CN112872368A - 增材制造增强散热金属零件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种增材制造增强散热金属零件的方法，包括以下步骤：在打印前通过三维建模软件为低导热率金属零件添加异质散热通道结构，异质散热通道结构的通道一侧处于高温区，另一侧处于散热区；将低导热率金属零件与异质散热通道结构装配为一个整体导入切片软件划分沉积层；利用金属零件材料以及异质材料逐层打印，直到打印完成，得到包含异质散热通道结构的低导热率零件毛坯，其中在同一沉积层内，使用一种或多种高热导率材料沉积散热通道结构，使用零件材料沉积零件结构；对低导热率零件毛坯进行机加工，去除基板，得到散热改善的低导热率金属零件。本方法利用金属立体成型技术在低导热率零件中添加散热通道以达到快速散热的目的。
Description
技术领域
本发明涉及金属零件增材制造技术领域，具体而言涉及一种增材制造增强散热金属零件的方法。
背景技术
区别于传统的“减材”和“等材”制造，增材制造可直接基于数据模型，通过添加材料的方法制造零件。与传统制造方法相比，增材制造技术可高效率、低成本的制造难加工的复杂零件，在航空航天、汽车、生物医疗方面具有广阔的应用前景。根据成型方式的不同，增材制造可分为预铺料式和送料式。金属立体成型通常采用的送料式增材技术，送料方式包括送粉式和送丝式，适用于小批量、大尺寸金属零件的快速成型。
金属立体成型过程是在数控系统的控制下，用同步送料熔覆的方法将金属材料按照一定的填充路径在基材上逐点堆积形成沉积层，逐层堆积最终形成三维实体零件。使用金属立体成型技术可以根据需要更换沉积材料的种类，例如采用不锈钢、钛合金等材料形成轻质的增材制造零部件，低热导率零件在使用过程中容易造成热量累积，影响设备或装置的使用性能。
发明内容
本发明目的在于提供一种增材制造增强散热金属零件的方法，基于金属立体成型技术，采用同步送料的激光熔覆增材制造，根据成型的低热导率的金属零件选择主材料以及功能材料，为了提高低导热率零件的散热能力、提高相应设备或装置的使用性能，本方法利用金属立体成型技术在低导热率零件中添加散热通道以达到快速散热的目的。
为实现上述目的，本发明提出的增材制造增强散热金属零件的方法包括以下步骤：
步骤1、在增材制造打印前，通过三维建模软件为待打印的低导热率金属零件添加异质散热通道结构，所述异质散热通道根据打印零件类型确定；所述异质散热通道结构的通道一侧处于高温区，另一侧处于散热区；
步骤2、将低导热率金属零件与异质散热通道结构装配为一个整体导入切片软件划分沉积层；
步骤3、利用低导热率金属零件材料以及散热通道结构的异质材料在基板上进行逐层打印，直到打印完成，得到包含异质散热通道结构的低导热率零件毛坯，其中在同一沉积层内，使用一种或多种高热导率材料沉积散热通道结构，使用零件材料沉积零件结构；
步骤4、对低导热率零件毛坯进行机加工，去除基板，得到散热改善的低导热率金属零件。
优选地，所述异质散热通道结构为树状散热通道结构、网格状散热通道结构或者花冠状散热通道结构中的一种。
优选地，所述低导热率金属零件为不锈钢零件、钛合金零件或者高温合金零件。
优选地，所述异质散热通道结构的异质材料为铜合金或者铝合金。
优选地，步骤1中，对于一侧接触高温区域而其他部分接触低温区的低导热率金属零件，在添加异质散热通道结构时，增加树状散热通道结构或者网格状散热通道结构。
优选地，在打印过程中，采用逐层沉积成型的方式打印低导热率金属零件和异质散热通道结构，直到打印完成。
优选地，步骤1中，对于中心接触高温区域而其他边缘部分接触低温区的低导热率金属零件，在添加异质散热通道结构时，增加花冠状散热通道结构，形成数条连接零件中心和四周的高热导率散热通道。
优选地，在打印过程中，首先打印预定高度的低导热率金属零件，然后通过逐层沉积成型的方式打印低导热率金属零件和异质散热通道结构，直到打印完成。
