CN107225246A - 超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置及方法，属于增材制造领域。三轴运动平台固定在外壳一底板上，纸带系统固定在三轴运动平台的面板上，激光扫描切割系统固定在外壳一的顶部封闭板一上，实体模材料系统和牺牲模材料系统均固定在外壳一的顶部封闭板二、顶部封闭板三和顶部封闭板四上，加热基板固定在三轴运动平台的Z轴运动系统上。优点是成形速度快，成形样件精度高，层厚均匀，无残余应力，无热变形，成形样件综合力学性能好。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置及方法，实现金属零件高精度快速成形。
背景技术
增材制造技术正在改变我们的生产和生活方式，许多发达国家和发展中国家均高度重视并积极推广该技术。金属零件增材制造技术作为整个增材制造体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。目前用于直接制造金属功能零件的快速成形方法有：选区激光烧结(SLS)技术、选区激光熔化(SLM)技术、电子束选区熔化(EBM)技术以及金属均匀微滴喷射成形等。
SLS技术装置由控制单元、保护器密封单元、激光器、粉末缸、成形缸和铺粉装置等组成，装置工作过程中，计算机控制粉末缸活塞上升，铺粉装置带动粉末并将粉末均匀的铺在成形缸的基板上，根据切片模型单层轨迹，计算机控制激光束的扫描轨迹，选择性地烧结基板上粉末材料以形成零件的一个层面。完成一层烧结后，工作缸活塞带动基板下降一个层厚的距离，粉末缸活塞上升一个层厚的距离，铺粉装置在成形缸基板上铺上一层新的粉末，控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到整个零件成形完毕。SLS工艺采用半固态液相烧结机制，部分粉末未发生熔化，成形件中含有未熔固相颗粒，直接导致孔隙率高、致密度低、拉伸强度差、表面粗糙度高等工艺缺陷，而且存在设备价格和粉末价格较高等问题。
SLM技术是在SLS基础上发展起来的，二者的基本工作原理类似。SLM技术使金属粉末完全熔化，虽能在一定程度上改善SLS激光成形件的致密度和表面光洁度，但是同样使用了粉末材料，成形件的还是表面质量较差，而且相对于SLS技术使用了更高功率的激光器，所以设备的价格更高。
EBM与SLS技术和SLM技术的工作过程相似，主要是熔化金属的方法不同，EBM技术是一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末，从而使得粉末材料熔化成形的快速制造技术。但其存在一个比较特殊的问题即粉末溃散现象，其原因是电子束具有较大动能，当高速轰击金属原子使之加热、升温时，电子的部分动能也直接转化为粉末微粒的动能。当粉末流动性较好时，粉末颗粒会被电子束推开形成溃散现象。EBM技术成形室中必须为高真空，才能保证设备正常工作，这使得EBM技术整机复杂度提高，真空室抽气过程中粉末容易被气流带走，造成真空系统的污染。还因在真空度下粉末容易扬起而造成系统污染。此外，电子束无法比较难像激光束一样聚焦出细微的光斑因此成形件难以达到较高的尺寸精度。因此，对于精密或有细微结构的功能件，电子束选区熔化成形技术是难以直接制造出来的。而且电子束熔化技术的价格也很高。
金属均匀微滴喷射成形基于“离散一堆积”的成形原理，通过微滴喷射器产生金属微滴，同时控制三维基板运动，使微滴精确沉积在特定位置，微滴随后与基体或已沉积的金属层熔合，通过“逐点、逐行、逐层”地打印微滴，成形具有复杂结构的三维实体。成形的工件孔隙率高、致密度低、拉伸强度差、表面粗糙度高。
综上所述，现有的SLS技术、SLM技术、EBM技术等增材制造技术的设备购买费用较高，成形工艺对粉末质量要求较高，均需要价格较高的粉末材料，而且成形的工件孔隙率高，成形零件表面较粗糙，内部有残余热应力，使用过程中内部微裂纹扩展容易造成成形零件失效。金属均匀微滴喷射成形装置的成形零件孔隙率高、致密度低、拉伸强度差、表面粗糙度高，难以直接应用于生产实践。本发明正是针对目前金属增材制造装置的现状，研制了超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置及方法，通过超声雾化装置将金属熔液形成微液滴，喷涂在激光扫描振镜切割好的纸带轮廓内，形成层厚致密均匀且层厚可控的单个层面，如此层层叠加最终形成实体零件，成形速度快，成形样件精度高，无残余应力，无热变形，成形零件综合力学好，成形装置制造和维护成本低，无需价格较高的粉末材料。
发明内容
