CN115255393A - 一种激光辅助的金属微喷液体增材制造装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光辅助的金属微喷液体增材制造装置和方法，涉及金属增材制造领域，包括手套箱、中央处理器、温度控制器、波形生成器和激光器，其中，所述手套箱内部设有电磁阀、坩埚、基板和三维平台，所述坩埚周围设有加热元件，所述三维平台设置在所述手套箱的底部，所述基板安装在所述三维平台顶部，所述三维平台可以在所述手套箱内移动，所述激光器用于补充所述基板上熔滴重熔的热量。本发明通过激光辅助热源输入热量，保证熔滴重熔及产生冶金结合，显著提高增材制备的结构件的综合力学性能，降低喷嘴的工作温度，提高增材件的尺寸，同时也为后续自由形状高熔点金属件的增材开发奠定了基础。

Description

一种激光辅助的金属微喷液体增材制造装置和方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造领域，尤其涉及一种激光辅助的金属微喷液体增材制造装置和方法。

背景技术

增材制造是一种通过数据驱动，实现物体分层打印的先进制造技术。与传统减材制造相比，增材制造具有高制造自由度、高材料利用率、可定制化以及工艺简单等特点，已广泛应用于航空航天、生物医疗、能源动力等领域。

增材制造是一个新兴且不断增长的打印技术家族，用于制造近净形状或完全独立的金属或非金属物体。ASTM F42标准将增材制造被划分为光聚合、粉末床熔融、粘结剂喷射、材料喷射、薄片层叠、材料挤出、定向能量沉积七种技术；根据能量源的不同，增材制造也可划分为基于光束打印和无光束打印。基于光束的打印方法，如粉末床熔融(Power BedFusion,PBF)，属于通常需要激光、电子束或其他定向能量脉冲的能量发生装置，设备昂贵；同时需要配套的粉材或丝材，增加工艺，进一步提高成本。

金属微喷熔滴沉积制造是无光束打印技术的一种，它基于喷墨打印的原理，利用“离散-叠加”的成形思想，以金属熔滴为基本单元，控制基板做三维运动，依据零件形状特征逐点、逐层“堆积”而实现复杂三维结构的快速打印。该技术通过坩埚将块状金属熔化，利用计算机控制金属微熔滴按需喷射，因而无需昂贵的专用设备，喷射材料范围广，在复杂金属件制备、电路打印与电子封装等领域具有广泛应用前景。由于金属材料熔点高,粘性和表面张力大,部分熔融态金属(如熔融铝)还具有腐蚀性,已经商业化的非金属材料喷射装置及控制方法很难直接应用。

近年来，国内外研究人员针对熔滴喷射理论，熔滴与前沉积层的热传递模拟等基础问题进行了深入研究，建立了熔滴精准喷射，但还有较多技术难题亟待解决。熔滴的重熔、铺展和凝固行为等受到沉积距离、熔滴温度、基板温度等多因素的耦合作用,需从实验和理论研究各参数对微滴熔合状态、内部微观组织演变规律等的影响,以保证成型件的外部形貌、内部质量及力学性能。其中熔滴温度与基板温度相匹配是保证熔滴间的良好重熔及冶金结合的必要条件，当熔滴温度较低或沉积高度远离基板时，液相分数较小,熔滴间搭接间隙难以填充完全,形成间隙孔洞；或温度过低导致未重熔，熔滴间仅靠机械结合，从而严重危害金属构件的力学性能及其目标应用。

公开号为CN208513642U的中国专利，提出了一种预热、缓冷双功能的激光增材装置，通过将激光器输出的光束整形为两束激光，其中圆形光斑用于增材作业，环形光斑用于预热和缓冷作业，目的是降低温度梯度和热裂纹萌生、扩展。在预热方面也存在着不足：1)能量分级使得所需激光能量提升，导致能量损耗；2)环形光斑预热作用对象是粉材，所需功率远大于熔滴重熔。