由以上本发明的技术方案，本发明提出的增材制造增强散热金属零件的方法通过对零件模型的处理为低导热率零件添加散热通道，然后对包含零件与散热通道的模型进行切片，通过金属立体成型技术分别使用高热导率材料和零件材料成型散热通道和零件，层层沉积最终成型为一个包含异质散热通道的零件毛坯，接着进行必要的机加工或后处理，获得具有良好散热性能的零件。
本发明的金属立体成型异质散热通道增强零件散热性能的方法，通过低导热率零件添加散热通道，能够为低导热率零件添加散热通道，增强低导热率零件的散热能力，提高相应设备或装置的使用性能。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的金属立体成型异质散热通道增强低导热率零件散热性能方法的流程图。
图2-4是不同实施例中打印不同材料的低导热率金属零件中的零件和异质散热通道结构的过程示意图。其中，图2表示含铜合金散热通道的不锈钢零件的打印过程，图3表示包含铝合金散热通道的钛合金零件的打印过程，图4表示包含铝合金散热通道的高温合金零件的打印过程。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1所示，本发明的示例性实施例提出增材制造增强散热金属零件的方法包括以下步骤：步骤1、在增材制造打印前，通过三维建模软件为待打印的低导热率金属零件添加异质散热通道结构，异质散热通道根据打印零件类型确定；异质散热通道结构的通道一侧处于高温区，另一侧处于散热区；步骤2、将低导热率金属零件与异质散热通道结构装配为一个整体导入切片软件划分沉积层；步骤3、利用低导热率金属零件材料以及散热通道结构的异质材料在基板上进行逐层打印，直到打印完成，得到包含异质散热通道结构的低导热率零件毛坯，其中在同一沉积层内，使用一种或多种高热导率材料沉积散热通道结构，使用零件材料沉积零件结构；步骤4、对低导热率零件毛坯进行机加工，去除基板，得到散热改善的低导热率金属零件。
优选地，异质散热通道结构为树状散热通道结构、网格状散热通道结构或者花冠状散热通道结构中的一种。
优选地，低导热率金属零件为不锈钢零件、钛合金零件或者高温合金零件。异质散热通道结构的异质材料为铜合金或者铝合金。
优选地，步骤1中，对于一侧接触高温区域而其他部分接触低温区的低导热率金属零件，在添加异质散热通道结构时，增加树状散热通道结构或者网格状散热通道结构。
优选地，在打印过程中，采用逐层沉积成型的方式打印低导热率金属零件和异质散热通道结构，直到打印完成。
优选地，步骤1中，对于中心接触高温区域而其他边缘部分接触低温区的低导热率金属零件，在添加异质散热通道结构时，增加花冠状散热通道结构，形成数条连接零件中心和四周的高热导率散热通道。
优选地，在打印过程中，首先打印预定高度的低导热率金属零件，然后通过逐层沉积成型的方式打印低导热率金属零件和异质散热通道结构，直到打印完成。
下面我们将结合图2-4所示的具体过程描述本发明的增材制造增强散热金属零件的方法的实施，通过金属立体成型异质散热通道增强低导热率零件的散热性能。
实施例1
结合图2，当低热导率零件wei不锈钢零件，热导率为16W/(m·K)，零件的一侧接触高温区域，另一侧接触低温区，其温度明显低于零件其他部分时，可设计一条连通零件两侧的高热导率材料散热通道结构，例如采用铜合金作为高导热率的异质材料树状散热通道结构，其热导率约为383W/(m·K)，树状结构的树冠接触高温区，分散的枝状部分接触低温区，以增加零件散热性能，并通过金属立体成型进行制备。
如图2所示，通过金属立体成型制备不锈钢零件时，可通过三维建模软件为不锈钢零件设计异质材料的散热通道结构，然后把零件与散热通道装配为一个整体导入切片软件，划分沉积层；在同一沉积层内，使用不锈钢材料沉积零件部分，使用铜合金材料沉积散热通道结构，这样层层沉积成型为一个包含铜合金散热通道的不锈钢零件。
实施例2
结合图3，当低热导率零件为钛合金零件，其热导率约为15W/(m·K)，零件的一侧接触高温区域，另一侧接触低温区，其温度明显低于零件其他部分时，可设计数条高热导率材料散热通道结构，例如采用铝合金材料作为高导热率的异质材料网格状散热通道结构，其热导率约为230W/(m·K)，网格状散热通道结构的一侧接触高温区，另一侧接触低温区，以增加零件散热性能，并通过金属立体成型进行制备。