本发明提供一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置及方法，以解决均匀金属微滴喷射成形零件尺寸差，层厚较厚，孔隙较多，残余应力大以及力学性能较差，以及现有基于粉末材料的选区激光烧结技术、选区激光熔化技术和电子束选区熔化技术，设备和粉末材料价格高，粉末材料制作工艺复杂以及粉末材料易被氧化，后处理工艺复杂，孔隙较多，样件残余应力大等问题。
本发明采取的技术方案是：三轴运动平台固定在外壳一底板上，纸带系统固定在三轴运动平台的面板上，激光扫描切割系统固定在外壳一的顶部封闭板一上，实体模材料系统和牺牲模材料系统均固定在外壳一的顶部封闭板二、顶部封闭板三和顶部封闭板四上，加热基板固定在三轴运动平台的Z轴运动系统上。
所述的外壳一由门一、左侧封闭板、顶部封闭板一、顶部封闭板二、顶部封闭板三、顶部封闭板四、右侧封闭板、门二、外壳一底板、环形框一、整体框架、环形框二和后封闭板组成，所述的门一和门二与整体框架活动连接，左侧封闭板、顶部封闭板一、顶部封闭板二、顶部封闭板三、顶部封闭板四、右侧封闭板、环形框一、环形框二、后封闭板分别固定在整体框架相应位置上。
所述的三轴运动平台由X轴运动系统、Y轴运动系统和Z轴运动系统组成，所述的X轴运动系统固定在外壳一底板上，所述的Y轴运动系统通过螺纹连接固定在X轴运动系统的面板一上，所述的Z轴运动系统固定在Y轴运动系统的面板二上。
所述的X轴运动系统和Y轴运动系统具有相同结构，所述的X轴运动系统由丝杠支座一、丝杠一、螺母座一、螺母一、面板一、联轴器一、电机座一、电机一、限位块一、底板一、导轨一和滑块一组成；所述的Y轴运动系统由丝杠支座二、丝杠二、螺母座二、螺母二、面板二、联轴器二、电机座二、电机二、限位块二、底板二、导轨二和滑块二组成；其中所述X轴运动系统的丝杠支座一、电机座下、限位块一和导轨一均固定在底板一上，底板一固定在机架底板上，所述的丝杠一通过深沟球轴承固定在丝杠支座一上，所述的螺母一通过螺纹连接固定在螺母座一上，螺母座一和滑块一通过螺纹连接固定在面板一上，所述的滑块一与导轨一采用滑动连接，所述的电机一固定在电机座一上，电机一通过联轴器一和丝杠一固定连接，通过电机一带动丝杠一转动，使面板一在导轨一上移动。
所述的纸带系统由步进电机一支座、步进电机一、联轴器一、供纸辊支撑、供纸辊、圆柱辊一支撑、圆柱辊一、纸带、圆柱辊二支撑、方形框、圆柱辊三、圆柱辊三支撑、收纸辊、收纸辊支撑、联轴器二、步进电机二支座、步进电机二、圆柱辊二、废纸回收盒和深沟球轴承组成；所述的步进电机一支座、供纸辊支撑、圆柱辊一支撑、圆柱辊二支撑、圆柱辊三支撑、收纸辊支撑、步进电机二支撑、废纸回收盒均固定在Y轴运动系统的面板二上，所述的步进电机一和步进电机二分别固定在步进电机一支座和步进电机二支座上，所述的供纸辊和收纸辊分别通过深沟球轴承固定在供纸辊支撑和收纸辊支撑上，所述的步进电机一通过联轴器一和供纸辊固定连接，所述的步进电机二通过联轴器二与收纸辊固定连接，通过控制步进电机一和步进电机二的转动分别带动供纸辊和收纸辊的转动实现纸带的供用，纸带为耐高温材料，方形框通过螺栓连接固定圆柱辊二支撑和圆柱辊三支撑上。
所述的供纸辊支撑和收纸辊支撑具有相同的结构，所述的供纸辊支撑由下支座和上V型块组成，所述的下支座和上V型块通过内六角螺栓连接，用于零件加工完之后或纸带用完之后供纸辊和收纸辊的更换。
所述的废纸回收盒由螺钉、环形挡板、U型夹和收纳盒组成，所述的螺钉将环形挡板固定在U型夹上，所述的U型夹固定在Y轴运动系统的面板二上，所述的收纳盒通过U型夹和环形挡板固定。
所述的激光扫描切割系统采用LOM叠层实体增材制造技术中的激光扫描切割系统，由CO2激光器、光学元件和扫描头组成；所述的激光扫描切割系统通过计算机的控制用于扫描切割纸带形成相应的形状。
所述的实体模材料系统和牺牲模材料系统具有相同的结构，所述的实体模材料系统由导管、熔炉、三通管、压力传感器、泄气阀、导气管和超声雾化系统组成，所述的导管涂有隔热涂层，用于减少导管内金属熔液热量的散失，导管分别连接熔炉和超声雾化系统，用于将熔炉中的熔液传送到超声雾化系统的雾化喷头内，所述的三通管用于连接泄气阀、导气管以及压力传感器上的导管，所述的导气管固定在熔炉的上端盖上，用于向坩埚传输气体。
所述的熔炉由隔热涂层、坩埚、实体模熔液、加热器、外壳二、上端盖和热电偶组成，所述的隔热涂层分别涂覆在外壳二和上端盖的外表面，所述的坩埚固定在外壳二上，所述的加热器为圆环形，环绕在坩埚周围，所述的上端盖通过螺栓固定在外壳二上，所述的热电偶位于坩埚内。
所述的超声雾化系统，包括雾化喷头、下端盖、圆环、冷却管、压电陶瓷堆、外壳三、压电陶瓷盖、上端盖、螺栓和变幅杆组成，雾化喷头通过螺纹连接固定在变幅杆上，变幅杆通过下端盖固定在外壳三上，变幅杆、压电陶瓷堆和压电陶瓷盖通过螺栓连接，所述的圆环与外壳三侧壁固定连接；所述的冷却管环绕在压电陶瓷堆周围，所述的上端盖固定在外壳三上。
