一种基于带电粒子在电场中定向沉积的增材制造方法

摘要

本发明属于增材制造和快速成型技术领域，具体涉及一种基于带电粒子在电场中定向沉积的增材制造方法。本发明包括以下步骤：步骤1.根据成型材料的形状和尺寸设计电场的形状；步骤2.根据成型材料的形状和尺寸设计电场的电压势；步骤3.确定成型材料的成分组成；步骤4.调整步骤3溶液中的离子浓度；步骤5.材料的成型，将步骤4确定的溶液加入步骤1确定的电场中，电场施加步骤2确定的电压势；步骤6.成型过程中不断补加步骤4确定的溶液，保持溶液中离子浓度；步骤7.成型过程中不断从步骤5中抽取溶液，使抽取速度与步骤6加入溶液的速度相同。本方法有效减少了材料城过程中材料内部应力集中的问题，溶液可回收，具有节约能源、降低成本的特点。

说明书

技术领域

本发明属于增材制造和快速成型技术领域，具体涉及一种基于带电粒子在电场中定向沉积的增材制造方法。

背景技术

现有技术中，普遍采用激光烧结或电子束加热等方法完成增材制造和快速成型，导致材料层间应力过于集中，难以满足技术要求。

溶液中溶解或水解的离子或络合基团，荷载有正电荷或负电荷，统称为带电粒子。当有外加电场存在时，带电粒子会根据电场的方向和大小呈现出特定的运动路线，并到达相应的阴极或阳极，沉积下来。通过控制电场的形状、大小，实现带电粒子的沉积成型。采用沉积成型技术成型的材料成分均匀，内部无不均匀受力点。

如何采用定向沉积的方法实现增材制造是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：提出一种基于带电粒子在电场中定向沉积的增材制造方法，减少材料成型过程中出现的应力集中问题。

本发明的技术方案如下所述：

一种基于带电粒子在电场中定向沉积的增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1.根据成型材料的形状和尺寸设计电场的形状：电场由多个小电场或微型电场组成；

步骤2.根据成型材料的形状和尺寸设计电场的电压势：成型材料在对应 的电场中厚度小时，相应的电压势小，电压势范围为1mV～1V；当成型材料在对应的电场中厚度大时，相应的电压势大，电压势范围为1V～380V；

步骤3.确定成型材料的成分组成，使成型材料目的组分呈离子或络合基团带点粒子状态分散在溶液中；

步骤4.根据成型材料的材质要求，调整步骤3溶液中的离子浓度：溶液中离子的浓度范围为1mg/L～100g/L；

步骤5.材料的成型：将步骤4确定的溶液加入步骤1确定的电场中，电场施加步骤2确定的电压势；

步骤6.成型过程中不断补加步骤4确定的溶液，保持溶液中离子浓度；

步骤7.成型过程中不断从步骤5中抽取溶液，使抽取速度与步骤6加入溶液的速度相同。

作为优选方案：步骤2中，成型材料在对应的电场中厚度小于1cm时判定成型材料在对应的电场中厚度小，否则判定成型材料在对应的电场中厚度大。

作为优选方案：步骤3中，溶液包含下列离子中的一种或多种：Fe³⁺、Fe²⁺、Ca²⁺、Al³⁺、Ni²⁺、Nb⁵⁺、Mo²⁺、Pb²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ta⁵⁺、Cd²⁺、Ti²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cr⁵⁺、Ga³⁺、Au²⁺、Ag²⁺、W³⁺、Pt²⁺、Bi³⁺、Hf⁵⁺、Nd³⁺、Rb⁺、Sc²⁺。

作为优选方案：还包括步骤8，回收步骤7抽取的溶液，向步骤7抽取的溶液中补加步骤3确定的成分，达到步骤4确定的浓度后作为步骤6补加的溶液。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种基于带电粒子在电场中定向沉积的增材制造方法，不采用激光烧结或电子束加热成型，有效减少了材料城过程中材料内部应力集中的问题；

(2)本发明的一种基于带电粒子在电场中定向沉积的增材制造方法，溶液可回收，实现重复利用，具有节约能源、降低成本的特点。

具体实施方式

下面实施例对本发明的一种基于带电粒子在电场中定向沉积的增材制造方法进行详细说明。

本发明的一种基于带电粒子在电场中定向沉积的增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1.根据成型材料的形状和尺寸设计电场的形状。电场由多个小电场或微型电场组成，小电场或微型电场有利于复杂结构的成型。

步骤2.根据成型材料的形状和尺寸设计电场的电压势。步骤1中小电场或微型电场的电压势各不相同，电压势的大小由成型材料的形状决定：成型材料在对应的电场中厚度小时，相应的电压势小，电压势范围为1mV～1V；当成型材料在对应的电场中厚度大时，相应的电压势大，电压势范围为1V～380V。

本实施例中，成型材料在对应的电场中厚度小于1cm时判定成型材料在对应的电场中厚度小，否则判定成型材料在对应的电场中厚度大。

步骤3.确定成型材料的成分组成。成型材料成分可以是一种金属或多种金属，或者是其他材质。使成型材料目的组分呈离子或络合基团等带点粒子状态，分散在溶液中。溶液可以含下列离子中的一种或多种，这些离子包括但不限于：Fe³⁺、Fe²⁺、Ca²⁺、Al³⁺、Ni²⁺、Nb⁵⁺、Mo²⁺、Pb²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ta⁵⁺、Cd²⁺、Ti²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cr⁵⁺、Ga³⁺、Au²⁺、Ag²⁺、W³⁺、Pt²⁺、Bi³⁺、Hf⁵⁺、Nd³⁺、Rb⁺、Sc²⁺等。

步骤4.根据成型材料的材质要求，确定溶液中的离子种类和离子浓度：溶液中离子的浓度范围为1mg/L～100g/L。

步骤5.材料的成型。将步骤4确定组分和浓度的溶液加入步骤1确定的 电场中，电场施加步骤2确定的电压势。

步骤6.成型过程中不断补加步骤4溶液，保持溶液中离子浓度。

步骤7.成型过程中不断从步骤5中抽取溶液，使抽取速度与步骤6加入溶液的速度相当。

步骤8.回收步骤7抽取的溶液，向步骤7抽取的溶液中补加步骤3确定的成分，达到步骤4确定的浓度后可作为步骤6补加的溶液。