一种金属快速增材制造方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种金属快速增材制造方法，包括以下步骤：S1、将准备制造的金属结构件进行三维建模，对结构件进行加工区域的划分并切片；S2、将三维模型导入下位机上；S3、对底板、加热器和送丝装置进行预热；S4、启动旁轴送丝电弧成型单元，对结构件进行增材制造；S5、启动同轴送粉激光成型单元，对结构件进行增材制造；S6、再通过旁轴送丝电弧成型单元对结构件更高高度行增材制造；S7、再通过同轴送粉激光成型单元对结构件更高高度进行增材制造；S8、重复步骤S6

【技术实现步骤摘要】
一种金属快速增材制造方法及装置


[0001]本专利技术涉及金属增材
，尤其是涉及一种金属快速增材制造方法及装置。

技术介绍

[0002]增材制造技术，即3D打印技术，是一种以数字三维模型为基础，运用粉末状、丝材等原材料，通过高温熔化、胶粘剂等手段进行的逐层打印的方式成型所设计的零件，是一门新兴的材料加工技术。金属增材制造技术，现在主流技术包括粉末床激光/电子束选区熔化技术、同轴送粉激光/电弧能量沉积技术、旁轴送丝激光/电弧能量沉积技术，其各有优点及限制性，应用领域集中在航空航天、汽车、模具等行业。
[0003]粉末床激光/电子束选区熔化技术：1)优点包括成型零件几何尺寸复杂、精度高、机械性能高、表面质量好等，2)缺点包括成型舱尺寸限制成型零件尺寸、激光器/电子束设备昂贵、粉末利用率低等，在成型大型结构件及户外环境快速制造条件下受到限制。
[0004]同轴送粉激光能量沉积技术：1)优点包括可实现较复杂零件制造或零件局部维修、加工效率较粉末床激光/电子束选区熔化技术高、无需大型真空仓或惰性气体保护环境、设备成本低、可实现户外环境快速制造及维修，2)缺点包括粉末利用率低、在成型大尺寸零件时不具备效率优势。
[0005]旁轴送丝电弧能量沉积技术：1)优点包括成型效率高(在成型大尺寸零件时尤为明显)、丝材利用率理论上接近100％(远高于同轴粉末)、无需大型真空仓或惰性气体保护环境、环境污染较同轴送粉低、无需激光等价格昂贵设备、可实现户外环境下实现大型结构件的快速制造，2)缺点包括热源能量密度较高、热应变和热应力较大、表面质量较差。
[0006]基于金属增材的发展现状，科研工作者致力于如何改善上述金属增材技术的缺点，但是往往增大了成本，并且也影响成型的效率。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种金属快速增材制造方法，解决现有的金属增材技术成本高、成型效率低的问题。本专利技术的另一个目的是提供一种金属快速增材制造装置。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种金属快速增材制造方法，包括以下步骤：
[0009]S1、将准备制造的金属结构件进行三维建模，并进行应用环境下的应力分析和精度要求分析，对结构件进行同轴送粉激光成型单元、旁轴送丝电弧成型单元加工区域的划分并切片；
[0010]S2、将三维模型导入到同轴送粉激光成型单元+旁轴送丝电弧成型单元的下位机上；
[0011]S3、分别开启旁轴送丝电弧成型单元、同轴送粉激光成型单元，打开保护气体，并对底板、加热器和送丝装置进行预热；
[0012]S4、启动旁轴送丝电弧成型单元，对结构件的低力学性能、低制造精度区域进行增材制造；
[0013]S5、将底板通过控制装置移动到同轴送粉激光成型单元处，对结构件高力学性能、高制造精度区域进行增材制造，完成一层金属增材；
[0014]S6、将底板通过控制装置移动到旁轴送丝电弧成型单元处，对结构件更高高度的低力学性能、低制造精度区域进行增材制造；
[0015]S7、将底板通过控制装置移动到同轴送粉激光成型单元处，对结构件更高高度的高力学性能、高制造精度区域进行增材制造；
[0016]S8、重复步骤S6
‑
S7，直至整个金属结构件完成。
[0017]优选的，所述S1中，结构件的同轴送粉激光成型单元、旁轴送丝电弧成型单元加工区域的划分的方法为：旁轴送丝电弧成型单元增材金属的抗拉强度为X1，尺寸精度为Y1；同轴送粉激光成型单元增材金属的抗拉强度为X2，尺寸精度为Y2；以[(X1+X2)/2,(Y1+Y2)/2]为坐标原点做圆，在第二、第四象限沿Y轴呈45
°
做分割，右上侧部分为高力学性能、高制造精度区域，为同轴送粉激光成型单元加工区域；左下侧为低力学性能、低制造精度区域，为旁轴送丝电弧成型单元加工区域。
[0018]优选的，所述S3中，保护气体的流量为10
‑
50L/min，底板、加热器和送丝装置的预热温度为120
‑
200℃。
[0019]优选的，所述S4中，旁轴送丝电弧成型单元为钨极惰性气体保护焊，钨极与竖直方向夹角为30
°‑
60
°
