CN106735222B - 均匀金属微滴选域择向沉积3d打印方法 - Google Patents

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    • B22F3/115—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting

Abstract

本发明公开了一种均匀金属微滴选域择向沉积3D打印方法，用于解决现有均匀金属微滴沉积3D打印方法打印精度差的技术问题。技术方案是首先以较大间距打印较低温度的金属微滴，使其打印轨迹由一离散的凸点序列组成，然后根据打印件形状要求，在离散凸点间择向沉积高温液滴，利用高温微滴在已锚定凸点间的表面张力毛细扩展机理，实现凸点间隙的完全填充，并保证热应力、热变形及局部沉积缺陷不累积，从而满足高金属件形状尺寸精度以及打印过程的稳定性的要求。

Description

均匀金属微滴选域择向沉积3D打印方法
技术领域
本发明涉及一种均匀金属微滴沉积3D打印方法，特别涉及一种均匀金属微滴选域择向沉积3D打印方法。
背景技术
均匀金属微滴按需打印技术在电子线路快速制备、复杂制件增材制造等领域有着广泛的应用前景。该技术基于离散、堆积的成形原理，以金属微滴为基本沉积单元，通过微滴逐滴堆积形成均匀金属导线、感应线圈或实体零件。与其它金属增材制造方法相比，均匀金属微滴按需打印技术具有设备及成形成本低、原材料来源广泛、能耗需求低、成形效率高等优点，有望在微电子线路及器件打印、复杂金属件增材制造、快速3D钎焊等方面取得广泛的应用。
文献“Fang,M.,.Rapid Prototyping By Deposition of Molten MetalDroplets.University of Toronto,2003.42”，“Qi,Lehua.,et al.,novel selectionmethod of scanning step for fabricating metal components based on micro-droplet deposition manufacture.International Journal of Machine Tools andManufacture,2012.56:50-58”介绍了目前均匀金属微滴打印的一般策略：在打印一颗金属微滴后，基板向打印方向偏移一个距离，然后喷射下一颗金属微滴，使之堆积到前一颗已凝固液滴的一侧，并与之形成冶金结合，按此依次逐颗堆积成线，面和体。
现有均匀金属微滴喷射成形过程中微滴连续打印方法存在以下问题：高温金属微滴连续沉积过程易形成热应力、热变形以及定位误差的积累，从而导致打印件变形。同时，高温金属微滴沉积过程中的微小缺陷(如喷嘴杂质引起的微滴误定位、弹跳等缺陷)会影响后续打印的液滴沉积，进而影响打印过程的稳定性。
发明内容
为了克服现有均匀金属微滴沉积3D打印方法打印精度差的不足，本发明提供一种均匀金属微滴选域择向沉积3D打印方法。该方法首先以较大间距打印较低温度的金属微滴，使其打印轨迹由一离散的凸点序列组成，然后根据打印件形状要求，在离散凸点间择向沉积高温液滴，利用高温微滴在已锚定凸点间的表面张力毛细扩展机理，实现凸点间隙的完全填充，并保证热应力、热变形及局部沉积缺陷不累积，从而满足高金属件形状尺寸精度以及打印过程的稳定性的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种均匀金属微滴选域择向沉积3D打印方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、接通基板加热装置5和微滴喷射加热装置2，将基板6和均匀微滴喷射装置1加热至预定温度；
步骤二、调整均匀微滴喷射装置1的温度与基板6的温度，利用均匀微滴喷射装置1打印出均匀金属微滴3，按照预定打印轨迹，在基板6上打印出离散的点阵金属凸点4；
步骤三、调整基板6与均匀微滴喷射装置1之间的相对位置，将打印位置定位于离散的金属凸点4之间空缺的中间处；
步骤四、开始同步均匀微滴喷射装置1与脉冲激光器7，激光光束9通过透镜8聚焦后，作用于沉积的均匀金属微滴3表面，使其加热成为第一层填充高温微滴11；
步骤五、按照预定打印轨迹，高温金属微滴打印于已凝固金属凸点4之间，利用毛细力的作用实现完全铺展，以填充金属凸点4之间的空缺，形成形貌均匀致密的打印件局部；
步骤六、在打印填充完毕第一层填充高温微滴11之后，按照预定打印轨迹，在剩余的金属凸点4之间空缺的中间处打印填充第二层填充高温微滴12，持续此过程，直至完成整体制件的打印成形。
本发明的有益效果是：该方法首先以较大间距打印较低温度的金属微滴，使其打印轨迹由一离散的凸点序列组成，然后根据打印件形状要求，在离散凸点间择向沉积高温液滴，利用高温微滴在已锚定凸点间的表面张力毛细扩展机理，实现凸点间隙的完全填充，并保证热应力、热变形及局部沉积缺陷不累积，从而满足高金属件形状尺寸精度以及打印过程的稳定性的要求。由于选域择向沉积将金属微滴连续沉积轨迹离散，通过优化配置打印次序，避免了高温微滴沉积过程热量及热应力的积累，同时控制高温微滴择向沉积，减小了由于热应变积累引起的变形；另外，选域择向沉积式打印能够隔离打印过程中的出现的缺陷，使其打印缺陷不会传递到临近区域，从而提高了打印过程的稳定性和打印精度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明均匀金属微滴选域择向沉积3D打印方法示意图。(a)打印金属微滴形成阵列式离散金属凸点；(b)打印高温金属填充微滴融合点阵。
图2是本发明均匀金属微滴选域择向沉积3D打印方法中打印金属导线示意图。(a)线性打印阵列式离散金属凸点；(b)打印高温金属填充微滴融合点阵；(c)打印成形完整的金属导线。
图3是本发明均匀金属微滴选域择向沉积3D打印方法中打印金属薄板件示意图。(a)面域内打印阵列式离散金属凸点；(b)打印高温金属填充微滴融合点阵；(c)打印成形局部金属薄板件；(d)打印成形完整的金属薄板件。
图中，1-均匀微滴喷射装置，2-微滴喷射加热装置，3-均匀金属微滴，4-金属凸点，5-基板加热装置，6-基板，7-脉冲激光器，8-透镜，9-激光光束，10-局部金属导线，11-第一层填充高温微滴，12-第二层填充高温微滴，13-金属导线，14-局部金属薄板件，15-完整的金属薄板件。
具体实施方式
实施例1：参照图2，采用均匀金属微滴选域择向沉积3D打印方法在基板上打印表面光滑且尺寸准确的金属导线。在打印成形金属导线时，首先需要打印温度较低的均匀金属微滴3。接通基板加热装置5和微滴喷射加热装置2，将基板6和均匀微滴喷射装置1加热至预定温度。之后，调整均匀微滴喷射装置1的温度与基板6的温度，利用均匀微滴喷射装置1打印出均匀金属微滴3，按照最优且相同液滴间距的打印轨迹，在基板6上打印出一行均匀金属微滴3，待均匀金属微滴3沉积铺展直至冷却凝固，由此形成等间距形式阵列的金属凸点4。然后，调整基板6与均匀微滴喷射装置1之间的相对位置，将打印位置定位于离散的金属凸点4之间空缺的中间处。此时，开启脉冲激光器7并使之与均匀微滴喷射装置1同步，激光光束9通过透镜8聚焦后，作用于沉积的均匀金属微滴3表面，使其加热成为第一层填充高温微滴11，然后再以两倍最优打印间距的方式打印第一层填充高温微滴11，由此形成局部金属导线10。待前面的第一层填充高温微滴11打印完毕后，继续调整基板6与均匀微滴喷射装置1之间的相对位置，使其定位于剩余金属凸点4之间空缺的中间处，重复上一步，按照两倍最优打印间距的打印方式继续打印第二层填充高温微滴12，如此打印最终形成金属导线13。
实施例2：参照图3，采用均匀金属微滴选域择向沉积3D打印方法在基板上打印表面光滑且尺寸准确的的金属薄板件。在打印成形金属薄板件时，首先需要在基板6上按照最优液滴间距条件下逐行、逐列等间距的形式打印温度较低的均匀金属微滴3，由此形成在行、列方向上阵列的金属凸点4，此过程与方法实施例1中的步骤基本相同。之后，调整基板6与均匀微滴喷射装置1之间的相对位置，将其定位于每两行金属凸点4与每两列金属凸点4之间交叉空缺中间处。此时开启脉冲激光器7并使之与均匀微滴喷射装置1同步，激光光束9通过透镜8聚焦后，作用于沉积的均匀金属微滴3表面，使其加热成为第一层填充高温微滴11，然后再以两倍最优打印间距的方式打印第一层填充高温微滴11，由此形成局部金属薄板件14。待前面的第一层填充高温微滴11打印完毕后，继续调整基板6与均匀微滴喷射装置1之间的相对位置，使其定位于剩余每两行金属凸点4与每两列金属凸点4之间交叉空缺中间处，重复上一步，按照两倍最优打印间距的打印方式继续打印第二层填充高温微滴12，如此打印最终形成完整的金属薄板件15。

