一种金属材料超高效增材制造方法与流程

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种金属材料超高效增材制造方法。

背景技术：

钛及其合金具有重量轻、比强度大、耐热性强、耐腐蚀等特性，目前已经广泛应用于航空航天、石油化工、生物医学等领域。但由于钛及钛合金的导热性差、切削性能差，传统加工方法难以完成钛合金构件的制备。目前，金属增材制造已经成为加工钛合金构件的一种良好方法。

金属增材制造又称为金属3d打印，热源主有激光、电子束和电弧，原材料状态主要为粉末和丝材，成形方式主要包括铺料、送料条件下的烧结成形及熔化成形。目前，广泛用于金属零件3d打印制造的主要工艺有4种：激光直接熔化沉积成形(ldmd)、激光选区熔化成形(slm)、电子束熔丝沉积成形(ebf)、电子束选区熔化成形(sebm)。其中激光直接熔化沉积成形(ldmd)、激光选区熔化成形(slm)、电子束选区熔化成形(sebm)以粉末作为原材料，而粉末金属增材制造平均加工速率仅为丝材金属增材制造速率的十分之一，且可加工尺寸较小，加工周期长，不适于应用在高效率的增材制造技术上。

现在的增材制造技术制造速度普遍较慢，违背了该技术提出时所规划的快速高效这一特点，降低了与传统加工相比较时具有的优势。

电子束熔丝沉积成形(ebf)技术与电弧增材制造技术相似，都是以丝材作为原材料，电子束熔丝沉积成形(ebf)是电子束熔化成形的一种，是在真空环境中，采用高能高速的电子束选择性地熔化金属丝，熔化成形，层层堆积直至形成整个实体金属零件。电子束熔丝沉积快速成形原理如图1所示，焊丝通过丝盘、送丝轮和送丝嘴之间的精准配合，将焊丝精确送入熔池当中。底座按预先编制的图形行进，当熔覆层完成后，底座下降一定设定高度；重复下一层的熔覆，这样就形成预设的构件。但电子束熔丝沉积成形(ebf)需要在真空条件下进行，并且以电子枪20发出的电子束21为热源，设备成本以及制造成本高。

因此，亟需提供一种新的金属材料超高效增材制造方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金属材料超高效增材制造方法，以解决在提高成形效率和稳定性的同时有效控制热输入的技术难题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种金属材料超高效增材制造方法，包括以下步骤：

1)根据需要选择送丝数，确定送丝铜管数量；

2)安装主热源发生装置和送丝铜管，送丝铜管连接送丝机以及辅助加热装置；

3)调整送丝铜管的高度以及角度；

4)送丝机调整送丝速度送出丝材，同时通过辅助加热装置对丝材进行预热；

5)通过主热源发生装置对丝材进行加热使得丝材熔化堆积；

6)主热源发生装置按照规划的轨迹进行移动，完成堆焊。

优选的，所述步骤2)中主热源发生装置采用tig焊枪，辅助加热装置采用电阻热电源；所述电阻热电源的正极与所述送丝铜管上设置的电阻热电源接口连接，负极与基板固定连接；每个所述送丝铜管均连接有独立的电阻热电源。

优选的，所述步骤2)中，送丝机通过送丝软管与送丝铜管连接，送丝铜管底部安装送丝嘴，送丝嘴位于tig焊枪的下方。

优选的，所述步骤2)中，主热源发生装置安装于承载平台上，主热源发生装置通过主连接装置与连接杆的上端连接，连接杆的底端通过铜管夹具与送丝铜管连接。

优选的，所述连接杆的上部与所述主连接装置连接，并通过轴向固定螺钉固定；所述铜管夹具转动连接于所述连接杆的底端，并通过角度调节螺钉固定；所述送丝铜管安装于所述铜管夹具内，并通过铜管夹紧螺钉固定。

优选的，所述步骤1)中采用单丝送丝，送丝铜管安装有一个。

优选的，所述步骤1)中采用双丝或四丝送丝，送丝铜管安装有两个或四个。

优选的，所述送丝铜管沿所述主热源发生装置圆周均布，相对的两个所述送丝铜管的丝材接触形成回路，对接触形成回路的两根丝材进行同时预热。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明进行了开创性的一弧多丝的设计，金属增材制造效率得到极大的提高，不仅在能源及成本的节约上有大幅度的提升，更是在这项技术的初衷的道路上迈进了一大步。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中电子束熔丝沉积成形的原理示意图；

