一種提高金屬熔滴按需打印沉積成形零件致密度的方法
【專利摘要】一種提高金屬熔滴按需打印沉積成形零件致密度的方法，包括單線條金屬熔滴沉積成形方法和三維零件逐層堆積成形方法，首先利用計算機軟件設計出待成形零件的三維立體模型；然后沿z軸方向對零件模型進行分層離散處理，將零件的三維數據信息轉換為一系列二維層面數據信息，并依據每一層面的輪廓幾何特征，生成包含熔滴噴射控制和沉積路徑信息的聯(lián)合數控代碼；成型系統(tǒng)依據聯(lián)合數控代碼，協(xié)調控制熔滴的噴射和三維基板的運動，使熔滴在基板上按照成形軌跡逐點、逐層堆積，最終實現三維零件的制造。該成形技術無需特殊的模具及昂貴設備，可直接成形復雜三維金屬結構，具有成本低、成形效率高、材料來源范圍廣、柔性化、能耗低和無污染等優(yōu)點。
【專利說明】一種提高金屬熔滴按需打印沉積成形零件致密度的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬熔滴噴射打印成形三維零件的制造技術，特別涉及一種提高金屬熔滴按需打印沉積成形零件致密度的方法。
【背景技術】
[0002]金屬熔滴噴射打印沉積成形技術是融合了快速原型技術和熔滴按需噴射技術，以“零件模型離散一材料逐層堆積”為成形思想的一種直接制造金屬零件的方法。其原理為:首先利用計算機軟件設計出待成形零件的三維立體模型；然后沿z軸方向對零件模型進行分層離散處理，將零件的三維數據信息轉換為一系列二維層面數據信息，并依據每一層面的輪廓幾何特征，生成包含熔滴噴射控制和沉積路徑信息的聯(lián)合數控代碼；成型系統(tǒng)依據聯(lián)合數控代碼，協(xié)調控制熔滴的噴射和三維基板的運動，使熔滴在基板上按照成形軌跡逐點、逐層堆積，最終實現三維零件的制造。該成形技術無需特殊的模具及昂貴設備，可直接成形復雜三維金屬結構，具有成本低、成形效率高、材料來源范圍廣、柔性化、能耗低和無污染等優(yōu)點，在微型飛行器、微型機電系統(tǒng)、微型武器系統(tǒng)裝備等領域具有較好的應用前景。
[0003]金屬熔滴沉積成形零件的過程是一個材料動態(tài)增加，熱源按一定掃描軌跡局部瞬間輸入，并伴有熔滴的快速凝固、局部重熔和不等時性相變的復雜過程。相鄰沉積搭接的熔滴在結合界面處，依靠后沉積熔滴攜帶的熱量使先前已沉積熔滴的表面發(fā)生局部重熔，實現彼此間的結合，進而成形出整個三維零件。由于在成形零件時涉及諸多因素的影響，一方面，相鄰位置沉積的熔滴之間因沉積步距、搭接率和沉積溫度等不合適，成形零件內部很容易出現孔洞和冷隔等缺陷；另一方面，由于熱量的局部輸入和沉積材料的局部重熔，造成零件溫度分布不均勻，層內層間會產生熱應力，很容易導致成形零件產生微裂紋和翹曲變形。這些都使得成形零件很難達到完全致密，大大降低零件的使用性能。如何提高零件成形致密度的問題，已成為制約金屬熔滴按需噴射沉積成形技術發(fā)展的重要原因。
[0004]文獻“Remelting and coalescence of molten metal droplets deposited ona plate, ASME Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conference2004:1-6.，，以Sn60/Pb40合金為試驗材料，對熔滴逐點沉積線條過程進行了研究，介紹了一種通過協(xié)調控制熔滴噴射頻率和沉積基板運動速度來實現熔滴沉積步距和搭接率控制的方法，并分析了不同熔滴搭接率下的線條沉積結果，初步得到了連續(xù)致密的實體線條。文獻“Experimentson Remelting and Solidification of Molten Metal Droplets Deposited in VerticalColumns.Journal of Manufacturing Science and Engineering2007 (129): 311-318.，，以Sn60/Pb40合金為試驗材料，對熔滴逐點沉積柱狀體過程進行了研究，分析了沉積溫度對熔滴重熔結合的影響，提出了通過合理控制沉積溫度，實現相鄰沉積熔滴在結合界面處獲得較好的重熔結合狀態(tài)的方法，得到了連續(xù)致密的柱狀體。但上述文獻只是針對低熔點Sn60/Pb40合金熔滴沉積簡單線條和柱狀體過程進行了研究，且都是單方面考慮一個工藝參數的影響，而針對金屬熔滴沉積成形三維零件過程中成形零件致密度如何有效控制的問題，目前尚未能很好的解決。
【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明針對金屬熔沉積成形三維零件中存在的上述問題，提出一種通過合理控制熔滴沉積步距、沉積溫度和優(yōu)化層間掃描策略，進而提高金屬熔滴沉積成形零件致密度的方法。
[0006]為了達到以上目的，本發(fā)明采取如下技術方案予以實現:一種提高金屬熔滴按需沉積成形零件致密度的方法，包括單線條金屬熔滴沉積成形方法和三維零件逐層堆積成形方法，其中:
