利用3d打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材方法及用途
【專利摘要】本發明公開了一種利用3D打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材的方法及其用途，首先在計算機中生成零件的三維CAD模型，然后將模型按一定的厚度切片分層，將零件的三維信息轉換成一系列二維輪廓信息，用坩堝將金屬融化，從噴嘴流出形成的熔滴，然后在計算機的控制下，使其按照二維輪廓信息逐層堆積，得到三維實體零件或近形件。采用該方法后，全部設計在計算機中完成，實際的制造過程也在計算機控制下進行，真正實現制造的數字化、智能化和無紙化等優點，可直接成形復雜三維結構，減少了傳統工藝在零件設計、制造過程中約束條件，已成為無約束成形技術的一個新發展方向。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及到電力器材加工領域，具體涉及一種采用3D打印熔滴復合成形與傳 統制造工藝模具成形相結合的工藝進行電力器材的制造的方法及其用途。 利用3D打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材方法 及用途

【背景技術】
[0002] 3D打印（3D printing)，又被稱為增材制造技術，出現在上世紀90年代中期。其 源可追溯到快速成型技術（Rapid Prototyping, RP)，從3D計算機輔助設計（3D CAD)發展 開始，人們就希望方便地將設計直接轉化為實物。
[0003] 隨著科技的不斷進度，3D打印技術在越來越成熟，已廣泛應用于航天、醫藥和模型 設計領域，是一種前景廣闊的金屬產品高效制造技術。當今世界最前沿3D打印"金屬熔滴 沉積技術"，無需價格昂貴的激光系統，運行費用很低，可靠性高。
[0004] 目前電力器材的成型方法主要有鑄造和鍛壓兩種。其中鑄造方法有重力或低壓鑄 造、高壓壓鑄和擠壓鑄造等，但由于鋁合金液流的快速注入超越了金屬模型腔內氣體的上 升速度，腔內空氣來不及排出而裹入鋁合金液內，可能出現氣泡和疏松，另一方面，在巨大 成型壓力下，造成溶于鋁合金液體內部的氣體來不及排出，氣體以固熔體、化合物和氣孔滯 留在鑄件內，使鑄件塑性（延伸率、沖擊韌性等）顯著降低。真空壓鑄法和充氧壓鑄法，這 兩種較為有效的壓鑄輔助工藝，目的是消除或減少壓鑄件內部的氣孔。但這種"全無"操作 工藝，在實施中困難較多，若控制不當，效果并不明顯，再加上壓鑄模具密封結構復雜，制造 使安裝難度大，又需較高的設備投資，所以在國內應用較少，開展有一定困難。電力金具鍛 造工藝按方式可以分為自由鍛造和模鍛，按鍛造溫度分為熱鍛、溫鍛、和冷鍛，常用的方式 為熱鍛。自由鍛造時，鍛造師應控制每次鍛造的壓下量，對操作者要求比較高。模鍛需要設 計模具，使毛坯變形獲得鍛件，時間周期較長，生產成本很高。
[0005] 目前，電力器材制造和使用存在庫存量大、采購成本高、施工效率低和生產制造效 益低等問題，這些問題是伴隨電網發展的必然問題，也是全國性的問題。
[0006] 那么如何開發一種就地、即刻、批量、快速、便捷、低成本的電力器材成形技術及其 工廠化生產系統，對現代電網建設具有重要意義。


【發明內容】

[0007] 本發明目的是提供一種利用3D打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材的方 法及其用途，該方法將3D打印與電力器材制造緊密結合，縮短電力器材產品的生產周期、 降低生產材料的廢棄率，促進電力器材結構的革新、提高了電網建設的施工效率。
[0008] 本發明的技術方案是：
