一种结合电弧送丝技术的激光铺粉增材制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言，涉及一种结合电弧送丝技术的激光铺粉增材制造方法。

背景技术

近年来，航空航天等高技术领域的结构件要求越来越高，希望以轻量化、功能一体化和智能化为方向进行设计。新型结构件需要包含不同的材料、尺度和复杂度，这给制造技术带来了极大挑战。为了应对这些挑战，增材制造技术(3D增材制造)作为一种发展迅猛的新兴制造技术备受关注。

基于增材制造技术离散材料逐层堆积的制造原理，以及快速自由成形的特点，使其在功能梯度材料和复杂结构零件制造领域具有极大的应用潜力，包括电弧送丝和激光铺粉增材制造技术。

同步材料送进方式增材制造方法在制备梯度材料上具有明显的优势，且成形效率高，柔性化程度强。但同步材料送进方式的电弧送丝制造技术在成形精度和复杂度方面较差，适合加工结构简单的零件。

当需要制造的零件包含多种材料或者具有非常复杂的结构(如跨尺度结构)的零件为一种材料时，只用电弧送丝增材制造技术难以达到过渡平滑及整体性强的制造要求。同时，往往难以实现零件简单部分和复杂部分的过渡以及两种材料之间的过渡。因此，这些技术难题是当下增材制造技术亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足之处而提供一种结合电弧送丝技术的激光铺粉增材制造方法，该方法可以实现零部件简单部分和复杂部分之间的连接过渡，也能够解决不同材料之间过渡不精确而带来的过渡面不平滑、整体性不强的问题。

针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种结合电弧送丝技术的激光铺粉增材制造方法，包括以下步骤：

S1.拆分目标零部件，按照零件结构的复杂程度进行划分，分为简单模型单元和复杂模型单元，所述简单模型单元标记为M

S2.根据所述简单模型单元和所述复杂模型单元的材质，进行进一步划分，得到不同的增材制造模型单元，从而保证每一个模型单元的结构和材质保持一致，不同的材质用不同的字母进行代替，设定材质为a的第一个简单模型单元标记为M

S3.系统识别每两个所述增材制造模型单元之间结合的区域为过渡区域，所述过渡区域标记为T

S4.根据所述增材制造模型单元和所述过渡区域的复杂程度和材质，确定增材制造顺序和增材制造方式；所述的增材制造方式包括：所述简单模型单元和两个简单模型单元之间连接的同构异材过渡区域采用电弧送丝增材制造法制备，所述复杂模型单元、所述异构同材过渡区域以及所述异构异材过渡区域采用激光铺粉增材制造法制备；所述增材制造顺序包括：首先对第1个简单模型单元采用电弧送丝增材制造法制备并作为基材，在电弧送丝成形的基材的基础上，对所述过渡区域进行过渡处理，然后在处理后的所述过渡区域的基础上进行包括其他简单结构或复杂结构的增材制造成形；

S5.根据各个所述增材制造模型单元的增材制造顺序和增材制造方式，确定增材制造的路径和参数。

进一步地，所述简单模型单元为所述目标零件中厚大部分或者结构规则部分；所述复杂模型单元为所述目标零件中结构细小或者结构不规则部分，如具有通孔、骨架、中空的结构部分；所述结构厚大部分为超过系统预设尺寸的结构部分，所述结构细小部分为小于系统预设尺寸的结构部分。

进一步地，步骤S4中所述的增材制造顺序为：所述目标零件中，先处理简单模型单元，再进一步处理复杂模型单元；其中，先制造第1个简单模型单元M

进一步地，步骤S3所述的过渡区域，分为以下几种情况：

A.两个所述增材制造模型之间的结构复杂程度不一致，但材质一致，则为异构同材过渡区域，所述异构同材过渡区域属于简单模型单元向复杂模型单元的过渡，涉及步骤S4中所述增材制造方式的变化，即电弧送丝增材制造法过渡为激光铺粉增材制造法进行增材制造；

B.两个所述增材制造模型之间的结构复杂程度一致，材质不一致，则为同构异材过渡区域，所述同构异材过渡区域属于增材制造的材质过渡变化，不涉及步骤S4中所述增材制造方式的变化，当两个简单模型单元进行材质过渡变化时，保持采用电弧送丝增材制造法，当两个复杂结构的增材制造单元进行材质过渡变化时，保持采用激光铺粉增材制造法；

