本發(fā)明屬于金屬材料增材制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種基于電渣重熔的增材制造裝置，適用于熱作模具、冷作模具和其他金屬成形件的制造。

背景技術(shù)：

增材制造(3d打印)技術(shù)作為一種快速成形技術(shù)正在迅速改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)方式和生活方式，歐美等發(fā)達(dá)國家和新興經(jīng)濟(jì)國家紛紛將其作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

金屬增材制造技術(shù)被普遍看作是增材制造技術(shù)領(lǐng)域最具難度的前沿發(fā)展方向，按熱源類型可分為激光、電子束和電弧3類。過去主要研究以激光、電子束為熱源的粉基金屬增材制造技術(shù)，如：激光近凈成形技術(shù)lens、選擇性激光融化slm、激光融化沉積lmd等^[1-3]，通過不斷熔化或燒結(jié)金屬粉來連續(xù)逐層制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件，現(xiàn)已應(yīng)用于航空航天、國防軍工等高精尖技術(shù)領(lǐng)域部分關(guān)鍵零部件，但其成形速率慢，設(shè)備昂貴，且粉基原料制備成本和使用成本過高^[4]。因此，現(xiàn)有的技術(shù)成形大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件時表現(xiàn)出一定的局限性，而基于堆焊技術(shù)發(fā)展起來的低成本、高效率電弧增材制造技術(shù)waam受到部分學(xué)者關(guān)注。

waam以電弧為載能束，采用逐層熔積的方式制造金屬實體構(gòu)件。相比激光、電子束增材制造，材料適用范圍更廣，成形效率高，成本低，且組織致密，適合大尺寸構(gòu)件的低成本、高效快速近凈成形^[5-7]。王桂蘭等用電弧微鑄軋增材成形新方法制造出45鋼高強(qiáng)度零件,相對45鋼鍛件，電弧微鑄軋復(fù)合成形件硬度提高25.9％，抗拉強(qiáng)度提高43.3％，伸長率提高5.9％^[8]。ouyang等人研究指出影響成形尺寸精度、表面質(zhì)量的關(guān)鍵點在于弧長、基板預(yù)熱溫度及層間溫度的精確控制^[9]。almeida等人對鈦合金的熔積成形工藝進(jìn)行了研究，利用磁控穩(wěn)弧技術(shù)控制熱輸入及熔池擾動的力“源”，獲得了表面質(zhì)量較高的薄壁構(gòu)件^[10]。英國cranfield大學(xué)研究人員系統(tǒng)研究了焊速、送絲速度、焊絲直徑等參數(shù)對waam成形形貌有效寬度、表面波動性等影響規(guī)律，實現(xiàn)不同傾角度和封閉薄壁件的增材成形^[11]。

現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于電弧增材制造技術(shù)waam也有相關(guān)專利公開，如專利公開號：cn106312069a，公開日：2017年01月11日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為：一種増材制造的熔池控制方法，該申請案公開了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(shù)，其關(guān)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(tài)金屬的流動。在進(jìn)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(jìn)行震動使液態(tài)金屬在被輪廓約束的區(qū)域內(nèi)可以均勻鋪開。但是該申請案的不足之處在于：電弧增材制造技術(shù)waam相對于傳統(tǒng)冶金制造流程，效率仍不具可比性，且產(chǎn)品的純凈度完全依賴絲材的純凈度，而絲材制作工藝也較為復(fù)雜，限制了成形件材料向高品質(zhì)和多樣性方向的發(fā)展。

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技術(shù)實現(xiàn)要素：

1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有waam工藝生產(chǎn)效率過低、產(chǎn)品的純凈度完全依賴原料絲材的純凈度、成形件材料在高品質(zhì)和多樣性方面有限的不足，提供了一種基于電渣重熔的增材制造裝置，是集精煉、凝固、成形于一體的近凈成形的快速增材制造技術(shù)。