公开号为CN112317763A的中国专利，提出了一种超声辅助金属微喷熔滴沉积成型装置及方法，在金属微喷熔滴沉积成型过程中，对沉积层表面的熔覆层施加非接触式超声振动，利用超声的空化、声流、机械和热效应，破碎熔滴金属内的晶粒，抑制晶粒长大，有效提高成型件的表面质量，减少气孔的产生，但其仍无法解决熔滴沉积过程中热量输入不足或喷嘴温度过高的问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用低功率激光作为辅助热源的金属微喷熔滴沉积制造方法，有效的解决熔滴沉积过程中热量输入不足、熔滴冶金结合不良的情况，此方法应用范围广泛且易于扩展。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何解决金属微喷熔滴沉积过程中热量输入不足、熔滴冶金结合不良的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光辅助的金属微喷液体增材制造装置，其特征在于，包括手套箱、中央处理器、温度控制器、波形生成器和激光器，其中，所述手套箱内部设有电磁阀、坩埚、基板和三维平台，所述坩埚固定在所述手套箱内，所述坩埚周围设有加热元件，所述电磁阀设置在所述坩埚的上端，所述三维平台设置在所述手套箱的底部，所述基板安装在所述三维平台顶部，所述三维平台可以在所述手套箱内移动；所述中央处理器与所述温度控制器、所述波形生成器和所述激光器相连，所述温度控制器与所述加热元件相连，所述波形生成器与所述电磁阀相连，所述激光器用于补充所述基板上熔滴重熔的热量。

进一步地，还包括保护气体罐，所述手套箱与所述保护气体罐相连，所述手套箱与所述保护气体罐之间设有压力阀。

进一步地，还包括红外热成像仪，所述红外热成像仪与所述中央处理器相连，所述红外热成像仪用于实时检测所述基板上沉积层表面和熔滴的温度。

进一步地，所述手套箱内还设有排气阀，所述排气阀安装在所述坩埚的上端。

进一步地，所述坩埚的下端设有喷嘴，所述熔滴通过所述喷嘴流出滴到所述基板上。

本发明还提供了一种激光辅助的金属微喷液体增材制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、开启真空泵对手套箱内抽真空，再打开保护气体罐的压力阀，往所述手套箱内通入保护气体；

步骤2、温度控制器控制加热元件加热坩埚熔化金属块体，调整高温熔体的黏度，达到适合喷射的熔滴温度；

步骤3、控制电磁阀的开关,使坩埚腔内产生脉冲气压,改变所述坩埚腔内熔体体积,使流体内部产生瞬时速度和压力变化，挤压熔体流出喷嘴而形成熔滴，通过波形生成器调节脉冲频率，控制三维平台根据成型要求进行运动，使所述熔滴在基板上准确沉积成型；

步骤4、中央处理器控制激光器发射脉冲，从而在所述熔滴与沉积层的重熔与凝固前沿处进行能量输入。

进一步地，所述步骤1还包括，反复进行多次洗气操作，保护所述熔滴在沉积成型过程中不被氧化。

进一步地，所述激光辅助的金属微喷液体增材制造方法还包括：

步骤5、随着沉积进行，控制所述三维平台的z轴运动，使所述熔滴的沉积距离恒定。

进一步地，所述步骤5还包括，用红外热成像仪实时测量所述熔滴和沉积实体的温度，控制所述激光器的能量输出。

进一步地，所述激光辅助的金属微喷液体增材制造方法还包括：

步骤6、增材结束，从所述基板上取下金属沉积件进行保温后处理，清理所述基板。

在现有技术中，熔滴离开喷嘴后需经过一定的沉积距离，其与空气发生热传导、辐射导致热量损失，为使冶金结合充分，需要提高熔滴携带的热量，沉积制造高熔点金属(如铜、钛)时，熔化块体金属本身需要较高的工作温度，进一步提高温度会对喷嘴的可靠性、稳定性形成挑战；当沉积大制件达到一定高度时，基板对工作温度的影响有限，同时由于熔点限制和能量损耗，无法有效通过加热基板温度将热量沿着成型件厚度方向提供给沉积前沿；在整个生产过程中沿用单一加工参数，未引入实时调节，导致沉积体沿构建方向热量沉积现象严重，也加剧温度梯度分布不均，使成形件沿构建方向晶粒尺寸不均匀，力学性能存在较高的各向异性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、降低了喷嘴的工作温度，在一定沉积距离条件下，可以实现高熔点金属沉积；

2、完成大型构件沉积工作，当成形件高度达到一定数值时，通过激光补充熔滴重熔的热量，保证熔滴良好的冶金结合；

3、根据红外热成像仪反馈，调节激光的功率输出参数，抑制沉积前沿的热量堆积，减小温度梯度以利于等轴晶形成；

4、激光作用对象是熔滴，功率远低于熔化丝材、粉材所需功率，适用范围广，可在熔滴沉积制造领域规模化推广，具备较高的应用前景。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种激光辅助的金属微喷熔滴沉积制造装备的示意图；