所述的加热基板由隔热涂层、铸铜加热板和基板组成，所述的隔热涂层涂覆在铸铜加热板上，并固定在Z轴运动系统的面板上，所述的基板和铸铜加热板之间活动连接。
一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造方法，包括下列步骤：
(1)、用三维建模软件建立需要打印的零件模型，保存成STL格式，应用切片软件进行切片，将切片完的数据导入到超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置；
(2)、将牺牲模材料和实体模材料去除表面氧化层，放入到各自的熔炉内；
(3)、在成形之前首先向成形室内通入一段时间的氩气或氮气来除去外壳一中的氧气，防止加工过程中的雾化金属液滴与氧气接触之后被氧化，同时铸铜加热板给基板加热；
(4)、在成形的过程中，计算机根据切片软件成形层截面轮廓信息，控制激光扫描切割系统去除相应牺牲模截面轮廓部分的纸材，切割后，通过控制纸模系统中步进电机一和步进电机二的转动分别带动供纸辊和收纸辊的转动，将切割好的纸模运动到加热基板的上方牺牲模需要沉积的位置；
(5)、牺牲模材料系统工作，计算机根据需要雾化的牺牲模材料的性质及种类，通过控制雾化喷头的驱动频率及振幅，雾化喷头端部距基板的距离，三轴运动平台的X-Y二维运动速度，来实现牺牲模材料需要沉积的单层厚度，根据需要雾化沉积的位置，控制控制三轴运动平台的X-Y二维运动，沉积成形完一层；
(6)、牺牲模材料系统停止工作，X-Y二维平台运动到原始位置，此时控制激光扫描切割系统去除相应此层实体模截面轮廓部分的纸材，切割后，通过控制纸模系统中步进电机一和步进电机二的转动分别带动供纸辊和收纸辊的转动，将切割好的纸模运动到热基板的上方实体模需要沉积的位置；
(7)、实体模材料系统工作，计算机根据需要雾化的实体材料的性质及种类，通过控制雾化喷头的驱动频率及振幅，雾化喷头端部距基板的距离，三轴运动平台的X-Y二维运动速度，来控制实体模材料沉积的单层厚度，使之与牺牲模的单层厚度相同，根据需要雾化沉积的位置，控制控制三轴运动平台的X-Y二维运动，沉积成形完一层，实体模材料系统停止工作，X-Y二维平台运动到原始位置，此时Z轴运动系统带动加热基板下降一个层厚的高度，同时激光扫描切割系统去除下一层相应牺牲模截面轮廓部分的纸材，如此层层叠加，直至最后成形出三维实体零件；
(8)、加工完成后取下基板，然后将零件从基板取下；把零件放到具有一定温度的加热设备中，加热到牺牲模金属的熔化温度使牺牲模熔化剩下的就是所需要的实体零件模型；
(9)、加工完成后取下基板，然后将零件从基板取下，把零件放到具有一定温度的加热设备中，加热到牺牲模金属的熔化温度使牺牲模熔化剩下的就是所需要的实体零件模型。
超声雾化系统产生的超声雾化液滴，其直径D与超声频率f、振幅A、液体的密度ρ及表面张力σ有关，公式如下：
纸带下表面和基板的上表面距离大于一个层厚的距离，比一层厚的距离多15μm。
超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置通过超声雾化喷涂两种温度差为50～250℃的金属材料。
通过控制雾化喷头的驱动频率及振幅、液体的密度、雾化喷头端部距离、三轴运动平台的X-Y二维运动速度，可以实现单层厚为50微米到200微米的层厚变化，实现不同精度的三维成形。
本发明将金属熔液形成微液滴，精密喷涂在激光扫描切割系统切割好的纸带轮廓内，沉积形成层厚致密均匀且层厚可控的轮廓，如此层层叠加最终形成实体零件，成形速度快，成形样件精度高，层厚均匀，无残余应力，无热变形，成形样件综合力学性能好，无需价格较高的粉末材料，只需块状材料熔融。
本发明的有益效果是：
1.本发明的超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置，不需要高功率激光器，设备成本低，设备的后期营运维护简单。
2.本发明不需要高质量要求的粉末材料，只需简单的棒材或块状材料熔化即可，成形精度不受粉末材料粒度的影响，成形零件精度高，采用微小金属液滴直接累积成形，成形零件致密度高，无残余应力，几乎没有热变形，综合力学性能好。
3.本发明的雾化形成液滴直径不受喷头孔直径的影响，可以通过改变雾化喷头的频率f及振幅A、液体的密度ρ及表面张力σ，使成形液直径为10μm到200μm变化。
4.本发明可以简单的通过调控雾化喷头的驱动频率及振幅、三轴运动平台的X-Y二维运动速度，实现单层厚为10μm到200μm的层厚变化，从而可以实现不同精度的三维成形。
5.本发明通过三轴运动平台的X-Y方向运动带动纸带系统和加热基板在X-Y方向的移动，避免了牺牲模系统和实体模系统的移动对各自超声雾化系统的雾化效果产生影响。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明去除外壳一封闭面板的整体结构示意图；