C.两个所述增材制造模型之间的结构复杂程度不一致，材质也不一致，则为异构异材过渡区域，所述异构异材过渡区域属于简单模型单元向不同材质的复杂模型单元的过渡，涉及步骤S4中所述增材制造方式的变化，同时也涉及材质过渡变化。

进一步地，所述过渡处理分为以下几种情况：

a.对于所述异构同材过渡区域，属于简单结构向复杂结构部分的过渡处理，不涉及增材制造的材料转变，先对电弧送丝增材制造形成的简单模型单元进行平滑处理，保证结构连接面的干净平整，再在所述电弧送丝增材制造的增材制造单元的基础上进行激光选区熔化成形处理；

b.对于所述同构异材过渡区域，

（1）当两个简单模型单元进行材质过渡变化时，则保持采用电弧送丝增材制造法，首先系统识别两个增材制造模型单元连接部分的材质，在电弧送丝增材制造装置的一个送料结构中，放置第k个增材制造模型单元的材料，在另一个送料结构中放置第k+1个增材制造模型单元的材料，接着系统对所述同构异材过渡区域的形状、尺寸、电弧送丝成形的空腔及下陷部分的数量及尺寸进行扫描，系统计算出填满所述空腔及下陷部分所需的材料的质量以及混合比例；在增材制造过程中，通过两个送料结构同时输送两种材料，通过调整两种材料的送进速度来改变送出材料的比例，操作所述电弧送丝增材制造装置将第k个增材制造模型单元的空腔及下陷部分全部填满，并形成一层过渡区域层，对所述过渡区域层进行平滑处理，保证结构连接面的干净平整，在此基础上，所述电弧送丝增材制造装置开始增材制造第k+1个增材制造模型单元；

（2）当两个复杂结构的增材制造单元进行材质过渡变化时，则保持采用激光铺粉增材制造法，首先系统识别两个增材制造模型单元连接部分的材质，在激光铺粉增材制造装置的一个送料结构中，放置第j个增材制造模型单元的材料，在另一个送料结构中放置第j+1个增材制造模型单元的材料，接着系统对所述同构异材过渡区域的形状、尺寸进行扫描，系统计算出形成混合过渡层所需的材料的质量以及混合比例；在增材制造过程中，通过两个送料结构同时输送两种材料，通过调整两种材料的送进速度来改变送出材料的比例，操作所述激光铺粉增材制造装置在第j个增材制造模型单元的基础上形成一层混合过渡区域层，最后所述激光铺粉增材制造装置开始增材制造第j+1个增材制造模型单元；

c.对于所述异构异材过渡区域，则先进行结构过渡处理，然后按照处理材料成分过渡区域的方法进行处理；首先系统识别两个增材制造模型单元连接部分的材质，在激光铺粉增材制造装置的一个送料结构中，放置第k个增材制造模型单元的材料，在另一个送料结构中放置第j个增材制造模型单元的材料，接着系统先对所述同构异材过渡区域的形状、尺寸、电弧送丝成形的空腔及下陷部分的数量及尺寸进行扫描，系统计算出填满所述空腔及下陷部分所需的材料的质量以及混合比例；在增材制造过程中，系统先调整所述第k个增材制造模型单元的位置以保证其处于水平的位置，再通过两个送料结构同时输送两种材料，通过调整两种材料的送进速度来改变送出材料的比例，操作所述激光铺粉增材制造装置将第k个增材制造模型单元的空腔及下陷部分全部填满，并形成一层过渡区域层，对所述过渡区域层进行平滑处理，保证结构连接面的干净平整，在此基础上，所述激光铺粉增材制造装置开始增材制造第j个增材制造模型单元；

