一种金属半熔融堆积增材制造方法及设备技术

本发明专利技术公开了一种金属半熔融堆积增材制造方法及设备，设备包括送丝模块、出丝嘴、电源、引弧模块、介质喷嘴、运动机构、控制系统、工件和工作台。采用电弧对金属丝进行加热，使其表面熔化但保留中心区域为非完全熔化状态，进而沿预定轨迹逐层堆积而获得需要的工件，且在送丝过程通过送丝模块及利用金属丝中间的固态相对已加工表面施加作用力以减少内部缺陷，提高加工时的运动精度以及工件质量和加工效率。本发明专利技术克服了传统增材制造需要将材料熔融带来的加工过程控制困难的问题，可以用于金属及金属基复合材料工件的高效低成本快速增材制造，尤其可实现微重力甚至无重力环境下的增材制造。

A Manufacturing Method and Equipment for Metal Semi-melting Stacking Increasing Materials

The invention discloses a manufacturing method and equipment for metal semi-melt stacking material, which comprises wire feeding module, wire tapping nozzle, power supply, arc initiation module, medium nozzle, motion mechanism, control system, workpiece and worktable. The wire is heated by arc to make its surface melt but keep the central area incomplete melting state, and then the required workpiece is accumulated layer by layer along the predetermined trajectory. In the wire feeding process, the internal defects are reduced by applying force on the machined surface through wire feeding module and using the solid state in the middle of the wire, so as to improve the movement accuracy and the quality and addition of the workpiece in the process of wire feeding. Work efficiency. The present invention overcomes the difficulty of controlling the processing process caused by melting of materials in traditional incremental manufacturing, and can be used for high-efficiency, low-cost and rapid incremental manufacturing of metal and metal matrix composite workpieces, especially in microgravity or even gravity-free environment.