[0009] -種運用3D打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材的用途，具有用于配變 電金具、線路金具、電纜金具及附件、預絞式線路金具、不銹鋼扎帶、出口金具、架空絕緣金 具、超高壓電力線路器材的用途。
[0010] -種利用3D打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材的方
[0011] 法，它包括以下步驟：
[0012] 步驟一：在計算機中繪制電力器材的三維零件模型或通過電力器材原物3D掃描 得到三維模型，導入3D打印機中；
[0013] 步驟二：將模型按一定的厚度切片分層，將電力器材的三維信息轉換成一系列二 維輪廓信息，3D工控機設在熔滴沉積設備一側，并與熔滴沉積設備通過導線連接和控制，在 熔滴沉積設備上設有進出料倉和出料倉，將銅粉或鋁粉加入至熔滴沉積設備中的坩堝內， 坩堝外端設有加熱元件，坩堝端口設有進氣裝置，通過加熱元件將金屬融化；
[0014] 步驟三：所述金屬微滴產生系統主要由微滴產生器、脈沖壓力控制器、溫度控制器 和沉積平臺組成，所述坩堝頂端設有噴嘴，所述噴嘴與坩堝為分體結構，所述脈沖壓力控制 模塊由固態繼電器和電磁閥組成，通過固態繼電器的通、斷來控制氣路上電磁閥的開閉狀 態，利用壓力脈沖在腔體內產生膨脹、收縮的波動壓力，迫使部分金屬熔液從腔體底部的噴 嘴射出，所述產生的脈沖壓力用來控制微滴的按需噴射，控制工作腔體內壓力變化可控制 噴射和產生均勻微滴，所述沉積平臺為數控系統，它由多軸控制器、伺服驅動單元、伺服電 動機以及反饋單元組成，用于沉積平臺運動以及與噴射單元的協調控制；溶液從坩堝噴嘴 流出形成熔滴；
[0015] 步驟四：在計算機的控制下，使形成的熔滴按照二維輪廓信息在沉積平臺上逐層 堆積，沉積平臺采用高精度導軌和滾珠絲杠，通過數控移動沉積平臺，移動平臺按照三維模 型中第一層截面輪廓數據和填充數據進行縱向運動，溶液通過噴嘴擠出，再通過三軸運動 平臺，按照二維輪廓信息逐層對金屬熔滴進行堆積得到電力器材三維實體零件；
[0016] 步驟五：將成型后三維實體零件或近形件利用激光對沉積金屬的側面進行切削、 打磨處理；
[0017] 步驟六：將復合成形的電力金具烘干。
[0018] 優選地，所述坩堝設有兩個，使用兩個噴頭同時成形，所述坩堝由石墨材料制成， 所述謝禍為維形結構，底部嗔頭為單一堅直嗔孔，嗔頭為0. 3mm-〇. 8mm。
[0019] 優選地，所述坩堝外部設有熱敏探頭和溫控裝置，所述溫控裝置用于控制系統的 加熱溫度，并記錄加熱過程的溫度變化。
[0020] 優選地，所述坩堝外部加裝隔熱層，加熱元件采用加熱絲加熱，溫度調控范圍為 100 ?1200。。。
[0021] 優選地，金屬微滴產生系統為真空密閉狀態，金屬微滴產生系統內設有密封圈，夕卜 部水冷裝置給其密封處降溫。
[0022] 采用如上技術方案后，其有益效果為：
[0023] 首先在計算機中生成零件的三維CAD模型，然后將模型按一定的厚度切片分層， 將零件的三維信息轉換成一系列二維輪廓信息，用坩堝將金屬融化，從噴嘴流出形成的熔 滴，然后在計算機的控制下，使其按照二維輪廓信息逐層堆積，得到三維實體零件或近形 件。該技術具有制造柔性化程度高，省去了設計和加工模具的時間和費用，產品研制周期 短、加工速度快；全部設計在計算機中完成，實際的制造過程也在計算機控制下進行，真正 實現制造的數字化、智能化和無紙化等優點。該技術可直接成形復雜三維結構，減少了傳統 工藝在零件設計、制造過程中約束條件，已成為無約束成形技術的一個新發展方向。
