[发明专利]一种金属半熔融堆积增材制造方法及设备

说明书

本发明公开了一种金属半熔融堆积增材制造方法及设备，设备包括送丝模块、出丝嘴、电源、引弧模块、介质喷嘴、运动机构、控制系统、工件和工作台。采用电弧对金属丝进行加热，使其表面熔化但保留中心区域为非完全熔化状态，进而沿预定轨迹逐层堆积而获得需要的工件，且在送丝过程通过送丝模块及利用金属丝中间的固态相对已加工表面施加作用力以减少内部缺陷，提高加工时的运动精度以及工件质量和加工效率。本发明克服了传统增材制造需要将材料熔融带来的加工过程控制困难的问题，可以用于金属及金属基复合材料工件的高效低成本快速增材制造，尤其可实现微重力甚至无重力环境下的增材制造。

技术领域

本发明涉及金属增材或3D打印制造技术，尤其涉及一种金属半熔融堆积增材制造方法及设备。

背景技术

增材制造(又称3D打印)是对工件快速设计与加工制造需求的重要技术，获得了国际外的广泛关注，各种打印技术层出不穷。从材料的角度来说，增材制造可以分为金属增材制造和非金属增材制造。其中非金属增材制造目前以树脂材料的打印为主流，采用的方法主要有工艺熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling:FDM)等，其核心原理是将树脂材料通过喷嘴加热熔融，沿预定轨迹堆积凝固而形成所要的形状，由于加热及控制的局限性，FDM可打印材料只局限于热塑性(尼龙、PLA和ABS等)材料，打印温度一般控制在200－300℃左右，对于不锈钢、钛合金等合金材料无能为力。金属材料的增材制造主要包括激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造等。激光增材制造主要是激光选区熔化增材制造(SLM)技术，电子束增材制造主要是选区电子束熔化增材制造(EBM)技术。目前激光增材大都采用预铺粉或同步送粉的技术。电子束增材及电弧增材制造均可采用送粉或送丝增材的方法，电弧增材加工效率远高于前两种增材技术。

对于采用铺粉或送粉的增材制造方法而言，存在粉末成本高、利用率低等问题，另外对工作条件要求很高，综合加工和维护成本高。尤其是当处于微重力环境(如空间站等)条件时，粉末无法自然堆积，熔化的金属内部会有大量气孔存在，使得该方法难以在微重力条件下使用。

目前采用送丝方式的增材加工，无论其热源是激光、电子束或电弧，均需要将金属丝完全熔化并流入工件表面熔池的方式来实现增材制造。这个过程存在以下问题：

熔池中的熔融金属处于自由状态，凝固过程会因混入气体或缩孔形成孔隙，影响工件质量。

在重力条件下，受熔池尺寸的影响，通常适合水平方式堆积增材(打印倾斜结构时熔融金属容易流出熔池)。

当处于微重力条件时，熔融金属会因表面张力作用停留在金属丝上或堆积在工件表面，加工控形能力差。

增材制造过程中，金属丝经过固-液-固的连续相变需要吸收和释放大量热量，造成打印后的工件温度很高，会造成内部应力不均匀，影响增材制造工件的质量，而且整个工件由金属丝全部融化再凝固而形成，消耗大量能量。