CN109434112A - 一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3d打印系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，包括外壳(1)、控制单元(2)、设于所述外壳(1)内部的工作台(8)、非晶合金材料(3)、加热装置、机械加载装置(11)以及输送装置，所述机械加载装置(11)根据3D打印成形零件的用料要求控制所述输送装置的速度以及喷头(6)的压力载荷，且所述加热装置对所述非晶合金材料(3)局部加热、焊接以实现零件成形。本发明的空间3D打印系统，加热装置仅在喷头附近区域加热，不仅避免了非晶合金在长时间高温条件下的晶化风险，而且将非晶合金加热到过冷液相区的超塑性状态实现成形，取消了激光或电子束加热装置，增加了设备工作稳定性，特别适合空间环境中在轨制造。
Description
技术领域
本发明属于金属3D打印机制造技术领域，更具体地，涉及一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统。
背景技术
高能束3D打印(又称增材制造)是快速成型技术的一种，该技术通过连续的物理层叠加，将复杂的三维加工转变为简单的二维加工，大大降低了复杂零件的成形难度，从而有望解决传统加工技术无法完成的复杂结构件的成形制造难题。近年来，3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造，其中，金属材料的3D打印技术发展尤其迅速。据统计，金属用3D打印机的设备和材料在世界上已达3亿美元。分析师们预测，未来10年这一市场将会以32％的速度实现增长。金属3D打印机已展现出十分广阔的应用前景，在汽车制造、模具、航空航天、武器装备、医疗、船舶、能源等领域具有强劲的发展势头。
空间环境下的3D打印，是指在空间环境微重力条件下，在轨航天器利用自身携带的3D打印机及原材料，根据不同设计需求进行航天器零部件的在轨打印制造。为了进一步开发利用宇宙空间资源，扩展人类生存空间，世界各航天国家先后推出各自的深空探测发展规划。空间3D打印技术可大力推动深空探测领域的发展，还可以简化航天器零件结构设计，降低发射成本，极大程度上解决航天器的在轨修复难题，延长航天器有效在轨运行寿命。
迄今为止，太空微重力及热真空环境的3D打印技术主要为可适用于塑料的熔融沉积式(FDM)及可适合金属的(EBM)电子束无模成形制造这两种。而空间3D打印研究主要采用FDM方式，围绕着聚合物或复合材料(金属粉、金属丝及聚合物的混合物)进行，但聚合物和复合材料的强度一般不超过150MPa，限制了其空间应用范围。航天器中主要的零部件是由金属材料制备而成，因此开发金属材料的空间3D打印尤为迫切，可大部分金属材料因其高熔点，严重制约了空间3D打印技术的发展。
目前，用于金属3D打印的材料品种较少，主要包括不锈钢、高温合金、钛合金、铝镁合金及稀有金属等。且这些金属3D打印技术主要是采用激光直接熔化金属粉体(如SLM和EBM)，或采用粘合剂喷射技术(3DP)先将金属粉末粘结成型，再烧结成型制备金属零件。如专利文献CN108080638A公开了一种非晶合金箔材的激光3D打印成形系统及成形方法，并具体公开了通过激光器裁剪非晶合金箔材多余样料，再利用非晶合金加热到过冷液相区的超塑性状态，然后再利用预热的辊碾压，结合超声振动作用，使上下两层非晶合金箔材产生原子间联系，并急速降温冷却，从而形成大尺寸复杂形状、具有空洞结构的非晶合金零件。其克服了传统非晶合金制备方法对合金件尺寸和形状的限制，相对于传统的3D打印非晶合金粉末制备的非金合金零件内部结构更致密。但分析发现，该专利公开的非晶合金3D打印成形系统工艺较为复杂，且不能在如空间微重力条件等一些特殊的环境下使用，具体不足为：(1)由于激光装置需要较大的能量，而且装置占用体积空间比较大，航天器内使用高能量激光器实现3D打印成形的难度较大；(2)由于其利用预热的辊碾压，结合超声振动作用，使上下两层非晶合金箔材产生原子间联系，并急速降温冷却，从而形成大尺寸复杂形状、具有孔洞结构的非晶合金零件，大的温度梯度往往会引起大的热应力及残余应力，在复杂的空间环境下，容易导致零件产生变形、裂纹等缺陷；(3)由于火箭发射的载荷以及航天器可用空间的限制，空间3D打印系统需要轻质、便捷、小型化和自动化。