[發明專利]一種多孔金屬結構件熱熔滴打印沉積制造方法及裝置

在審

• 申請號: 201611172202.X
• 申請日: 2016-12-17
• 公開（公告）號: CN106735224A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 晁艷普;張元敏;李耀輝;曹福來
• 申請（專利權）人: 許昌學院
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115;B33Y30/00
• 代理公司: 深圳茂達智聯知識產權代理事務所(普通合伙)44394
• 代理人: 胡慧

技術領域

本發明涉及一種多孔微小金屬結構件快速成形技術領域，尤其涉及利用金屬熔滴打印沉積成形多孔結構件的方法及裝置。

背景技術

隨著航空航天、武器裝備、微電子器件，生物植入等領域的迅猛發展和各種先進系統的智能化、微型化、輕量化、功能高度集成化的發展趨勢，使得多孔材料構件的應用需求越來越多，特別是具有復雜孔隙變化的多孔微小金屬構件，以其重量輕、比強度高、功能特性突出等自身優勢，在各種微型多功能和集成化先進系統中應用日趨廣泛，具有巨大的潛在市場。然而目前復雜多孔微小金屬構件的制備技術尚不完善，嚴重制約了此類零構件的開發和應用。在傳統工藝中，具有特殊功能的多孔金屬構件，通常是先需要制備出所需的多孔材料，然后在經后續加工成形出各種復雜外形結構。目前，制備多孔材料較為成熟的方法主要有漿料發泡法、粉末冶金法、等離子噴涂、鈦纖維燒結、自蔓延高溫合成技術等。但是,這些制備方法的主要缺點是所制備多孔材料的孔隙率、孔隙形狀、孔隙空間分布、孔隙連通性等參數無法精確控制，疲勞環境下容易產生裂紋、復雜外形制造困難、制備工藝復雜、成本高。近年來，隨著快速原型分層制造技術的發展，在零件成形過程中精確控制成形件內部的孔隙參數，實現多孔金屬零構件的個性化功能制造已成為可能。激光選區熔化技術（SLM）和選區電子束熔化技術(EBM)已在多孔金屬零構件制造方面進行了初步應用，制備出了可控孔隙參數的多孔金屬構件，在成形過程中通過對孔徑大小和孔隙率的調控，實現了多孔金屬構件密度、強度和彈性模量的有效控制。但上述分層制造方法中需要大功率能量源和粒度較小的金屬粉末，其設備及原材料制備投入成本較高，推廣應用存在一定的難度。另外，在粉體熔合過程中易出現球化結晶、局部燒結和熱變形等現象，相關技術和理論尚未成熟，還有待進一步研究。因此，開發一種適用于復雜多孔微小金屬構件的綠色、低成本、柔性化制造新方法已成為當務之急。

發明內容：

本發明提出一種利用金屬熔滴打印沉積成形多孔結構件的裝置及方法，該方法通過外力迫使金屬熔液以均勻微滴的形式從噴嘴中噴射出來，并基于離散堆積原理，以微米級的金屬微熔滴為制造單元，通過控制熔滴尺寸、沉積方位、沉積形態、沉積溫度、堆積軌跡以及搭接方式可實現三維孔隙形狀、空間分布、連通性的控制，直至成型出微小多孔結構。該方法制造工序簡單，無需高能量源和模具的制備，可以制備出不同材質的多孔微結構件。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案：一種多孔金屬結構件熱熔滴打印沉積制造方法，包括以下步驟：

步驟1：依據多孔金屬結構件的孔隙尺寸和力學性能要求，選擇對應的微型噴嘴直徑和金屬打印材料，采用超聲波清洗機對微型噴嘴進行清洗，采用物理刮切與化學溶解相結合的方法，對選擇的金屬合金打印坯體原材料，進行表面氧化皮及雜質的去除，干燥后將其放入熔煉坩堝中；

步驟2：打開惰性氣體壓力儲蓄瓶和真空過濾泵，對手套箱進行低氧環境處理，使得手套箱內的壓強與外界大氣壓保持基本一致，經過3～ 5h 的除氧處理后，確保手套箱內的氧含量低于1PPM；

步驟3：啟動計算機控制系統和多軸運動控制器，打開觸屏人機界面，對X軸電機、Y軸運動平臺電機、Z軸電機、U軸電機和V軸旋轉平臺電機進行伺服上電調試，確保X軸運直線滑臺、Y軸直線滑臺、Z軸直線滑臺、U軸旋轉平臺和V軸旋轉平臺回到初始零點位置，在觸屏人機界面上點擊噴嘴高度測量指令，進行噴嘴高度測量；

步驟4：啟動溫度加熱控制器，并根據步驟一中選取的材料，設定環形加熱爐的加熱溫度，使得環形加熱爐逐步將坩堝加熱到金屬材料液相線以上150～200℃，并通過熱電偶進行溫度反饋，確保將坩堝中的金屬原材料熔化成金屬熔液；設定平板加熱爐的加熱溫度，確保保溫沉積板的溫度保持在金屬材料液相線以下200～300℃；

步驟5：打開觸屏人機界面中的數據處理控制軟件，將目標打印成型的多孔結構零件模型導入，依據孔隙尺寸、熔滴凝固鋪展特性、熔滴尺寸和沉積層厚，選擇合適的分層切片厚度、填充間距、收縮率和支撐形式，然后對多孔零件模型進行二維切片圖形數據處理，得出每一層的金屬微熔滴打印沉積路徑數據，并轉換成NC控制程序；

步驟6：啟動壓電信號發生器，將產生的高頻壓電信號輸入到高溫壓電激振器中，激振器依據壓電信號的幅值和頻率進行振動，在坩堝的金屬熔液中產生高強振動波，使迫金屬熔液按照一定的頻率從噴嘴中產生金屬微熔滴，并通過調整參數保證每次噴射出的金屬微熔滴尺寸穩定、均勻、可控；