[發(fā)明專利]一種基于非晶合金超塑性焊接的空間3D打印系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811544000.2
• 申請日: 2018-12-17
• 公開（公告）號(hào): CN109434112A
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙少凡;李寧;張琪;汪衛(wèi)華
• 申請（專利權(quán)）人: 中國空間技術(shù)研究院;華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): B22F3/115
• 分類號(hào): B22F3/115;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務(wù)所(普通合伙) 42224
• 代理人: 王福新

本發(fā)明公開了一種基于非晶合金超塑性焊接的空間3D打印系統(tǒng)，包括外殼(1)、控制單元(2)、設(shè)于所述外殼(1)內(nèi)部的工作臺(tái)(8)、非晶合金材料(3)、加熱裝置、機(jī)械加載裝置(11)以及輸送裝置，所述機(jī)械加載裝置(11)根據(jù)3D打印成形零件的用料要求控制所述輸送裝置的速度以及噴頭(6)的壓力載荷，且所述加熱裝置對所述非晶合金材料(3)局部加熱、焊接以實(shí)現(xiàn)零件成形。本發(fā)明的空間3D打印系統(tǒng)，加熱裝置僅在噴頭附近區(qū)域加熱，不僅避免了非晶合金在長時(shí)間高溫條件下的晶化風(fēng)險(xiǎn)，而且將非晶合金加熱到過冷液相區(qū)的超塑性狀態(tài)實(shí)現(xiàn)成形，取消了激光或電子束加熱裝置，增加了設(shè)備工作穩(wěn)定性，特別適合空間環(huán)境中在軌制造。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬3D打印機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于非晶合金超塑性焊接的空間3D打印系統(tǒng)。

背景技術(shù)

高能束3D打印(又稱增材制造)是快速成型技術(shù)的一種，該技術(shù)通過連續(xù)的物理層疊加，將復(fù)雜的三維加工轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚亩S加工，大大降低了復(fù)雜零件的成形難度，從而有望解決傳統(tǒng)加工技術(shù)無法完成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成形制造難題。近年來，3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的制造，其中，金屬材料的3D打印技術(shù)發(fā)展尤其迅速。據(jù)統(tǒng)計(jì)，金屬用3D打印機(jī)的設(shè)備和材料在世界上已達(dá)3億美元。分析師們預(yù)測，未來10年這一市場將會(huì)以32％的速度實(shí)現(xiàn)增長。金屬3D打印機(jī)已展現(xiàn)出十分廣闊的應(yīng)用前景，在汽車制造、模具、航空航天、武器裝備、醫(yī)療、船舶、能源等領(lǐng)域具有強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。

空間環(huán)境下的3D打印，是指在空間環(huán)境微重力條件下，在軌航天器利用自身攜帶的3D打印機(jī)及原材料，根據(jù)不同設(shè)計(jì)需求進(jìn)行航天器零部件的在軌打印制造。為了進(jìn)一步開發(fā)利用宇宙空間資源，擴(kuò)展人類生存空間，世界各航天國家先后推出各自的深空探測發(fā)展規(guī)劃?？臻g3D打印技術(shù)可大力推動(dòng)深空探測領(lǐng)域的發(fā)展，還可以簡化航天器零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低發(fā)射成本，極大程度上解決航天器的在軌修復(fù)難題，延長航天器有效在軌運(yùn)行壽命。

迄今為止，太空微重力及熱真空環(huán)境的3D打印技術(shù)主要為可適用于塑料的熔融沉積式(FDM)及可適合金屬的(EBM)電子束無模成形制造這兩種。而空間3D打印研究主要采用FDM方式，圍繞著聚合物或復(fù)合材料(金屬粉、金屬絲及聚合物的混合物)進(jìn)行，但聚合物和復(fù)合材料的強(qiáng)度一般不超過150MPa，限制了其空間應(yīng)用范圍。航天器中主要的零部件是由金屬材料制備而成，因此開發(fā)金屬材料的空間3D打印尤為迫切，可大部分金屬材料因其高熔點(diǎn)，嚴(yán)重制約了空間3D打印技術(shù)的發(fā)展。

目前，用于金屬3D打印的材料品種較少，主要包括不銹鋼、高溫合金、鈦合金、鋁鎂合金及稀有金屬等。且這些金屬3D打印技術(shù)主要是采用激光直接熔化金屬粉體(如SLM和EBM)，或采用粘合劑噴射技術(shù)(3DP)先將金屬粉末粘結(jié)成型，再燒結(jié)成型制備金屬零件。如專利文獻(xiàn)CN108080638A公開了一種非晶合金箔材的激光3D打印成形系統(tǒng)及成形方法，并具體公開了通過激光器裁剪非晶合金箔材多余樣料，再利用非晶合金加熱到過冷液相區(qū)的超塑性狀態(tài)，然后再利用預(yù)熱的輥碾壓，結(jié)合超聲振動(dòng)作用，使上下兩層非晶合金箔材產(chǎn)生原子間聯(lián)系，并急速降溫冷卻，從而形成大尺寸復(fù)雜形狀、具有空洞結(jié)構(gòu)的非晶合金零件。其克服了傳統(tǒng)非晶合金制備方法對合金件尺寸和形狀的限制，相對于傳統(tǒng)的3D打印非晶合金粉末制備的非金合金零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密。但分析發(fā)現(xiàn)，該專利公開的非晶合金3D打印成形系統(tǒng)工藝較為復(fù)雜，且不能在如空間微重力條件等一些特殊的環(huán)境下使用，具體不足為：(1)由于激光裝置需要較大的能量，而且裝置占用體積空間比較大，航天器內(nèi)使用高能量激光器實(shí)現(xiàn)3D打印成形的難度較大；(2)由于其利用預(yù)熱的輥碾壓，結(jié)合超聲振動(dòng)作用，使上下兩層非晶合金箔材產(chǎn)生原子間聯(lián)系，并急速降溫冷卻，從而形成大尺寸復(fù)雜形狀、具有孔洞結(jié)構(gòu)的非晶合金零件，大的溫度梯度往往會(huì)引起大的熱應(yīng)力及殘余應(yīng)力，在復(fù)雜的空間環(huán)境下，容易導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形、裂紋等缺陷；(3)由于火箭發(fā)射的載荷以及航天器可用空間的限制，空間3D打印系統(tǒng)需要輕質(zhì)、便捷、小型化和自動(dòng)化。因此，亟待發(fā)明一種新型的金屬材料空間3D打印成形技術(shù)，并研發(fā)與之匹配的新型金屬材料。

發(fā)明內(nèi)容