一种提高金属熔滴按需打印沉积成形零件致密度的方法

摘要

一种提高金属熔滴按需打印沉积成形零件致密度的方法，包括单线条金属熔滴沉积成形方法和三维零件逐层堆积成形方法，首先利用计算机软件设计出待成形零件的三维立体模型；然后沿z轴方向对零件模型进行分层离散处理，将零件的三维数据信息转换为一系列二维层面数据信息，并依据每一层面的轮廓几何特征，生成包含熔滴喷射控制和沉积路径信息的联合数控代码；成型系统依据联合数控代码，协调控制熔滴的喷射和三维基板的运动，使熔滴在基板上按照成形轨迹逐点、逐层堆积，最终实现三维零件的制造。该成形技术无需特殊的模具及昂贵设备，可直接成形复杂三维金属结构，具有成本低、成形效率高、材料来源范围广、柔性化、能耗低和无污染等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属熔滴喷射打印成形三维零件的制造技术，特别涉及一种 提高金属熔滴按需打印沉积成形零件致密度的方法。

背景技术

金属熔滴喷射打印沉积成形技术是融合了快速原型技术和熔滴按需喷射技 术，以“零件模型离散—材料逐层堆积”为成形思想的一种直接制造金属零件的 方法。其原理为：首先利用计算机软件设计出待成形零件的三维立体模型；然后 沿z轴方向对零件模型进行分层离散处理，将零件的三维数据信息转换为一系列 二维层面数据信息，并依据每一层面的轮廓几何特征，生成包含熔滴喷射控制和 沉积路径信息的联合数控代码；成型系统依据联合数控代码，协调控制熔滴的喷 射和三维基板的运动，使熔滴在基板上按照成形轨迹逐点、逐层堆积，最终实现 三维零件的制造。该成形技术无需特殊的模具及昂贵设备，可直接成形复杂三维 金属结构，具有成本低、成形效率高、材料来源范围广、柔性化、能耗低和无污 染等优点，在微型飞行器、微型机电系统、微型武器系统装备等领域具有较好的 应用前景。

金属熔滴沉积成形零件的过程是一个材料动态增加，热源按一定扫描轨迹局 部瞬间输入，并伴有熔滴的快速凝固、局部重熔和不等时性相变的复杂过程。相 邻沉积搭接的熔滴在结合界面处，依靠后沉积熔滴携带的热量使先前已沉积熔滴 的表面发生局部重熔，实现彼此间的结合，进而成形出整个三维零件。由于在成 形零件时涉及诸多因素的影响，一方面，相邻位置沉积的熔滴之间因沉积步距、 搭接率和沉积温度等不合适，成形零件内部很容易出现孔洞和冷隔等缺陷；另一 方面，由于热量的局部输入和沉积材料的局部重熔，造成零件温度分布不均匀， 层内层间会产生热应力，很容易导致成形零件产生微裂纹和翘曲变形。这些都使 得成形零件很难达到完全致密，大大降低零件的使用性能。如何提高零件成形致 密度的问题，已成为制约金属熔滴按需喷射沉积成形技术发展的重要原因。

文献“Remelting and coalescence of molten metal droplets deposited on a plate， ASME Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conference2004：1-6.”以 Sn60/Pb40合金为试验材料，对熔滴逐点沉积线条过程进行了研究，介绍了一种 通过协调控制熔滴喷射频率和沉积基板运动速度来实现熔滴沉积步距和搭接率 控制的方法，并分析了不同熔滴搭接率下的线条沉积结果，初步得到了连续致密 的实体线条。文献“Experiments on Remelting and Solidification of Molten Metal  Droplets Deposited in Vertical Columns.Journal of Manufacturing Science and  Engineering2007(129):311-318.”以Sn60/Pb40合金为试验材料，对熔滴逐点沉积 柱状体过程进行了研究，分析了沉积温度对熔滴重熔结合的影响，提出了通过合 理控制沉积温度，实现相邻沉积熔滴在结合界面处获得较好的重熔结合状态的方 法，得到了连续致密的柱状体。但上述文献只是针对低熔点Sn60/Pb40合金熔滴 沉积简单线条和柱状体过程进行了研究，且都是单方面考虑一个工艺参数的影 响，而针对金属熔滴沉积成形三维零件过程中成形零件致密度如何有效控制的问 题，目前尚未能很好的解决。

发明内容

本发明针对金属熔沉积成形三维零件中存在的上述问题，提出一种通过合理 控制熔滴沉积步距、沉积温度和优化层间扫描策略，进而提高金属熔滴沉积成形 零件致密度的方法。

为了达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现：一种提高金属熔滴 按需沉积成形零件致密度的方法，包括单线条金属熔滴沉积成形方法和三维零件 逐层堆积成形方法，其中：