优选地，对于所述同构异材过渡区域，当两个简单模型单元进行材质过渡变化时，所述填满所述空腔及下陷部分所需的材料的质量以及混合比例满足以下公式：

；

其中，

优选地，对于所述同构异材过渡区域，当两个复杂结构的增材制造单元进行材质过渡变化时，所述形成混合过渡层所需的材料的质量以及混合比例满足以下公式：

，且0.015mm≤h≤0.1mm；

其中，

优选地，当处理所述异构异材过渡区域时，所述填满所述空腔及下陷部分所需的材料的质量以及混合比例满足以下公式：

，且0.015mm≤h≤0.1mm；

其中，

优选地，所述系统预设尺寸包括：厚度为20mm，横截面积为10mm

优选地，经过所述平滑处理后，所述简单模型单元的表面粗糙度为Ra 1-3μm，所述简单模型单元的平面度为0.01-0.1mm。

优选地，所述增材制造过程均在氩气气氛中进行。

本发明的有益效果在于：

（1）将电弧送丝增材制造和激光铺粉增材制造两种技术结合，处理不同结构复杂度和材质的目标零件。通过对目标零件的划分、结构和材质的识别、过渡区域的设计和增材制造路径参数等方面的优化，实现了增材制造方式的转换，并能够高效、精确地制备包含不同结构和材质的复杂目标零件。

（2）本发明首先根据目标零件的结构复杂程度将零件划分为若干个简单模型单元和复杂模型单元，再根据各模型单元的材料将其划分为可单次成型的增材制造模型单元；再根据增材制造模型单元的结构、材质，采用不同的增材制造方法；通过分析不同类型增材制造模型单元连接部分的过渡区域类型，实现各增材制造模型单元的结构和成分的平滑过渡。

（3）采用本发明的技术方案所制备的异质材料复杂结构件，所制备的异质材料复杂结构件具有过渡区结合强度高、加工效率高等优势。该方案能够保证零件整体性能良好，并且可以满足不同部位精度和形状要求。这种制造方法能够提高产品质量，提高生产效率，同时也具有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明提供的一种结合电弧送丝技术的激光铺粉增材制造方法的流程示意图；

图2为本发明目标零部件的简单模型单元和复杂模型单元以及材质划分示意图；

图3为本发明目标零部件的过渡区域示意图。

图中，1、第一简单模型单元，2、第二简单模型单元，3、第一复杂模型单元，4、第二复杂模型单元，5、第一过渡区域，6、第二过渡区域，7、第三过渡区域。

具体实施方式

如图1至图3所示，一种结合电弧送丝技术的激光铺粉增材制造方法，包括以下步骤：

S1.拆分目标零部件（见图2），按照零件结构的复杂程度进行划分，分为简单模型单元和复杂模型单元，将所述简单模型单元分为第一简单模型单元1（标记为M

S2.根据所述简单模型单元和所述复杂模型单元的材质，进行进一步划分，得到不同的增材制造模型单元，从而保证每一个模型单元的结构和材质保持一致，不同的材质用不同的字母进行代替，从而系统能够区分所述增材制造模型单元根据所述简单模型单元和所述复杂模型单元的材质，材质为a的第一简单模型单元1标记为M

S3.系统识别每两个所述增材制造模型单元之间结合的区域为过渡区域（见图3），M

S4.根据所述增材制造模型单元和所述过渡区域的复杂程度和材质，确定增材制造顺序和增材制造方式；所述的增材制造方式包括：所述简单模型单元和两个简单模型单元之间连接的同构异材过渡区域采用电弧送丝增材制造法制备，所述复杂模型单元、所述异构同材过渡区域以及所述异构异材过渡区域采用激光铺粉增材制造法制备；所述增材制造顺序包括：首先对第一简单模型单元1采用电弧送丝增材制造法制备并作为基材，在电弧送丝成形的基材的基础上，对所述过渡区域进行过渡处理，然后在处理后的所述过渡区域的基础上进行包括其他简单结构或复杂结构的增材制造成形；其中M

S5.根据各个所述增材制造模型单元的增材制造顺序和增材制造方式，确定增材制造的路径和参数；

进一步地，步骤S4中所述的增材制造顺序为：所述目标零件中，先处理简单模型单元，再进一步处理复杂模型单元；其中，先制造第一简单模型单元1（M

进一步地，步骤S3所述的过渡区域，分为以下几种情况：

A.M

B.M

C.M

进一步地，所述过渡处理分为以下几种情况：

a.对于所述异构同材过渡区域T

b.对于所述同构异材过渡区域T

c.对于所述异构异材过渡区域T

优选地，对于所述同构异材过渡区域T

；

其中，

优选地，当处理所述异构异材过渡区域T

，且0.015mm≤h≤0.1mm；

其中，

所述目标零件中M

所述简单模型单元M

所述增材制造过程均在氩气气氛中进行。

以上内容仅为本发明的较佳实施方式，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。