本發(fā)明涉及3D金屬增材制造，具體地指一種基于等離子體電弧熔覆的3D金屬增材制造裝置及方法，屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著3D打印技術(shù)及3D金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展，使得3D金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。而目前3D金屬增材制造主要采用激光熔覆和電子束熔覆技術(shù)，雖然這些技術(shù)在逐步走向成熟，產(chǎn)品性能較好，但也存在技術(shù)復(fù)雜、體積龐大、制造成本高、打印速度較慢等不足，使得3D金屬增材制造產(chǎn)品價格昂貴，在一定程度上阻礙了這些先進(jìn)制造技術(shù)的推廣應(yīng)用，主要表現(xiàn)在：(1)原材料是金屬合金粉末，高品質(zhì)金屬粉末制備技術(shù)復(fù)雜，主要依賴國外產(chǎn)品。(2)熱源是大功率激光，技術(shù)復(fù)雜，設(shè)備成本高，能量利用效率低。(3)工藝技術(shù)要求及工序復(fù)雜，激光燒結(jié)前先要配比、混合及均勻鋪粉，燒結(jié)后要高溫析出輔助焊劑和浸入金屬改性材料等復(fù)雜工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出一種基于等離子體電弧熔覆的3D金屬增材制造裝置及方法，直接利用等離子體電弧熔覆金屬絲達(dá)到增材制造的目的，具有體積小、成本低、速度快，以及材料制備簡單、金相成長方向可控、后處理工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種基于等離子體電弧熔覆的3D金屬增材制造裝置及方法，該裝置包括：

金屬基體；以及

金屬絲，所述金屬基體與金屬絲施加有高電壓，所述高電壓擊穿金屬基體與金屬絲之間的空氣產(chǎn)生等離子體電弧放電，使得金屬基體形成熔池，金屬絲熔化后覆蓋在在金屬基體上形成金屬增材點(diǎn)。

此外，本發(fā)明還提供一種基于等離子體電弧熔覆的增材制造方法，該方法包括：

將金屬基體與金屬絲之間施加高電壓，高電壓擊穿金屬基體與金屬絲之間的空氣產(chǎn)生等離子體電弧放電，使得金屬基體形成熔池，金屬絲熔化，在重力和電磁力作用下，金屬絲熔化后掉入熔池而融于金屬基體，使得金屬基體增長。

本發(fā)明裝置實(shí)現(xiàn)3D金屬增材的原理是：金屬基體和金屬絲兩電極之間加適當(dāng)高電壓會擊穿兩電極間空氣產(chǎn)生等離子體電弧放電，其溫度極高，會熔化兩電極，其中一個電極——金屬基體上會形成熔池，而另一電極——金屬絲則會熔化，在重力和電磁力作用下，金屬絲熔化后掉入熔池而融于金屬基體；同時會因金屬絲熔斷后電流通路斷了而自動產(chǎn)生所需適當(dāng)高電壓，形成可控連續(xù)增材制造技術(shù)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、增材制造的材料不一樣，現(xiàn)有基于激光和電子束技術(shù)的金屬增材制造的原材料是金屬粉末，而本發(fā)明的增材制造的原材料是金屬絲，原材料制備簡單。

2、直接利用電能熔化導(dǎo)電金屬基及合金絲類材料，能量利用效率高。

3、設(shè)備環(huán)境要求低，非特殊材料成型要求可以不做特殊凈室要求。

附圖說明

圖1為基于等離子體電弧熔覆的3D金屬增材制造裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明所用一種優(yōu)選高電壓發(fā)生電路的電路圖。

圖3為本發(fā)明所用另一種優(yōu)選高電壓發(fā)生電路的電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明基于等離子體電弧熔覆的3D金屬增材制造裝置包括四部分：其一是3D平臺控制系統(tǒng)2，包括人機(jī)交互系統(tǒng)5、XY水平面2D隨動系統(tǒng)6、Z軸垂直隨動系統(tǒng)7等，可以在現(xiàn)有3D打印裝置基礎(chǔ)上改造，完成人機(jī)對話、模型輸入、3維移動控制等功能。其二是送絲系統(tǒng)3，包括送絲機(jī)構(gòu)8、送氣機(jī)構(gòu)9、送電機(jī)構(gòu)10、出絲機(jī)構(gòu)11等，完成送絲、送電、送氣和出絲等功能。其三是電源系統(tǒng)4，包括大功率開關(guān)電源12、高電壓發(fā)生電路13等，完成供應(yīng)電力、產(chǎn)生高電壓等功能。其四是溫度傳感器測量控制系統(tǒng)，完成金屬基體和熔池溫度的測量保持，以便于金屬金相形成，保持金屬材料的機(jī)械性能。下面分別對各個部件分別進(jìn)行說明：

