[发明专利]一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法及产品

说明书

本发明属于点阵结构制造加工相关技术领域，并公开了一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法，其中一方面通过控制电源输出的脉冲波形，实现一脉一滴的过渡，可精确控制熔滴的尺寸和个数，从而控制点阵结构单元杆件的直径；另一方面通过控制打印路径中的提升量和偏移量，可精确控制点阵结构单元杆件的角度，由此实现任意结构的点阵结构的电弧熔丝增材制造。本发明还公开了相应的产品。通过本发明，不仅可有效克服现有技术中各类制备点阵结构的缺陷及不足，同时具备加工质量高、材料要求低、适用于任何复杂形式和更大尺寸规格等优点。

技术领域

本发明属于点阵结构制造加工相关技术领域，更具体地，涉及一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法及产品。

背景技术

所谓点阵结构，是一种由节点及连接杆单元组成的空间网架类有序多孔结构。由于它具有轻质、比强度高、隔热、吸能减震和消音降噪等诸多优点，因而被广泛应用于航天等多个领域，并譬如可用于制造高超音速飞行器的蒙皮隔热层。

现有技术中的点阵结构制造方法主要包括熔模铸造、拉伸网折叠法和挤压线切割法等，但这些方法对制造点阵的材料有极高的要求，且难以成形复杂点阵结构，使制造点阵的材料与结构设计自由度受到了较大限制。更具体而言，当采用熔模铸造法制造点阵时，要求液态金属的流动性非常好，仅限于流动性非常好的有色金属及其合金点阵的制造，难于制造采用拓补优化设计、结构复杂的低密度点阵结构。拉伸网折叠法和挤压线切割法在制造点阵过程中需剧烈变形，只能用于高延展性的材料。此外，拉伸网折叠法仅用于形成金字塔型、四面体型、X型等形式简单的点阵结构的制造，且该制造方法制成的点阵结构强度较低；而挤压线切割法仅用于金字塔点阵结构的制造等。

随着近年来增材制造技术的迅猛发展，技术专家开始考虑引入增材制造技术来加工点阵结构。由于它采用材料逐渐累加的方式来制造实体点阵，因而在一定程度上可改善以上技术不足，能制造出多种复杂形式的点阵结构。然而，进一步的研究表明，目前基于增材制造技术来加工点阵结构的工艺主要为激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)，其在具体实践中暴露出了以下的多方面不足：其一，该方法采用铺粉的方式用激光进行区域熔化，但铝、铜合金等材料对激光的吸收率低，造成区域熔化过程中出现未熔化现象产生未熔合缺陷。同时，铝、铜合金等粉末材料表面容易氧化显著降低材料润湿性，导致SLM成形时熔融金属表面收缩成球形造成球化效应，使熔融金属无法凝固形成平滑连续的熔池，导致金属内部形成缺陷，严重时还会阻碍铺粉辊无法运动，最终导致无法成形构件，因此难以在加工形成点阵结构过程中应用；其二，SLM技术会收到激光器功率和扫描振镜偏转角度的限制，使其无法成形较大尺寸的金属零件，同时金属粉末的制造困难，且易受污染、利用率低，增加了成本。相应地，本领域亟需对于如何更好地基于增材制造技术加工点阵结构的工艺作出进一步的研究，以便更好地符合在工艺质量、工艺效率及成本方面的更高需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明不仅专门选择采用了电弧熔丝增材制造技术来加工金属点阵结构，而且进一步紧密结合点阵结构自身的构造特性及电弧熔丝增材制造的工艺特征，针对性提出了通过对熔滴的尺寸和个数、以及焊枪层间提升量和偏移量的特定控制方式来实现点阵结构单元杆件的加工指标控制，相应与其他增材制造点阵结构的工艺方法相比，一方面电弧熔丝增材制造可充分利用以电弧为热源的特性来熔化金属丝材成形，在增材过程中产生阴极雾化效应，清除金属氧化膜，避免球化现象，而且电弧熔丝增材制造点阵结构无SLM方法材料反射问题，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，适用于任意金属材料和尺寸点阵结构的制备；另一方面还更有利于有效实现对单元杆件的直径尺寸和角度等关键参数的质量控制，进而与现有技术相比可获得更高精度和质量性能的金属点阵结构，同时具备便于操控、效率高和成本低等优点；因而尤其适用于制造高超音速飞行器的蒙皮隔热层之类的高性能大尺寸点阵结构应用场合。

相应地，按照本发明的一个方面，提供了一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：