一种铝合金电弧辅助涂覆增材制造系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种铝合金电弧辅助涂覆增材制造系统及方法，坩埚固定于封闭手套箱上，三维移动平台、基板及电弧热源均位于封闭手套箱内，基板位于三维移动平台上，涂覆头的上端与坩埚的底部出口相连通，涂覆头的下端插入于封闭手套箱内且正对基板，电弧热源固定于封闭手套箱的顶部且正对基板，坩埚的外壁上缠绕有感应线圈，感应线圈与电源相连接，坩埚的顶部开口处设有坩埚盖，第一供气系统与封闭手套箱相连通，第二供气系统与坩埚相连通，控制器的输出端与电源的控制端相连接，第一供气系统及第二供气系统与控制器相连接，该系统及方法能够通过3D打印制备质量较好的铝合金工件，并且制备成本低，效率高。

Aluminum alloy arc auxiliary coating material increasing manufacturing system and method

The invention discloses a Aluminum Alloy arc assisted coating additive manufacturing system and method, the crucible is fixed on the closed glove box, three-dimensional mobile platform, substrate and arc heat source are located in the closed glove box, the substrate in 3D on the mobile platform, the upper application head and bottom outlet is communicated with the lower end of the crucible, the coating head is inserted in the closed glove box and is fixed on the substrate, the arc top glove box is closed and the substrate, the crucible wall wound a coil induction coil is connected with the power source, the crucible opening at the top of a crucible cover, the first gas supply system and the closed glove box is communicated with the second air supply system is communicated with the crucible. A control terminal of the output terminal of the controller and power connections, and two gas supply system and gas supply system is connected with the first controller, the system and method The aluminum alloy workpiece with good quality can be prepared by 3D printing, and the preparation is low in cost and high in efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金电弧辅助涂覆增材制造系统及方法
本专利技术属于3D打印
，涉及一种铝合金电弧辅助涂覆增材制造系统及方法。
技术介绍
增材制造(additivemanufacturing，AM)技术是近年来由制造技术、信息技术和新材料技术融合而成一种新型的制造技术，由于其特殊的成型方式和广阔的应用前景，被誉为有望产生“第三次工业革命”的代表性技术。该技术不需要传统加工的刀具、夹具及多道加工程序，具有柔性好、成形速度快以及成形与零件复杂程度无关的优点，由于其工艺的特殊性，增材制造可以实现制造短程化，并且推动大批量制造模式向个性化制造模式转变。不同的金属3D打印增材制造技术有各自不同的特点和分类方法，按照成形材料不同沉积状态，金属件的成型工艺主要有：选择性激光烧结(SelectedLaserSintering，SLS)技术，选区激光熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)技术，激光熔敷沉积(LaserCladdingDeposition，LCD)技术，三维打印(3DPrinting，3DP)技术，电子束熔融(ElectronBeamMelting，EBM)技术，三维微焊接(3DMicroWelding，3DMW)成形技术，金属熔滴沉积技术(MMSDD)。