一种增减材复合成形凹坑形仿生非光滑表面制造方法

摘要

本发明涉及一种增减材复合成形凹坑形仿生非光滑表面制造方法，属于增材制造技术领域。采用选区激光熔化设备增材制造表面带有凹坑雏形的三维实体零件，利用电化学抛光技术对凹坑雏形进行放大平整，从而制得仿生蜣螂前胸背板的凹坑形结构，以解决现有非光滑表面加工工艺复杂、生产类型单一、加工较难的问题；实现高效减粘降阻，结构可设计，任意复杂结构凹坑形仿生非光滑表面的增减材制造；对增强工程领域应用的复杂结构零件降粘减阻以及复杂流体管路的减阻效果具有显著性效果。

说明书

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，尤其涉及一种增减材复合成形凹坑形仿生非光滑表面制造方法。

背景技术

凹坑形仿生非光滑表面：凹坑形非光滑表面广泛存在于自然界，例如臭蜣螂的头部和其前胸背板后缘都存在凹坑形结构，这种结构有助于臭蜣螂减粘降阻，更好的适应环境。凹坑形非光滑表面之所以可以减粘降阻，是因为凹坑的存在能有效地减少磨损物与其体表的接触面积，减少了正压力和发生化学吸附的吸附点数量；另外凹坑破坏了磨损物与生物体表接触的连续性，使其体表与磨损物接触表面间存在空气膜，降低摩擦系数，从而起到减磨减阻的效果。蜣螂的非光滑表面特性给了人们很大的启示，并且人们已将他们应到实际生活中，并取得了很大的成效，仿生非光滑减粘降阻技术有着非常广泛的应用前景。

非光滑表面的制造方法：目前，主要有四种制造方法：直接生物复制微压印技术，光刻，激光雕刻和抛光，3D打印技术。

增材制造：也称3D打印，是相对于传统的减材制造而言的，其原理是基于离散/堆积原理，通过材料的逐渐累积来实现制造的技术。它利用计算机将成型的零件切成一系列的“薄片”，增材制造设备从下而上一层一层的打印，最后堆叠成三维实体。这种制造技术无需刀具和模具，可以实现传统加工无法完成的复杂结构，并且可以节省原料，简化工序，缩短工期。增材制造技术应用广泛，分别应用在工业制造、医疗行业、航空航天、国防军工、文化创意、数码娱乐、艺术设计、建筑工程、教育、个性化定制等方面。在各种材料中，金属材料强度最高，应用范围最广，常规金属加工无法加工复杂零部件，但增材制造可以克服这一难题，使得金属零件复杂化成为可能。

电化学抛光：是一种使用电解液及直流电流的金属表面处理方法，与电镀类似，与之不同的是电化学抛光把被加工的零件作为阳极，正好与电镀相反，阳极进行选择性去除，进而达到表面平整或特定微观结构的效果，且不存在晶体学和晶界侵蚀，产生了光滑而明亮的表面。电化学抛光具有高精度、高效率、可抛光复杂结构、劳动强度小、应用范围广、优良的耐蚀性等优势。电化学抛光技术的应用范围很广，从不锈钢餐具的抛光到透射电子显微镜样品的制备以及在医疗领域。当电流过大时，还会形成蚀刻效果，进而可以选择性制造表面图案。

综上所述，凹坑形仿生非光滑表面具有减粘降阻的特效，从而可以降低能耗，但是其传统制造方法具有流程复杂、成本高、操作难度高、灵活性低等不足。

发明内容

本发明提供一种增减材复合成形凹坑形仿生非光滑表面制造方法，以解决现有非光滑表面加工工艺复杂，生产类型单一，采用传统加工方法加工较难的问题。

本发明采取的技术方案是：包括下列步骤：

步骤1、选用金属粉末，粒度范围15～53μm；

步骤2、设计三维模型，利用三维建模软件根据实际需要设计三维模型，同时留出线切割余量0.2～0.6mm，设计完成后保存为STL格式；

步骤3、打开选区激光融化切片软件Magics，将STL格式三维模型导入软件，并使用操作命令使模型至最佳位置(零件和成型基板接触良好)，并根据三维模型以及非光滑表面的需要设置打印参数：功率100～500W，打印速度100～2000mm/s，切片厚度30～50μm，填充图案类型：无图案，路径距离0.06～0.16mm，旋转初始角度0～90°，旋转增量30～90°；