，丝材与竖直方向夹角为30
°‑
60
°
，电弧聚焦直径为1
‑
10mm。
[0020]优选的，所述S5中，送粉速率为10
‑
100g/min，光斑直径为0.2
‑
3mm，离焦量为
‑
3～+3mm。
[0021]一种用于上述金属快速增材制造方法的增材制造装置，包括旁轴送丝电弧成型单元、同轴送粉激光成型单元和底板，底板上设置有带动底板在旁轴送丝电弧成型单元、同轴送粉激光成型单元之间移动的控制装置，旁轴送丝电弧成型单元、同轴送粉激光成型单元分别设置在六自由度的机械臂上。
[0022]优选的，所述旁轴送丝电弧成型单元包括电弧焊机和送丝装置，电弧焊机和送丝装置设置在成型层垂直线两侧，送丝装置上设置有加热丝材的加热元件。
[0023]优选的，所述电弧焊机为钨极惰性气体保护焊机或熔化极惰性气体保护焊机。
[0024]优选的，所述同轴送粉激光成型单元包括喷嘴和激光发射器，喷嘴的中心设置有使激光发射器发出的激光束穿过的光路，喷嘴的上方设置有加热金属粉的加热器，加热器通过送粉管与喷嘴内部空腔连通，喷嘴的底部设置有出粉口。
[0025]优选的，所述激光发射器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
[0026]本专利技术所述的一种金属快速增材制造方法及装置的优点和积极效果是：
[0027]1、旁轴送丝电弧成型单元制造力学性能要求低、精度要求低的区域，相比单一的同轴送粉激光能量沉积技术，可提升大型零件的制造效率，降低制造成本。
[0028]2、同轴送粉激光成型单元制造力学性能要求高、精度要求高的区域，相比单一的旁轴送丝激光能量沉积技术，可保障零件力学性能要求，满足零件细微结构的制造精度要求。
[0029]3、旁轴送丝电弧成型单元和同轴送粉激光成型单元独立设置，可同时开展相同零件或者不同结构零件的增材制造过程，避免激光成型设备的等待时间，提升加工效率。
[0030]4、旁轴送丝电弧成型单元和同轴送粉激光成型单元固定在不同的六自由度的机械臂上，可以实现结构复杂、多曲面结构的金属结构件的增材制造。
[0031]5、旁轴送丝电弧成型单元和同轴送粉激光成型单元均无需大型真空仓设备，仅需在熔池/等离子体周围通上惰性气体进行保护，成本低，对环境适应性强，可在户外快速制造，满足特殊环境下零件快速制造装配的要求。
[0032]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0033]图1为本专利技术一种金属快速增材制造方法及装置实施例的工艺流程图；
[0034]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属快速增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将准备制造的金属结构件进行三维建模，并进行应用环境下的应力分析和精度要求分析，对结构件进行同轴送粉激光成型单元、旁轴送丝电弧成型单元加工区域的划分并切片；S2、将三维模型导入到同轴送粉激光成型单元+旁轴送丝电弧成型单元的下位机上；S3、分别开启旁轴送丝电弧成型单元、同轴送粉激光成型单元，打开保护气体，并对底板、加热器和送丝装置进行预热；S4、启动旁轴送丝电弧成型单元，对结构件的低力学性能、低制造精度区域进行增材制造；S5、将底板通过控制装置移动到同轴送粉激光成型单元处，对结构件高力学性能、高制造精度区域进行增材制造，完成一层金属增材；S6、将底板通过控制装置移动到旁轴送丝电弧成型单元处，对结构件更高高度的低力学性能、低制造精度区域进行增材制造；S7、将底板通过控制装置移动到同轴送粉激光成型单元处，对结构件更高高度的高力学性能、高制造精度区域进行增材制造；S8、重复步骤S6
‑
S7，直至整个金属结构件完成。2.根据权利要求1所述的一种金属快速增材制造方法，其特征在于：所述S1中，结构件的同轴送粉激光成型单元、旁轴送丝电弧成型单元加工区域的划分的方法为：旁轴送丝电弧成型单元增材金属的抗拉强度为X1，尺寸精度为Y1；同轴送粉激光成型单元增材金属的抗拉强度为X2，尺寸精度为Y2；以[(X1+X2)/2,(Y1+Y2)/2]为坐标原点做圆，在第二、第四象限沿Y轴呈45
°
做分割，右上侧部分为高力学性能、高制造精度区域，为同轴送粉激光成型单元加工区域；左下侧为低力学性能、低制造精度区域，为旁轴送丝电弧成型单元加工区域。3.根据权利要求1所述的一种金属快速增材制造方法，其特征在于：所述S3中，保护气体的流量为10
‑
50L/min，底板、加热器和送丝装置的预热温度为120
‑
200℃。...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾宁宁，王乐，
申请(专利权)人：河北金融学院，
类型：发明
国别省市：