【技术实现步骤摘要】
一种金属半熔融堆积增材制造方法及设备
本专利技术涉及金属增材或3D打印制造技术，尤其涉及一种金属半熔融堆积增材制造方法及设备。
技术介绍
增材制造(又称3D打印)是对工件快速设计与加工制造需求的重要技术，获得了国际外的广泛关注，各种打印技术层出不穷。从材料的角度来说，增材制造可以分为金属增材制造和非金属增材制造。其中非金属增材制造目前以树脂材料的打印为主流，采用的方法主要有工艺熔融沉积制造(FusedDepositionModeling:FDM)等，其核心原理是将树脂材料通过喷嘴加热熔融，沿预定轨迹堆积凝固而形成所要的形状，由于加热及控制的局限性，FDM可打印材料只局限于热塑性(尼龙、PLA和ABS等)材料，打印温度一般控制在200－300℃左右，对于不锈钢、钛合金等合金材料无能为力。金属材料的增材制造主要包括激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造等。激光增材制造主要是激光选区熔化增材制造(SLM)技术，电子束增材制造主要是选区电子束熔化增材制造(EBM)技术。目前激光增材大都采用预铺粉或同步送粉的技术。电子束增材及电弧增材制造均可采用送粉或送丝增材的方法，电弧增材加工效率远高于前两种增材技术。对于采用铺粉或送粉的增材制造方法而言，存在粉末成本高、利用率低等问题，另外对工作条件要求很高，综合加工和维护成本高。尤其是当处于微重力环境(如空间站等)条件时，粉末无法自然堆积，熔化的金属内部会有大量气孔存在，使得该方法难以在微重力条件下使用。目前采用送丝方式的增材加工，无论其热源是激光、电子束或电弧，均需要将金属丝完全熔化并流入工件表面熔池的方式来实现增材制造。这个过程存在以下问题：熔池中的熔融金属处于自由状态，凝固过程会因混入气体或缩孔形成孔隙，影响工件质量。在重力条件下，受熔池尺寸的影响，通常适合水平方式堆积增材(打印倾斜结构时熔融金属容易流出熔池)。当处于微重力条件时，熔融金属会因表面张力作用停留在金属丝上或堆积在工件表面，加工控形能力差。增材制造过程中，金属丝经过固-液-固的连续相变需要吸收和释放大量热量，造成打印后的工件温度很高，会造成内部应力不均匀，影响增材制造工件的质量，而且整个工件由金属丝全部融化再凝固而形成，消耗大量能量。如专利CN103752825A公开了一种利用金属熔融沉积成形薄壁结构件的装置及方法，其将金属丝材在加热管中加热至熔融态，并通过挤压方式沉积在预热基板上，逐层成型得到金属薄壁结构件。该专利所述的方法需要将金属丝材加热至熔融态，然后采用挤压方式通过喷嘴到达加工区域。熔融态的金属无法施加压力，并且需要将丝材整体加热至熔融态，仍无法克服前述采用熔融金属增材制造的不足。同样的，专利文献CN104874794A所公开的基于熔融沉积技术的金属3D产品生产方法也是采用高温加热棒将金属丝材加热至熔融状态，然后挤出喷头实现的增材加工方法，其仍未改变需要将丝材熔融及无法施加作用力于工件表面的特点。专利文献CN107008906A公开的一种用于3D金属打印机的电磁感应式快速金属熔化装置是基于中高频感应线圈对金属丝进行快速熔化的，熔化后的金属经喷嘴送出进行打印。其加热方法及金属状态均不同于本申请的内容，且电磁感应加热的速度不高，不同金属材料对电磁感应加热的敏感度也不同。专利文献CN106041087A所公开的基于连续纤维牵引的低熔点金属熔融沉积3D打印方法需要单独添加碳纤维、玻璃纤维、金属纤维或有机合成纤维等纤维丝，仅针对Bi、Sn、Pb或In基合金等低熔点金属，且加热金属的手段为在熔融腔内加热，与本申请的材料、加热方式、施加力的方法均有显著区别。专利文献CN106141373A公开了一种铝合金结构件的电弧3D打印设备及打印方法，该方法适应材料仅针对铝合金，并且采用电弧焊的方式实施增材打印。而电弧焊是依靠电弧在工件表面形成熔池，同时将焊丝熔化添加进熔池而实现的增材制造方法，该方法与本申请的不同之处在于：1)需要将焊丝完全熔化并在工件表面形成熔池；2)所添加材料为液相，造成增材打印时无法施加压力。如前所述，也是难以实现微重力环境及倾斜结构增材打印的。专利文献CN106425490B公开了一种增减材复合加工设备及其应用方法，该方法也是基于电弧焊实现的金属丝增材制造，与本申请的不同之处无需重述。专利文献CN106563804A公开了一种激光引导多金属熔融沉积增材制造工艺及设备，采用激光预热/熔化引导与熔融沉积增材，其加热方式、金属沉积形式均与本申请有本质区别，且无法施加压力。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种金属半熔融堆积增材制造方法及设备。本专利技术的目的在于提出一种基于电弧进行金属丝半熔融堆积增材制造的方案，方案采用电弧将金属丝加热至外熔内固的半熔融状态，并采用逐层沉积的方式打印出工件，打印过程中内部固态金属丝起到引导和支撑作用，使该方法不仅适应用重力环境，而且可用于微重力(包括完全失重)环境下的增材制造，并可在接触工件表面过程中施加一定的压力从而减少气孔并提高工件质量。本专利技术的技术方案如下：一种金属半熔融堆积增材制造方法，方法包括以下步骤：①将要打印的工件三维模型在设计辅助软件进行分层切片，生成每层的预定轨迹并输送给控制系统，控制系统设定送丝速度和送丝压力以及电源的供电参数；②出丝嘴定位至加工初始位置，预热工作台；③在控制系统控制下，送丝模块将金属丝送入出丝嘴金属丝从送丝模块进入出丝嘴；④金属丝到达引弧模块附近时，电源发出引弧脉冲，工作介质击穿形成电弧；⑤送丝模块按设定速度持续送丝，金属丝经出丝嘴向工作台进给，在此过程中电源继续保持电流输出，同时引弧模块绕出丝嘴以设定速度旋转，电弧持续加热金属丝，使得金属丝表面迅速熔化而中间部分仍为固态的固、液两相特征；⑥送丝模块将外部被电弧熔化的金属丝送入沉积区域，并施加一定压力，金属丝冷却并与基体或工件结合凝固；⑦保持送丝-加热过程，同时控制系统控制运动机构沿预定轨迹运动，直至此轨迹加工完成；⑧送丝模块停止送丝，切断金属丝或通过电弧将金属丝熔断；⑨运动机构到达下一条轨迹起点；⑩送丝模块继续工作，重复步骤⑤-⑦，直至完成所有增材打印工作。优选的，在步骤③中，若选用的金属丝自带产生保护气体的药皮，则不开启工作介质的供给；若选用的金属丝不带产生保护气体的药皮，则由介质管道向介质喷嘴输送工作介质，并由介质喷嘴喷出工作介质进入金属丝和引弧模块之间。优选的，在步骤⑤中，引弧模块绕出丝嘴以1000rpm的设定速度旋转。本专利技术还提供了一种实施上述金属半熔融堆积增材制造方法的设备，设备包括送丝模块、出丝嘴、电源、引弧模块、介质喷嘴、运动机构、控制系统、工件和工作台。工件设置在工作台上，所述送丝模块、出丝嘴、引弧模块、介质喷嘴和运动机构可调整的设置在机架上；其中运动机构的上部与机架连接并在三轴自由度以上可调的运动，所述送丝模块连接至所述运动机构的下方，在所述送丝模块的输出端设置出丝嘴；所述介质喷嘴和引弧模块通过支撑输送组件侧面正对所述出丝嘴的出丝端设置；电源通过送电附件与所述运动机构的上端连接并向运动机构、送丝模块、介质喷嘴和引弧模块供电；所述控制系统与送丝模块、引弧模块和运动机构信号连接，并控制电弧状态及检测、电源输出电流、送丝模块和引弧模块的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属半熔融堆积增材制造方法，其特征在于，方法包括以下步骤：①将要打印的工件三维模型在设计辅助软件进行分层切片，生成每层的预定轨迹并输送给控制系统(9)，控制系统(9)设定送丝速度和送丝压力以及电源(4)的供电参数；②出丝嘴(3)定位至加工初始位置，预热工作台(7)；③在控制系统(9)控制下，送丝模块(1)将金属丝(2)送入出丝嘴(3)金属丝(2)从送丝模块(1)进入出丝嘴(3)；④金属丝(2)到达引弧模块(5)附近时，电源(4)发出引弧脉冲，工作介质(10)击穿形成电弧(6)；⑤送丝模块(1)按设定速度持续送丝，金属丝(2)经出丝嘴(3)向工作台(7)进给，在此过程中电源(4)继续保持电流输出，同时引弧模块(5)绕出丝嘴(3)以设定速度旋转，电弧(6)持续加热金属丝(2)，使得金属丝(2)表面迅速熔化而中间部分仍为固态的固、液两相特征；⑥送丝模块(1)将外部被电弧熔化的金属丝(2)送入沉积区域，并施加一定压力，金属丝(2)冷却并与基体或工件(11)结合凝固；⑦保持送丝‑加热过程，同时控制系统(9)控制运动机构(8)沿预定轨迹运动，直至此轨迹加工完成；⑧送丝模块(1)停止送丝，切断金属丝(2)或通过电弧(6)将金属丝(2)熔断；⑨运动机构(8)到达下一条轨迹起点；⑩送丝模块(1)继续工作，重复步骤⑤‑⑦，直至完成所有增材打印工作。...