步骤4、利用选区激光熔化设备进行增材制造，佩戴好防护装备，清理成型仓并用酒精擦拭镜片，开机，对刀，安置好打印基板，并放置粉末进行铺粉，将设置好参数及模型的数据导入计算机，并开启氮气瓶，进行除氧，当含氧量达到目标值后，开始打印，设备自动从起始层进行打印，第一层铺粉打印方向完毕，成型缸下移一层，再进行铺粉，第二层打印方向与第一层成一定角度交叉，第二层熔道间缝隙与第一层熔道间缝隙的交点处会出现微小凹坑，这就是凹坑雏形，继续层层往复堆叠成三维实体；

步骤5、利用线切割技术将增材制造实体从金属基板上切割下来，首先将带有样件的基板固定在工作台上，当金属丝根据预先输入的数据在XY方向移动时，开始加工，样件在每个电压脉冲下熔化并去除，最终样件完全脱离基板，切割完成；

步骤6、利用酒精对实体进行超声波清洗并干燥，首先将样件装入密封袋，向密封袋里倒入酒精，将装有酒精的密封袋放入超声波清洗机中进行清洗2～10min，取出密封袋用镊子夹出样件，用吹风机吹干；

步骤7、利用直流电源5～60V、导线、电流表、烧杯、搅拌器搭建电化学抛光实验台，电解液为浓磷酸和浓硫酸的混合酸，磷酸和硫酸比例是(2～4)：1；

步骤8、电化学抛光，在5～15V直流电、20～60℃、200～500r转速下进行抛光，阳极为实体工件，接直流电源正极；阴极为截面是矩形的金属棒，长度稍长于实体工件，并放置于方管内孔正中心，接直流电源负极，阴阳极分别固定，保证相对位置，防止阴极与阳极接触，发生短路，利用电源进行抛光，工件部分为凹坑雏形截面图，工件上下外凸部分为两相邻熔道，中间内凹部分为凹坑雏形，最先腐蚀的是电流密度大的表面凸起熔道和上下两层垂直熔道之间的凹坑雏形，随着抛光的进行，凹坑慢慢的形成，凸起慢慢减小，从而使表面达到较好粗糙度并产生凹坑形微结构；

步骤9、利用超声波清洗装置对凹坑形仿生非光滑表面进行清洗并干燥。

本发明所述步骤1中的金属粉末与聚合物、陶瓷或纤维材料混合，聚合物、陶瓷或纤维材料粒度范围在15～55μm。

本发明所述步骤2中的三维建模软件包括SolidWorks、CATIA、Pro/E或UG。

本发明所述步骤7中搅拌器采用磁力搅拌器或电动搅拌器，磷酸和硫酸比例是2：1。

本发明所述步骤8中阴极材料采用不锈钢、铜或铂。同时阴极位置视三维模型的结构所定，如果是平面，阴极和待加工平面间距保持在20～30mm。

随着近年来增材制造和电化学抛光技术的不断发展，其操作简单，不受结构限制，灵活性高，成本低，可处理复杂样件等优势不断浮现，可以很好的弥补传统制造方法的不足。本发明将非光滑表面与增材制造及电化学抛光相结合，利用选区激光熔化设备进行增材制造凹坑雏形预处理，并利用电化学抛光技术对凹坑雏形进行减材放大平整，获得凹坑形非光滑表面，实现了高效减粘降阻，结构可设计，任意复杂结构凹坑形仿生非光滑表面的制造。

本发明的有益效果：将增材制造和电化学抛光相结合成型仿生非光滑表面复杂结构零件，提出了一种全新的非光滑表面加工方法，对选区激光熔化增材制造技术加工零件的表面采用球化模式加工，通过对加工表面进行电化学抛光，从而制得仿生蜣螂前胸背板的凹坑形的结构；本发明采用电化学抛光工艺加工增材制造零件预制表面，这使非光滑表面制造更容易，同时能够制造相对复杂的内孔等内部非光滑表面，成本低、绿色节能、可持续发展。电化学抛光的加入使得原料利用率高、精度高、效率高、操作简单、劳动强度低。对增强工程领域应用的复杂结构零件降黏减阻以及复杂流体管路的减阻效果具有显著性效果。

附图说明

图1是凹坑形仿生非光滑表面的制造工艺流程图；

图2是凹坑形仿生非光滑表面的制造步骤示意图；

图3是利用SolidWorks软件设计的三维模型图；

图4是凹坑形仿生非光滑表面的抛光原理示意图；

图5是凹坑形仿生非光滑表面理想效果图；

图6是凹坑形仿生非光滑表面理想效果剖视图。

具体实施方式

本发明所述的一种增减材复合成形凹坑形仿生非光滑表面制造方法，先利用增材制造增材，再利用电化学抛光进行减材，增减结合，达到非光滑表面的制造。

如图1成形工艺流程图、图2步骤示意图所示，本发明的具体步骤如下：

步骤1、购置金属粉末，本发明选用的是金属粉末，规格15～53μm，金属粉末还可以是其他常见金属与聚合物、陶瓷、纤维材料混合，粒度范围在15～55μm的粉末材料；

步骤2、设计三维模型，利用SolidWorks软件根据实际需要设计三维模型，可设计管路模型、平面模型或其他形式模型，如图3所示，本次设计为管路模型，同时留出线切割余量0.2～0.6mm，设计完成后保存为STL格式，宏观建模还可以用CATIA、Pro/E、UG等其他三维建模软件；

