一種増材制造的熔池控制方法與流程

本發明涉及金屬材料三維増材成型領域，更詳細的說是一種電弧増材成型法和熔融沉積増材制造法的熔池控制技術。

背景技術：

近年來隨著科學的進步，“金屬材料三維增材制造技術”得到了快速蓬勃的發展,現在的技術已經可以直接制造金屬部件，但是其缺點也是顯而易見的，其缺點如下：

1、價格昂貴；

2、成型速度慢；

3、成型物的內部以及微觀結構不緊密。

這些缺陷嚴重制約著“金屬材料三維增材制造技術”的發展，以電弧為熱源，絲狀金屬材料為制造材料的電弧増材制造技術完全可以解決這些問題。

電弧增材制造技術WAAM以電弧為載能束，采用逐層堆焊的方式制造金屬實體構件，該技術主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技術發展而來，成形零件由全焊縫構成，化學成分均勻、致密度高，開放的成形環境對成形件尺寸無限制，成形速率可達幾kg/h，但電弧增材制造的零件表面波動較大，成形件表面質量較低，一般需要二次表面機加工，相比激光、電子束增材制造，電弧增材制造技術的主要應用目標是大尺寸復雜構件的低成本增材成型。

在電弧熔融増材成型技術中雖然可以進行一定精度要求下的三維增材成型，但依然無法完全解決由于液態金屬的流動性造成的嚴重層紋的問題，使之不能完成薄壁以及復雜零件的増材成型制造。

技術實現要素：

本發明提供了一種方法，能夠改善以絲狀金屬材料為核心的三維成型物的電弧增材制造技術WAAM和熔融堆積成型技術FDM或者類似的方法中嚴重層紋的缺點，其關鍵在于使用其他材料在熔池邊緣搭建一個可以限制金屬液流動的外框或輪廓，利用液體本身的表面張力和對其他材料的斥力，約束液態金屬的流動。在進行金屬材料的成型時，成型臺上安裝的震動模塊會對熔池進行震動使液態金屬在被輪廓約束的區域內可以均勻的鋪開。這種方法特別適合在増材成型步驟時為液態的金屬材料以及其他成型時為液態的材料。 其“打印成型”的成型物可以是任何用途的三維零件。

本發明基于以下認識：

一、將一個三維成型物的成型分成兩個形狀相關但功能不同的兩個部分，進行不同原理的成型制造；

二、在金屬材料三維増材成型時利用一個上表面開放側邊封閉或垂直面封閉的輪廓利用液體的表面張力和不同材料之間的斥力對金屬液的垂直流淌進行控制；

三、利用震動使液態金屬在輪廓所約束的范圍內可以均勻鋪開；

四、在完成成型后對外輪廓材料進行去除保留內實體材料。

本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現；

1、切片時將一個三維模型分成內外輪廓模型和內實體模型。用以進行成型物的増材成型；

2、將一個三維模型分成內外輪廓模型和內實體模型，分別用不同的材料不同的成型頭進行成型，成型頭可以安裝在同一個滑車和效應器上也可以安裝在兩個完全獨立的滑車和效應器上；

3、使用一種方便后期去除的材料先進行一層的內外輪廓模型的成型以及固化形成一個垂直的封閉面，然后進行內實體模型的成型，利用輪廓所形成的封閉面約束液態熔融的金屬液的流淌；

4、在成型臺上安裝產生震動的裝置，利用震動使金屬液可以在輪廓范圍內均勻鋪開；

5、在完成三維成型物的成型后將內外輪廓材料去除保留內實體。

所述將一個三維成型物的成型分成兩個形狀相關但功能不同的兩個部分進行不同原理的成型是指：在得到數字三維模型后將模型再編輯成兩個部分，一個是輪廓部分，另一個是模型本身。

所述進行不同原理的成型制造是指：由于外輪廓和內實體的用途、材質以及成型原理不同，必須使用不同的成型頭和不同的成型原理進行制造。舉例：外輪廓為陶瓷，內實體為金屬。外輪廓成型所使用的材料為瓷泥，成型時需要擠出和加熱干燥，內實體成型時使用金屬絲，成型時可以采用電弧熔融金屬絲待冷卻后成型。內外輪廓和內實體，成型內外輪廓所使用的材料不熔融于內成型實體使用的材料，內外輪廓與內實體的成型技術完全不同，在實際應用中的舉例為：內外輪廓是由陶瓷粉末制成，內實體是由金屬制成，在成型結束后將陶瓷制成的內外輪廓去除后就可以得到金屬材質的三維成型物。在每一層的成型過程中先成型內外輪廓再成型內實體，由于陶瓷不能于金屬相互融合而且也能耐高溫，在高溫環境下可以快速固化這樣就可以約束金屬液的垂直方向的流淌。

