一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法技术

本发明专利技术提供了一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，包括：准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板；将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充；在成型腔室内，按照当前切片分块式填充的小区块，控制打开钨电极开关，给钨电极供给一次脉冲高压，使得钨电极与微细金属丝末端之间产生高压电弧放电效应，微细金属丝熔化，随后垂直撞击于成型基板的当前成型表面，使其对应的小区块增加一定厚度；重复执行直至所有分层全部成型完毕。本发明专利技术实现了并行脉冲放电的溶滴过渡成型、自动铺平，对任一单层都是一次成型，成型速度相比传统方法有数量级上的极大提高，是一种超高速三维零部件三维成型新方法。

A three dimensional printing method for metal forming based on parallel pulse arc melting

The invention provides a three-dimensional printing and forming method of metal based on parallel pulse arc melting, which includes: preparing CAD data files for three-dimensional printing and forming parts, forming substrate and micro-wire arc transition array plate; filling each layer of the closed contour of the slice into internal blocks; and in the forming chamber, according to the requirements of the forming chamber. The current slice filling block controls the switch on the tungsten electrode and supplies the tungsten electrode with a pulse high voltage, resulting in a high voltage arc discharge between the tungsten electrode and the end of the micro-wire. The micro-wire melts, and then collides vertically with the current forming surface of the forming substrate, increasing the corresponding block size. Add a certain thickness; repeat until all layers are finished. The method realizes droplet transfer molding and automatic flattening by parallel pulse discharge, and is one-time forming for any single layer. Compared with the traditional method, the molding speed is greatly improved by orders of magnitude. It is a new method for three-dimensional forming of ultra-high-speed three-dimensional parts.