2.技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

本發(fā)明的基于電渣重熔的增材制造裝置，包括自耗電極、精煉器以及三維移動平臺，所述自耗電極位于精煉器上方，精煉器內(nèi)填充有精煉渣，所述三維移動平臺位于精煉器的下方，該三維移動平臺可在三維空間自由移動。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述精煉器由上下兩段組成，上段為中空的圓柱形，下段為倒置的中空圓臺。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，還包括惰氣供應(yīng)裝置，該惰氣供應(yīng)裝置用于向精煉器下端與三維移動平臺之間吹送惰性氣體。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述三維移動平臺上設(shè)有承載板，所述精煉器下端正對所述承載板。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，還包括電極夾持件、安裝架和供電裝置，所述電極夾持件用于夾持自耗電極，電極夾持件可上下移動的安裝在安裝架上；所述供電裝置一端與自耗電極電聯(lián)接，另一端與所述承載板電聯(lián)接。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述承載板與三維移動平臺之間自上而下分別設(shè)有底冷箱和絕緣板。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，還包括非接觸式測溫裝置，該非接觸式測溫裝置用于測量精煉器下端與承載板之間的溫度。

作為本發(fā)明更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述三維移動平臺、供電裝置、惰氣供應(yīng)裝置以及非接觸式測溫裝置均與控制計算機(jī)連接。

本發(fā)明的基于電渣重熔的增材制造裝置的使用方法，包括以下步驟：

步驟a：準(zhǔn)備好上述基于電渣重熔的增材制造裝置，其中，將一塊全新的承載板安裝在三維移動平臺上；

步驟b：將計劃制造的產(chǎn)品三維幾何尺寸數(shù)據(jù)輸入至控制計算機(jī)；

步驟c：將自耗電極夾持在電極夾持件上，其中，控制自耗電極的成分與計劃制造的產(chǎn)品化學(xué)成分一致；

步驟d：移動三維移動平臺，使得承載板與精煉器下端接觸；

步驟e：向控制計算機(jī)發(fā)出啟動指令，控制供電裝置向自耗電極通電；

步驟f：當(dāng)非接觸式測溫裝置捕捉到有金屬液從精煉器下端流下，啟動惰氣供應(yīng)裝置向所述金屬液噴吹惰性氣體；

步驟g：控制計算機(jī)控制三維移動平臺在x、y、z方向移動，金屬液不斷流出并凝固；

步驟h：產(chǎn)品制造成形后，關(guān)閉供電裝置和惰氣供應(yīng)裝置，移動三維移動平臺使得其與精煉器下端分離，將已成形產(chǎn)品和承載板共同取下，銑去承載板后得到目標(biāo)產(chǎn)品。

3.有益效果

采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著效果：

(1)本發(fā)明中，成形件幾何尺寸是由控制計算機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)模型動態(tài)實時控制，可根據(jù)具體要求直接生產(chǎn)任意幾何尺寸的產(chǎn)品，包括但不限于熱作模具、冷作模具和其他金屬成形件，其中，可根據(jù)三維模型用鋼錠快速制造出需要的金屬模具，質(zhì)量穩(wěn)定，相對于現(xiàn)有技術(shù)采用的金屬粉末和金屬絲材，原材料的制造工藝簡單且價格便宜，減少總體工藝流程，降低生產(chǎn)成本，大幅提高金屬模具制造的生產(chǎn)效率。

(2)本發(fā)明中，制造產(chǎn)品的原材料自耗電極為鋼錠，鋼錠化學(xué)成分與需要制造的產(chǎn)品一致，由于鋼錠在制造過程中成分可調(diào)節(jié)，能夠滿足產(chǎn)品制作材料的多樣性要求，成形件材料不受限制。

(3)本發(fā)明的電渣重熔的增材制造裝置及其使用方法，融合電渣重熔的金屬純凈、成分均勻、生產(chǎn)靈活和waam工藝的逐層熔積直接成形的優(yōu)點，是集精煉、凝固、成形于一體的近凈成形的快速增材制造技術(shù)，在制造過程中能夠?qū)︿撳V熔融后的金屬液滴進(jìn)行精煉，去除金屬液中的夾雜物，凝固后的金屬材料純凈度得到大幅提高，尤其滿足了高品質(zhì)金屬模具的生產(chǎn)要求，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1為實施例1的基于電渣重熔的增材制造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施例1的基于電渣重熔的增材制造裝置使用方法的流程圖。