所述的单线条金属熔滴沉积成形方法包括如下步骤：

(1)设定基本工艺参数：环境氧含量O_c,熔滴直径D,熔滴初始温度T_d,熔滴 沉积频率f,沉积距离h;

(2)在设定的基本工艺参数下，分别采用不同的沉积基板温度T_b(T_b-1, T_b-2......T_b-n)进行单个熔滴的沉积实验，观察熔滴在基板上沉积后的形态，并测量 出每个基板温度T_b下熔滴固化后的凝固角θ，得出沉积基板温度T_b对熔滴凝固角 θ的影响规律，建立两者之间的数值关系为：

θ=A+B₁T_b+B₂T_b²+B₃T_b³(T_b-1<T_b<T_b-n)  (1)

(3)依据相邻两颗熔滴搭接融合机理和质量守恒定律建立两颗熔滴获得最佳 搭接融合状态时沉积步距的计算模型，推导出熔滴最优沉积步距的计算公式为：

得出：W_optim只与熔滴直径D和固化后的凝固角θ有关；

(4)根据步骤(2)和步骤(3)中得出的计算公式(1)和(2)，计算出在设定的沉积基 板温度T_b-i(i表示：1......n)下对应的最优沉积步距W_optim-i(i表示：1......n)；

(5)依照步骤(4)中计算出的W_optim-i，在设定的基本工艺参数下，采用不同的沉 积基板温度T_b(T_b-1,T_b-2......T_b-n)和对应的最优沉积步距W_optim-i(i表示：1......n)，进 行单线条金属熔滴沉积成形试验，对比沉积试验结果，得出熔滴获得最佳搭接融 合状态和成形线条获得最好质量时的沉积基板温度(T_b)和沉积步距(W_optim)；

所述的三维零件逐层堆积成形方法包括如下步骤：

(1)设定基本工艺参数：环境氧含量O_c,熔滴直径D,熔滴初始温度T_d,熔滴 沉积频率f,沉积距离h;

(2)依据单线条金属熔滴沉积成形试验中步骤(5)所得出的试验结果，设定最 优的沉积基板温度(T_b)和沉积步距(W_optim)；

(3)根据三维零件分层离散后的层面轮廓数据信息，采用光栅扫描轨迹模式 对每一层面内的实体区域进行填充，并依据设定的最优沉积步距(W_optim)，生成包 含金属熔滴喷射控制信息和三维沉积基板运动轨迹信息的联合数控文件；

(4)依据步骤(3)中生成的数控文件，成型系统读入第一个层面的成形数据信 息，通过协调控制金属熔滴的喷射和三维沉积基板的运动，使金属熔滴按照光栅 扫描轨迹在x-y平面内逐点沉积，成形出第一个层面；

(5)沉积基板下降一个层面的高度，成型系统读入第二个层面的成形数据信 息，并调整金属熔滴光栅扫描轨迹的方向，使相邻两层光栅扫描轨迹方向的夹角 为90°，通过协调控制金属熔滴的喷射和三维沉积基板的运动，使金属熔滴按照 调整后的光栅扫描轨迹在x-y平面内逐点沉积，成形出第二个层面；

(6)重复步骤(4)和(5),成型系统逐次读入后续每一个层面的成形数据信息，逐 层沉积，直到最后成形出三维零件；

(7)零件成形结束后,在显微镜下观察零件内部截面形貌，并测量成形零件的致 密度。

有益效果，该成形技术无需特殊的模具及昂贵设备，可直接成形复杂三维金 属结构，具有成本低、成形效率高、材料来源范围广、柔性化、能耗低和无污染 等优点，在微型飞行器、微型机电系统、微型武器系统装备等领域具有较好的应 用前景。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明的金属熔滴按需喷射沉积成形技术原理图；

图2是熔滴在不同沉积基板温度上沉积后的形态；

图3是熔滴沉积后的凝固角与沉积基板温度之间的关系曲线；

图4两是颗熔滴获得最佳搭接融合状态时沉积步距的计算模型；

图5是不同基板温度和熔滴沉积步距下成形的金属单线条照片；

图6是层间正交交替扫描沉积原理示意图；

图7是两种不同方法下沉积成形得到零件照片示意图。

具体实施方式

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，对本发明的最更详细的阐 释：

实施例1.7075Al合金熔滴沉积成形单线条试验

(1)设定基本工艺参数为：环境氧含量为O_c=25PPM,熔滴直径为D=1mm,熔 滴初始温度为T_d=700℃,熔滴沉积频率f=1Hz,沉积距离h=5mm;

(2)在设定的基本工艺参数下，分别采用不同的基板温度T_b（200℃,250 ℃,300℃，350℃,400℃,450℃,500℃,550℃和600℃）进行单个熔滴的沉积实验， 观察熔滴在基板上沉积后的形态，并测量出每个基板温度T_b下熔滴固化后的凝 固角θ（如图2所示），得出基板温度T_b对熔滴凝固角θ的影响规律（如图3所示）， 建立两者之间的数值关系为：