所述兩個不同的成型頭是指：由于外輪廓和內實體的成型原理、成型材料、成型技術的不同，不可能采用同一個成型頭，所以兩個成型步驟必須分成兩個成型原理、形狀、位置和功能都不同的成型頭。

所述在金屬材料三維成型時利用一個上表面開放側邊封閉的輪廓對金屬液的流淌進行控制是指：在進行金屬材料三維增材成型時先使其中一個成型頭用耐高溫材料如陶瓷材料，先進行這一層的輪廓的増材成型，其輪廓包括內輪廓和外輪廓。輪廓的作用在于：利用液體的表面張力和不同材料之間的斥力對金屬液的垂直流淌進行控制。

所述內實體成型的成型是指：使用金屬絲材以電弧増材制造技術、熔融堆積成型技術或其他在増材制造時金屬材料為液態流動的増材制造成型技術，這些技術的優點在于成本低、成型速度快、使用的金屬材料廣泛，缺點是精度差、層紋嚴重。

所述震動由安裝在成型臺上震動電機、音圈電機或超聲波發生器產生，其頻率不限根據金屬材料的特性進行調整。

所述內實體是指在【ii】工序中制造的三維成型物，也是最終需要得到的成型物。

所述外輪廓是指在【i】工序中制造的三維成型物，其作用為：

1、對金屬熔池進行約束，防止【ii】工序中被熔化的成型材料的不受控流動；

2、防止【ii】工序制造的成型物表面在高溫的情況下被氧化；

3、為【ii】工序中制造的成型物進行保溫，減小其各個部位的溫度差別；

4、為【ii】工序的制造成型提供支撐，以一些懸空部位可以正確成型。

附圖說明

圖1是機器原理的結構示意圖；

圖2是三維成型物的成型步驟示意圖；

圖3是三維數字模型的處理和切片的示意圖；

圖4是本專利成型過程的示意圖；

圖中1步進電機2絲桿滑臺3滑車4輪廓成型頭5內實體成型頭6成型物7內輪廓8外輪廓9內實體10成型臺11震動器。

具體實施方式

以下結合圖示和具體實例對本發明進行說明。

在三維成型物成型時數控運動系統帶動4輪廓成型頭和5內實體成型頭反復順序的進行工序【i】、工序【ii】，直到三維成型物完全成型然后進行工序【iii】，數控運動系統由1步進電機2絲桿滑臺3滑車組成。在每層切片層成型時首先進行【i】工序再進行【ii】工序，當每一層的【ii】工序完成時數控運動系統會上升一層，以進行下一層的成型。當6成型物完成數字模型中的成型時，數控運動系統歸位并將6成型物移出，進行【iii】工序然后得到9內實體，工序【i】由4輪廓成型頭進行成型制作，工序【ii】由5內實體成型頭進行制作。

【i】工序為輪廓成型工序。

當數控運動系統將4輪廓成型頭移動到指定位置時，4輪廓成型頭會噴出瓷泥。這個過程是連續的數控運動系統帶動4輪廓成型頭不斷的運動，4輪廓成型頭連續的噴出瓷泥直到這一層的7內輪廓和8外輪廓完成成型過程，瓷泥在成型空間中會自己固化干燥或者可以在成型空間中增加輔助固化措施加速其干燥固化。

【ii】工序為內實體成型工序。

當【i】工序完成時，4輪廓成型頭移開,5內實體成型頭被數控運動系統移動到位，當數控運動系統將5內實體成型頭移動到位時,5內實體成型頭噴出金屬液或者送出金屬絲，在熱源的作用下金屬絲會被熔化成液態的金屬填充在指定位置并在成型頭移開時冷卻固化，這個過程是連續的數控運動系統帶動5內實體成型頭不斷的運動用以形成9內實體，5內實體成型頭也連續的向指定位置送入金屬絲或金屬液，熱源會一直加熱或以一定頻率進行有間隔時間的加熱，用以維持熔池的高溫狀態。熔池的金屬液由于7內輪廓和8外輪廓的存在不會到處流淌。在此工序中10成型臺上安裝的11震動器的工作使金屬液的填充更均勻。當【ii】工序完成時如果需要繼續成型那么再進行【i】工序，當6成型物完成數字模型中的成型時數控運動系統歸位并將6成型物移出，進行【iii】工序。

【iii】輪廓材料的去除。

當6成型物成型完成并完全冷卻時，將6成型物移出，將7內實體和8外輪廓的材料去除就可以得到所需要的9內實體。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護的范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。