CN103521769A - 一种基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，利用一定压缩气体携带金属及陶瓷颗粒，经喷枪加速后高速冲击基板，当颗粒速度超过其“临界沉积速度”后，通过机械撞击，有效沉积在基板或已沉积成形的颗粒上。粒子喷射成形过程中材料颗粒不熔化，因此材料的选择不受其熔点的限制，可实现多种材料的同步喷射成形制造。喷射成形零件具有较高的致密度，可实现奇特的力学、物理、化学性能。采用多自由度喷射装置实现具有空间复杂结构、可控材料分布及微结构的三维功能零件增材制造。该工艺简单、环保、低能耗、可操作性强，解决了传统快速成型工艺无法制造多材料复合结构功能零件的难题。

Description

一种基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法。

背景技术

增材制造技术发展迅速，已成为“第三次工业革命”的关键技术，其正向着多功能化多材料复杂结构零件的一体化快速制造方向发展。尤其是由金属和陶瓷等为原料的复杂结构增材制造功能零件在航空航天、医疗器械、汽车行业等领域有着广泛应用。目前，以金属或陶瓷粉末或丝材的增材制造技术主要有激光选区烧结、激光熔覆、电子束成形等。它们为以熔化再凝固为基本原理，在选择和使用材料时受到熔点的制约，难以选择多种材料并完成直接制造。在工艺工程中也耗费大量资源，造成零件的微观结构或相组成不可控，残余热应力过大，力学性能差，尺寸精度低等问题。

利用增材制造工艺进行多材料零件制造的主要方式有:1）以混合粉末为原材料，采用选区激光烧结、三维打印等工艺进行复合材料零件制造；2）高温渗透或原位反应，采用各种增材制造工艺如三维打印、光固化成形、选区激光烧结等，成形多孔材料模板，然后再进行高温渗透或反应，获得复合材料零件；3）采用多材料源实现梯度材料零件制造，使用三维打印、分层实体制造、熔融沉积等工艺，进行多材料同步敷设实现材料的梯度分布制造。但是上述的工艺都只能完成一维或二维多材料复合结构的制造，无法实现三维尺度内材料分布和微结构制造的可控；可以使用的材料范围极为有限，无法实现金属和陶瓷材料的复合结构功能零件的制造；最后，利用上述工艺制造的零件，力学性能差，还需后期热处理工艺，且尺寸精度较差。

通过设计多材料复合结构零件微结构与材料的三维分布，可获得奇特的物理、化学和力学性能，如导电、传热、导磁、耐腐蚀、耐磨等物理化学特性，高强度、高韧性、定制化力学性能等。可用于航空、航天、电子信息、机械工程、医疗装备等各个领域，如可控制电磁波传播的光子晶体与超材料结构，制造具有生物活性、耐磨的金属/陶瓷植入体，可制备特殊功能的三维电路板结构，可实现装备实时监测的嵌入式传感结构等等。传统制造工艺很难实现这种多材料复合结构器件的制造。从原理上讲，增材制造技术采用逐层累加的方式，可实现多材料复合零件微/宏观结构的一体化制造。需要对增材制造技术进行工艺创新，克服传统工艺中不同材料热学性能的不兼容性，才能够实现这种多材料复合功能零件的结构、材料、功能的一体化制造。

目前，多材料粒子高速喷射成形增材制造相关的研究主要是冷喷涂工艺。西安交通大学李长久教授结合传统冷喷涂原理及微纳米颗粒在高速气流中的加速行为，设计并构造了可实现微纳米颗粒沉积的真空冷喷涂系统。加拿大渥太华大学冷喷涂实验室在传统冷喷涂技术的基础上开发出了脉冲气体动力喷涂技术，解决了传动冷喷涂工艺中非规则粉体加热不均匀的问题。英国剑桥大学制造研究所Neill教授团队，对于采用冷喷涂技术进行自由成形制造工艺展开了研究，提出采用冷喷涂技术与高速加工相结合进行动态制造的工艺路线。但是，目前研究多以冷喷涂工艺中喷涂表层材料、微结构、性能等为主要目标，集中在涂层材料性能、界面层微观结构、粘结机理、涂层强度等方面，尚未开展对三维实体零件的喷射成形增材制造工艺及其制造零件的强度和精度的研究。也未见到国内其他研究机构提出或开展采用相似工艺进行多材料复合结构零件增材制造研究工作的报道。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，以微、纳米尺度的金属或陶瓷颗粒为原料，采用高速粒子喷射成形方法制造多材料复合结构功能零件。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，包括以下操作：

