[发明专利]基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法

说明书

本发明提供一种实现简单、可控性好、可实现设备小型化的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法，属于增材制造领域。本发明包括：根据要加工零件的数字化模型，确定分层及各层所要加工的截面形状，在成型台面上均匀平铺一层金属粉末；步骤二：对平铺的粉末层预热；在粉末层上方垂直设置工具电极，采用直流电源为工具电极供电，调整工具电极与粉末层上表面之间的间隙，间隙在设定电压作用下能够被击穿产生稳定的微束电弧；步骤四：工具电极根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，完成该层截面形状的熔凝成型，在粉末层上表面平铺下一层粉末，完成所有层的熔凝成型，结束。本发明成本低、寿命长、可实现设备小型化。

技术领域

本发明属于增材制造领域，涉及一种增材制造方法，具体涉及一种基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法。

背景技术

增材制造技术也被称为3D打印技术，是一种通过材料逐层累积的方式根据数字化模型直接制造出实体零件的一种技术。经过二十余年的发展，增材制造技术已被广泛地应用于各个领域。

直接制造金属零件以及金属部件，甚至是组装好的功能性金属制件产品，无疑是制造业对增材制造技术提出的终极目标。在此目标促进下，金属增材制造技术作为增材制造技术的一个重要分支，更是得到了快速的发展，已初步应用于航天等领域。

目前金属增材制造技术所使用的热源主要有3种：激光束、电子束、电弧(等离子束)；原材料主要有2类：粉末、丝材；原材料送给方式主要有2种：预置粉末、同步送粉(丝)。

结合不同热源、原材料、原材料送给方式，目前已经出现了以下几类金属增材制造技术：预置粉末激光选择性烧结/熔化、送粉式激光熔化沉积、激光熔丝沉积；预置粉末电子束选择性熔化、电子束熔丝沉积；电弧熔丝沉积等。

但尚未出现将电弧与预置粉末法相结合的金属增材制造技术。

以激光为热源的金属增材制造技术主要有以下不足：大功率激光器体积庞大、价格昂贵、寿命短、对铝合金铜合金等低激光吸收率材料成型困难。

以电子束为热源的金属增材制造技术主要有以下不足：装置结构复杂价格昂贵、真空炉尺寸对构件体积有很大限制。

目前以电弧为热源的增材制造技术均是采用送丝的方式，主要有以下不足：堆积层形状难于控制、熔滴过渡不稳定、金属件存在明显的“台阶”效应、相邻截面重合度小或不重合时或需要支撑或需要多次成型甚至无法成型。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种实现简单、可控性好、精度较高、可实现设备小型化的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法。

本发明的基于预置金属粉末的微束电弧选择性熔凝增材制造方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：根据要加工零件的数字化模型，确定分层及各层所要加工的截面形状，在成型腔底板上均匀平铺一层金属粉末11；

步骤二：对平铺的粉末层预热；

步骤三：在粉末层上方垂直设置工具电极5，将电极跟直流电源的一极相连，将粉末层与直流电源的另一极相连，调整工具电极5与粉末层上表面之间的间隙，所述间隙在设定电压作用下能够被击穿产生稳定的微束电弧6；

步骤四：工具电极5以一定的速度根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，在被工具电极5扫描的区域，粉末层被微束电弧6加热，粉末层受热熔化后凝固粘接且与所述截面形状相同，完成该层的熔凝成型，在所述粉末层上表面平铺下一层粉末，然后转入步骤二，直至完成所有层的熔凝成型，结束。

优选的是，所述微束电弧6的直流电压范围为150V至数百V,所述微束电弧6的电流在数安培以内，所述微束电弧6的直径通过放电电流和放电间隙实现数十微米-数百微米级范围内的控制调节。