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CN108176905B - 粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法及装置 - Google Patents

粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法及装置 Download PDF

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Abstract

针对现有选择性烧结装置结构复杂的问题，本发明提供一种粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法及装置，属于增材制造技术领域。包括：步骤一：根据要加工的模型，确定分层及各层所要加工的截面形状；步骤二：均匀平铺一层粉末材料，对平铺的粉末层预热；步骤三：在粉末层上方设置工具电极，调整工具电极与粉末层上表面的间隙，间隙在设定电压作用下能够被击穿产生放电通道；步骤四：工具电极根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，在被工具电极扫描的区域，表面层粉末材料由于电火花放电受热熔融或烧结后凝固成型；重复步骤二至步骤四，直至完成所有层的烧结成型，结束。本发明根据上述方法还提供一种装置，结构简单。

Description

粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法及装置
技术领域
本发明涉及一种利用火花放电逐层对粉末材料进行选择性烧结从而累加成型的增材制造方法及装置，属于增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术领域。
背景技术
增材制造(也称3D打印)是材料逐层累加的制造方法，可快速得到任意复杂的结构，被称为是当今制造业的一场革命，特别是近几年获得了日新月异的发展。典型的增材制造方法有：光固化成型(Stereo Lithography Apparatus，SLA)、分层实体制造(LaminatedObject Manufacturing，LOM)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)、熔融沉积造型(Fused Deposition Modeling，FDM)、三维印刷(Three-DimensionPrinting，3DP)等。这些方法因在使用的材料、能源和成型方式等方面各有不同而各具特征和用途。
其中，选择性激光烧结是以激光作为能源，对粉末材料选择性加热，使之烧结或熔融后凝固形成三维原型或制件。选择性激光烧结具有材料选择广泛、制造工艺简单、制造精度高等优点，特别是由于它可以加工金属零件，因而被认为是最有发展前途的增材制造技术之一。
但是选择性激光烧结以激光作为能源，成本高，且体积庞大。也有采用电子束作为能源烧结粉末的，但需要复杂的装置结构，设备体积庞大且使用环境受到限制。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有选择性烧结成本高且需要复杂的装置结构的问题，本发明提供一种实现简单、成本低、可控性好、可实现设备小型化的粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法及装置。
本发明的粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：根据要加工的模型，确定分层及各层所要加工的截面形状；
步骤二：均匀平铺一层粉末材料，对平铺的粉末层预热；
步骤三：在粉末层上方设置工具电极，调整工具电极与粉末层上表面的间隙，所述间隙在设定电压作用下能够被击穿产生放电通道，且所述间隙保证工具电极与粉末层上表面之间连续发生脉冲放电；
步骤四：工具电极根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，在被工具电极扫描的区域，表面层粉末材料由于电火花放电受热熔融或烧结后凝固成型，完成该层所述截面形状的烧结成型，转入步骤二，在所述粉末层上表面平铺下一层粉末材料，直至完成所有层的烧结成型，结束。
优选的是，所述步骤四中，工具电极进行扫描时，使放电点处的表面粉末受热熔融或烧结从而粘结在一起，并能与前一层已烧结层的已成型粉末烧结在一起。
优选的是，所述步骤四中，工具电极进行扫描时，使已烧结完的粉末层及其上表面未被烧结的粉末层接地，保持零电位。
优选的是，所述步骤四中，通过设置单脉冲放电能量、放电频率、工具电极相对粉末层表面的扫描速度，获得需要的粉末材料电火花烧结成型的质量和速度。
优选的是，所述粉末材料为一种导电粉末、多种导电粉末的混合、导电粉末与粘结剂的混合或陶瓷粉末材料。
优选的是，所述方法是在充有惰性气体的密闭加工室中进行的。
一种粉末材料选择性电火花烧结增材制造装置，所述装置包括铺粉预热辊筒2、原料腔3、原料腔底板4、成型腔5、成型腔底板6、工具电极8、工作台基体10和脉冲电源；
工作台基体10内设有两个腔，分别为：原料腔3和成型腔5，所述工作台基体10的顶面为平面；原料腔底板4设置在原料腔3内，可上下运动；成型腔底板6设置在成型腔5内，可上下运动；铺粉预热辊筒2设置在工作台基体10的顶面上；工具电极8设置在成型腔5的上部，脉冲电源的正极与工具电极8连接，脉冲电源的负极与成型腔底板6及工作台基体10同时接地，成型腔底板6及工作台基体10均为导电材料；铺粉预热辊筒2能将原料腔3中的表层粉末均匀铺放到成型腔5内，并对粉末具有预加热作用。