【技术实现步骤摘要】
一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法
本专利技术属于零部件成型制造
，具体涉及一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法。
技术介绍
3D打印(增材制造)技术实际上是一系列零部件快速成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速成型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。目前市场上的快速成型技术分为3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等。由于金属的熔点很高，金属增材制造技术按热源类型可分为3类：激光、电子束和电弧。过去20年主要研究以激光、电子束为热源的粉基金属增材制造技术，通过不断熔化或烧结金属粉来连续逐层制备复杂结构零部件，现已应用于航空航天、国防军工、能源动力等高精尖
部分关键零部件，但由于其原材料、热源特点，金属粉基激光、电子束增材制造技术在成形某些特定结构或特定成分构件时受到一定限制而无法实现或即使可以成形，其原材料、时间成本很高，具有诸多不足之处：(1)对于激光热源，其成形速率慢、铝合金对激光的吸收率低等；(2)对于电子束热源，真空炉体尺寸对构件体积的限制；(3)粉基金属原材料制备成本较高、易受污染、利用率低等均增加了原料成本。基于上述原因，现有的技术成形大尺寸复杂结构件时表现出一定的局限性，为了应对大型化、整体化航天结构件的增材制造需求，基于堆焊技术发展起来的低成本、高效率电弧增材制造技术受到部分学者关注。电弧增材制造技术(WireandArcAdditiveManufacture，WAAM)以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来，电弧增材制造是数字化连续堆焊成形过程，其基本成形硬件系统应包括成形热源、送丝系统及运动执行机构。电弧增材制造三维实体零件依赖于逐点控制的熔池在线、面、体的重复再现。但电弧增材制造的零件表面波动较大，成形件表面质量较低，一般需要二次表面机加工，相比激光、电子束增材制造，电弧增材制造技术的主要应用目标是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形。现有技术中，各类金属3D打印技术一般需要依靠外部高能束(激光束电子束、电弧)的辐照使得金属粉末或丝材熔化后再凝固成型，其不足之处有：1)成型过程中需要依赖单个或多个高能束线性扫描，对于每个高能束来说，其扫描路径上的粉末或丝材依次熔化-凝固成型，本质上无法实现并行成型，因此成型速度慢、效率低；2)由于激光器、电子束源的电光转换效率低(一般小于20％)，并且金属粉末的熔点很高，使得成型所需的能量密度极高，实际耗能很高；3)由于点-线顺序成型的工艺特点，使得成型零件某一时刻仅有局部微区接受热源，受热不均，质量不高，容易产生残余应力累积、热应力变形、内部热裂纹等缺陷；4)由于热应力变形问题，成型零件尺寸受限，否则无法获得满足尺寸精度要求的成型件。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，提供了一种成型精度高、表面质量好的基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板；所述三维打印成型零件的CAD数据文件是由三维CAD软件对待成型加工的零部件进行三维建模，并根据获得的零部件三维模型尺寸外形添加辅助支撑结构，然后按叠层制造原理设定层厚进行分层切片后获得的封闭轮廓图形数据集合；所述成型基板的上表面为平面且要求能够将三维打印成型零件的最底层切片的封闭轮廓图形包括在内，所述成型基板的材质为金属或陶瓷材料；所述微细金属丝电弧过渡阵列板包括若干根相互平行的直径在10纳米至200微米范围的微细金属丝，相邻的微细金属丝之间通过微管绝缘兼支撑；每个微细金属丝的末端均设置有一钨电极，钨电极与微细金属丝末端之间不接触且间距小于1mm，每个钨电极均有一独立的钨电极开关控制其是否通电；当钨电极通电时，微细金属丝放电熔化；所述微细金属丝电弧过渡阵列板的尺寸要求能够将三维打印成型零件的各个分层切片的封闭轮廓图形均包括在内；(2)根据微细金属丝电弧过渡阵列板的平行微管阵列排布关系，将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充；分块式填充方法为：将封闭轮廓图形的内部分割为若干个小区块，要求每个小分块的位置均与唯一一根微细金属丝或钨电极的位置对应，即小区块与微管的数量和位置为一一对应关系，且小分块的质心与其对应的微细金属丝横截面几何中心之间的连线相互平行；小区块的形状是任意多边形或者曲线封闭图形，要求每个小区块的尺寸面积均小于面积设定值，所述面积设定值是指步骤(6)中微细金属丝单次电弧放电熔化后的单层平铺面积×(1-重叠量)，所述重叠量为10～50％；(3)将成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板置于成型腔室内，所述成型腔室内为真空或接近真空，并带有实时真空控制系统用于保持成型腔室的气压；要求所述微细金属丝电弧过渡阵列板的安装方位使得微细金属丝与成型基板表面垂直，并且与第(2)步中三维打印成型零件的CAD数据文件每层切片分块式填充的小区块位置一一对应，即使得微细金属丝熔化后形成的熔滴垂直撞击于成型基板表面，用于填充第(2)步中分块式填充的对应小区块；(4)将三维打印成型零件的CAD数据文件的最底层切片作为当前切片；(5)供给微细金属丝，使微细金属丝电弧过渡阵列板的所有钨电极与微细金属丝末端之间不接触且间距小于1mm；取得当前切片的切片数据，按照其对应的分块式填充的小区块，控制打开对应的钨电极开关，给钨电极供给一次脉冲高压，使得钨电极与微细金属丝末端之间产生高压空气击穿放电效应，产生的高温电弧使得一定长度的微细金属丝熔化，形成熔滴滴落，随后垂直撞击于成型基板的当前成型表面，即落在当前成型表面所对应的分块式填充的小区块中，并自动流平于分块式填充的小区块内，随后发生凝固，与当前成型表面熔合一体，并使其对应的小区块增加一定厚度；(6)调整成型基板与微细金属丝电弧过渡阵列板的钨电极阵列相对距离，按照分层切片从底部到顶部的顺序，取下一个切片为当前切片；(7)重复执行步骤(5)-(6)，实现成型零件从底部到顶部的层层堆叠，直至所有分层全部成型完毕。本专利技术具有如下有益效果：1)本专利技术利用了一种特殊设计的带有阵列钨电极的微细金属丝电弧过渡阵列板，以及对三维打印成型零件的分层切片图形进行一一对应的内部分块式填充，从而实现了并行脉冲放电的溶滴过渡成型、自动铺平，对任一单层都是一次成型，从而成型速度相比传统方法有数量级上的极大提高，是一种超高速三维零部件三维成型(增材制造)新方法。2)相比传统方法点-线顺序成型的工艺特点，使得成型零件某一时刻仅有局部微区接受热源，受热不均，质量不高，容易产生残余应力累积、热应力变形、内部热裂纹等缺陷，本专利技术在单层成型过程中，并行电弧放电溶滴过渡成型的原理，层内多点并行受热，不存在受热不均问题，可以有效消除残余应力累积、热应力变形、内部热裂纹等缺陷；并且，本专利技术在成型过程中还可以将成型基板及已成型部分整体加热，没有成型基板及已成型部分的温度梯度问题本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板；所述三维打印成型零件的CAD数据文件是由三维CAD软件对待成型加工的零部件进行三维建模，并根据获得的零部件三维模型尺寸外形添加辅助支撑结构，然后按叠层制造原理设定层厚进行分层切片后获得的封闭轮廓图形数据集合；所述成型基板的上表面为平面且要求能够将三维打印成型零件的最底层切片的封闭轮廓图形包括在内，所述成型基板的材质为金属或陶瓷材料；所述微细金属丝电弧过渡阵列板包括若干根相互平行的直径在10纳米至200微米范围的微细金属丝，相邻的微细金属丝之间通过微管绝缘兼支撑；每个微细金属丝的末端均设置有一钨电极，钨电极与微细金属丝末端之间不接触且间距小于1mm，每个钨电极均有一独立的钨电极开关控制其是否通电；当钨电极通电时，微细金属丝放电熔化；所述微细金属丝电弧过渡阵列板的尺寸要求能够将三维打印成型零件的各个分层切片的封闭轮廓图形均包括在内；(2)根据微细金属丝电弧过渡阵列板的平行微管阵列排布关系，将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充；分块式填充方法为：将封闭轮廓图形的内部分割为若干个小区块，要求每个小分块的位置均与唯一一根微细金属丝或钨电极的位置对应，即小区块与微管的数量和位置为一一对应关系，且小分块的质心与其对应的微细金属丝横截面几何中心之间的连线相互平行；小区块的形状是任意多边形或者曲线封闭图形，要求每个小区块的尺寸面积均小于面积设定值，所述面积设定值是指步骤(6)中微细金属丝单次电弧放电熔化后的单层平铺面积×(1‑重叠量)，所述重叠量为10～50％；(3)将成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板置于成型腔室内，所述成型腔室内为真空或接近真空，并带有实时真空控制系统用于保持成型腔室的气压；要求所述微细金属丝电弧过渡阵列板的安装方位使得微细金属丝与成型基板表面垂直，并且与第(2)步中三维打印成型零件的CAD数据文件每层切片分块式填充的小区块位置一一对应，即使得微细金属丝熔化后形成的熔滴垂直撞击于成型基板表面，用于填充第(2)步中分块式填充的对应小区块；(4)将三维打印成型零件的CAD数据文件的最底层切片作为当前切片；(5)供给微细金属丝，使微细金属丝电弧过渡阵列板的所有钨电极与微细金属丝末端之间不接触且间距小于1mm；取得当前切片的切片数据，按照其对应的分块式填充的小区块，控制打开对应的钨电极开关，给钨电极供给一次脉冲高压，使得钨电极与微细金属丝末端之间产生高压空气击穿放电效应，产生的高温电弧使得一定长度的微细金属丝熔化，形成熔滴滴落，随后垂直撞击于成型基板的当前成型表面，即落在当前成型表面所对应的分块式填充的小区块中，并自动流平于分块式填充的小区块内，随后发生凝固，与当前成型表面熔合一体，并使其对应的小区块增加一定厚度；(6)调整成型基板与微细金属丝电弧过渡阵列板的钨电极阵列相对距离，按照分层切片从底部到顶部的顺序，取下一个切片为当前切片；(7)重复执行步骤(5)‑(6)，实现成型零件从底部到顶部的层层堆叠，直至所有分层全部成型完毕。...

