一种増材制造的熔池控制方法与流程

本发明涉及金属材料三维増材成型领域，更详细的说是一种电弧増材成型法和熔融沉积増材制造法的熔池控制技术。

背景技术：

近年来随着科学的进步，“金属材料三维增材制造技术”得到了快速蓬勃的发展,现在的技术已经可以直接制造金属部件，但是其缺点也是显而易见的，其缺点如下：

1、价格昂贵；

2、成型速度慢；

3、成型物的内部以及微观结构不紧密。

这些缺陷严重制约着“金属材料三维增材制造技术”的发展，以电弧为热源，丝状金属材料为制造材料的电弧増材制造技术完全可以解决这些问题。

电弧增材制造技术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，成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，成形速率可达几kg/h，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增材成型。

在电弧熔融増材成型技术中虽然可以进行一定精度要求下的三维增材成型，但依然无法完全解决由于液态金属的流动性造成的严重层纹的问题，使之不能完成薄壁以及复杂零件的増材成型制造。

技术实现要素：

本发明提供了一种方法，能够改善以丝状金属材料为核心的三维成型物的电弧增材制造技术WAAM和熔融堆积成型技术FDM或者类似的方法中严重层纹的缺点，其关键在于使用其他材料在熔池边缘搭建一个可以限制金属液流动的外框或轮廓，利用液体本身的表面张力和对其他材料的斥力，约束液态金属的流动。在进行金属材料的成型时，成型台上安装的震动模块会对熔池进行震动使液态金属在被轮廓约束的区域内可以均匀的铺开。这种方法特别适合在増材成型步骤时为液态的金属材料以及其他成型时为液态的材料。 其“打印成型”的成型物可以是任何用途的三维零件。

本发明基于以下认识：

一、将一个三维成型物的成型分成两个形状相关但功能不同的两个部分，进行不同原理的成型制造；

二、在金属材料三维増材成型时利用一个上表面开放侧边封闭或垂直面封闭的轮廓利用液体的表面张力和不同材料之间的斥力对金属液的垂直流淌进行控制；

三、利用震动使液态金属在轮廓所约束的范围内可以均匀铺开；

四、在完成成型后对外轮廓材料进行去除保留内实体材料。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现；

1、切片时将一个三维模型分成内外轮廓模型和内实体模型。用以进行成型物的増材成型；

2、将一个三维模型分成内外轮廓模型和内实体模型，分别用不同的材料不同的成型头进行成型，成型头可以安装在同一个滑车和效应器上也可以安装在两个完全独立的滑车和效应器上；

3、使用一种方便后期去除的材料先进行一层的内外轮廓模型的成型以及固化形成一个垂直的封闭面，然后进行内实体模型的成型，利用轮廓所形成的封闭面约束液态熔融的金属液的流淌；

4、在成型台上安装产生震动的装置，利用震动使金属液可以在轮廓范围内均匀铺开；

5、在完成三维成型物的成型后将内外轮廓材料去除保留内实体。

所述将一个三维成型物的成型分成两个形状相关但功能不同的两个部分进行不同原理的成型是指：在得到数字三维模型后将模型再编辑成两个部分，一个是轮廓部分，另一个是模型本身。

所述进行不同原理的成型制造是指：由于外轮廓和内实体的用途、材质以及成型原理不同，必须使用不同的成型头和不同的成型原理进行制造。举例：外轮廓为陶瓷，内实体为金属。外轮廓成型所使用的材料为瓷泥，成型时需要挤出和加热干燥，内实体成型时使用金属丝，成型时可以采用电弧熔融金属丝待冷却后成型。内外轮廓和内实体，成型内外轮廓所使用的材料不熔融于内成型实体使用的材料，内外轮廓与内实体的成型技术完全不同，在实际应用中的举例为：内外轮廓是由陶瓷粉末制成，内实体是由金属制成，在成型结束后将陶瓷制成的内外轮廓去除后就可以得到金属材质的三维成型物。在每一层的成型过程中先成型内外轮廓再成型内实体，由于陶瓷不能于金属相互融合而且也能耐高温，在高温环境下可以快速固化这样就可以约束金属液的垂直方向的流淌。

