CN105834422B - 一种金属增材制造方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属增材制造方法，包括逐层构建零件结构及支撑结构，在进行支撑结构构建时，采用粘接剂粘结金属粉末材料的方式构建支撑结构；在零件成形完成后，采用高温加热或有机溶剂溶解的方式将粘结剂熔化或溶解，去除支撑结构。本发明还公开了用于该方法的金属增材制造装置，包括高能束源、光学单元、成形室及位于成形室内的成形缸、铺粉装置，成形室还设有喷胶装置，喷胶装置用于提供上述方法中构建支撑结构所需的粘接剂。采用本发明的方法和装置构建的支撑结构，在零件成形完成后，仅需采用高温加热或有机溶剂溶解的方式，使粘结剂熔化或溶解，即可去除支撑，不需要后续加工处理，节约了后处理成本，提高了成形效率。

Description

一种金属增材制造方法及装置
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种金属增材制造方法，还涉及了一种用于该方法的金属增材制造装置。
背景技术
增材制造技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料累加原理的快速成型过程，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等非金属粘合材料，通过逐层累积的方式来构造物体的技术，具有不受零件复杂程度限制，完全数字化控制等特点。
金属增材制造作为增材制造技术的重要组成部分，主要以金属粉末、颗粒或金属丝材为原料，通过CAD模型预分层处理，采用高功率激光束熔化堆积成形三维物体。该技术改变了传统金属零件的加工模式，特别是高性能、难加工、构型复杂等金属零件，但是在成形某些特殊结构(例如：悬臂结构等)时，为了保证成形过程的稳定及成形零件的精度，通常需要在悬臂结构下方设计支撑结构，成形时，熔融金属粉末同时进行零件部分和支撑部分的成形，完成后再采取机械加工(如：线切割)等方式去除支撑结构。
由于在现有金属增材制造过程中，支撑结构通常作为零部件的一部分进行加工成形，在成形完成后，支撑结构不易去除，需要采用机械加工方式去除，提高了零件的后处理成本；同时在支撑去除的过程中，零件容易在与支撑结构连接的区域发生变形，进而影响零件的成形质量。因此，寻求一种支撑生成方法，使生成的支撑在满足功能要求的前提下易于去除是非常有意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属增材制造方法，采用该方法生成的支撑结构易于去除，解决了现有支撑结构需要采用机械加工方式去除且影响零件的成形质量的问题。
本发明的另一个目的是提供一种金属增材制造装置，用于上述金属增材制造方法。
本发明所采用的一个技术方案是，一种金属增材制造方法，包括逐层构建零件结构及支撑结构，采用粘接剂粘结金属粉末材料的方式构建支撑结构；在零件成形完成后，采用高温加热或有机溶剂溶解的方式熔化或溶解粘结剂，去除支撑结构。
粘结剂通过位于成形缸上方的喷胶装置喷射在成形平面的金属粉末上。
其中，粘接剂为快干胶或厌氧胶，其高温加热熔化时的加热温度高于100℃，有机溶剂可为丙酮溶液。
零件部分通过高能束熔融成形，高能束源为激光束源或电子束源。
本发明所采用的另一个技术方案是，上述方法所用的金属增材制造装置，该装置包括高能束源、光学单元、成形室及位于成形室内的成形缸、铺粉装置，成形室内还设有喷胶装置，喷胶装置用于提供上述方法中构建支撑结构所需的粘接剂。
喷胶装置位于成形缸上方，且可在XY平面内运动，使得喷射的粘结剂可以到达成形平面内任意位置。
喷胶装置以搭载XY导轨的方式或喷头旋转的方式在XY平面内运动。喷胶装置旁还设置有可向成形平面喷射催化剂的催化剂喷头。
本发明的有益效果是，本发明的金属增材制造方法采用粘接剂粘结金属粉末材料的方式来构建支撑结构，除了能够满足其支撑功能外，在零件成形完成后，仅需采用高温加热或有机溶剂溶解的方式，使粘结剂熔化或溶解，即可去除支撑，不需要后续加工处理，节约了后处理成本，保证了零件的成形质量，提高了成形效率。本发明的金属增材制造装置结构简单，易于实现，能够广泛适用于各种金属零件的增材制造。
附图说明
图1是本发明金属增材制造装置结构示意图；
图2是本发明待成形零件及支撑结构示意图，剖面线部分为支撑结构。
图中，1.高能束源，2.光学单元，3.高能束，4.喷胶装置，5.铺粉装置，6.成形室，7.成形缸，8.金属粉末，9.支撑结构，10.待成形零件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。
本发明提供了一种金属增材制造方法，包括逐层构建零件结构及支撑结构；在进行支撑结构构建时，不采用传统的高能束熔融金属粉末的方式进行支撑结构的成形，而是采用粘接剂粘结金属粉末材料的方式构建支撑结构；在零件成形完成后，采用高温加热或有机溶剂溶解的方式将粘结剂熔化或溶解，去除支撑结构。
