一种基于电渣重熔的增材制造装置的制作方法

本发明属于金属材料增材制造技术领域，更具体地说，涉及一种基于电渣重熔的增材制造装置，适用于热作模具、冷作模具和其他金属成形件的制造。

背景技术：

增材制造(3d打印)技术作为一种快速成形技术正在迅速改变人们的生产方式和生活方式，欧美等发达国家和新兴经济国家纷纷将其作为战略性新兴产业。

金属增材制造技术被普遍看作是增材制造技术领域最具难度的前沿发展方向，按热源类型可分为激光、电子束和电弧3类。过去主要研究以激光、电子束为热源的粉基金属增材制造技术，如：激光近净成形技术lens、选择性激光融化slm、激光融化沉积lmd等^[1-3]，通过不断熔化或烧结金属粉来连续逐层制备复杂结构零部件，现已应用于航空航天、国防军工等高精尖技术领域部分关键零部件，但其成形速率慢，设备昂贵，且粉基原料制备成本和使用成本过高^[4]。因此，现有的技术成形大尺寸复杂结构件时表现出一定的局限性，而基于堆焊技术发展起来的低成本、高效率电弧增材制造技术waam受到部分学者关注。

waam以电弧为载能束，采用逐层熔积的方式制造金属实体构件。相比激光、电子束增材制造，材料适用范围更广，成形效率高，成本低，且组织致密，适合大尺寸构件的低成本、高效快速近净成形^[5-7]。王桂兰等用电弧微铸轧增材成形新方法制造出45钢高强度零件,相对45钢锻件，电弧微铸轧复合成形件硬度提高25.9％，抗拉强度提高43.3％，伸长率提高5.9％^[8]。ouyang等人研究指出影响成形尺寸精度、表面质量的关键点在于弧长、基板预热温度及层间温度的精确控制^[9]。almeida等人对钛合金的熔积成形工艺进行了研究，利用磁控稳弧技术控制热输入及熔池扰动的力“源”，获得了表面质量较高的薄壁构件^[10]。英国cranfield大学研究人员系统研究了焊速、送丝速度、焊丝直径等参数对waam成形形貌有效宽度、表面波动性等影响规律，实现不同倾角度和封闭薄壁件的增材成形^[11]。

现有技术中关于电弧增材制造技术waam也有相关专利公开，如专利公开号：cn106312069a，公开日：2017年01月11日，发明创造名称为：一种増材制造的熔池控制方法，该申请案公开了一种电弧増材成型法和熔融沉积増材制造法的熔池控制技术，其关键在于使用其他材料在熔池边缘搭建一个可以限制金属液流动的外框或轮廓，利用液体本身的表面张力和对其他材料的斥力，约束液态金属的流动。在进行金属材料的成型时，成型台上安装的震动模块会对熔池进行震动使液态金属在被轮廓约束的区域内可以均匀铺开。但是该申请案的不足之处在于：电弧增材制造技术waam相对于传统冶金制造流程，效率仍不具可比性，且产品的纯净度完全依赖丝材的纯净度，而丝材制作工艺也较为复杂，限制了成形件材料向高品质和多样性方向的发展。

主要参考文献：

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技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有waam工艺生产效率过低、产品的纯净度完全依赖原料丝材的纯净度、成形件材料在高品质和多样性方面有限的不足，提供了一种基于电渣重熔的增材制造装置，是集精炼、凝固、成形于一体的近净成形的快速增材制造技术。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的基于电渣重熔的增材制造装置，包括自耗电极、精炼器以及三维移动平台，所述自耗电极位于精炼器上方，精炼器内填充有精炼渣，所述三维移动平台位于精炼器的下方，该三维移动平台可在三维空间自由移动。

作为本发明更进一步的改进，所述精炼器由上下两段组成，上段为中空的圆柱形，下段为倒置的中空圆台。

作为本发明更进一步的改进，还包括惰气供应装置，该惰气供应装置用于向精炼器下端与三维移动平台之间吹送惰性气体。

作为本发明更进一步的改进，所述三维移动平台上设有承载板，所述精炼器下端正对所述承载板。

作为本发明更进一步的改进，还包括电极夹持件、安装架和供电装置，所述电极夹持件用于夹持自耗电极，电极夹持件可上下移动的安装在安装架上；所述供电装置一端与自耗电极电联接，另一端与所述承载板电联接。