步骤3、打开选区激光融化切片软件Magics，将STL格式三维模型导入软件，并使用操作命令使模型至最佳位置(零件和成型基板接触良好)，并根据三维模型以及非光滑表面的需要设置打印参数：功率100～500W，打印速度100～2000mm/s，切片厚度30～50μm，填充图案类型：无图案，路径距离0.06～0.16mm，旋转初始角度0～90°，旋转增量30～90°；

步骤4、利用选区激光熔化设备进行增材制造，佩戴好防护装备，清理成型仓并用酒精擦拭镜片，开机，对刀，安置好打印基板，并放置粉末进行铺粉，将设置好参数及模型的数据导入计算机，并开启氮气瓶，进行除氧，当含氧量达到一定目标值后，开始打印，设备自动从起始层进行打印，第一层铺粉打印完毕，成型缸下移一层，再进行铺粉，第二层打印方向与第一层成一定角度交叉，第二层熔道间缝隙与第一层熔道间缝隙的交点处会出现微小凹坑，这就是凹坑雏形，继续层层往复堆叠成三维实体；

步骤5、利用线切割技术将增材制造实体从金属基板上切割下来，首先将带有样件的基板固定在工作台上，当金属丝根据预先输入的数据在XY方向移动时，开始加工，样件在每个电压脉冲下熔化并去除，最终样件完全脱离基板，切割完成；

步骤6、利用酒精对实体进行超声波清洗并干燥，首先将样件装入密封袋，向密封袋里倒入酒精，将装有酒精的密封袋放入超声波清洗机中进行清洗2～10min，取出密封袋用镊子夹出样件，用吹风机吹干；

步骤7、利用直流电源5—60V、导线、电流表、烧杯、磁力搅拌器等搭建电化学抛光实验台，电解液为浓磷酸和浓硫酸的混合酸，磷酸硫酸比例2:1，电源负责提供直流电，电流表测量电流，烧杯充当容器盛放电解液，磁力搅拌器负责搅拌电解液，加快阳极金属离子扩散，加速反应；也可以用电动搅拌器进行搅拌，且电解质溶液配方还可采用其他搭配，例如磷酸硫酸比例为3:1或4:1的混合酸。

步骤8、电化学抛光，在5～15V直流电、常温、200～500r转速下进行抛光，阳极为实体工件，接直流电源正极；阴极为截面是矩形的不锈钢棒，长度稍长于实体工件，并放置于方管内孔正中心，接直流电源负极。阴阳极分别固定，保证相对位置，防止阴极与阳极接触，发生短路，利用电源进行抛光，图4为抛光原理示意图，工件部分为凹坑雏形截面图，工件上下外凸部分为两相邻熔道，中间内凹部分为凹坑雏形，最先腐蚀的是电流密度大的表面凸起熔道和上下两层垂直熔道之间的凹坑雏形，随着抛光的进行，凹坑慢慢的形成，凸起慢慢减小，从而使表面达到较好粗糙度并产生凹坑形微结构，另外其他参数例如温度可以在不超过60℃的范围内适当提高，以达到加速反应的效果；阴极材料不仅仅限于不锈钢，也可以使用其他金属，例如铜电极，铂电极等，同时阴极位置视三维模型的结构所定，如果是平面，阴极和待加工平面间距保持在20～30mm，如果是曲面，则需要对阴极进行特定的设计，使被加工面电流均匀；

步骤9、利用超声波清洗装置对凹坑形仿生非光滑表面进行清洗并干燥，图5、图6为工件理想效果图及其剖视，理想的凹坑是均匀分布在工件内表面的，此种表面具有降黏减阻的特性。

非光滑表面具有减粘降阻的特效，对减小能耗降低成本具有重要价值，但是传统非光滑表面制造方法较为复杂繁琐且具有局限性，近年来发展的增材制造技术和电化学抛光技术简单高效，原料利用率高，节能环保。本发明将三者相结合，仿照蜣螂前胸背板的凹坑形的结构，开发出一种新的仿生非光滑表面制造方法，这种方法使制造更容易，同时能够制造相对复杂的内孔等内部非光滑表面，具有成本低，绿色节能，效率高，劳动强度低，可持续发展等优势。