Claims (1)

1.一种均匀金属微滴选域择向沉积3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、接通基板加热装置(5)和微滴喷射加热装置(2)，将基板(6)和均匀微滴喷射装置(1)加热至预定温度；
步骤二、调整均匀微滴喷射装置(1)的温度与基板(6)的温度，利用均匀微滴喷射装置(1)打印出均匀金属微滴(3)，按照预定打印轨迹，在基板(6)上打印出离散的点阵金属凸点(4)；
步骤三、调整基板(6)与均匀微滴喷射装置(1)之间的相对位置，将打印位置定位于离散的金属凸点(4)之间空缺的中间处；
步骤四、开始同步均匀微滴喷射装置(1)与脉冲激光器(7)，激光光束(9)通过透镜(8)聚焦后，作用于沉积的均匀金属微滴(3)表面，使其加热成为第一层填充高温微滴(11)；
步骤五、按照预定打印轨迹，高温金属微滴打印于已凝固金属凸点(4)之间，利用毛细力的作用实现完全铺展，以填充金属凸点(4)之间的空缺，形成形貌均匀致密的打印件局部；
步骤六、在打印填充完毕第一层填充高温微滴(11)之后，按照预定打印轨迹，在剩余的金属凸点(4)之间空缺的中间处打印填充第二层填充高温微滴(12)，持续此过程，直至完成整体制件的打印成形。
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