图3是本发明的外壳一的结构示意图；
图4是本发明的三轴运动平台结构示意图；
图5是本发明的X轴运动系统结构示意图；
图6是本发明的Y轴运动系统结构示意图；
图7是本发明的Z轴运动系统结构示意图；
图8是本发明的纸带系统结构示意图；
图9是本发明的供纸辊支撑结构示意图；
图10是本发明的废纸回收盒结构示意图；
图11是本发明的废纸回收盒部分结构放大示意图；
图12是本发明的纸带系统中方形框结构示意图；
图13是本发明的激光扫描切割系统结构示意图；
图14是本发明的实体模材料系统结构示意图；
图15是本发明实体模材料系统的熔炉结构示意图；
图16是本发明的超声雾化系统结构示意图；
图17是本发明的加热基板的结构示意图；
图18是本发明喷射实体模时结构示意图。
具体实施方式
超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置，包括外壳一1、三轴运动平台2、纸带系统3、激光扫描切割系统4、实体模材料系统5、牺牲模材料系统6和加热基板7，三轴运动平台2固定在外壳一底板109上，纸带系统3固定在三轴运动平台2的面板20205上，激光扫描切割系统4固定在外壳一1的顶部封闭板一103上，实体模材料系统5和牺牲模材料系统6均固定在外壳一1的顶部封闭板二104、顶部封闭板三105和顶部封闭板四106上，加热基板7固定在三轴运动平台2的Z轴运动系统203上。
所述的外壳一1由门一101、左侧封闭板102、顶部封闭板一103、顶部封闭板二104、顶部封闭板三105、顶部封闭板四106、右侧封闭板107、门二108、外壳一底板109、环形框一110、整体框架111、环形框二112和后封闭板113组成，所述的门一101和门二108与整体框架111活动连接，左侧封闭板102、顶部封闭板一103、顶部封闭板二104、顶部封闭板三105、顶部封闭板四106、右侧封闭板107、环形框一110、环形框二112、后封闭板113分别固定在整体框架111相应位置上；超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置上所有结构安装完毕时，只要关闭所述的门一101和门二108，整个装置形成一个密闭的空间，通过输入氮气或氩气排出其中氧气，防止雾化的金属氧化。
所述的三轴运动平台2由X轴运动系统201、Y轴运动系统202和Z轴运动系统203组成，所述的X轴运动系统201固定在外壳一1底板109上，所述的Y轴运动系统202通过螺纹连接固定在X轴运动系统201的面板一20105上，所述的Z轴运动系统203固定在Y轴运动系统202的面板二20205上。
所述的X轴运动系统201和Y轴运动系统202具有相同结构，所述的X轴运动系统201由丝杠支座一20101、丝杠一20102、螺母座一20103、螺母一20104、面板一20105、联轴器一20106、电机座一20107、电机一20108、限位块一20109、底板一20110、导轨一20111和滑块一20112组成；所述的Y轴运动系统202由丝杠支座二20201、丝杠二20202、螺母座二20203、螺母二20204、面板二20205、联轴器二20206、电机座二20207、电机二20208、限位块二20209、底板二20210、导轨二20211和滑块二20212组成；其中所述X轴运动系统201的丝杠支座一20101、电机座下20107、限位块一20109和导轨一20111均固定在底板一20110上，底板一20110固定在机架底板109上，所述的丝杠一20102通过深沟球轴承固定在丝杠支座一20101上，所述的螺母一20104通过螺纹连接固定在螺母座一20103上，螺母座一20103和滑块一20112通过螺纹连接固定在面板一20105上，所述的滑块一20112与导轨一20111采用滑动连接，所述的电机一20108固定在电机座一20107上，电机一20108通过联轴器一20106和丝杠一20102固定连接，通过电机一20108带动丝杠一20102转动，使面板一20105在导轨一20111上移动。
所述的纸带系统3由步进电机一支座301、步进电机一302、联轴器一303、供纸辊支撑304、供纸辊305、圆柱辊一支撑306、圆柱辊一307、纸带308、圆柱辊二支撑309、方形框310、圆柱辊三311、圆柱辊三支撑312、收纸辊313、收纸辊支撑314、联轴器二315、步进电机二支座316、步进电机二317、圆柱辊二318、废纸回收盒319和深沟球轴承320组成；所述的步进电机一支座301、供纸辊支撑304、圆柱辊一支撑306、圆柱辊二支撑309、圆柱辊三支撑312、收纸辊支撑314、步进电机二支撑316、废纸回收盒319均固定在Y轴运动系统202的面板二20205上，所述的步进电机一302和步进电机二317分别固定在步进电机一支座301和步进电机二支座316上，所述的供纸辊305和收纸辊313分别通过深沟球轴承320固定在供纸辊支撑304和收纸辊支撑314上，所述的步进电机一302通过联轴器一303和供纸辊305固定连接，所述的步进电机二317通过联轴器二315与收纸辊313固定连接，通过控制步进电机一302和步进电机二317的转动分别带动供纸辊305和收纸辊313的转动实现纸带308的供用，纸带为耐高温材料，方形框310通过螺栓连接固定圆柱辊二支撑309和圆柱辊三支撑312上，用于防止部分雾滴向外溅射到外部。
