应用中，先构建待打印零件的三维模型，对该三维模型进行处理得到多个切片层，多切片层进行路径填充，得到待打印零件的增材成形路径；将增材成形路径程序导入到增材制造设备中，然后打开激光系统，激光在基板上快速形成宽度为2～3mm的熔池，再打开等离子弧系统，在基板表面形成深度为：0.5mm，宽度为8mm～10mm的大熔池，最后打开CMT系统，将金属丝材熔化成金属液滴，熔化的金属液滴直接进入熔池并摊开，快速凝固成形，从而得到打印零件，在增材制造过程中，运动程序控制增材制造设备按照增材成形路径进行运动。
上述主要从各个网元之间交互的角度对本发明实施例提供的方案进行了介绍。可以理解的是，为了实现上述功能，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，本发明能够以硬件或硬件和计算机软件的结合形式来实现。某个功能究竟以硬件还是计算机软件驱动硬件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本发明实施例可以根据上述方法示例进行功能模块的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。需要说明的是，本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
在采用对应各个功能划分各个功能模块的情况下，图4示出了本发明提供的一种复合热源增材制造装置的结构示意图。如图4所示，该复合热源增材制造装置应用于增材制造设备，增材制造设备至少包括：激光熔覆头、电弧设备以及等离子设备，复合热源增材制造装置包括：
第一熔池形成模块401，用于控制所述激光熔覆头在基板上形成第一熔池；
第二熔池形成模块402，用于控制所述等离子设备在所述第一熔池上发射等离子体，扩大所述第一熔池的面积与深度，形成第二熔池；
零件成形模块403，用于控制所述电弧设备将金属丝材熔化成金属液滴，并将所述金属液滴滴入所述第二熔池并摊开；以使所述金属液滴凝固后形成零件。
可选的，在增材制造过程中所述电弧设备始终垂直于所述基板，且所述激光熔覆头和所述等离子设备均以相同角度固定在所述电弧设备两侧。
可选的，在增材制造过程中所述激光熔覆头、电弧设备以及等离子设备均沿同一方向运动，所述基板进行多方向运动。
可选的，所述电弧设备为CMT电弧设备；所述CMT电弧设备内的所述金属丝材连接电源正极，所述基板连接电源负极。
可选的，所述第一熔池形成模块401可以包括：
第一熔池形成单元，用于控制所述激光熔覆头发射激光，所述激光能量集中在丝材正下方的基板表面，形成所述第一熔池。
可选的，所述CMT电弧设备增材速度大于500mm/min。
可选的，所述复合热源增材制造装置还包括增材成形路径规划模块，具体用于构建待打印零件的三维模型，对所述三维模型进行切片处理得到多个切片层；
对多个所述切片层进行路径填充，得到所述待打印零件的增材成形路径；
根据所述增材成形路径控制所述增材制造设备进行所述待打印零件的增材制造。
可选的，所述金属丝材从所述CMT电弧设备的导电嘴中心送出。
可选的，所述第一熔池的宽度为2～3mm；所述第二熔池的深度为0.5mm，所述第二熔池的宽度为8～10mm。
上述一种复合热源增材制造装置为虚拟装置，包括虚拟单元和虚拟功能模块，本装置是搭建在增材制造设备上使用的，同时本发明提供的复合热源增材制造装置与一种复合热源增材制造方法对应，作用于增材制造设备。
上述方法实施例涉及的各步骤的所有相关内容均可以援引到对应功能模块的功能描述，在此不再赘述。
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种复合热源增材制造方法，其特征在于，应用于增材制造设备，所述增材制造设备至少包括：激光熔覆头、电弧设备以及等离子设备，所述电弧设备为CMT电弧设备；所述CMT电弧设备内的金属丝材连接电源正极，基板连接电源负极；所述CMT电弧设备增材速度大于500mm/min；所述复合热源增材制造方法包括：
控制所述激光熔覆头在基板上形成第一熔池；
控制所述等离子设备在所述第一熔池上发射等离子体，扩大所述第一熔池的面积与深度，形成第二熔池；
控制所述电弧设备将金属丝材熔化成金属液滴，并将所述金属液滴滴入所述第二熔池并摊开；以使所述金属液滴凝固后形成零件。
2.根据权利要求1所述的复合热源增材制造方法，其特征在于，在增材制造过程中所述电弧设备始终垂直于所述基板，且所述激光熔覆头和所述等离子设备均以相同角度固定在所述电弧设备两侧。
3.根据权利要求2所述的复合热源增材制造方法，其特征在于，在增材制造过程中所述激光熔覆头、电弧设备以及等离子设备均沿同一方向运动，所述基板进行多方向运动。
4.根据权利要求1所述的复合热源增材制造方法，其特征在于，所述控制所述激光熔覆头在基板上形成第一熔池包括：
控制所述激光熔覆头发射激光，所述激光能量集中在丝材正下方的基板表面，形成所述第一熔池。
5.根据权利要求1所述的复合热源增材制造方法，其特征在于，所述控制所述激光熔覆头在基板上形成第一熔池之前还包括：
构建待打印零件的三维模型，对所述三维模型进行切片处理得到多个切片层；
对多个所述切片层进行路径填充，得到所述待打印零件的增材成形路径；
根据所述增材成形路径控制所述增材制造设备进行所述待打印零件的增材制造。
6.根据权利要求1所述的复合热源增材制造方法，其特征在于，所述金属丝材从所述CMT电弧设备的导电嘴中心送出。
7.根据权利要求1所述的复合热源增材制造方法，其特征在于，所述第一熔池的宽度为2~3mm；所述第二熔池的深度为0.5mm，所述第二熔池的宽度为8~10mm。
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