因此，亟待发明一种新型的金属材料空间3D打印成形技术，并研发与之匹配的新型金属材料。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，其目的在于，采用加热装置仅在喷头附近区域加热不仅避免了非晶合金的高温晶化风险，而且将非晶合金加热到过冷液相区的超塑性状态实现成形，取消了激光或电子束加热装置，增加了设备工作稳定性，适合空间环境中在轨使用，而且也可用于地面环境。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于非晶合金超塑性焊接的3D打印系统，包括外壳及设于所述外壳外部的控制单元，还包括设于所述外壳内部的工作台、非晶合金材料、加热装置、机械加载装置以及输送装置；其中，
所述机械加载装置设于所述工作台的一侧上方，并与所述输送装置连接，所述非晶合金材料穿过所述输送装置置于所述工作台上方，所述机械加载装置用于根据3D打印成形零件的用料要求接收所述控制单元的指令控制所述输送装置的转速，从而控制非晶合金材料的输送速度及输送量；且所述加热装置设于所述工作台的另一侧，并与所述非晶合金材料的输出端及3D打印成形零件相配合，用于对所述非晶合金材料局部加热以实现零件成形。
进一步地，所述加热装置包括第一热源和第二热源，其中，所述第二热源设于所述工作台一侧上方，并聚焦于所述非晶合金材料的输出端对其进行加热，所述第一热源设于所述工作台的一端上方，并散射覆盖所述3D打印成形零件，以对其进行整体保温。
进一步地，所述输送装置包括送料滚轮，其通过支撑杆与所述机械加载装置连接。
进一步地，所述输送装置包括喷头，其设于所述非晶合金材料的输出端。
进一步地，所述送料滚轮与喷头之间还设有喉管。
进一步地，所述非晶合金材料选择合金体系为Pd、Pt、Au、Zr、Ti、Fe、Cu、Ni、Al、Mg和/或Ce基具备热塑性成形能力的非晶态合金。
进一步地，所述3D打印材料不仅包括非晶合金，而且包括钛合金、铝合金、Ni基高温合金等其他晶态金属材料。
进一步地，所述非晶合金材料为丝材、带材或者棒材。
进一步地，所述工作台为铝/铝合金、钛/钛合金材料制备而成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，采用加热装置仅在喷头附近区域加热不仅避免了非晶合金的高温晶化风险，而且将非晶合金加热到过冷液相区的超塑性状态实现成形，取消了激光加热装置，增加了设备工作稳定性，适合在轨空间环境使用，而且可用于地面环境。
(2)本发明的基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，采用具有一定刚度的非晶合金丝材、带材或者棒材，相比于传统晶态金属材料，非晶合金具有抗原子氧剥蚀、防止高真空环境中冷焊、可抵抗冷热循环影响等优势性能具有更高的空间环境适应性，因而具有更长的空间服役寿命，特别适合空间环境条件下的3D打印成形。
(3)本发明的基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，加热单元包括第一热源和第二热源，其中第一热源用于对3D打印成形零件进行整体保温，降低了温度梯度，避免应力过大产生的零件变形、开裂；第二热源聚焦于喷头处，仅在喷头附近区域加热至过冷液态，避免了非晶合金的高温晶化风险。
(4)本发明的基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，工作台另一侧上方设有机械加载装置，送料滚轮通过支撑杆与机械加载装置连接，非晶合金材料与送料滚轮相配合，机械加载装置根据3D打印成形零件的用料要求，接收控制单元的指令控制送料滚轮的转速，从而控制非晶合金材料的输送速度及输送量，从而精确控制3D打印成形零件的成形质量。