所述的供纸辊支撑304和收纸辊支撑314具有相同的结构，所述的供纸辊支撑304由下支座30401和上V型块30402组成，所述的下支座30401和上V型块30402通过内六角螺栓连接，用于零件加工完之后或纸带用完之后供纸辊305和收纸辊313的更换。
所述的废纸回收盒319由螺钉31901、环形挡板31902、U型夹31903和收纳盒31904组成，所述的螺钉31901将环形挡板31902固定在U型夹31903上，所述的U型夹31903固定在Y轴运动系统202的面板二20525上，所述的收纳盒31904通过U型夹31903和环形挡板31902固定，所述的结构可以方便收纳盒31904的取出以及安放，即当一次加工完成时可以通过调节螺钉31901使环形挡板31902可以移动，通过移动环形挡板31902使得收纳盒31904可以抽出，处理掉其中的废纸然后在按相反的步骤安装回去。
所述的激光扫描切割系统4采用LOM叠层实体增材制造技术中的激光扫描切割系统，由CO2激光器401、光学元件402和扫描头403组成；所述的激光扫描切割系统4通过计算机的控制用于扫描切割纸带形成相应的形状。
所述的实体模材料系统5和牺牲模材料系统6具有相同的结构，所述的实体模材料系统5由导管501、熔炉502、三通管503、压力传感器504、泄气阀505、导气管506和超声雾化系统507组成，所述的导管501涂有隔热涂层，用于减少导管501内金属熔液热量的散失，导管501分别连接熔炉502和超声雾化系统507，用于将熔炉502中的熔液传送到超声雾化系统507的雾化喷头50701内，所述的三通管503用于连接泄气阀505、导气管506以及压力传感器504上的导管，所述的压力传感器504用于实时向控制系统反馈坩埚内的压强，通过计算机系统控制是否供气以及供气量，所述的导气管506固定在熔炉502的上端盖50206上，用于向坩埚50202传输气体。
所述的熔炉502由隔热涂层50201、坩埚50202、实体模熔液50203、加热器50204、外壳二50205、上端盖50206和热电偶50207组成，所述的隔热涂层50201分别涂覆在外壳二50205和上端盖50206的外表面用于减少空气中和坩埚内的热交换，所述的坩埚50202固定在外壳二50205上，用于存放被加热实体模材料的金属熔液，为实体模型提供液体，所述的加热器50204为圆环形，环绕在坩埚50202周围，用于对坩埚50202中的材料进行加热，所述的上端盖50206通过螺栓固定在外壳二50205上，便于端盖的拆卸以及下次打印时金属料材的加入，所述的热电偶50207位于坩埚50202内，用于实时测量坩埚50202内温度并随时向控制系统传输，然后控制系统根据温度控制加热器50204是否工作。
所述的超声雾化系统507，包括雾化喷头50701、下端盖50702、圆环50703、冷却管50704、压电陶瓷堆50705、外壳三50706、压电陶瓷盖50707、上端盖50708、螺栓50709和变幅杆50710组成，所述的超声雾化系统507的基本原理是利用功率源发生器将工频交流电转变为高频电磁振荡提供给压电陶瓷堆50705，压电陶瓷堆50705借助于压电晶体的伸缩效应将高频电磁振荡转化为微弱的机械振动，变幅杆50710再将机械振动的质点位移或速度放大并传至雾化喷头50701，当金属熔体从雾化喷头50701的下部的圆柱孔流至雾化喷头表面上时，在超声振动作用下铺展成液膜，当振动面的振幅达到一定值时，薄液层在超声振动的作用下被击碎，激起的液滴即从振动面上飞出形成微米级雾滴，形成高度集中的雾化金属熔液束50711，所述的喷射微滴的直径不受雾化喷头50701的下部的圆柱孔直径影响，所述的雾化喷头50701的下部的圆柱孔用于雾化金属熔液的供用，雾化喷头50701通过螺纹连接固定在变幅杆50710上，变幅杆50710通过下端盖50702固定在外壳三50706上，变幅杆50710、压电陶瓷堆50705和压电陶瓷盖50707通过螺栓50709连接，可以调节连接的预应力，所述的圆环50703与外壳三50706侧壁固定连接；所述的冷却管50704环绕在压电陶瓷堆50705周围，通过冷却液的循环给压电陶瓷堆50705降温，保证压电陶瓷的温度始终在正常工作范围；避免了金属液体的热传递使压电陶瓷温度升高超过正常工作范围；所述的上端盖50708固定在外壳三50706上。