θ=289.75-1.04T_b+0.00168T_b²-9.13×10^-7T_b³(200℃<T_b<600℃)  (3)

(3)依据相邻两颗熔滴搭接融合机理和质量守恒定律建立两颗熔滴获得最佳 搭接融合状态时沉积步距的计算模型（如图4所示），推导出熔滴最优沉积步距 的计算公式为：

(4)根据步骤(2)和步骤(3)中得出的计算公式(1)和(2)，计算出在设定的基板温 度T_b=400℃，下对应的最优沉积步距W_optim=0.864mm；

(5)依照步骤(4)中计算出的结果，在设定的基本工艺参数下，采用不同的沉 积基板温度T_b(200℃,300℃，350℃,400℃,450℃,500℃,550℃和600℃)和对应 的最优沉积步距W_optim(0.692mm，0.787mm，0.831mm，0.864mm，0.888mm， 0.903mm，0.911mm和0.915mm)，进行单线条金属熔滴沉积成形试验，对比沉 积试验结果(如图5所示)，可以看出在T_b＝200℃，300℃，350℃和400℃时，随 着温度的升高熔滴之间的重熔结合状态在增强，但此时沉积出的线条表面起伏较 明显；当T_b=450℃和500℃时，熔滴之间获得最佳的重熔结合状态，沉积出的线 条表面较光滑；同时发现过高的基板温度并不适合，当T_b=550℃和600℃时熔滴 沉积后不能快速凝固，较长一段时间内处于液态，熔滴铺展直径过大，成形的线 条较粗很难保持形态。所以合适的沉积基板温度为：当T_b=450℃和500℃；沉积 步距为：W_optim=0.888mm和0.903mm。

实施例2.7075Al合金熔滴逐层堆积成形三维零件试验

(1)设定基本工艺参数为：环境氧含量为O_c=25PPM,熔滴直径为D=1mm, 熔滴初始温度为T_d=700℃,熔滴沉积频率f=1Hz,沉积距离h=5mm;

(2)依据实例1.7075Al合金熔滴沉积成形单线条试验得出的试验结果，设定 沉积基板温度(T_b=450)和沉积步距(W_optim=0.888mm)；

(3)根据三维零件分层离散后的层面轮廓数据信息，采用光栅扫描轨迹模式 对每一层面内的实体区域进行填充，并依据设定的最优沉积步距(W_optim)，生成包 含金属熔滴喷射控制信息和三维沉积基板运动轨迹信息的联合数控代码；

(4)依据步骤(3)中生成的数控代码，成型系统读入第一个层面的成形数据信 息，通过协调控制金属熔滴的喷射和三维沉积基板的运动，使金属熔滴按照光栅 扫描轨迹（如图6-a所示）在x-y平面内逐点沉积，成形出第一个层面；

(5)沉积基板下降一个层面的高度，成型系统读入第二个层面的成形数据信 息，并调整金属熔滴光栅扫描轨迹的方向，使相邻两层光栅扫描轨迹方向的夹角 为90°（如图6-b所示），通过协调控制金属熔滴的喷射和三维沉积基板的运动， 使金属熔滴按照调整后的光栅扫描轨迹在x-y平面内逐点沉积，成形出第二个层 面；

(6)重复步骤(4)和(5),成型系统逐次读入后续每一个层面的成形数据信息， 逐层沉积，直到最后成形出三维零件（如图7(b)所示）；

(7)零件成形结束后,在显微镜下观察零件内部截面形貌（如图7(b)所示），测 量出成形零件的致密度约为98%;并与未采用本方法沉积成形出的零件（如图7(a) 所示）进行对比，验证了本方法可显著提高金属熔滴按需打印沉积成形零件的致 密度。

金属熔滴喷射打印沉积成形技术是融合了快速原型技术和熔滴按需喷射技 术，以“零件模型离散—材料逐层堆积”为成形思想的一种直接制造金属零件的 方法。其原理为：首先利用计算机软件设计出待成形零件的三维立体模型；然后 沿z轴方向对零件模型进行分层离散处理，将零件的三维数据信息转换为一系列 二维层面数据信息，并依据每一层面的轮廓几何特征，生成包含熔滴喷射控制和 沉积路径信息的联合数控代码；成型系统依据联合数控代码，协调控制熔滴的喷 射和三维基板的运动，使熔滴在基板上按照成形轨迹逐点、逐层堆积，最终实现 三维零件的制造。该成形技术无需特殊的模具及昂贵设备，可直接成形复杂三维 金属结构，具有成本低、成形效率高、材料来源范围广、柔性化、能耗低和无污 染等优点，在微型飞行器、微型机电系统、微型武器系统装备等领域具有较好的 应用前景。