[發明專利]一種超聲輔助金屬微噴熔滴沉積成型裝置及方法

在審

• 申請號: 202010950051.6
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112317763A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 蘇春建;王恩民;郭素敏;王瑞;馮正陽;張明宇;紀超;吳曉辰
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: B22F12/00
• 分類號: B22F12/00;B22F10/22;C21D10/00;C22F3/00;B22F10/368;B22F10/85;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/00;B33Y50/02
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 張正

本發明公開了一種超聲輔助金屬微噴熔滴沉積成型裝置及方法，該裝置包括手套箱，在手套箱的內部安裝有三維工作臺、基板、檢測裝置、超聲波輔助裝置、熱熔裝置、壓電執行器以及間隙微調儀；在手套箱的外部設有惰性氣體罐、真空泵、壓力控制器、中央處理器、溫度控制器、運動控制卡和超聲波發生器。本發明在金屬微噴熔滴沉積成型過程中，對沉積層表面的熔覆層施加非接觸式超聲振動，利用超聲的空化、聲流、機械和熱效應，破碎熔滴金屬內的晶粒，抑制晶粒長大，有效提高成型件的表面質量，減少氣孔的產生。同時，根據紅外熱成像儀測量的溫度值控制加熱元件的溫度，避免金屬熔滴的流淌，使金屬熔滴能夠快速精準的凝固成型。

技術領域

本發明涉及金屬三維增材制造領域，具體涉及一種超聲輔助金屬微噴熔滴沉積成型裝置及方法。

背景技術

金屬微噴熔滴沉積成形技術是金屬增材制造技術的一種，它基于離散-堆積的成形思想，將三維零件進行二維離散，形成片層數據，逐層累加成形零件。通過坩堝將塊狀金屬熔化，利用計算機精確控制金屬微熔滴按需噴射和三維沉積平臺的運動，使熔滴在基板上逐點、逐層沉積，從而實現三維金屬零件的無模直接成形。該技術成形工藝簡單，適合于微小復雜金屬零件的直接快速成形。

近年來，國內外研究者針對微熔滴噴射理論、熔滴及沉積實體熱狀態變化規律和微熔滴碰撞鋪展等基礎問題，以及配套實驗裝置的設計與改進等方面均進行了較為深入的研究，但仍存在諸多影響成形精度和質量的問題亟待解決，如熔滴流淌難控制、成形層間冶金結合不足、容易形成微孔隙和冷疊等，尤其是熔體流淌和凝固過程的精確控制已成為制約該技術走向工業應用的瓶頸。在成形件邊緣部分極易產生“流淌”現象。同時，成形過程中的熱積累量作用不僅使先成形部分產生一定的溫度梯度，使其內部形成殘余應力，導致成形件產生翹曲變形現象，而且容易導致零件的晶粒粗化，降低零件的整體力學性能。所以對凝固成型過程的精確控制，提高成型件的精度，減少氣孔就顯得尤其重要。

公開號為CN103056375A的專利《微小金屬熔滴形成裝置以及利用該裝置形成微小金屬熔滴的方法》公開了一種通過控制加載應力波控制金屬熔滴尺寸的方法。公開號為CN104028761A的專利《一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統》公開了一種通過施加外置電磁場，實現小空間、大場強、大時間溫度梯度環境下電磁場約束對金屬微熔滴流淌、快速凝固后成型的控形控性精確沉積成型，提高金屬復雜構件成型精度和效率。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述現有背景技術存在的不足，提供一種超聲輔助金屬微噴熔滴沉積成型裝置及方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種超聲輔助金屬微噴熔滴沉積成型裝置，包括手套箱，所述手套箱的內部安裝有三維工作臺、基板、檢測裝置、超聲波輔助裝置、熱熔裝置、壓電執行器以及間隙微調儀；手套箱的外部設有惰性氣體罐、真空泵、壓力控制器、中央處理器、溫度控制器、運動控制卡和超聲波發生器。

上述三維工作臺安裝在手套箱內的底部，基板安裝在三維工作臺的上端面，在三維工作臺的正上方設有熱熔裝置，熱熔裝置固定連接于手套箱，熱熔裝置包括有坩堝以及安裝在坩堝周圍的加熱元件，坩堝的底部安裝間隙可調噴嘴，坩堝的上端安裝壓電執行器，壓電執行器上方安裝間隙微調儀，間隙微調儀用于控制壓電執行器產生的脈沖壓力，從而調節間隙可調噴嘴噴射金屬熔滴的頻率，坩堝上端與壓電執行器中間安裝有絕熱元件；檢測裝置和超聲波輔助裝置設在熱熔裝置和基板中間，分別位于間隙可調噴嘴的左右兩側，檢測裝置包括卡座一和紅外熱成像儀，超聲波輔助裝置包括卡座二、超聲波換能器、超聲波變幅桿、工具頭和超聲沖擊針。

在手套箱的外部，惰性氣體罐通過管道連通手套箱，管道上設有壓力閥，所述壓力閥位于手套箱內部；真空泵通過輸氣管連接手套箱。中央處理器通過線路分別連接壓力控制器、溫度控制器、紅外熱成像儀和運動控制卡，壓力控制器通過線路連接壓力閥，可以調節手套箱內惰性氣體的含量；溫度控制器連接坩堝內加熱元件，控制加熱元件對坩堝內部金屬溶液的加熱；運動控制卡通過線路連接三維工作臺，控制其相對手套箱進行移動；超聲波發生器通過線路連接超聲波輔助裝置。