所述的加热基板7由隔热涂层701、铸铜加热板702和基板703组成，所述的隔热涂层701涂覆在铸铜加热板702上，并固定在Z轴运动系统203的面板上，所述的基板703和铸铜加热板702之间活动连接，便于打印完零件时取下基板703，所述的铸铜加热板702上有热电偶，用于向控制系统实时反馈铸铜加热板702的温度，使铸铜加热板702始终保持在所设置温度范围内，所述的铸铜加热板702用于给基板703加热，使得已经打印在基板上的实体模和牺牲模保持一定温度，减小正在打印的新一层遇到打印完层之后温度的急剧变化，从而减少变形，提高成形精度。
一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造方法，包括下列步骤：
(1)、用三维建模软件建立需要打印的零件模型，保存成STL格式，应用切片软件进行切片，将切片完的数据导入到超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置；
(2)、将牺牲模材料和实体模材料去除表面氧化层，放入到各自的熔炉内；
(3)、在成形之前首先向成形室内通入一段时间的氩气或氮气来除去外壳一中的氧气，防止加工过程中的雾化金属液滴与氧气接触之后被氧化，同时铸铜加热板702给基板703加热；
(4)、在成形的过程中，计算机根据切片软件成形层截面轮廓信息，控制激光扫描切割系统4去除相应牺牲模8截面轮廓部分的纸材，切割后，通过控制纸模系统3中步进电机一302和步进电机二317的转动分别带动供纸辊305和收纸辊313的转动，将切割好的纸模运动到加热基板7的上方牺牲模8需要沉积的位置；
(5)、牺牲模材料系统6工作，计算机根据需要雾化的牺牲模材料的性质及种类，通过控制雾化喷头的驱动频率及振幅，雾化喷头端部距基板的距离，三轴运动平台2的X-Y二维运动速度，来实现牺牲模材料需要沉积的单层厚度，根据需要雾化沉积的位置，控制控制三轴运动平台2的X-Y二维运动，沉积成形完一层；
(6)、牺牲模材料系统6停止工作，X-Y二维平台运动到原始位置，此时控制激光扫描切割系统4去除相应此层实体模9截面轮廓部分的纸材，切割后，通过控制纸模系统3中步进电机一302和步进电机二317的转动分别带动供纸辊305和收纸辊313的转动，将切割好的纸模运动到热基板7的上方实体模9需要沉积的位置；
(7)、实体模材料系统5工作，计算机根据需要雾化的实体材料的性质及种类，通过控制雾化喷头的驱动频率及振幅，雾化喷头端部距基板的距离，三轴运动平台2的X-Y二维运动速度，来控制实体模材料沉积的单层厚度，使之与牺牲模的单层厚度相同，根据需要雾化沉积的位置，控制控制三轴运动平台2的X-Y二维运动，沉积成形完一层，实体模材料系统6停止工作，X-Y二维平台运动到原始位置，此时Z轴运动系统203带动加热基板7下降一个层厚的高度，同时激光扫描切割系统4去除下一层相应牺牲模截面轮廓部分的纸材，如此层层叠加，直至最后成形出三维实体零件；
(8)、加工完成后取下基板，然后将零件从基板取下；把零件放到具有一定温度的加热设备中，加热到牺牲模金属的熔化温度使牺牲模熔化剩下的就是所需要的实体零件模型；
(9)、加工完成后取下基板，然后将零件从基板取下，把零件放到具有一定温度的加热设备中，加热到牺牲模金属的熔化温度使牺牲模熔化剩下的就是所需要的实体零件模型。
超声雾化系统507产生的超声雾化液滴，其直径D与超声频率f、振幅A、液体的密度ρ及表面张力σ有关，公式如下：
纸带下表面和基板的上表面距离大于一个层厚的距离，比一层厚的距离多15μm。
超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置通过超声雾化喷涂两种温度差为50～250℃的金属材料。
超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置通过控制雾化喷头的驱动频率及振幅、液体的密度、雾化喷头端部距离、三轴运动平台2的X－Y二维运动速度，可以实现单层厚为50微米到200微米的层厚变化，可以实现不同精度的三维成形。
Claims (10)
1.一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置，其特征在于：三轴运动平台固定在外壳一底板上，纸带系统固定在三轴运动平台的面板上，激光扫描切割系统固定在外壳一的顶部封闭板一上，实体模材料系统和牺牲模材料系统均固定在外壳一的顶部封闭板二、顶部封闭板三和顶部封闭板四上，加热基板固定在三轴运动平台的Z轴运动系统上。