[0024] 采用本發明制造方法后：實現電力器材"零"庫存，融合傳統制造技術，實現即時 打印，快速打印，批量生產，"零"運輸，就地供應，大幅降低電力器材的儲存、管理、損耗及運 輸等成本，經濟效益及社會效益顯著。提高工程施工效率，傳統的制造工藝無法一次成形復 雜的金屬件，須由多單件組成復雜件，采用該方法后使得安裝工藝和工序多重化和復雜化， 3D打印技術最大的優點是截層增材打印，可創新若干新產品替代傳統的多部件，同時安件 工藝、工序簡單化，工程施工省時省力，降低人力物力。促進電力器材（施工模式）創新創 造，傳統制造業流程中，設計師的圖紙，需要拆分為各個元素，然后開模、組裝，再生產，這樣 設計生產周期長、成本高。而3D打印，圖紙可以快速變成實體或開模或直接規模化生產，特 別是緊急搶修過程中急需的配件，通過原件3D掃描即可實現設計，效率高。
[0025] 采用3D位移平臺：三軸運動平臺，采用高精度導軌和滾珠絲杠，精度高，載荷慣 性小，三軸運動軌跡誤差小，機架整體結構強度可靠，可以讓金屬送料系統固定上面保持不 動，保證送料的金屬霧滴，正常可靠成型，而免受三維平臺的運動帶來的影響。
[0026] 坩堝采用耐高溫進口合金材料；設置為錐形，底部噴頭訂制成單一堅直噴孔，孔徑 訂做成〇. 3mm-0. 8_，可滿足不同實驗要求使用；金屬微滴產生系統為真空密閉狀態，真空 密封圈采用純氟膠密封圈，外部加水冷法蘭給其密封處降溫，以保證密封圈的正常使用，水 冷裝置不影響真空腔體和其他控制的正常使用。
[0027] 加熱控制由熱敏探頭和溫控裝置組成。加熱區采用加熱絲加熱，外部加裝隔熱層， 溫度可隨意調控（100?1200°C )，120分鐘從常溫加熱到1200°C。
[0028] 氣壓控制器由儲氣罐或空壓機、氣體流量控制器組成，氣體流量可精確控制，并可 按照不同工藝的要求隨意調整。

【具體實施方式】
[0029] 下面結合【具體實施方式】對本發明進行詳細說明，不能理解為是對本發明的限制；
[0030] 本發明運用3D打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材的用途，具有用于配 變電金具、線路金具、電纜金具及附件、預絞式線路金具、不銹鋼扎帶、出口金具、架空絕緣 金具、超高壓電力線路器材的用途。
[0031] 本發明【具體實施方式】如下：
[0032] 步驟一：在電力金具的模具庫中找出成型模具，通過傳輸裝置將模具輸送至計算 機控制系統，通過計算機掃描繪制三維電力金具零件模型，在計算機中生成工件的三維CAD 模型或通過電力器材原物3D掃描得到三維模型，三維模型生成后，繪制需復合成形的電力 金具模型，導入3D打印機中；
[0033] 步驟二：將模型按一定的厚度切片分層，將零件的三維信息轉換成一系列二維輪 廓信息，3D工控機在熔滴沉積設備一側，并與熔滴沉積設備通過導線連接和控制，在熔滴沉 積設備上設有進出料倉和出料倉，通過模具所需顏色和材質選擇粉料，將將銅粉或鋁粉加 入至熔滴沉積設備中的坩堝內，坩堝外端設有加熱元件，所述坩堝外部加裝隔熱層，加熱元 件采用加熱絲加熱，溫度調控范圍為1〇〇?1200°C，坩堝端口設有進氣裝置，混合后通過加 熱元件將金屬融化；
[0034] 步驟三：所述金屬微滴產生系統主要由微滴產生器、脈沖壓力控制器、溫度控制 器和沉積平臺組成，所述坩堝頂端設有噴嘴，微滴產生器中用于熔化金屬材料的坩堝由石
【權利要求】
1. 一種運用3D打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材的用途，具有用于配變電 金具、線路金具、電纜金具及附件、預絞式線路金具、不銹鋼扎帶、出口金具、架空絕緣金具、 超高壓電力線路器材的用途。