作为本发明更进一步的改进，所述承载板与三维移动平台之间自上而下分别设有底冷箱和绝缘板。

作为本发明更进一步的改进，还包括非接触式测温装置，该非接触式测温装置用于测量精炼器下端与承载板之间的温度。

作为本发明更进一步的改进，所述三维移动平台、供电装置、惰气供应装置以及非接触式测温装置均与控制计算机连接。

本发明的基于电渣重熔的增材制造装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤a：准备好上述基于电渣重熔的增材制造装置，其中，将一块全新的承载板安装在三维移动平台上；

步骤b：将计划制造的产品三维几何尺寸数据输入至控制计算机；

步骤c：将自耗电极夹持在电极夹持件上，其中，控制自耗电极的成分与计划制造的产品化学成分一致；

步骤d：移动三维移动平台，使得承载板与精炼器下端接触；

步骤e：向控制计算机发出启动指令，控制供电装置向自耗电极通电；

步骤f：当非接触式测温装置捕捉到有金属液从精炼器下端流下，启动惰气供应装置向所述金属液喷吹惰性气体；

步骤g：控制计算机控制三维移动平台在x、y、z方向移动，金属液不断流出并凝固；

步骤h：产品制造成形后，关闭供电装置和惰气供应装置，移动三维移动平台使得其与精炼器下端分离，将已成形产品和承载板共同取下，铣去承载板后得到目标产品。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明中，成形件几何尺寸是由控制计算机根据数据模型动态实时控制，可根据具体要求直接生产任意几何尺寸的产品，包括但不限于热作模具、冷作模具和其他金属成形件，其中，可根据三维模型用钢锭快速制造出需要的金属模具，质量稳定，相对于现有技术采用的金属粉末和金属丝材，原材料的制造工艺简单且价格便宜，减少总体工艺流程，降低生产成本，大幅提高金属模具制造的生产效率。

(2)本发明中，制造产品的原材料自耗电极为钢锭，钢锭化学成分与需要制造的产品一致，由于钢锭在制造过程中成分可调节，能够满足产品制作材料的多样性要求，成形件材料不受限制。

(3)本发明的电渣重熔的增材制造装置及其使用方法，融合电渣重熔的金属纯净、成分均匀、生产灵活和waam工艺的逐层熔积直接成形的优点，是集精炼、凝固、成形于一体的近净成形的快速增材制造技术，在制造过程中能够对钢锭熔融后的金属液滴进行精炼，去除金属液中的夹杂物，凝固后的金属材料纯净度得到大幅提高，尤其满足了高品质金属模具的生产要求，降低了生产成本，提高了生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例1的基于电渣重熔的增材制造装置的结构示意图；

图2为实施例1的基于电渣重熔的增材制造装置使用方法的流程图。

示意图中的标号说明：1、自耗电极；2、电极夹持件；3、安装架；4、精炼器；5、三维移动平台；6、供电装置；7、控制计算机；8、惰气供应装置；9、非接触式测温装置；10、承载板；11、底冷箱；12、绝缘板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1，本实施例的基于电渣重熔的增材制造装置，包括自耗电极1、精炼器4、三维移动平台5、惰气供应装置8、承载板10、电极夹持件2、安装架3、供电装置6和非接触式测温装置9，自耗电极1位于精炼器4上方，精炼器4内填充有精炼渣，三维移动平台5位于精炼器4的下方，该三维移动平台5可在三维空间自由移动。其中，精炼器4由上下两段组成，上段为中空的圆柱形，下段为倒置的中空圆台，上段和下段无缝焊合在一起，精炼器4中充满精炼渣，制造过程中自耗电极1下端熔化后液滴穿过精炼渣，精炼渣能够捕获液滴中的夹杂物，净化后的液滴在精炼器4底部聚集成熔池。惰气供应装置8用于向精炼器4下端与三维移动平台5之间吹送惰性气体。三维移动平台5上设有承载板10，精炼器4下端正对承载板10。电极夹持件2用于夹持自耗电极1，电极夹持件2可上下移动的安装在安装架3上；供电装置6一端与自耗电极1电联接，另一端与承载板10电联接。承载板10与三维移动平台5之间自上而下分别设有底冷箱11和绝缘板12。非接触式测温装置9用于测量精炼器4下端与承载板10之间的温度，具体本实施例中，非接触式测温装置9为红外测温器。三维移动平台5、供电装置6、惰气供应装置8以及非接触式测温装置9均与控制计算机7连接，均受控制计算机7的控制。

