[發(fā)明專利]利用金屬熔融沉積成形薄壁結(jié)構件的裝置及方法

有效

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• 申請日: 2013-12-31
• 公開（公告）號: CN103752825A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發(fā)明（設計）人: 盧秉恒;李素麗;魏正英;杜軍;王吉潔
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發(fā)明涉及金屬薄壁結(jié)構件快速成形領域，特別涉及利用金屬熔融沉積方法（FDM）制造薄壁結(jié)構件的裝置和方法。

背景技術

快速成型技術是20世紀80年代后期興起的一項高新技術，它集成了CAD/CAM、數(shù)控和材料科學方面的技術。其基本思想是：利用分層軟件，將CAD建立的三維實體模型切分成一系列薄截面層，成型系統(tǒng)根據(jù)各截面層形成的二維數(shù)據(jù)，采用粘結(jié)(熔結(jié))、聚合作用或化學反應等手段，逐層有選擇地固化液體(或粘結(jié)固體)材料，從而快速堆積出實體模型。目前較為成熟的快速成型工藝有：光固化立體造型(SL)、疊層實體制造(LOM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積成型(FDM)。其中FDM是一種快速、安全、廉價的快速成型工藝，它具有容易操作，無毒無味的優(yōu)點。由于這種工藝具有上述顯著優(yōu)點，發(fā)展極為迅速。目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝的快速成型系統(tǒng)中約占30%。

目前為止，薄壁零件多數(shù)為產(chǎn)品的關鍵零件。航空航天產(chǎn)品中一般要求結(jié)構尺寸大、重量輕、精度高，因此薄壁零件也更多些。比如，機翼就屬于典型的薄壁零件，目前國內(nèi)有很多精度要求較高的薄壁零件大都采用傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨完成，國外有采用超聲振動切削和高速切削技術等進行制造加工的情況，但這些方法在制造中極易產(chǎn)生變形，很難滿足精度要求，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量，因而薄壁零件的快速、高精度加工仍是機械制造中的一大難題。另外，在機翼的設計與制造中，為了減輕重量，將泡沫塑料或不同種類的蜂窩作為夾芯結(jié)構芯材應用的現(xiàn)象比較常見，但是這樣的結(jié)構也增加了加工的工序和時間。

熔融沉積法目前所用材料主要是石蠟、塑料、陶瓷等的線材或粉材。在熔絲線材方面，主要材料是ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚酷熱塑性塑料。美國加州大學用金屬鋁熔融沉積得到的制件比純鋁塊抗拉強度提高30%，硬度提高100%，并且制件微結(jié)構得到顯著細化。但目前，利用熔融沉積方法（FDM）制造薄壁結(jié)構件，特別是以金屬絲材為原材料的方法還未曾見報導。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種利用金屬熔融沉積成形薄壁結(jié)構件的裝置及方法。

為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案。

一種利用金屬熔融沉積成形薄壁結(jié)構件的裝置，該成形薄壁結(jié)構件的裝置包括基板以及金屬熔融沉積模塊，所述金屬熔融沉積模塊包括支架、設置于支架上的螺紋管、設置于螺紋管上的加熱塊以及設置于加熱塊內(nèi)的加熱管，螺紋管的出口端設置有與基板相對的噴嘴，螺紋管的入口端設置有送絲機構。

所述基板的表面平整，基板可持續(xù)加熱。

所述金屬熔融沉積模塊設置于基板的上方，金屬熔融沉積模塊可水平移動，基板可升降。

所述基板以及金屬熔融沉積模塊設置于填充有保護氣體的保護罩內(nèi)，薄壁結(jié)構件的截面輪廓在填充有保護氣體的環(huán)境中完成成形。

所述成形薄壁結(jié)構件的裝置還包括用于在噴嘴的出口處與基板之間形成均勻溫度場的前置加熱裝置。

上述利用金屬熔融沉積成形薄壁結(jié)構件的裝置成形薄壁結(jié)構件的方法，包括以下步驟：

1）利用加熱管使加熱塊升溫至設定的溫度；

2）經(jīng)過步驟1）后，以金屬絲材為成形材料，利用送絲機構將金屬絲材從螺紋管的入口向噴嘴輸送，金屬絲材在輸送的過程中受加熱塊溫度的作用轉(zhuǎn)變成熔融態(tài)金屬；同時，使所述金屬熔融沉積模塊按照薄壁結(jié)構件的截面輪廓信息作平面運動，平面運動過程中使熔融態(tài)金屬從噴嘴流出并沉積在基板上，沉積在基板上的熔融態(tài)金屬冷卻后形成薄壁結(jié)構件的一層截面輪廓；

3）使基板下降一層截面輪廓的高度，然后利用噴嘴內(nèi)流出的熔融態(tài)金屬進行下一層截面輪廓的沉積，使下一層截面輪廓成形在基板上的截面輪廓上；

4）重復步驟3）直至得到完整的薄壁結(jié)構件。

在沉積第一層截面輪廓前，將基板的溫度調(diào)整至盡量接近但小于沉積金屬的熔點，在得到完整的薄壁結(jié)構件前，保持基板的溫度。

通過噴嘴以及送絲速度控制熔融態(tài)金屬的流量。

所述金屬絲材的直徑在毫米級至微米級。

所述熔融態(tài)金屬從噴嘴流出至沉積在基板或截面輪廓上的過程中，熔融態(tài)金屬在外界均勻溫度場作用下由熔融狀態(tài)逐漸凝固。

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明采用螺紋管、噴嘴以及加熱塊和加熱管實現(xiàn)熔融金屬絲材并輸出成形用金屬液體，不僅結(jié)構合理，成本低，容易維護，而且可以解決金屬材料熔融態(tài)難于控制的問題，使金屬絲材順利轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)金屬并沉積在基板上，并通過基板的升降配合獲得由多層沉積結(jié)構層疊構成的完整的薄壁結(jié)構件。