图2为实施例一中金属单丝电弧增材制造原理图；

图3为实施例二中金属四丝电弧增材制造原理图；

图4为本发明中金属增材制造装置的结构示意图；

图5为本发明送丝铜管与主热源发生装置的结构示意图；

图6为图5的俯视图；

其中，1为主连接装置，2为连接杆，3为送丝铜管，4为铜管夹具，5为tig焊枪，6为工件，7为工作台，8为焊丝盘，9为丝材矫直装置，10为送丝机，11为送丝软管，12为电阻热电源接口，13为送丝嘴，14为基板，15为电阻热电源，16为丝材，17为丝材沉积，18为钨极，19为电弧，20为电子枪，21为电子束。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图2、4、5和6所示，本实施例提供一种多丝材高效成形增材制造装置，包括承载平台、主热源发生装置、辅助加热装置和打印装置，所述主热源发生装置、辅助加热装置均与所述打印装置连接；所述主热源发生装置安装于所述承载平台上，所述打印装置包括多个送丝铜管3、主连接装置1和次连接装置，多个所述送丝铜管3环绕所述主热源发生装置设置，所述主连接装置1用于同时实现主热源发生装置和所述打印装置的连接以及所述承载平台和所述打印装置的连接；所述次连接装置用于实现送丝铜管3和所述主连接装置1的连接，并调节所述送丝铜管3的送丝角度；所述送丝铜管3的一端连接送丝机10，另一端连接送丝嘴13。本实施例中打印装置包括多套送丝嘴13、送丝铜管3以及送丝机10，实现多丝材16打印，提高工作效率。

在本实施例中，所述主热源发生装置采用tig焊枪5，且只有一个；电弧19为主要热源，为金属丝材16的融化提供主要能量，tig焊枪5通过底部钨极18产生的电弧19呈圆锥状分布；辅助加热装置为电阻热电源15(优选采用热丝焊机提供电阻热电源15)，可以提高丝材16融化效率，同时成本较低。

在本实施例中，所述电阻热电源15的正极与所述送丝铜管3上设置的电阻热电源接口12连接，其中丝材16可在送丝铜管3内部滑动，实现与电阻热电源15的滑动连接，丝材16采用金属焊丝；所述电阻热电源15的负极与承载平台上的基板14固定连接。通过送入熔池的金属焊丝提前预热，有助于减少焊丝进入时对熔池的热冲击；同时由电阻热电源15所提供的额外热源使得电弧19只需用较少的能量便可熔化焊丝，在不增加焊接电流的情况下，实现了焊接速度和沉积速率的提高。

在本实施例中，所述送丝机10通过送丝软管11与所述送丝铜管3连接，送丝软管11的使用可以减小送丝阻力并提高送丝稳定性；所述送丝嘴13安装于所述送丝铜管3远离所述送丝软管11的一端，所述送丝嘴13靠近所述tig焊枪5的焊枪嘴。

在本实施例中，所述送丝机10连接有焊丝盘8，所述送丝机10与所述焊丝盘8之间设置有丝材矫直装置9，所述丝材矫直装置9用于将丝材16在送出焊丝盘8后送入送丝机10前进行矫直；

由于存储需要，丝材16紧密缠绕于焊丝盘8，未经矫直的丝材16直接进入送丝机10会产生较大的送丝阻力并影响送丝的稳定性；丝材矫直装置9采用现有的丝材矫正机构，其主要是通过矫直辊对丝材16进行挤压，减小丝材16弯曲程度，进而提高送丝稳定性并减小送丝阻力。

在本实施例中，所述次连接装置包括连接杆2和铜管夹具4，所述连接杆2的上部与所述主连接装置1连接，并通过轴向固定螺钉固定，具体地，主连接装置1上设置有通孔使连接杆2通过，通过拧松轴向固定螺钉可以使连接杆2相对于主连接装置1上下移动，实现高度调节，并且可以使连接杆2在通孔内转动，调节水平方向的角度；所述铜管夹具4转动连接于所述连接杆2的底端，并通过角度调节螺钉固定，通过拧松角度调节螺钉，可使夹具相对于连接杆2转动，实现垂直方向角度调节；所述送丝铜管3安装于所述铜管夹具4内，并通过铜管夹紧螺钉固定，通过调整铜管夹紧螺钉，可使送丝铜管3相对于铜管夹具4移动。

本实施例中实现丝材16与送丝铜管3的滑动连接从而对丝材16进行辅助加热，实现主热源发生装置和送丝铜管3间夹角(送丝角度)的调节，同时实现多丝材16输出并保证丝材16在主热源发生口正下方熔化形成一个熔池。

在本实施例中，所述打印装置通过主连接装置1与承载平台、主热源发生装置同时连接，从而实现不断送进的丝材16能够按照设计的轨迹实现熔化沉积；具体地，承载平台可以是机床或者机器人，本实施例中承载平台优选机床，主热源发生装置固定于机床上；而主连接装置1则包括连接板，连接板固定于机床上，连接板上设置有通孔与连接杆2的顶端连接，连接板的中部还设置有焊枪孔用于安装主热源发生装置。