为了实现该方法，本发明提供了一种金属增材制造装置，在现有的成形室内增加了喷胶装置4。如图1所示为该装置的一种结构，该装置包括高能束源1、光学单元2、成形室6和位于其内的成形缸7，成形室6内还设有铺粉装置5及喷胶装置4。喷胶装置4位于成形缸7上方，喷胶装置内装有粘接剂，可将粘接剂向下喷射在成形平面的金属粉末8上，使金属粉末8粘结在一起，构成待成形零件10的支撑结构9。喷胶装置4可在XY平面内运动，使得喷射的粘结剂可以到达成形平面内任意位置，例如，可以将喷胶装置的喷头设计为可旋转的结构，通过喷头的旋转，使粘结剂到达成形平面的任意位置，另外，喷胶装置也可通过搭载XY导轨，实现在XY平面内的运动。为了实现粘结剂的快速固化，在喷胶装置旁还设有催化剂喷头，该喷头可向下喷出催化剂，以辅助粘结剂实现快速固化。
采用上述金属增材制造装置成形需要支撑结构的零件时，其具体的成形过程如下：
(1)建立待成形零件的三维模型，并在模型相应位置进行支撑结构9设计。
(2)利用剖分软件对步骤(1)中获得的三维模型进行分层处理。
(3)将步骤(2)生成的带有支撑结构的零件层片信息导入金属增材制造装置中。
(4)铺粉装置5在成形缸7基材表面进行粉末层的铺设，高能束源1发出的高能束3经过光学单元2的处理后，根据当前层片信息中的零件轮廓信息进行扫描成形；若当前层中存在支撑结构轮廓信息，则在高能束扫描完成后，由喷胶装置根据支撑结构轮廓信息进行粘接剂喷射，粘接剂为厌氧胶，金属粉末快速固化，构建支撑结构，当需要催化剂时，催化剂喷头可喷射催化剂，在催化剂的催化下，金属粉末快速固化为支撑结构。
(5)完成当前层的成形后，成形缸下降一个层厚的高度，重复步骤(4)，直至完成整个带有支撑结构的零件的成形；如图2为完成了支撑结构成形的待成形零件10。
(6)将带有支撑结构的成形零件在200℃进行高温加热处理或采用丙酮溶液溶解支撑结构，去除支撑，得到最终的成形零件。
在上述步骤(4)中，也可以先进行支撑结构的构建，后进行零件结构的成形；或者在可能的情况下，零件结构的成形和支撑结构的构建同时进行。
本发明的粘接剂可选快干胶或厌氧胶，在成形室6的无氧环境下，可以使金属粉末快速固化。厌氧胶、快干胶的熔点为100℃以上，在该温度下熔化厌氧胶或快干胶后，支撑结构可轻松去除，或者采用丙酮溶液溶解厌氧胶或快干胶，去除支撑结构。本发明的高能束源1可以为激光束源或电子束源。
采用本发明方法构建的支撑结构，除了能够满足其支撑功能外，在零件成形完成后，仅需采用高温加热或有机溶剂溶解的方式，使粘结剂熔化或溶解，即可去除支撑，不需要后续加工处理，节约了后处理成本，保证了零件的成形质量，提高了成形效率。本发明的金属增材制造装置结构简单，易于实现，能够广泛适用于各种金属零件的增材制造。
本发明以上描述只是部分实施例，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。上述的具体实施方式是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本发明的材料和方法，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具体拓展均属本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种金属增材制造方法，包括逐层构建零件结构及支撑结构，其特征在于，采用粘结剂粘结金属粉末材料的方式构建支撑结构；在零件成形完成后，采用高温加热或有机溶剂溶解的方式熔化或溶解粘结剂，去除支撑结构，所述粘结剂为快干胶或厌氧胶，所述快干胶或厌氧胶高温加热熔化时的加热温度高于100℃，所述有机溶剂为丙酮；
用于上述一种金属增材制造方法的一种金属增材制造装置，包括高能束源、光学单元、成形室及位于成形室内的成形缸、铺粉装置，成形室内还设有喷胶装置，所述喷胶装置用于构建支撑结构所需的粘结剂；所述喷胶装置位于成形缸上方，且可在XY平面内运动，使得喷射的粘结剂可以到达成形平面内任意位置；所述喷胶装置以搭载XY导轨的方式或喷头旋转的方式在XY平面内运动；所述喷胶装置旁还设置有可向成形平面喷射催化剂的催化剂喷头；采用上述金属增材制造装置成形需要支撑结构的零件时，具体按照以下步骤实施：
(1)建立待成形零件的三维模型，并在模型相应位置进行支撑结构(9)设计；
(2)利用剖分软件对步骤(1)中获得的三维模型进行分层处理；
(3)将步骤(2)生成的带有支撑结构的零件层片信息导入金属增材制造装置中；
(4)铺粉装置在成形缸基材表面进行粉末层的铺设，高能束源发出的高能束经过光学单元的处理后，根据当前层片信息中的零件轮廓信息进行扫描成形；若当前层中存在支撑结构轮廓信息，则在高能束扫描完成后，由喷胶装置根据支撑结构轮廓信息进行粘结剂喷射，粘结剂为快干胶或厌氧胶，金属粉末快速固化，构建支撑结构，当需要催化剂时，催化剂喷头喷射催化剂，在催化剂的催化下，金属粉末快速固化为支撑结构；
(5)完成当前层的成形后，成形缸下降一个层厚的高度，重复步骤(4)，直至完成整个带有支撑结构的零件的成形；
(6)将带有支撑结构的成形零件在200℃进行高温加热处理或采用丙酮溶液溶解支撑结构，去除支撑，得到最终的成形零件。
2.根据权利要求1所述的金属增材制造方法，其特征在于，所述粘结剂通过位于成形缸上方的喷胶装置喷射在成形平面的金属粉末上。
3.根据权利要求1或2所述的金属增材制造方法，其特征在于，所述零件部分通过高能束熔融成形，高能束源为激光束源或电子束源。
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