示意圖中的標(biāo)號說明：1、自耗電極；2、電極夾持件；3、安裝架；4、精煉器；5、三維移動平臺；6、供電裝置；7、控制計算機(jī)；8、惰氣供應(yīng)裝置；9、非接觸式測溫裝置；10、承載板；11、底冷箱；12、絕緣板。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述。

實施例1

結(jié)合圖1，本實施例的基于電渣重熔的增材制造裝置，包括自耗電極1、精煉器4、三維移動平臺5、惰氣供應(yīng)裝置8、承載板10、電極夾持件2、安裝架3、供電裝置6和非接觸式測溫裝置9，自耗電極1位于精煉器4上方，精煉器4內(nèi)填充有精煉渣，三維移動平臺5位于精煉器4的下方，該三維移動平臺5可在三維空間自由移動。其中，精煉器4由上下兩段組成，上段為中空的圓柱形，下段為倒置的中空圓臺，上段和下段無縫焊合在一起，精煉器4中充滿精煉渣，制造過程中自耗電極1下端熔化后液滴穿過精煉渣，精煉渣能夠捕獲液滴中的夾雜物，凈化后的液滴在精煉器4底部聚集成熔池。惰氣供應(yīng)裝置8用于向精煉器4下端與三維移動平臺5之間吹送惰性氣體。三維移動平臺5上設(shè)有承載板10，精煉器4下端正對承載板10。電極夾持件2用于夾持自耗電極1，電極夾持件2可上下移動的安裝在安裝架3上；供電裝置6一端與自耗電極1電聯(lián)接，另一端與承載板10電聯(lián)接。承載板10與三維移動平臺5之間自上而下分別設(shè)有底冷箱11和絕緣板12。非接觸式測溫裝置9用于測量精煉器4下端與承載板10之間的溫度，具體本實施例中，非接觸式測溫裝置9為紅外測溫器。三維移動平臺5、供電裝置6、惰氣供應(yīng)裝置8以及非接觸式測溫裝置9均與控制計算機(jī)7連接，均受控制計算機(jī)7的控制。

本實施例中，對精煉器4進(jìn)行小型化改造，精煉器4下方增加數(shù)字化控制的三維移動平臺5，精煉器4下端與承載板10通過熔池連接，熔池由氬氣保護(hù)，控制計算機(jī)7根據(jù)成形件的三維模型對承載板10進(jìn)行移動控制，由熔池移動和逐層熔積實現(xiàn)直接成形，其中，逐點控制熔池的凝固組織可避免宏觀偏析、縮孔、凝固裂紋等缺陷的形成。

本實施例中，精煉器4由上下兩段組成，上段為中空的圓柱形，下段為倒置的中空圓臺，且精煉器4內(nèi)填充有精煉渣，精煉器4的聚流形結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分發(fā)揮了精煉渣對于鋼液的凈化作用，精煉器4下段設(shè)計的倒置中空圓臺結(jié)構(gòu)，使得液滴的流通通道逐漸變窄，一方面便于控制液滴從精煉器4下端的小孔定量流出，適應(yīng)增材制造的生產(chǎn)節(jié)奏；另一方面精煉渣在精煉器4下段內(nèi)堆積，其堆積的密度提升，堆積的整體形狀接近倒置圓臺，其對于液滴的凈化效果顯著提升，有效滿足高品質(zhì)模具產(chǎn)品的生產(chǎn)要求；同時，精煉器4下段內(nèi)越靠近精煉器4下端小孔的位置精煉渣數(shù)量越少，電流在此處通過精煉渣時產(chǎn)生的電阻熱也相對較少，因此加速了金屬液在精煉器4下端小孔流出后的凝固成形過程，提高了生產(chǎn)效率。