[0007]所述的單線條金屬熔滴沉積成形方法包括如下步驟:
[0008](I)設定基本工藝參數:環(huán)境氧含量0。，熔滴直徑D，熔滴初始溫度Td,熔滴沉積頻率f，沉積距離h;
[0009](2)在設定的基本工藝參數下，分別采用不同的沉積基板溫度
Tb (Tw, Tb_2......Tb_n)進行單個熔滴的沉積實驗，觀察熔滴在基板上沉積后的形態(tài)，并測量
出每個基板溫度Tb下熔滴固化后的凝固角Θ，得出沉積基板溫度Tb對熔滴凝固角θ的影響規(guī)律，建立兩者之間的數值關系為:
[0010]Θ =A+B1Tb+B2Tb2+B3Tb3(Tb_1<Tb<Tb_n) (I)
[0011 ] (3)依據相鄰兩顆熔滴搭接融合機理和質量守恒定律建立兩顆熔滴獲得最佳搭接融合狀態(tài)時沉積步距的計算模型，推導出熔滴最優(yōu)沉積步距的計算公式為:
[0012]
【權利要求】
1.一種提高金屬熔滴按需打印沉積成形零件致密度的方法，其特征在于， 包括單線條金屬熔滴沉積成形方法和三維零件逐層堆積成形方法，其中: 所述的單線條金屬熔滴沉積成形方法包括如下步驟: (1)設定基本工藝參數:環(huán)境氧含量O。，熔滴直徑D，熔滴初始溫度Td，熔滴沉積頻率f，沉積距離h ； (2)在設定的基本工藝參數下，分別采用不同的沉積基板溫度TbOw,Tb_2......Tb_n)進行單個熔滴的沉積實驗，觀察熔滴在基板上沉積后的形態(tài)，并測量出每個基板溫度Tb下熔滴固化后的凝固角Θ，得出沉積基板溫度Tb對熔滴凝固角Θ的影響規(guī)律，建立兩者之間的數值關系為:
Θ =A+B1Tb+B2Tb2+B3Tb3 (Iw < Tb < Tb_n) (I) (3)依據相鄰兩顆熔滴搭接融合機理和質量守恒定律建立兩顆熔滴獲得最佳搭接融合狀態(tài)時沉積步距的計算模型，推導出熔滴最優(yōu)沉積步距的計算公式為:

ImDK-=---1- (0<θ<180°) (2)
3[...........................................................................................13 (θ-?ηθ cos Θ)`
x(1-m%ey(2+Qo%ey’ 得出=Wtjptim只與熔滴直徑D和固化后的凝固角Θ有關； (4)根據步驟(2)和步驟(3)中得出的計算公式(I)和(2)，計算出在設定的沉積基板溫度Tb_i (i表示:1......η)下對應的最優(yōu)沉積步距Wtjptinri (i表示:1......η)； (5)依照步驟(4)中計算出的Wtjptilrt，在設定的基本工藝參數下，采用不同的沉積基板溫度Tb (Iw，Tb_2......Tb_n)和對應的最優(yōu)沉積步距Wtjptinri (i表示:1......η),進行單線條金屬熔滴沉積成形試驗，對比沉積試驗結果，得出熔滴獲得最佳搭接融合狀態(tài)和成形線條獲得最好質量時的沉積基板溫度(Tb)和沉積步距(Wtjptim)； 所述的三維零件逐層堆積成形方法包括如下步驟: (1)設定基本工藝參數:環(huán)境氧含量0。，熔滴直徑D，熔滴初始溫度Td，熔滴沉積頻率f，沉積距離h ； (2)依據單線條金屬熔滴沉積成形試驗中步驟(5)所得出的試驗結果，設定最優(yōu)的沉積基板溫度(Tb)和沉積步距(Wtjptim)； (3)根據三維零件分層離散后的層面輪廓數據信息，采用光柵掃描軌跡模式對每一層面內的實體區(qū)域進行填充，并依據設定的最優(yōu)沉積步距(Wtjptim)，生成包含金屬熔滴噴射控制信息和三維沉積基板運動軌跡信息的聯(lián)合數控文件； (4)依據步驟(3)中生成的數控文件，成型系統(tǒng)讀入第一個層面的成形數據信息，通過協(xié)調控制金屬熔滴的噴射和三維沉積基板的運動，使金屬熔滴按照光柵掃描軌跡在x_y平面內逐點沉積，成形出第一個層面； (5)沉積基板下降一個層面的高度，成型系統(tǒng)讀入第二個層面的成形數據信息，并調整金屬熔滴光柵掃描軌跡的方向，使相鄰兩層光柵掃描軌跡方向的夾角為90°，通過協(xié)調控制金屬熔滴的噴射和三維沉積基板的運動，使金屬熔滴按照調整后的光柵掃描軌跡在x_y平面內逐點沉積，成形出第二個層面； (6)重復步驟(4)和(5)，成型系統(tǒng)逐次讀入后續(xù)每一個層面的成形數據信息，逐層沉積，直到最后成形出三維零件；(7)零件成形結束后，在顯微鏡下觀察`零件內部截面形貌，并測量成形零件的致密度。
【文檔編號】B22F3/115GK103658650SQ201310721955
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權日:2013年12月24日
【發(fā)明者】晁艷普, 齊樂華, 張元敏, 殷志鋒, 白政民 申請人:許昌學院