本实施例中，对精炼器4进行小型化改造，精炼器4下方增加数字化控制的三维移动平台5，精炼器4下端与承载板10通过熔池连接，熔池由氩气保护，控制计算机7根据成形件的三维模型对承载板10进行移动控制，由熔池移动和逐层熔积实现直接成形，其中，逐点控制熔池的凝固组织可避免宏观偏析、缩孔、凝固裂纹等缺陷的形成。

本实施例中，精炼器4由上下两段组成，上段为中空的圆柱形，下段为倒置的中空圆台，且精炼器4内填充有精炼渣，精炼器4的聚流形结构设计，充分发挥了精炼渣对于钢液的净化作用，精炼器4下段设计的倒置中空圆台结构，使得液滴的流通通道逐渐变窄，一方面便于控制液滴从精炼器4下端的小孔定量流出，适应增材制造的生产节奏；另一方面精炼渣在精炼器4下段内堆积，其堆积的密度提升，堆积的整体形状接近倒置圆台，其对于液滴的净化效果显著提升，有效满足高品质模具产品的生产要求；同时，精炼器4下段内越靠近精炼器4下端小孔的位置精炼渣数量越少，电流在此处通过精炼渣时产生的电阻热也相对较少，因此加速了金属液在精炼器4下端小孔流出后的凝固成形过程，提高了生产效率。

结合图2，本实施例的基于电渣重熔的增材制造装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤a：准备好如上述基于电渣重熔的增材制造装置，其中，每次使用前，将一块全新的承载板10安装在三维移动平台5上，具体本实施例中，承载板10为冷轧薄板；

步骤b：将计划制造的产品三维几何尺寸数据输入至控制计算机7；

步骤c：将自耗电极1夹持在电极夹持件2上，其中，控制自耗电极1的成分与计划制造的产品化学成分一致，自耗电极1为与成形产品钢种一致的钢锭；本增材制造装置中采用的自耗电极1成分无限制，可根据产品成分对应调整，满足各类成形件对材料成分多样性的要求；

步骤d：移动三维移动平台5，使得承载板10与精炼器4下端接触；

步骤e：向控制计算机7发出启动指令，控制供电装置6向自耗电极1通电，精炼器4下端与承载板10之间通过精炼器4底部熔池流出的金属液连接，并形成导电回路，导电回路为自耗电极1的熔融提供电能；自耗电极1在电流作用下缓慢溶解，形成金属液滴；

步骤f：当红外测温器捕捉到有高温金属液从精炼器4下端流下，启动惰气供应装置8向金属液喷吹惰性气体ar，使金属液隔绝空气防止被氧化；；

步骤g：控制计算机7控制三维移动平台5在x、y、z方向移动，金属液不断流出，并在承载板10上逐层熔积凝固最终形成设定结构、尺寸的产品；

步骤h：产品制造成形后，关闭供电装置6和惰气供应装置8，移动三维移动平台5使得其与精炼器4下端分离，将已成形产品和承载板10共同取下，铣去承载板10后得到目标产品。

本实施例中，成形件几何尺寸是由控制计算机7根据数据模型动态实时控制，可根据具体要求直接生产任意几何尺寸的产品，包括但不限于热作模具、冷作模具和其他金属成形件，其中，可根据三维模型用钢锭快速制造出需要的金属模具，质量稳定，相对于现有技术采用的金属粉末和金属丝材，原材料的制造工艺简单且价格便宜，减少总体工艺流程，降低生产成本，大幅提高金属模具制造的生产效率。

本实施例中，制造产品的原材料自耗电极1为钢锭，钢锭化学成分与需要制造的产品一致，由于钢锭在制造过程中成分可调节，能够满足产品制作材料的多样性要求，成形件材料不受限制。

本实施例的电渣重熔的增材制造装置及其使用方法，融合电渣重熔的金属纯净、成分均匀、生产灵活和waam工艺的逐层熔积直接成形的优点，是集精炼、凝固、成形于一体的近净成形的快速增材制造技术，在制造过程中能够对钢锭熔融后的金属液滴进行精炼，去除金属液中的夹杂物，凝固后的金属材料纯净度得到大幅提高，尤其满足了高品质金属模具的生产要求，降低了生产成本，提高了生产效率。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。