結(jié)合圖2，本實施例的基于電渣重熔的增材制造裝置的使用方法，包括以下步驟：

步驟a：準(zhǔn)備好如上述基于電渣重熔的增材制造裝置，其中，每次使用前，將一塊全新的承載板10安裝在三維移動平臺5上，具體本實施例中，承載板10為冷軋薄板；

步驟b：將計劃制造的產(chǎn)品三維幾何尺寸數(shù)據(jù)輸入至控制計算機(jī)7；

步驟c：將自耗電極1夾持在電極夾持件2上，其中，控制自耗電極1的成分與計劃制造的產(chǎn)品化學(xué)成分一致，自耗電極1為與成形產(chǎn)品鋼種一致的鋼錠；本增材制造裝置中采用的自耗電極1成分無限制，可根據(jù)產(chǎn)品成分對應(yīng)調(diào)整，滿足各類成形件對材料成分多樣性的要求；

步驟d：移動三維移動平臺5，使得承載板10與精煉器4下端接觸；

步驟e：向控制計算機(jī)7發(fā)出啟動指令，控制供電裝置6向自耗電極1通電，精煉器4下端與承載板10之間通過精煉器4底部熔池流出的金屬液連接，并形成導(dǎo)電回路，導(dǎo)電回路為自耗電極1的熔融提供電能；自耗電極1在電流作用下緩慢溶解，形成金屬液滴；

步驟f：當(dāng)紅外測溫器捕捉到有高溫金屬液從精煉器4下端流下，啟動惰氣供應(yīng)裝置8向金屬液噴吹惰性氣體ar，使金屬液隔絕空氣防止被氧化；；

步驟g：控制計算機(jī)7控制三維移動平臺5在x、y、z方向移動，金屬液不斷流出，并在承載板10上逐層熔積凝固最終形成設(shè)定結(jié)構(gòu)、尺寸的產(chǎn)品；

步驟h：產(chǎn)品制造成形后，關(guān)閉供電裝置6和惰氣供應(yīng)裝置8，移動三維移動平臺5使得其與精煉器4下端分離，將已成形產(chǎn)品和承載板10共同取下，銑去承載板10后得到目標(biāo)產(chǎn)品。

本實施例中，成形件幾何尺寸是由控制計算機(jī)7根據(jù)數(shù)據(jù)模型動態(tài)實時控制，可根據(jù)具體要求直接生產(chǎn)任意幾何尺寸的產(chǎn)品，包括但不限于熱作模具、冷作模具和其他金屬成形件，其中，可根據(jù)三維模型用鋼錠快速制造出需要的金屬模具，質(zhì)量穩(wěn)定，相對于現(xiàn)有技術(shù)采用的金屬粉末和金屬絲材，原材料的制造工藝簡單且價格便宜，減少總體工藝流程，降低生產(chǎn)成本，大幅提高金屬模具制造的生產(chǎn)效率。

本實施例中，制造產(chǎn)品的原材料自耗電極1為鋼錠，鋼錠化學(xué)成分與需要制造的產(chǎn)品一致，由于鋼錠在制造過程中成分可調(diào)節(jié)，能夠滿足產(chǎn)品制作材料的多樣性要求，成形件材料不受限制。

本實施例的電渣重熔的增材制造裝置及其使用方法，融合電渣重熔的金屬純凈、成分均勻、生產(chǎn)靈活和waam工藝的逐層熔積直接成形的優(yōu)點，是集精煉、凝固、成形于一體的近凈成形的快速增材制造技術(shù)，在制造過程中能夠?qū)︿撳V熔融后的金屬液滴進(jìn)行精煉，去除金屬液中的夾雜物，凝固后的金屬材料純凈度得到大幅提高，尤其滿足了高品質(zhì)金屬模具的生產(chǎn)要求，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

以上示意性的對本發(fā)明及其實施方式進(jìn)行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實施方式之一，實際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。