2.根据权利要求1所述的一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置，其特征在于：所述的外壳一由门一、左侧封闭板、顶部封闭板一、顶部封闭板二、顶部封闭板三、顶部封闭板四、右侧封闭板、门二、外壳一底板、环形框一、整体框架、环形框二和后封闭板组成，所述的门一和门二与整体框架活动连接，左侧封闭板、顶部封闭板一、顶部封闭板二、顶部封闭板三、顶部封闭板四、右侧封闭板、环形框一、环形框二、后封闭板分别固定在整体框架相应位置上。
3.根据权利要求1所述的一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置，其特征在于：所述的三轴运动平台由X轴运动系统、Y轴运动系统和Z轴运动系统组成，所述的X轴运动系统固定在外壳一底板上，所述的Y轴运动系统通过螺纹连接固定在X轴运动系统的面板一上，所述的Z轴运动系统固定在Y轴运动系统的面板二上。
4.根据权利要求3所述的一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置，其特征在于：所述的X轴运动系统和Y轴运动系统具有相同结构，所述的X轴运动系统由丝杠支座一、丝杠一、螺母座一、螺母一、面板一、联轴器一、电机座一、电机一、限位块一、底板一、导轨一和滑块一组成；所述的Y轴运动系统由丝杠支座二、丝杠二、螺母座二、螺母二、面板二、联轴器二、电机座二、电机二、限位块二、底板二、导轨二和滑块二组成；其中所述X轴运动系统的丝杠支座一、电机座下、限位块一和导轨一均固定在底板一上，底板一固定在机架底板上，所述的丝杠一通过深沟球轴承固定在丝杠支座一上，所述的螺母一通过螺纹连接固定在螺母座一上，螺母座一和滑块一通过螺纹连接固定在面板一上，所述的滑块一与导轨一采用滑动连接，所述的电机一固定在电机座一上，电机一通过联轴器一和丝杠一固定连接，通过电机一带动丝杠一转动，使面板一在导轨一上移动。
5.根据权利要求1所述的一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置，其特征在于：所述的纸带系统由步进电机一支座、步进电机一、联轴器一、供纸辊支撑、供纸辊、圆柱辊一支撑、圆柱辊一、纸带、圆柱辊二支撑、方形框、圆柱辊三、圆柱辊三支撑、收纸辊、收纸辊支撑、联轴器二、步进电机二支座、步进电机二、圆柱辊二、废纸回收盒和深沟球轴承组成；所述的步进电机一支座、供纸辊支撑、圆柱辊一支撑、圆柱辊二支撑、圆柱辊三支撑、收纸辊支撑、步进电机二支撑、废纸回收盒均固定在Y轴运动系统的面板二上，所述的步进电机一和步进电机二分别固定在步进电机一支座和步进电机二支座上，所述的供纸辊和收纸辊分别通过深沟球轴承固定在供纸辊支撑和收纸辊支撑上，所述的步进电机一通过联轴器一和供纸辊固定连接，所述的步进电机二通过联轴器二与收纸辊固定连接，通过控制步进电机一和步进电机二的转动分别带动供纸辊和收纸辊的转动实现纸带的供用，纸带为耐高温材料，方形框通过螺栓连接固定圆柱辊二支撑和圆柱辊三支撑上；
所述的供纸辊支撑和收纸辊支撑具有相同的结构，所述的供纸辊支撑由下支座和上V型块组成，所述的下支座和上V型块通过内六角螺栓连接，用于零件加工完之后或纸带用完之后供纸辊和收纸辊的更换。
6.根据权利要求1所述的一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置，其特征在于：所述的废纸回收盒由螺钉、环形挡板、U型夹和收纳盒组成，所述的螺钉将环形挡板固定在U型夹上，所述的U型夹固定在Y轴运动系统的面板二上，所述的收纳盒通过U型夹和环形挡板固定。
7.根据权利要求1所述的一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置，其特征在于：所述的实体模材料系统和牺牲模材料系统具有相同的结构，所述的实体模材料系统由导管、熔炉、三通管、压力传感器、泄气阀、导气管和超声雾化系统组成，所述的导管涂有隔热涂层，用于减少导管内金属熔液热量的散失，导管分别连接熔炉和超声雾化系统，用于将熔炉中的熔液传送到超声雾化系统的雾化喷头内，所述的三通管用于连接泄气阀、导气管以及压力传感器上的导管，所述的导气管固定在熔炉的上端盖上，用于向坩埚传输气体；
所述的熔炉由隔热涂层、坩埚、实体模熔液、加热器、外壳二、上端盖和热电偶组成，所述的隔热涂层分别涂覆在外壳二和上端盖的外表面，所述的坩埚固定在外壳二上，所述的加热器为圆环形，环绕在坩埚周围，所述的上端盖通过螺栓固定在外壳二上，所述的热电偶位于坩埚内；
所述的超声雾化系统，包括雾化喷头、下端盖、圆环、冷却管、压电陶瓷堆、外壳三、压电陶瓷盖、上端盖、螺栓和变幅杆组成，雾化喷头通过螺纹连接固定在变幅杆上，变幅杆通过下端盖固定在外壳三上，变幅杆、压电陶瓷堆和压电陶瓷盖通过螺栓连接，所述的圆环与外壳三侧壁固定连接；所述的冷却管环绕在压电陶瓷堆周围，所述的上端盖固定在外壳三上。