1）根据待成形件的性能要求设计所采用的材料及材料三维分布，构建其三维CAD模型；并按照加工方向进行分层处理，然后根据三维CAD模型每层截面的材料及材料分布结果，编写喷枪和平台的相对运动程序；

2）根据三维CAD模型对材料种类的需求，将每种材料颗粒放置于各自的送粉器内，压缩气体从送粉器内携带材料颗粒经预热后，输送至喷枪；

3）将三维CAD模型的分层结果及相应的相对运动程序导入到控制器当中，控制器读取之后，通过调节压缩气体的压力、预热温度，使得不同材料在各自喷枪中加速到各自能够进行有效沉积的临界速度；按照相对运动程序控制喷枪和平台的相对运动，进行逐层的多材料的可控喷射成形；

4）待成形件喷射成形之后，清理表面和内部结构上未粘结的颗粒材料，形成最终的待成形件。

所述在构建三维CAD模型时还按照其所要实现的物理化学或力学性能进行材料分布的设计。

所采用的材料包括金属颗粒、陶瓷颗粒中的一种或几种。

所述的金属颗粒、陶瓷颗粒在以超过临界速度喷射时处于非熔化状态，在沉积时以固体颗粒形式沉积。

所述材料的颗粒直径大小为1～100μm。

所述的喷枪和平台的相对运动程序包括喷枪、平台的多角度自由喷射，能够实现空间复杂结构自由曲面功能零件的增材制造。

所述的喷枪和平台的相对运动程序还包括喷枪的多角度自由喷射，对喷射成形过程中的边界损失进行补偿喷射。

所述在喷射成形过程中，收集反射的、未粘接到基体上的材料颗粒，并采用气体回收装置收集分离材料颗粒后净化的气体，压缩之后循环利用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，采用多种材料颗粒高速喷射沉积成形的方法进行多材料复合结构功能零件的制造，利用单喷枪或多喷枪的多送粉器机构、多自由度喷射控制装置实现可控材料分布及微结构的三维功能零件增材制造。

本发明提供的基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，材料颗粒的选择不受其熔化温度限制，可实现多材料复合结构零件的制造；采用多自由度喷射成形控制系统，可实现三维可控材料分布和微结构零件的增材制造，同时，可实现空间复杂结构多材料曲面零件的增材制造；

本发明提供的基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，还通过多角度自由喷射消除喷射成形过程中的边界损失现象，实现零件成形精度的控制；在喷射成形时由于采用了多材料，就可以根据不同材料的结合来实现功能零件的复合结构，从而所制造零件具有特定的力学、物理、化学性能，可直接作为功能零件投入使用。

附图说明

图1为本发明的喷射成形示意图，其中采用单喷枪多送粉器的形式，1、2、3分别为材料1、材料2及支撑材料在喷头中喷射情况；

图2-1为实施例中构建的Cu-Ti复合结构三维CAD模型示意；

图2-2为Cu-Ti复合结构三维CAD模型的分层截面中Cu与Ti粒子沉积分布。

具体实施方式

本发明提供的一种基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，利用一定压缩气体携带金属及陶瓷颗粒，经喷头加速后高速冲击基板，当颗粒速度超过其“临界沉积速度”后，通过机械撞击，有效沉积在基板或已沉积成形的颗粒上。粒子喷射成形过程中材料颗粒不熔化，因此材料的选择不受其熔点的限制，可实现多种材料的同步喷射成形制造。喷射成形零件具有较高的致密度，可实现奇特的力学、物理、化学性能。采用多自由度喷射装置实现具有空间复杂结构、可控材料分布及微结构的三维功能零件增材制造。该工艺简单、环保、低能耗、可操作性强，解决了传统快速成型工艺无法制造多材料复合结构功能零件的难题。

参见图1，所提供的一种基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，包括以下操作：

1）根据待成形件的性能要求设计所采用的材料及材料三维分布，构建其三维CAD模型；并按照加工方向进行分层处理，然后根据三维CAD模型每层截面的材料及材料分布结果，编写喷枪和平台的相对运动程序；

2）根据三维CAD模型对材料种类的需求，将每种材料颗粒放置于各自的送粉器内，压缩气体从送粉器内携带材料颗粒经预热后，输送至喷枪；

3）将三维CAD模型的分层结果及相应的相对运动程序导入到控制器当中，控制器读取之后，通过调节压缩气体的压力、预热温度，使得不同材料在各自喷枪中加速超过各自能够进行有效沉积的临界速度；按照相对运动程序控制喷枪和平台的相对运动，进行逐层的多材料的可控喷射成形；