(5)本发明的基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统打印成形的产品，在成形中施加载荷或振动场，促进原子扩散，界面结合力强，制备的金属零件致密无缺陷，而现有的金属3D激光技术难以避免孔洞等缺陷，并且通常需要后处理调节成形件的结构与性能。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于非晶合金超塑性焊接的3D打印系统示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-外壳、2-控制单元、3-非晶合金材料、4-送料滚轮、5-喉管、6-喷头、7-成形的零件、8-工作台、9-第一热源、10-第二热源、11-机械加载装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对火箭发射的载荷以及航天器可用空间的限制，本发明提出一种适用于航天器的空间3D打印系统。如图1所示为本发明实施例一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统示意图，该3D打印系统包括外壳1、控制单元2、非晶合金材料3、送料滚轮4、喉管5、喷头6、工作台8、第一热源9、第二第一热源0以及机械加载装置11。其中，控制单元2设于外壳1外部，控制单元2可以地面远程控制，也可以现场操控。本发明3D打印系统由于空间具有超真空环境，因此无需真空系统或气体保护。
非晶合金由于在过冷液态区具有超塑性，可实现冶金焊接，良好的抗原子氧剥蚀、防止空间中冷焊、稳定长服役寿命等特点。特别适合空间微重力条件的3D打印成形，并在空间环境下使用。此外，非晶合金具有玻璃态结构，随着温度升高会发生玻璃转变和晶化，二者之间的温度度称之为过冷液态区，在此温度区，粘度随温度升高而降低，表现出超塑性，且可实现同种非晶合金间的界面冶金焊接。
而且，空间辐射环境产生电离化的电离辐射和高能带电粒子。晶态材料经过粒子辐照，粒子与原子的各种碰撞效应导致受激发原子的自由迁移，再通过撞击其他原子产生级联效应，引起晶界缺陷产生，逐渐产生材料宏观上的结构损伤和性能失效。而非晶合金由于具有无序原子结构，降低了粒子辐照诱导缺陷的产生、长大与集中。此外，非晶合金因其特殊的原子结构具有较低的材料表面摩擦系数和粘着系数，可有效防止空间中冷焊现象的发生。因此，本实施例中，优选选择合金体系为Zr35Ti30Be26.75Cu8.25，其具体参数为玻璃转变温度约303℃，晶化温度约Tx～460℃，最大铸造直径15mm，泊松比0.37，断裂韧性KIC＝85MPam1/2，屈服应力1.43GPa。
根据所选非晶合金体系，将金属原料按原子比进行配比，熔炼均匀。考虑到便携性和有限的空间要求，本方案采用具有一定刚度的非晶合金材料3，绕成卷。
在本发明的优选实施例中，所述非晶合金体为Pd、Pt、Au、Zr、Ti、Fe、Cu、Ni、Al、Mg和/或Ce基等所有具备热塑性成形能力的非晶态合金。
为了促进非晶合金在过冷液态条件下发生界面冶金焊合，本方案设计了加载装置，在3D打印中施加一定的载荷，且可施加振动加载，促进界面原子扩散，形成界面焊接层，增强制备零件的强度与可靠性。具体而言，工作台8置于外壳1的底部，用于放置打印成形的零件。工作台8其中一侧上方设有非晶合金材料3，工作台8另一侧上方设有机械加载装置11，送料滚轮4通过支撑杆与机械加载装置11连接，非晶合金材料3与送料滚轮4相配合，并穿过送料滚轮4进入喷头6内后，置于工作台8上方便于成形加工的位置备用。机械加载装置11根据3D打印成形零件的用料要求，接收控制单元2的指令控制送料滚轮4的转速，从而控制非晶合金材料3的输送速度及输送量，从而精确控制3D打印成形零件的成形质量。