其中选择性激光烧结技术，选区激光熔化技术和激光熔敷沉积技术都采用了高功率激光器，虽然其成形精度较高，但是其设备开发成本高昂，成形精度如果需要进一步提高，就必须突破原材料粉末直径的限制，当粉末直径小于30um时，难以用常规的研磨方法制备，而放电爆炸法、化学还原法等工艺制备的粉体材料成本较高，且这些微小活性材料粉体在运输和储存过程中极易发生氧化反应甚至爆炸，存在着很大的风险；活性粉体材料对激光反射率可达40％～90％，能源利用率较低。因此，采用激光—粉体沉积金属制件的方法还有待完善。其中电子束熔融虽然能量密度大、功率大，成形效率高，但是其成形件精度低，尺寸有限。三维打印技术，三维微焊接技术以及三维打印技术虽然设备成本低，但是其成形零件的强度和精度难以满足工业应用。铝合工件有密度小、比强度高、耐腐蚀性好、成本低等一系列优点，在兵器工业、核工业、航空、汽车、航天及船舶都有十分广泛的应用前景，因此铝合金技术被列为国防科技重点发展的基础技术。同时铝合金在工业上的使用仅次于钢，在航天航空领域铝合金的应用达到了80％。虽然铝合金在国民经济中应用范围广，但是目前铝合金在增材制造技术中的研究很少。首先铝合金在空气中极易氧化，其氧化产物三氧化二铝熔点非常高(约20500C)，在金属3D打印中会导致层间结合出现缝隙，其次铝合金在金属增材制造中极易产生气孔，产生气孔的原因主要是是氢，由于液态铝可以溶解大量的氢气，而固态铝几乎不溶解氢，在凝固过程中氢来不及逸出，就会在成形件中产生气孔，从而导致铝合金工件的质量较差，第三，铝合金对激光的反射率较高，对激光能量的吸收率很低，导致铝合金在以激光作为热源的金属增材制造技术中研究遇到极大阻碍，从而不能通过3D打印来制备出质量较好的铝合金工件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种铝合金电弧辅助涂覆增材制造系统及方法，该系统及方法能够通过3D打印制备质量较好的铝合金工件，并且制备成本低，效率高。为达到上述目的，本专利技术所述的铝合金电弧辅助涂覆增材制造系统包括封闭手套箱、三维移动平台、基板、坩埚、涂覆头、电弧热源、电源、第一供气系统、第二供气系统及控制器；坩埚固定于封闭手套箱上，三维移动平台、基板及电弧热源均位于封闭手套箱内，基板位于三维移动平台上，涂覆头的上端与坩埚的底部出口相连通，涂覆头的下端插入于封闭手套箱内且正对基板，电弧热源固定于封闭手套箱的顶部且正对基板，坩埚的外壁上缠绕有感应线圈，感应线圈与电源相连接，坩埚的顶部开口处设有坩埚盖，第一供气系统与封闭手套箱相连通，第二供气系统与坩埚相连通，控制器的输出端与电源的控制端相连接，第一供气系统及第二供气系统与控制器相连接。所述第一供气系统包括真空泵、氩气罐及第一电磁阀，其中，真空泵与封闭手套箱相连通，氩气罐的出气口通过第一电磁阀与封闭手套箱相连接，控制器与第一电磁阀相连接。所述第二供气系统包括第二电磁阀、第三电磁阀以及用于检测坩埚内气压的压力表，氩气罐的出气口通过第二电磁阀与坩埚的入气口相连通，第三电磁阀与坩埚的出气口相连通，压力表的输出端与控制器的输入端相连接，控制器的输出端与第二电磁阀的控制端及第三电磁阀的控制端相连接。压力表的输出端依次经电荷放大器及转换器与控制器的输入端相连接；控制器通过转换器及固态继电器与第一电磁阀的控制端、第二电磁阀的控制端及第三电磁阀的控制端相连接。还包括第一温度传感器，在使用时，将铝合金原材料加入到坩埚中，通过感应线圈将所述铝合金原材料加热到熔融状态，通过第一温度传感器检测所述熔融状态下铝合金原材料的温度信息，第一温度传感器的输出端与控制器的输入端相连接。还包括用于检测基板温度的第二温度传感器，其中，第二温度传感器的输出端与控制器的输入端相连接，控制器的输出端与电弧热源的控制端相连接。控制器与三维移动平台之间通过固高控制卡相连接。本专利技术所述的铝合金电弧辅助涂覆增材制造方法包括以下步骤：1)绘制待制造工件的三维模型，再将待制造工件的三维模型输入到控制器中；2)将铝合金原材料加入到坩埚中，控制器控制电源，通过感应线圈对坩埚中的铝合金原材料进行加热，使坩埚中的铝合金原材料加热至熔融状态，控制器控制第一供气系统及第二供气系统工作，通过第一供气系统更换封闭手套箱中的空气，通过第二供气系统向坩埚中充入惰性气体，使熔融状态的铝合金原材料在惰性气体的驱动下从涂覆头中的流道连续流出；同时控制器控制电弧热源工作，通过电弧热源在基板上形成微熔池，涂覆头中流道流出的熔融状态的铝合金原材料掉落到微熔池中；同时，控制器根据待制造工件的三维模型通过三维移动平台带动基板运动，从而在基板上涂覆出所需工件，完成铝合金电弧辅助涂覆增材的制造。坩埚与涂覆头的材质均为石墨，涂覆头中流道的直径为2-4mm。