8.根据权利要求1所述的一种超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置，其特征在于：所述的加热基板由隔热涂层、铸铜加热板和基板组成，所述的隔热涂层涂覆在铸铜加热板上，并固定在Z轴运动系统的面板上，所述的基板和铸铜加热板之间活动连接。
9.一种采用如权利要求1所述的超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置的增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)、用三维建模软件建立需要打印的零件模型，保存成STL格式，应用切片软件进行切片，将切片完的数据导入到超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置；
(2)、将牺牲模材料和实体模材料去除表面氧化层，放入到各自的熔炉内；
(3)、在成形之前首先向成形室内通入一段时间的氩气或氮气来除去外壳一中的氧气，防止加工过程中的雾化金属液滴与氧气接触之后被氧化，同时铸铜加热板给基板加热；
(4)、在成形的过程中，计算机根据切片软件成形层截面轮廓信息，控制激光扫描切割系统去除相应牺牲模截面轮廓部分的纸材，切割后，通过控制纸模系统中步进电机一和步进电机二的转动分别带动供纸辊和收纸辊的转动，将切割好的纸模运动到加热基板的上方牺牲模需要沉积的位置；
(5)、牺牲模材料系统工作，计算机根据需要雾化的牺牲模材料的性质及种类，通过控制雾化喷头的驱动频率及振幅，雾化喷头端部距基板的距离，三轴运动平台的X-Y二维运动速度，来实现牺牲模材料需要沉积的单层厚度，根据需要雾化沉积的位置，控制控制三轴运动平台的X-Y二维运动，沉积成形完一层；
(6)、牺牲模材料系统停止工作，X-Y二维平台运动到原始位置，此时控制激光扫描切割系统去除相应此层实体模截面轮廓部分的纸材，切割后，通过控制纸模系统中步进电机一和步进电机二的转动分别带动供纸辊和收纸辊的转动，将切割好的纸模运动到热基板的上方实体模需要沉积的位置；
(7)、实体模材料系统工作，计算机根据需要雾化的实体材料的性质及种类，通过控制雾化喷头的驱动频率及振幅，雾化喷头端部距基板的距离，三轴运动平台的X-Y二维运动速度，来控制实体模材料沉积的单层厚度，使之与牺牲模的单层厚度相同，根据需要雾化沉积的位置，控制控制三轴运动平台的X-Y二维运动，沉积成形完一层，实体模材料系统停止工作，X-Y二维平台运动到原始位置，此时Z轴运动系统带动加热基板下降一个层厚的高度，同时激光扫描切割系统去除下一层相应牺牲模截面轮廓部分的纸材，如此层层叠加，直至最后成形出三维实体零件；
(8)、加工完成后取下基板，然后将零件从基板取下；把零件放到具有一定温度的加热设备中，加热到牺牲模金属的熔化温度使牺牲模熔化剩下的就是所需要的实体零件模型；
(9)、加工完成后取下基板，然后将零件从基板取下，把零件放到具有一定温度的加热设备中，加热到牺牲模金属的熔化温度使牺牲模熔化剩下的就是所需要的实体零件模型。
10.如权利要求9所述的采用超声雾化金属物理气相沉积增材制造装置的增材制造方法，其特征在于，所述的超声雾化系统产生的超声雾化液滴，其直径D与超声频率f、振幅A、液体的密度ρ及表面张力σ有关，公式如下：
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<mi>A</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
纸带下表面和基板的上表面距离大于一个层厚的距离，比一层厚的距离多15μm；
通过超声雾化喷涂两种温度差为50～250℃的金属材料。
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|---|---|---|---|---|
| US20070029693A1 (en) * | 2005-08-02 | 2007-02-08 | Wigand John T | Method and apparatus for fabricating three dimensional models |
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-
2017
- 2017-07-26 CN CN201710617895.7A patent/CN107225246A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 杨福宝等 * |
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