而材料颗粒当以超过临界速度喷射时处于非熔化状态，在沉积时以固体颗粒形式沉积

4）待成形件喷射成形之后，清理表面和内部结构上未粘结的颗粒材料，形成最终的待成形件。

进一步的，所述的喷枪和平台的相对运动程序包括喷枪、平台的多角度自由喷射，能够实现空间复杂结构自由曲面功能零件的增材制造；还包括喷枪的多角度自由喷射，对喷射成形过程中的边界损失进行补偿喷射。

而为了节约能源，在喷射成形过程中，收集反射的、未粘接到基体上的材料颗粒，并采用气体回收装置收集分离材料颗粒后净化的气体，压缩之后循环利用。

具体的，所采用的材料包括金属颗粒、陶瓷颗粒中的一种或几种，比如采用不同的金属颗粒，采用金属颗粒和陶瓷颗粒，或者采用不同的陶瓷颗粒来进行相应成形件的制备。

所述材料的颗粒直径大小为1～100μm，可根据具体的要求来选择。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

参见图1、图2-2、图2-1，高速喷射成形制备铜钛粒子复杂结构的快速成形件，包括以下步骤：

1、根据理论计算及结构设计，利用Pro/E完成该零件的三维建模，并储存成STL文件格式；

2、对CAD模型进行均匀封层处理，获得模型分层截面材料分部信息，编写喷枪与平台的运动程序；

3、将20um的球形铜粒子与钛粒子分别装载于螺旋式送粉器内，调整输送效率，送粉速率控制在5kg/h；

4、为提高粒子加速效率和节约成本，使用He质量分数为10%的氮气氦气混合气体，从送粉器中运出气体，分别用两个加热器将工作气体温度和粒子温度预热至400℃；

5、根据两种材料的材料密度，熔点，极限强度，初始预热温度估算两种粒子的临界沉积速度，约为600m/s；

6、通过压缩气体控制阀的调整，使得喷枪入口压力为1.5Mpa，送粉压力为2Mpa，送粉位置为喷枪喉部处；

7、控制器调入控制程序，然后控制配置有单喷枪双送粉器的的多自由度喷射装置运动完成每一层复合结构的喷射加工，控制基板的移动完成逐层喷射沉积成形；

8、通过粉末分离器收集被基板反射的多余粉末，以便回收利用；

9、气体回收装置收集分离粉末后净化的载气，压缩之后循环利用；

10、对成型件进行表面处理，检测成型件的复合结构的精确度并修复，最终形成产品。

Claims (7)

1.一种基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，其特征在于，包括以下操作：

1）根据待成形件的性能要求设计所采用的材料及材料三维分布，构建其三维CAD模型；并按照加工方向进行分层处理，然后根据三维CAD模型每层截面的材料及材料分布结果，编写喷枪和平台的相对运动程序；

2）根据三维CAD模型对材料种类的需求，将每种材料颗粒放置于各自的送粉器内，压缩气体从送粉器内携带材料颗粒经预热后，输送至喷枪；

3）将三维CAD模型的分层结果及相应的相对运动程序导入到控制器当中，控制器读取之后，通过调节压缩气体的压力、预热温度，使得不同材料在各自喷枪中加速超过各自能够进行有效沉积的临界速度；按照相对运动程序控制喷枪和平台的相对运动，进行逐层的多材料的可控喷射成形；

4）待成形件喷射成形之后，清理表面和内部结构上未粘结的颗粒材料，形成最终的待成形件。

2.如权利要求1所述的基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，其特征在于，所采用的材料包括金属颗粒、陶瓷颗粒中的一种或几种。

3.如权利要求2所述的基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，其特征在于，所述的金属颗粒、陶瓷颗粒在以超过临界速度喷射时处于非熔化状态，在沉积时以固体颗粒形式沉积。

4.如权利要求1或2所述的基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，其特征在于，所述材料的颗粒直径大小为1～100μm。

5.如权利要求1所述的基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，其特征在于，所述的喷枪和平台的相对运动程序包括喷枪、平台的多角度自由喷射，能够实现空间复杂结构自由曲面功能零件的增材制造。

6.如权利要求1或5所述的基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，其特征在于，所述的喷枪和平台的相对运动程序还包括喷枪的多角度自由喷射，对喷射成形过程中的边界损失进行补偿喷射。

7.如权利要求1所述的基于多材料粒子高速喷射成形的增材制造方法，其特征在于，在喷射成形过程中，收集反射的、未粘接到基体上的材料颗粒，并采用气体回收装置收集分离材料颗粒后净化的气体，压缩之后循环利用。

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