【技术特征摘要】
1.一种金属半熔融堆积增材制造方法，其特征在于，方法包括以下步骤：①将要打印的工件三维模型在设计辅助软件进行分层切片，生成每层的预定轨迹并输送给控制系统(9)，控制系统(9)设定送丝速度和送丝压力以及电源(4)的供电参数；②出丝嘴(3)定位至加工初始位置，预热工作台(7)；③在控制系统(9)控制下，送丝模块(1)将金属丝(2)送入出丝嘴(3)金属丝(2)从送丝模块(1)进入出丝嘴(3)；④金属丝(2)到达引弧模块(5)附近时，电源(4)发出引弧脉冲，工作介质(10)击穿形成电弧(6)；⑤送丝模块(1)按设定速度持续送丝，金属丝(2)经出丝嘴(3)向工作台(7)进给，在此过程中电源(4)继续保持电流输出，同时引弧模块(5)绕出丝嘴(3)以设定速度旋转，电弧(6)持续加热金属丝(2)，使得金属丝(2)表面迅速熔化而中间部分仍为固态的固、液两相特征；⑥送丝模块(1)将外部被电弧熔化的金属丝(2)送入沉积区域，并施加一定压力，金属丝(2)冷却并与基体或工件(11)结合凝固；⑦保持送丝-加热过程，同时控制系统(9)控制运动机构(8)沿预定轨迹运动，直至此轨迹加工完成；⑧送丝模块(1)停止送丝，切断金属丝(2)或通过电弧(6)将金属丝(2)熔断；⑨运动机构(8)到达下一条轨迹起点；⑩送丝模块(1)继续工作，重复步骤⑤-⑦，直至完成所有增材打印工作。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤③中，若选用的金属丝(2)自带产生保护气体的药皮，则不开启工作介质(10)的供给；若选用的金属丝(2)不带产生保护气体的药皮，则由介质管道向介质喷嘴(13)输送工作介质(10)，并由介质喷嘴(13)喷出工作介质(10)进入金属丝(2)和引弧模块(5)之间。3.一种实施根据权利要求1或2所述金属半熔融堆积增材制造方法的设备，设备包括送丝模块(1)、出丝嘴(3)、电源(4)、引弧模块(5)、介质喷嘴(13)、运动机构(8)、控制系统(9)、工件(11)和工作台(7)，其特征在于：工件(11)设置在工作台(7)上，所述送丝模块(1)、出丝嘴(3)、引弧模块(5)、介质喷嘴(13)和运动机构(8)可调整的设置在机架上；其中运动机构(8)的上部与机架连接并在三轴自由度以上可调的运动，所述送丝模块(1)连接至所述运动机构(8)的下方，在所述送丝模块(1)的输出端设置出丝嘴(3)；所述介质喷嘴(13)和引弧模块(5)通过支撑输送组件侧面正对所述出丝嘴(3)的出丝端设置；电源(4)通过送电附件(12)与所述运动机构(8)的上端连接并向运动机构(8)、送丝模块(1)、介质喷嘴(13)和引弧模块(5)供电；所述控制系统(9)与...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾琳，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31