所述两个不同的成型头是指：由于外轮廓和内实体的成型原理、成型材料、成型技术的不同，不可能采用同一个成型头，所以两个成型步骤必须分成两个成型原理、形状、位置和功能都不同的成型头。

所述在金属材料三维成型时利用一个上表面开放侧边封闭的轮廓对金属液的流淌进行控制是指：在进行金属材料三维增材成型时先使其中一个成型头用耐高温材料如陶瓷材料，先进行这一层的轮廓的増材成型，其轮廓包括内轮廓和外轮廓。轮廓的作用在于：利用液体的表面张力和不同材料之间的斥力对金属液的垂直流淌进行控制。

所述内实体成型的成型是指：使用金属丝材以电弧増材制造技术、熔融堆积成型技术或其他在増材制造时金属材料为液态流动的増材制造成型技术，这些技术的优点在于成本低、成型速度快、使用的金属材料广泛，缺点是精度差、层纹严重。

所述震动由安装在成型台上震动电机、音圈电机或超声波发生器产生，其频率不限根据金属材料的特性进行调整。

所述内实体是指在【ii】工序中制造的三维成型物，也是最终需要得到的成型物。

所述外轮廓是指在【i】工序中制造的三维成型物，其作用为：

1、对金属熔池进行约束，防止【ii】工序中被熔化的成型材料的不受控流动；

2、防止【ii】工序制造的成型物表面在高温的情况下被氧化；

3、为【ii】工序中制造的成型物进行保温，减小其各个部位的温度差别；

4、为【ii】工序的制造成型提供支撑，以一些悬空部位可以正确成型。

附图说明

图1是机器原理的结构示意图；

图2是三维成型物的成型步骤示意图；

图3是三维数字模型的处理和切片的示意图；

图4是本专利成型过程的示意图；

图中1步进电机2丝杆滑台3滑车4轮廓成型头5内实体成型头6成型物7内轮廓8外轮廓9内实体10成型台11震动器。

具体实施方式

以下结合图示和具体实例对本发明进行说明。

在三维成型物成型时数控运动系统带动4轮廓成型头和5内实体成型头反复顺序的进行工序【i】、工序【ii】，直到三维成型物完全成型然后进行工序【iii】，数控运动系统由1步进电机2丝杆滑台3滑车组成。在每层切片层成型时首先进行【i】工序再进行【ii】工序，当每一层的【ii】工序完成时数控运动系统会上升一层，以进行下一层的成型。当6成型物完成数字模型中的成型时，数控运动系统归位并将6成型物移出，进行【iii】工序然后得到9内实体，工序【i】由4轮廓成型头进行成型制作，工序【ii】由5内实体成型头进行制作。

【i】工序为轮廓成型工序。

当数控运动系统将4轮廓成型头移动到指定位置时，4轮廓成型头会喷出瓷泥。这个过程是连续的数控运动系统带动4轮廓成型头不断的运动，4轮廓成型头连续的喷出瓷泥直到这一层的7内轮廓和8外轮廓完成成型过程，瓷泥在成型空间中会自己固化干燥或者可以在成型空间中增加辅助固化措施加速其干燥固化。

【ii】工序为内实体成型工序。

当【i】工序完成时，4轮廓成型头移开,5内实体成型头被数控运动系统移动到位，当数控运动系统将5内实体成型头移动到位时,5内实体成型头喷出金属液或者送出金属丝，在热源的作用下金属丝会被熔化成液态的金属填充在指定位置并在成型头移开时冷却固化，这个过程是连续的数控运动系统带动5内实体成型头不断的运动用以形成9内实体，5内实体成型头也连续的向指定位置送入金属丝或金属液，热源会一直加热或以一定频率进行有间隔时间的加热，用以维持熔池的高温状态。熔池的金属液由于7内轮廓和8外轮廓的存在不会到处流淌。在此工序中10成型台上安装的11震动器的工作使金属液的填充更均匀。当【ii】工序完成时如果需要继续成型那么再进行【i】工序，当6成型物完成数字模型中的成型时数控运动系统归位并将6成型物移出，进行【iii】工序。

【iii】轮廓材料的去除。

当6成型物成型完成并完全冷却时，将6成型物移出，将7内实体和8外轮廓的材料去除就可以得到所需要的9内实体。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。