优选的是，所述装置还包括电极自动进给部件7、X方向进给部件11和Y方向进给部件12；
所述工具电极8安装在电极自动进给部件7上，电极自动进给部件7控制工具电极8与成型腔5顶面之间的距离；所述电极自动进给部件7为Z向进给；
X方向进给部件11，用于控制工作台基体10的X向进给；
Y方向进给部件12，用于控制工作台基体10的Y向进给。
优选的是，所述装置还包括密闭加工室，所述铺粉预热辊筒2、原料腔底板4、成型腔底板6、电极自动进给部件7、工具电极8、工作台基体10、X方向进给部件11、Y方向进给部件12和脉冲电源均设置在密闭加工室1中。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明提出利用电火花加工(Electrical DischargeMachining，EDM)中具有高能量密度的放电通道，将电能转化为热能作用在粉末材料上，利用分层的思想，使处于受热区域的粉末材料熔融或烧结后凝固逐层累加形成三维原型或制件；本发明具有实现简单、成本低、可控性好、可实现设备小型化等优点。本发明可用来加工金属零件，甚至可以用来加工陶瓷件，因此具有很大的潜在发展前途；本发明通过降低放电能量，可实现微细增材制造；通过调节参数还可方便地实现加工过程中电火花烧结增材制造与电火花去除加工的结合。
附图说明
图1为本发明的粉末材料选择性电火花烧结增材制造装置的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明的粉末材料选择性电火花烧结增材制造装置实现烧结增材制造时的流程示意图；
图4为粉末材料选择性电火花烧结成型工作原理说明图；
图5基于RC驰张式脉冲电源的电火花烧结电路图；
图6基于独立式晶体管脉冲电源的电火花烧结电路图；
图7基于电容耦合脉冲电源的电火花烧结电路图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式所述的粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法包括如下步骤：
步骤一：根据要加工的模型的三维CAD造型，确定分层离散后的截面数据，获得各层所要加工的截面形状；
步骤二：均匀平铺一层粉末材料，对平铺的粉末层预热至即将熔化的温度；
步骤三：在粉末层上方设置工具电极，该工具电极具有足够小的截面尺寸以保证电火花烧结的定域性；调整工具电极与粉末层上表面的间隙，所述间隙在设定电压作用下能够被击穿产生放电通道，工具电极与粉末层之间施加一定电压幅值和频率的脉冲电源用以击穿极间介质产生放电通道，工具电极与粉末层表面之间保持最佳距离，以保证处于最佳放电状态，保证工具电极与粉末层上表面之间连续发生脉冲放电；
步骤四：工具电极根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，在被工具电极扫描的区域，表面层粉末材料由于电火花放电受热熔融或烧结后凝固成型，未被扫描到的粉末仍呈松散状，作为成型件和下一粉末层的支撑，完成该层所述截面形状的烧结成型，转入步骤二，在所述粉末层上表面平铺下一层粉末材料，直至完成所有层的烧结成型，结束。
本实施方式利用电火花加工具有高能量密度的放电通道，将电能转化为热能作用在粉末材料上，利用分层的思想，使处于受热区域的粉末材料熔融或烧结后凝固逐层累加形成三维原型或制件；本实施方式具有实现简单、成本低、可控性好、可实现设备小型化等优点。
优选实施例中，工具电极进行扫描时，使放电点处的表面粉末受热熔融或烧结从而粘结在一起，并能与前一层已烧结层的已成型粉末烧结在一起，保证烧结成型的为一体结构。
优选实施例中，工具电极进行扫描时，使已烧结完的粉末层及其上表面未被烧结的粉末层接地，保持零电位，以保证粉末不带净电荷，从而避免粉末在极间电场作用下发生飞散。
优选实施例中，所述步骤四中，通过设置单脉冲放电能量、放电频率、工具电极相对粉末层表面的扫描速度，获得需要的粉末材料电火花烧结成型的质量和速度。
优选实施例中，所述粉末材料为一种导电粉末、多种导电粉末的混合、或导电粉末与粘结剂的混合，若电火花烧结在煤油介质中进行，还可使用陶瓷粉末材料。
优选实施例中，为避免粉末被氧化，所述方法是在充有惰性气体的密闭加工室中进行的。
根据上述粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法，本实施方式还提供一种粉末材料选择性电火花烧结增材制造装置，如图1和图2所示，包括铺粉预热辊筒2、原料腔3、原料腔底板4、成型腔5、成型腔底板6、工具电极8、工作台基体10和脉冲电源；
工作台基体10内设有两个腔，分别为：原料腔3和成型腔5，所述工作台基体10的顶面为平面；原料腔底板4设置在原料腔3内，可上下运动；成型腔底板6设置在成型腔5内，可上下运动；铺粉预热辊筒2设置在工作台基体10的顶面上；工具电极8设置在成型腔5的上部，脉冲电源的正极与工具电极8连接，脉冲电源的负极与成型腔底板6及工作台基体10同时接地，成型腔底板6及工作台基体10均为导电材料。
本实施方式的铺粉预热辊筒2能将原料腔3中的表层粉末均匀铺放到成型腔5内，并对粉末具有预加热作用，将成型腔5表层粉末加热到即将熔化的温度；