如图3所示，通过金属立体成型制备钛合金零件时，可通过三维建模软件为钛合金零件设计异质散热通道结构，然后把零件与散热通道装配为一个整体导入切片软件划分沉积层；在同一沉积层内，使用钛合金材料沉积零件部分，使用铝合金材料沉积散热通道，这样层层沉积成型为一个包含铝合金散热通道的钛合金零件。
实施例3
结合图4，当低热导率零件为高温合金零件，其热导率约为12W/(m·K)，零件的中心接触高温区域，另一侧接触低温区，其温度明显低于零件其他部分时，可在零件上半部分设计数条连接零件中心和四周的高热导率散热通道，例如采用铝合金材料作为高导热率的异质材料花冠状散热通道结构，其热导率约为230W/(m·K)，花冠状散热通道结构的一侧接触高温区，另一侧接触低温区，以增加零件散热性能，并通过金属立体成型进行制备。
如图4所示，通过金属立体成型制备高温合金零件时，可通过三维建模软件为高温合金零件设计散热通道结构，然后把零件与散热通道装配为一个整体导入切片软件划分沉积层；在打印时，首先先打印预定高度的低导热率金属零件，然后通过逐层沉积成型的方式打印高温合金材料沉积零件部分，使用铝合金材料沉积散热通道，这样层层沉积成型为一个包含铝合金散热通道的高温合金零件。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (8)
1.一种增材制造增强散热金属零件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在增材制造打印前，通过三维建模软件为待打印的低导热率金属零件添加异质散热通道结构，所述异质散热通道根据打印零件类型确定；所述异质散热通道结构的通道一侧处于高温区，另一侧处于散热区；
步骤2、将低导热率金属零件与异质散热通道结构装配为一个整体导入切片软件划分沉积层；
步骤3、利用低导热率金属零件材料以及散热通道结构的异质材料在基板上进行逐层打印，直到打印完成，得到包含异质散热通道结构的低导热率零件毛坯，其中在同一沉积层内，使用一种或多种高热导率材料沉积散热通道结构，使用零件材料沉积零件结构；
步骤4、对低导热率零件毛坯进行机加工，去除基板，得到散热改善的低导热率金属零件。
2.根据权利要求1所述的增材制造增强散热金属零件的方法，其特征在于，所述异质散热通道结构为树状散热通道结构、网格状散热通道结构或者花冠状散热通道结构中的一种。
3.根据权利要求1所述的增材制造增强散热金属零件的方法，其特征在于，所述低导热率金属零件为不锈钢零件、钛合金零件或者高温合金零件。
4.根据权利要求3所述的增材制造增强散热金属零件的方法，其特征在于，所述异质散热通道结构的异质材料为铜合金或者铝合金。
5.根据权利要求1所述的增材制造增强散热金属零件的方法，其特征在于，步骤1中，对于一侧接触高温区域而其他部分接触低温区的低导热率金属零件，在添加异质散热通道结构时，增加树状散热通道结构或者网格状散热通道结构。
6.根据权利要求5所述的增材制造增强散热金属零件的方法，其特征在于，在打印过程中，采用逐层沉积成型的方式打印低导热率金属零件和异质散热通道结构，直到打印完成。
7.根据权利要求1所述的增材制造增强散热金属零件的方法，其特征在于，步骤1中，对于中心接触高温区域而其他边缘部分接触低温区的低导热率金属零件，在添加异质散热通道结构时，增加花冠状散热通道结构，形成数条连接零件中心和四周的高热导率散热通道。
8.根据权利要求7所述的增材制造增强散热金属零件的方法，其特征在于，在打印过程中，首先打印预定高度的低导热率金属零件，然后通过逐层沉积成型的方式打印低导热率金属零件和异质散热通道结构，直到打印完成。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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