在本实施例中，承载平台作为执行装置，沿着一定的轨迹运动，固定在承载平台上的主热源发生装置产生电弧19将多丝材打印头送出的丝材16熔融在基板14或者正在成形的工件6的表面；这一过程中，打印装置将两根或两根以上的丝材16送至主热源的正下方，确保每根丝材16受热均匀且只形成一个熔池。

在本实施例中，还包括有控制系统，所述控制系统与所述承载平台、送丝机10、主热源发生装置和辅助加热装置电连接，通过控制系统实现多丝材16高效成形增材制造装置的集成控制。

控制系统为计算机，通过计算机获取工件6的数字模型并生成驱动承载平台运动的代码，形成工件6的成形路径，固定于承载平台的主热源发生装置则会按照规划的路径移动。送丝机10在控制系统的控制下按照一定的送丝速度持续提供丝材16。打印过程中，送丝机10、打印装置和主热源发生装置的相对位置关系保持不变，同时根据工艺需要保持特定的送丝角度，有效提高了制造过程的稳定性。

本实施例工作原理如下：

多丝材成形原理：两根或两根以上的丝材16熔融形成一个熔池，根据“离散-堆积”原理，随着承载平台的移动和不断的递送金属丝材16，在基板14上形成丝材沉积17，进一步形成金属工件6，逐层制造所需工件6。

热丝辅助加热原理：通过电阻热电源15(辅助加热装置)辅助熔化丝材16从而减小电弧19(主热源发生装置)的热输入。电阻热电源15的正极与丝材16滑动连接，电阻热电源15的负极与基板14固定连接。当丝材16与基板14或正在成形的工件6接触时会有电流流过丝材16，此时由于丝材16固有的电阻率，丝材16会产生电阻热从而实现丝材16的辅助加热。

本实施例中还提供一种金属材料超高效增材制造方法，包括以下步骤：

1)根据需要选择送丝数，确定送丝铜管3数量；

2)安装主热源发生装置和送丝铜管3，送丝铜管3连接送丝机10以及辅助加热装置；

3)调整送丝铜管3的高度以及角度；

4)送丝机10调整送丝速度送出丝材16，同时通过辅助加热装置对丝材16进行预热；

5)通过主热源发生装置对丝材16进行加热使得丝材16熔化堆积；

6)主热源发生装置按照规划的轨迹进行移动，完成堆焊。

在本实施例中，所述步骤1)中采用单丝送丝，送丝铜管3安装有一个热丝的连接方式为通过丝材16与工作台7形成回路，对丝材16进行提前预热，此时丝材16仅仅从单侧送入；其中送丝铜管3与电阻热电源15的正极连接，电阻热电源15的负极与工作台7或基板14连接，形成回路。

本实施例中采用双丝或四丝送丝时，送丝铜管3安装有两个或四个；所述送丝铜管3沿所述主热源发生装置圆周均布。具体地，如图4所示，送丝铜管3优选设置有两个，关于主热源发生装置对称设置，每个送丝铜管3均连接有一个电阻热电源15，送丝铜管3与电阻热电源15的正极连接，电阻热电源15的负极与工作台7或基板14连接，形成回路。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，其改进之处在于：如图3-6所示，本实施例中采用双丝或四丝送丝，送丝铜管3安装有两个或四个；所述送丝铜管3沿所述主热源发生装置圆周均布，相对的两个所述送丝铜管3的丝材16接触形成回路，对接触形成回路的两根丝材16进行同时预热。

进一步地，本实施例中优选采用四丝送丝(送丝数可根据需要进行调整)，热丝的连接方式为通过相对的两个丝材16接触形成回路，对接触形成回路的两根丝材16进行同时预热，使热丝成本节省了一倍；具体地，相对的并相接触的两个丝材16的送丝铜管3共同使用一个电阻热电源15，两者分别与电阻热电源15的正负极连接，并通过相对的两个丝材16接触形成回路。同时钨极18在产生电弧19时，形成的是一个圆锥状的电弧19区域，四丝工作时，丝材16从四个不同的方向伸入电弧19区域，有效利用了能源。

本实施例中调控连接装置可以将送丝铜管3固定在合适的初始位置，从而使四个丝源的位置对称，在加工过程中不会相互干涉，并与钨极18保持合适的距离；使加工前的准备工作达到优异的状态。

本发明中通过对焊机基值、峰值电流、峰值时间、脉冲频率、扫描速度、热丝电流等工艺参数的调整，可以探索针对ta15、tc4、tc11等钛合金单丝、二丝、四丝情况下的钛合金增材制造工艺。

一、直径1.6mm丝材，双丝送丝速度1.5m/min1、薄壁件工艺参数

2、块体工艺参数

二、直径1.6mm丝材，四丝送丝速度1.0m/min

1、薄壁件工艺参数

2、块体工艺参数

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。