本实施方式的装置在实现烧结增材制造时的工作过程为：
步骤1：如图3(A)所示，加工开始前，原料腔底板4位于原料腔3最低的位置，原料腔3内盛满粉末材料15，粉末上表面与加工平面9平齐。成型腔底板6位于最高的位置，其上表面也与加工平面9平齐。本实施方式的加工平面9为工作台基体10的顶面；
步骤2：如图3(B)所示，加工开始后，原料腔底板4上升一层的厚度，使一层厚的粉末材料15冒出。成型腔底板6下降一层的厚度。
步骤3：如图3(C)所示，铺粉预热辊筒2将原料腔3上方冒出的粉末材料15转移平铺至成型腔5，作为底衬层；
步骤4：如图3(D)所示，原料腔底板4再上升一层的厚度，使一层厚的粉末材料15冒出。成型腔底板(6)再下降一层的厚度。
步骤5：如图3(E)所示，铺粉预热辊筒2将原料腔3上方冒出的粉末材料15转移平铺至成型腔5，并预热到即将熔化的温度。
步骤6：如图3(F)所示，工具电极8根据截面形状对当前层粉末进行选择性烧结16。
步骤7：如图3(G)至(J)所示，重复步骤4至步骤6，至整个模型(16)被烧结完成。
步骤8：如图3(K)所示，将成型腔(5)内的粉末(15)及模型(16)完全推出；
步骤9：如图3(L)所示，用刷子去除多余粉末，得到最终模型(16)；
图4中，成型腔底板6上有3层粉末，从下往上依次为粉末底衬层17、已烧结层18、表面层19(正在烧结层)。已烧结层18中包括烧结成型部分16和未烧结的松散粉末材料15。一定电压幅值和频率的脉冲电源加载在工具电极和粉末之间，击穿极间介质产生放电通道20。放电通道20具有较高的能量密度，使放电点21处的表面粉末受热熔融或烧结从而粘结在一起，并能与前一层已烧结层18的已烧结成型粉末16粘在一起。
本实施方式的脉冲电源，可以使用任何类型的脉冲电源，如：RC驰张式脉冲电源、独立式晶体管脉冲电源，或二者的组合，以及各种新型的脉冲电源等。图5为基于RC驰张式脉冲电源的电火花烧结电路图，图6为基于独立式晶体管脉冲电源的电火花烧结电路图，图7为基于电容耦合脉冲电源的电火花烧结电路图。
优选实施例中，本实施方式还包括电极自动进给部件7、X方向进给部件11和Y方向进给部件12；
所述工具电极8安装在电极自动进给部件7上，电极自动进给部件7控制工具电极8与成型腔5顶面之间的距离；所述电极自动进给部件7为Z向进给；
X方向进给部件11，用于控制工作台基体10的X向进给；
Y方向进给部件12，用于控制工作台基体10的Y向进给。
本实施方式的工具电极8通过电极自动进给部件7在Z方向上可以自动调整与表层粉末之间的间隙。工作台基体10可在X、Y方向上以一定的运动精度进行水平运动，从而实现工具电极8对成型腔5表层粉末的扫描。
如图1和图2所示，本实施方式还包括基座13和电极支架14，电极支架14的顶端用于安装电极自动进给部件7；电极支架14的底端、X方向进给部件11和Y方向进给部件12设置在基座13上；
优选实施例中，本实施方式还包括密闭加工室1，所述铺粉预热辊筒2、原料腔3、原料腔底板4、成型腔5、成型腔底板6、电极自动进给部件7、工具电极8、工作台基体10、X方向进给部件11、Y方向进给部件12和脉冲电源均设置在密闭加工室1中，避免粉末被氧化。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：根据要加工的模型，确定分层及各层所要加工的截面形状；
步骤二：均匀平铺一层粉末材料，对平铺的粉末层预热；
步骤三：在粉末层上方设置工具电极，调整工具电极与粉末层上表面的间隙，所述间隙在设定电压作用下能够被击穿产生放电通道，且所述间隙保证工具电极与粉末层上表面之间连续发生脉冲放电；
步骤四：工具电极根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，在被工具电极扫描的区域，表面层粉末材料由于电火花放电受热熔融或烧结后凝固成型，完成该层所述截面形状的烧结成型，转入步骤二，在所述粉末层上表面平铺下一层粉末材料，直至完成所有层的烧结成型，结束。
2.根据权利要求1所述的一种粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法，其特征在于，所述步骤四中，工具电极进行扫描时，使放电点处的表面粉末受热熔融或烧结从而粘结在一起，并能与前一层已烧结层的已成型粉末烧结在一起。
3.根据权利要求1所述的一种粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法，其特征在于，所述步骤四中，工具电极进行扫描时，使已烧结完的粉末层及其上表面未被烧结的粉末层接地，保持零电位。
4.根据权利要求1所述的一种粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法，其特征在于，所述步骤四中，通过设置单脉冲放电能量、放电频率、工具电极相对粉末层表面的扫描速度，获得需要的粉末材料电火花烧结成型的质量和速度。
5.根据权利要求1所述的一种粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法，其特征在于，所述粉末材料为一种导电粉末、多种导电粉末的混合、导电粉末与粘结剂的混合或陶瓷粉末材料。
6.根据权利要求1所述的一种粉末材料选择性电火花烧结增材制造方法，其特征在于，所述方法是在充有惰性气体的密闭加工室中进行的。
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