人機(jī)交互系統(tǒng)5：包括計算機(jī)33、顯示器34、鍵盤35、鼠標(biāo)36、接口電路37等，完成人機(jī)對話、模型輸入等功能，自動完成基于三維機(jī)械設(shè)計軟件的模型輸入、模型切片、材料打印預(yù)設(shè)區(qū)域控制等。人機(jī)交互系統(tǒng)5可以通過現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，此處不再贅述。

XY水平面2D隨動系統(tǒng)6：包括X軸移動及控制機(jī)構(gòu)和Y軸移動及控制機(jī)構(gòu)等，控制出絲機(jī)構(gòu)11按模型切片輸入在XY水平面區(qū)域移動。

Z軸垂直隨動系統(tǒng)7：包括Z軸移動及控制機(jī)構(gòu)、制造平臺等，控制金屬基體和制造平臺在Z軸垂直方向按模型切片輸入厚度區(qū)域移動。金屬基體放置于制造平臺上表面。

送絲機(jī)構(gòu)8：包括放絲平臺14、送絲管道15、送絲電機(jī)16、控制器32等，金屬絲環(huán)繞在放絲平臺14上，控制器32控制送絲電機(jī)16轉(zhuǎn)動放絲平臺14，把金屬絲31沿送絲管道15順利送到出絲機(jī)構(gòu)11。

送氣機(jī)構(gòu)9：包括氣源17、噴氣閥18及其控制器19、輸氣管20等，控制器19控制噴氣閥18的開度，把氣源17中的保護(hù)氣體沿輸氣管20順利送到出絲機(jī)構(gòu)11。

送電機(jī)構(gòu)10：包括電纜21、控制開關(guān)22等，控制開關(guān)22控制大功率開關(guān)電源12的電通過電纜21能順利送到出絲機(jī)構(gòu)11。

出絲機(jī)構(gòu)11：又稱為“打印頭”，包括進(jìn)絲口23、進(jìn)氣口24、進(jìn)電端25、出絲口26、出氣口27、拉絲輪28、壓絲輪29、上電裝置30、控制電機(jī)38、彈簧39等，拉絲輪28是主動輪，由控制電機(jī)38拖動，壓絲輪29受彈簧39推力接近拉絲輪28，上電裝置30把來自大功率開關(guān)電源12的電能加到金屬絲31上，送絲管道15輸出的金屬絲31被拉絲輪28和壓絲輪29夾住，控制電機(jī)驅(qū)動拉絲輪28轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)把金屬絲31順利送出出絲口26，金屬絲31熔化后受到出氣口27噴出氣體的保護(hù)而不被氧化。出絲口26采用陶瓷等耐高溫材料。

大功率開關(guān)電源12：提供足夠電能熔化金屬絲。

高電壓發(fā)生電路13：包括儲能電感40和高壓電容41等。本實(shí)施例提供一種大功率開關(guān)電源12與高電壓發(fā)生電路13之間的電路，如圖2所示，大功率開關(guān)電源12的兩極分別與金屬絲31和金屬基體42連接，儲能電感40連接在大功率開關(guān)電源12與金屬絲31之間，高壓電容41的兩端分別與金屬絲31和金屬基體42連接。大功率開關(guān)電源12經(jīng)金屬絲31給儲能電感40充電，在金屬絲熔斷瞬間，對高壓電容41諧振充電產(chǎn)生高電壓，在金屬絲31和金屬基體42之間產(chǎn)生等離子體電弧，接通電路，進(jìn)而熔化出絲口26外的金屬絲，在重力和電磁力作用下，金屬絲31熔化后掉入熔池而融于金屬基體42；同時會因金屬絲31熔斷后電流通路斷了而自動產(chǎn)生所需適當(dāng)高電壓，通過該電路能夠?qū)崿F(xiàn)自動對金屬絲31與金屬基體4加高電壓，上述過程循環(huán)出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)可控連續(xù)的增材制造。

作為改進(jìn)，本發(fā)明所用高電壓發(fā)生電路13也可以采用升壓變壓器產(chǎn)生高電壓，包括充電二極管、充電電感、儲能電容、放電開關(guān)及其控制電路、升壓變壓器等，如圖3所示。升壓變壓器次級串聯(lián)在大功率開關(guān)電源12和金屬絲31之間。大功率開關(guān)電源12通過充電二極管和充電電感對儲能電容充電。適時控制放電開關(guān)導(dǎo)通，儲能電容通過放電開關(guān)對升壓變壓器初級放電，在升壓變壓器次級產(chǎn)生適當(dāng)?shù)母唠妷?，去擊穿金屬絲與金屬基體之間的空氣。