同时，在本发明的优选实施例中，如图1所示，在工作台8的一侧，位于非晶合金材料3下方设有第二第一热源0，该第二第一热源0聚焦于喷头6，用于对非晶合金材料3进行加热，可有效避免非晶合金的高温晶化风险。进一步优选，第二第一热源0采用卤灯，聚焦对喷头6和其下方的固化层加热，加热温度为300℃～400℃。在此温度下，该非晶合金的晶化孕育期在10小时以上。这种局部加热避免整个样品长时间处在高温条件而发生晶化风险，此外，采用卤灯聚焦加热，取消了激光器或离子束加热装置，不仅降低了设备成本，而且增加了设备工作稳定性，有利于设备在航天器中的搭载。
此外，在进行3D打印零件成形时，大的温度梯度往往会引起大的热应力/残余应力，从而导致工件开裂或变形。因此，作为本发明的另一个改进，采用第一光源9对整个加工区域在低于玻璃转变温度50-100度保温，降低温度梯度，减小热应力/残余应力，避免非晶合金在空间3D打印中发生变形或开裂。优选地，该第一光源9为卤灯。
本发明采用的加热单元，一方面加热整个样品保温，防止应力过大样品变形或开裂，另一方面集中在喷头位置加热，用于降低非晶合金粘度，实现焊接。
进一步优选地，为了防止喷头6温度散射并影响送料滚轮4，在喷头6和送料滚轮4中间设计喉管5，喉管5采用隔热陶瓷制作。
如图1所示，在本发明的优选实施例中，非晶合金可以为丝材、带材或者棒材。
如图1所示，在本发明的优选实施例中，轻质便捷的3D机壳体1与基板8可以选择铝/铝合金、钛/钛合金等金属材料。
如图1所示，在本发明的优选实施例中，所述喉管5和喷头6可以设计成圆形或扁形。
在本发明的优选实施例中，喷头6可实现加载或振动加载，制备的金属零件致密无缺陷。而现有的金属3D激光技术难以避免孔洞等缺陷，并且通常需要后处理调节成形件的结构与性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，包括外壳(1)及设于所述外壳(1)外部的控制单元(2)，其特征在于，还包括设于所述外壳(1)内部的工作台(8)、非晶合金材料(3)、加热装置、机械加载装置(11)以及输送装置；其中，
所述机械加载装置(11)设于所述工作台(8)的一侧上方，并与所述输送装置连接，所述非晶合金材料(3)穿过所述输送装置置于所述工作台(8)上方，所述机械加载装置(11)用于根据3D打印成形零件的用料要求接收所述控制单元(2)的指令控制所述输送装置的速度以及喷头(6)的压力载荷，从而控制非晶合金材料(3)的输送速度、输送量以及喷头压力；且，
所述加热装置设于所述工作台(8)的另一侧，并与所述非晶合金材料(3)的输出端及3D打印成形零件相配合，用于对所述非晶合金材料(3)局部加热以实现零件成形。
2.根据权利要求1所述的一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，其特征在于，所述加热装置包括第一热源(9)和第二热源(10)；
其中，所述第二热源(10)设于所述工作台(8)一侧上方，随喷头一起移动，打印过程中始终聚焦于所述非晶合金材料(3)的输出端对其进行加热；
所述第一热源(9)设于所述工作台(8)的一端上方，并散射覆盖所述3D打印成形零件，以对其进行整体保温，避免温度梯度产生的残余应力过大，导致样品变形或开裂。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，其特征在于，所述非晶合金材料(3)选择合金体系为Pd、Pt、Au、Zr、Ti、Fe、Cu、Ni、Al、Mg和/或Ce基具备热塑性成形能力的非晶态合金。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，其特征在于，所述材料即可以为非晶合金材料，也可以是钛合金、铝合金、Ni基高温合金或其他晶态金属材料。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，其特征在于，所述非晶合金材料(3)为丝材、带材或者棒材。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，其特征在于，适合空间环境中在轨使用，以及地面环境的成形制造。
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