[實用新型]超聲霧化金屬物理氣相沉積增材制造裝置

有效

• 申請號: 201720916928.3
• 申請日: 2017-07-26
• 公開（公告）號: CN206912251U
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發明（設計）人: 吳文征;蔣吉利;李桂偉;蔣浩;王博凡;湯孟鑫;杜海東;趙繼
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本實用新型屬于增材制造領域，具體涉及一種超聲霧化金屬物理氣相沉積增材制造裝置，實現金屬零件高精度快速成形。

背景技術

增材制造技術正在改變我們的生產和生活方式，許多發達國家和發展中國家均高度重視并積極推廣該技術。金屬零件增材制造技術作為整個增材制造體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發展方向。目前用于直接制造金屬功能零件的快速成形方法有：選區激光燒結(SLS)技術、選區激光熔化(SLM)技術、電子束選區熔化(EBM)技術以及金屬均勻微滴噴射成形等。

SLS技術裝置由控制單元、保護器密封單元、激光器、粉末缸、成形缸和鋪粉裝置等組成，裝置工作過程中，計算機控制粉末缸活塞上升，鋪粉裝置帶動粉末并將粉末均勻的鋪在成形缸的基板上，根據切片模型單層軌跡，計算機控制激光束的掃描軌跡，選擇性地燒結基板上粉末材料以形成零件的一個層面。完成一層燒結后，工作缸活塞帶動基板下降一個層厚的距離，粉末缸活塞上升一個層厚的距離，鋪粉裝置在成形缸基板上鋪上一層新的粉末，控制激光束再掃描燒結新層。如此循環往復，層層疊加，直到整個零件成形完畢。SLS工藝采用半固態液相燒結機制，部分粉末未發生熔化，成形件中含有未熔固相顆粒，直接導致孔隙率高、致密度低、拉伸強度差、表面粗糙度高等工藝缺陷，而且存在設備價格和粉末價格較高等問題。

SLM技術是在SLS基礎上發展起來的，二者的基本工作原理類似。SLM技術使金屬粉末完全熔化，雖能在一定程度上改善SLS激光成形件的致密度和表面光潔度，但是同樣使用了粉末材料，成形件的還是表面質量較差，而且相對于SLS技術使用了更高功率的激光器，所以設備的價格更高。

EBM與SLS技術和SLM技術的工作過程相似，主要是熔化金屬的方法不同，EBM技術是一種采用高能高速的電子束選擇性地轟擊金屬粉末，從而使得粉末材料熔化成形的快速制造技術。但其存在一個比較特殊的問題即粉末潰散現象，其原因是電子束具有較大動能，當高速轟擊金屬原子使之加熱、升溫時，電子的部分動能也直接轉化為粉末微粒的動能。當粉末流動性較好時，粉末顆粒會被電子束推開形成潰散現象。EBM技術成形室中必須為高真空，才能保證設備正常工作，這使得EBM技術整機復雜度提高，真空室抽氣過程中粉末容易被氣流帶走，造成真空系統的污染。還因在真空度下粉末容易揚起而造成系統污染。此外，電子束無法比較難像激光束一樣聚焦出細微的光斑因此成形件難以達到較高的尺寸精度。因此，對于精密或有細微結構的功能件，電子束選區熔化成形技術是難以直接制造出來的。而且電子束熔化技術的價格也很高。

金屬均勻微滴噴射成形基于“離散一堆積”的成形原理，通過微滴噴射器產生金屬微滴，同時控制三維基板運動，使微滴精確沉積在特定位置，微滴隨后與基體或已沉積的金屬層熔合，通過“逐點、逐行、逐層”地打印微滴，成形具有復雜結構的三維實體。成形的工件孔隙率高、致密度低、拉伸強度差、表面粗糙度高。

綜上所述，現有的SLS技術、SLM技術、EBM技術等增材制造技術的設備購買費用較高，成形工藝對粉末質量要求較高，均需要價格較高的粉末材料，而且成形的工件孔隙率高，成形零件表面較粗糙，內部有殘余熱應力，使用過程中內部微裂紋擴展容易造成成形零件失效。金屬均勻微滴噴射成形裝置的成形零件孔隙率高、致密度低、拉伸強度差、表面粗糙度高，難以直接應用于生產實踐。本實用新型正是針對目前金屬增材制造裝置的現狀，研制了超聲霧化金屬物理氣相沉積增材制造裝置及方法，通過超聲霧化裝置將金屬熔液形成微液滴，噴涂在激光掃描振鏡切割好的紙帶輪廓內，形成層厚致密均勻且層厚可控的單個層面，如此層層疊加最終形成實體零件，成形速度快，成形樣件精度高，無殘余應力，無熱變形，成形零件綜合力學好，成形裝置制造和維護成本低，無需價格較高的粉末材料。

發明內容

本實用新型提供一種超聲霧化金屬物理氣相沉積增材制造裝置，以解決均勻金屬微滴噴射成形零件尺寸差，層厚較厚，孔隙較多，殘余應力大以及力學性能較差，以及現有基于粉末材料的選區激光燒結技術、選區激光熔化技術和電子束選區熔化技術，設備和粉末材料價格高，粉末材料制作工藝復雜以及粉末材料易被氧化，后處理工藝復雜，孔隙較多，樣件殘余應力大等問題。

本實用新型采取的技術方案是：三軸運動平臺固定在外殼一底板上，紙帶系統固定在三軸運動平臺的面板上，激光掃描切割系統固定在外殼一的頂部封閉板一上，實體模材料系統和犧牲模材料系統均固定在外殼一的頂部封閉板二、頂部封閉板三和頂部封閉板四上，加熱基板固定在三軸運動平臺的Z軸運動系統上。