【技术特征摘要】
1.一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板；所述三维打印成型零件的CAD数据文件是由三维CAD软件对待成型加工的零部件进行三维建模，并根据获得的零部件三维模型尺寸外形添加辅助支撑结构，然后按叠层制造原理设定层厚进行分层切片后获得的封闭轮廓图形数据集合；所述成型基板的上表面为平面且要求能够将三维打印成型零件的最底层切片的封闭轮廓图形包括在内，所述成型基板的材质为金属或陶瓷材料；所述微细金属丝电弧过渡阵列板包括若干根相互平行的直径在10纳米至200微米范围的微细金属丝，相邻的微细金属丝之间通过微管绝缘兼支撑；每个微细金属丝的末端均设置有一钨电极，钨电极与微细金属丝末端之间不接触且间距小于1mm，每个钨电极均有一独立的钨电极开关控制其是否通电；当钨电极通电时，微细金属丝放电熔化；所述微细金属丝电弧过渡阵列板的尺寸要求能够将三维打印成型零件的各个分层切片的封闭轮廓图形均包括在内；(2)根据微细金属丝电弧过渡阵列板的平行微管阵列排布关系，将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充；分块式填充方法为：将封闭轮廓图形的内部分割为若干个小区块，要求每个小分块的位置均与唯一一根微细金属丝或钨电极的位置对应，即小区块与微管的数量和位置为一一对应关系，且小分块的质心与其对应的微细金属丝横截面几何中心之间的连线相互平行；小区块的形状是任意多边形或者曲线封闭图形，要求每个小区块的尺寸面积均小于面积设定值，所述面积设定值是指步骤(6)中微细金属丝单次电弧放电熔化后的单层平铺面积×(1-重叠量)，所述重叠量为10～50％；(3)将成型基板和微细金属丝电弧过渡阵列板置于成型腔室内，所述成型腔室内为真空或接近真空，并带有实时真空控制系统用于保持成型腔室的气压；要求所述微细金属丝电弧过渡阵列板的安装方位使得微细金属丝与成型基板表面垂直，并且与第(2)步中三维打印成型零件的CAD数据文件每层切片分块式填充的小区块位置一一对应，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宇，李涛，杨焕，薛伟，叶总一，刘文文，潘俏菲，
申请(专利权)人：温州大学激光与光电智能制造研究院，
类型：发明
国别省市：浙江,33