电弧热源与涂覆头的中心线之间的水平距离为5mm。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的铝合金电弧辅助涂覆增材制造系统及方法在具体操作时，先绘制待制造工件的三维模型，然后将待制造工件的三维模型输入到控制器中，通过感应线圈对铝合金原材料进行加热，控制器控制第二供气系统向坩埚中冲入惰性气体，从而使熔融状态的铝合金原材料从涂覆头中连续流出，同时本专利技术通过电弧热源在基板上形成微熔池，涂覆头流出的熔融状态的铝合金原材料掉落到熔融池中，从而避免工件层间结合处出现缝隙。另外，需要说明的是，本专利技术通过电弧热源及感应线圈对铝合金进行加热，避免激光作为热源带来的问题，降低制备的成本。另外，在3D打印过程中，通过第一供气系统更换封闭手套箱中的空气，从而有效的提高铝合金工件的质量。在3D打印过程中，熔融状态的铝合金在惰性气体的驱动下从涂覆头中的流道连续流出，从而有效的提高铝合金工件的制备效率。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。其中，1为真空泵、2为封闭手套箱、3为氩气罐、4为第一电磁阀、5为压力表、6为第二电磁阀、7为感应线圈、8为坩埚盖、9为坩埚、10为电弧热源、11为第三电磁阀、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝合金电弧辅助涂覆增材制造系统，其特征在于，包括封闭手套箱(2)、三维移动平台(19)、基板(20)、坩埚(9)、涂覆头(17)、电弧热源(10)、电源、第一供气系统、第二供气系统及控制器(16)；坩埚(9)固定于封闭手套箱(2)上，三维移动平台(19)、基板(20)及电弧热源(10)均位于封闭手套箱(2)内，基板(20)位于三维移动平台(19)上，涂覆头(17)的上端与坩埚(9)的底部出口相连通，涂覆头(17)的下端插入于封闭手套箱(2)内且正对基板(20)，电弧热源(10)固定于封闭手套箱(2)的顶部且正对基板(20)，坩埚(9)的外壁上缠绕有感应线圈(7)，感应线圈(7)与电源相连接，坩埚(9)的顶部开口处设有坩埚盖(8)，第一供气系统与封闭手套箱(2)相连通，第二供气系统与坩埚(9)相连通，控制器(16)的输出端与电源的控制端相连接，第一供气系统及第二供气系统与控制器(16)相连接。

【技术特征摘要】
1.一种铝合金电弧辅助涂覆增材制造系统，其特征在于，包括封闭手套箱(2)、三维移动平台(19)、基板(20)、坩埚(9)、涂覆头(17)、电弧热源(10)、电源、第一供气系统、第二供气系统及控制器(16)；坩埚(9)固定于封闭手套箱(2)上，三维移动平台(19)、基板(20)及电弧热源(10)均位于封闭手套箱(2)内，基板(20)位于三维移动平台(19)上，涂覆头(17)的上端与坩埚(9)的底部出口相连通，涂覆头(17)的下端插入于封闭手套箱(2)内且正对基板(20)，电弧热源(10)固定于封闭手套箱(2)的顶部且正对基板(20)，坩埚(9)的外壁上缠绕有感应线圈(7)，感应线圈(7)与电源相连接，坩埚(9)的顶部开口处设有坩埚盖(8)，第一供气系统与封闭手套箱(2)相连通，第二供气系统与坩埚(9)相连通，控制器(16)的输出端与电源的控制端相连接，第一供气系统及第二供气系统与控制器(16)相连接。2.根据权利要求1所述的铝合金电弧辅助涂覆增材制造系统，其特征在于，所述第一供气系统包括真空泵(1)、氩气罐(3)及第一电磁阀(4)，其中，真空泵(1)与封闭手套箱(2)相连通，氩气罐(3)的出气口通过第一电磁阀(4)与封闭手套箱(2)相连接，控制器(16)与第一电磁阀(4)相连接。3.根据权利要求2所述的铝合金电弧辅助涂覆增材制造系统，其特征在于，所述第二供气系统包括第二电磁阀(6)、第三电磁阀(11)以及用于检测坩埚(9)内气压的压力表(5)，氩气罐(3)的出气口通过第二电磁阀(6)与坩埚(9)的入气口相连通，第三电磁阀(11)与坩埚(9)的出气口相连通，压力表(5)的输出端与控制器(16)的输入端相连接，控制器(16)的输出端与第二电磁阀(6)的控制端及第三电磁阀(11)的控制端相连接。4.根据权利要求3所述的铝合金电弧辅助涂覆增材制造系统，其特征在于，压力表(5)的输出端依次经电荷放大器(13)及转换器(15)与控制器(16)的输入端相连接；控制器(16)通过转换器(15)及固态继电器(14)与第一电磁阀(4)的控制端、第二电磁阀(6)的控制端及第三电磁阀(11)的控制端相连接。5.根据权利要求1所述的铝合...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏正英，杜军，赵光喜，姚云飞，刘伟，贺鹏飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61