2. -種利用3D打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材的方法，其特征在于，包括 以下步驟： 步驟一：在計算機中繪制電力器材的三維零件模型或通過電力器材原物3D掃描得到 三維模型，導入3D打印機中； 步驟二：將模型按一定的厚度切片分層，將電力器材的三維信息轉換成一系列二維輪 廓信息，3D工控機設在熔滴沉積設備一側，并與熔滴沉積設備通過導線連接和控制，在熔滴 沉積設備上設有進出料倉和出料倉，將銅粉或鋁粉加入至熔滴沉積設備中的坩堝內，坩堝 外端設有加熱元件，坩堝端口設有進氣裝置，通過加熱元件將金屬融化； 步驟三：所述金屬微滴產生系統主要由微滴產生器、脈沖壓力控制器、溫度控制器和沉 積平臺組成，所述坩堝頂端設有噴嘴，所述噴嘴與坩堝為分體結構，所述脈沖壓力控制模塊 由固態繼電器和電磁閥組成，通過固態繼電器的通、斷來控制氣路上電磁閥的開閉狀態，利 用壓力脈沖在腔體內產生膨脹、收縮的波動壓力，迫使部分金屬熔液從腔體底部的噴嘴射 出，所述產生的脈沖壓力用來控制微滴的按需噴射，控制工作腔體內壓力變化可控制噴射 和產生均勻微滴，所述沉積平臺為數控系統，它由多軸控制器、伺服驅動單元、伺服電動機 以及反饋單元組成，用于沉積平臺運動以及與噴射單元的協調控制；溶液從坩堝噴嘴流出 形成熔滴； 步驟四：在計算機的控制下，使形成的熔滴按照二維輪廓信息在沉積平臺上逐層堆積， 沉積平臺采用高精度導軌和滾珠絲杠，通過數控移動沉積平臺，移動平臺按照三維模型中 第一層截面輪廓數據和填充數據進行縱向運動，溶液通過噴嘴擠出，再通過三軸運動平臺， 按照二維輪廓信息逐層對金屬熔滴進行堆積得到電力器材三維實體零件； 步驟五：對于不同材質組裝的電力器材，其金屬部分采用3D打印成形的方法，重復步 驟一、二、三；而非金屬部分，在系統模具庫中根據型號自動篩選出成型模具，通過傳輸裝置 將模具輸送至注射成型設備，完成注射成型，然后分別將不方式同成形的零件組裝； 步驟六：成形的電力器材后期表面處理。
3. 根據權利要求1所述的利用3D打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材的方法， 其特征在于：所述坩堝設有兩個，使用兩個噴頭同時成形。
4. 根據權利要求1所述的利用3D打印制造電力器材的方法，其特征在于：所述坩堝 采用耐高溫進口合金材料制成，所述坩堝為錐形結構，底部噴頭為單一堅直噴孔，噴頭為 0. 3mm_0. 8_。
5. 根據權利要求1所述的利用3D打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材的方法， 其特征在于：所述坩堝外部設有熱敏探頭和溫控裝置，所述溫控裝置用于控制系統的加熱 溫度，并記錄加熱過程的溫度變化。
6. 根據權利要求1或3所述的利用3D打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材的 方法，其特征在于：所述坩堝外部加裝隔熱層，加熱元件采用加熱絲加熱，溫度調控范圍為 100?1200。。。
7. 根據權利要求1或3所述的利用3D打印與傳統制造工藝相結合的制造電力器材的 方法，其特征在于：金屬微滴產生系統為真空密閉狀態，金屬微滴產生系統內設有密封圈， 外部水冷裝置給其密封處降溫。
【文檔編號】B22F3/115GK104117674SQ201410347356
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月21日 優先權日:2014年7月21日
【發明者】徐春社, 許杏桃, 俞孝湖, 沈正彬, 李然, 徐小康, 陳群, 黃文靜, 高崢嶸, 王益明 申請人:國家電網公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司電力科學研究院, 江蘇安方電力科技有限公司