其中，1-排气阀，2-电磁阀，3-波形生成器，4-温度控制器，5-红外热成像仪，6-中央处理器，7-手套箱，8-加热元件，9-坩埚，10-激光器，11-基板，12-三维平台。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明提供了一种激光辅助的金属微喷液体增材制造装置，包括手套箱7、中央处理器6、温度控制器4、波形生成器3、红外热成像仪5和激光器10，手套箱7内部设有排气阀1、电磁阀2、坩埚9、基板11和三维平台12，坩埚9固定在手套箱7中间，坩埚9周围设有加热元件8，电磁阀2、排气阀1设置在坩埚9的上端，三维平台12设置在手套箱7的底部，基板11安装在三维平台12的顶部，三维平台12可以在手套箱7内移动，坩埚9的下端设有喷嘴，熔滴通过喷嘴流出滴到基板11上；中央处理器6与温度控制器4、波形生成器3、红外热成像仪5和激光器10相连，温度控制器4与加热元件8相连，波形生成器3与电磁阀2相连，激光器10用于补充基板11上熔滴重熔的热量，红外热成像仪5用于实时检测基板11上沉积层表面和熔滴的温度，本发明还包括保护气体罐，手套箱7与保护气体罐之间设有压力阀。本发明的目的是提供一种激光辅助的金属微喷熔滴沉积制造方法，主要通过激光辅助热源输入热量，保证熔滴重熔及产生冶金结合，显著提高增材制备的结构件的综合力学性能，降低喷嘴的工作温度，提高增材件的尺寸，同时也为后续自由形状高熔点金属件的增材开发奠定了基础。

本发明采用的技术方案是：在高熔点金属微喷熔滴沉积制造过程中，喷嘴连续或按需喷射金属微滴进行沉积。为避免喷嘴温度过高导致设备可靠性低，引入低功率激光器作为辅助热源，补充熔滴在沉积距离飞行过程中丢失的热量，使熔滴具有足够的输入热量与沉积体发生重熔。同时提高了熔滴的液相分数，充分填充与相邻熔滴的搭接间隙，形成充分的冶金结合而非机械结合。红外热成像仪实时测量凝固前沿温度并进行反馈，调节激光的脉冲频率和功率，控制温度在合理范围内，避免金属熔滴流淌。具体包括以下步骤：

S1、开启真空泵对手套箱7内抽真空，再打开保护气体罐的压力阀，往手套箱7内通入保护气体，反复进行多次洗气操作，保护金属熔滴在沉积成型过程中不被氧化。

S2、温度控制器4控制加热元件8加热坩埚9熔化金属块体，调整高温熔体的黏度，达到适合喷射的熔滴温度。

S3、控制电磁阀2的开关,使坩埚9腔内产生脉冲气压,改变坩埚9腔内熔体体积,使流体内部产生瞬时速度和压力变化，挤压熔体流出喷嘴而形成微滴。调节脉冲频率，控制三维平台12根据成型要求进行运动，使金属熔液在基板11上准确沉积成型。

S4、中央处理器6控制激光器10发射脉冲，从而在熔滴与沉积层的重熔与凝固前沿处进行能量输入。

S5、随着沉积进行，控制三维平台12的z轴运动，使熔滴的沉积距离恒定。同时红外热成像仪5测量熔滴和沉积实体的温度，控制激光器的能量输出，保持温度在合适水平。

S6、增材结束，从基板11上取下金属沉积件进行保温后处理，清理基板。

本发明结合了熔滴沉积制造技术和有光束增材制造技术的优点，辅助热源的引入减轻了喷嘴工作温度的限制，增加了熔滴沉积制造的扩展性，有利于高熔点金属喷射，同时相邻熔滴的搭接间隙得到充分填充，减少了孔隙，提升了金属沉积件的力学性能。本发明降低了激光器的功率，较有光束的增材制造技术成本大幅降低，且无需制粉、制丝工艺，红外热成像仪实时检测沉积层表面和熔滴温度，调整激光脉冲，可以抑制热量堆积。

本发明是通过激光器输入热量，使用其他聚焦能量源(如电子束、离子束)也可以达到本发明的技术效果，电子束要求真空环境，有利于防止高温金属氧化，故也可作为替代方案。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光辅助的金属微喷液体增材制造装置，其特征在于，包括手套箱、中央处理器、温度控制器、波形生成器和激光器，其中，所述手套箱内部设有电磁阀、坩埚、基板和三维平台，所述坩埚固定在所述手套箱内，所述坩埚周围设有加热元件，所述电磁阀设置在所述坩埚的上端，所述三维平台设置在所述手套箱的底部，所述基板安装在所述三维平台顶部，所述三维平台可以在所述手套箱内移动；所述中央处理器与所述温度控制器、所述波形生成器和所述激光器相连，所述温度控制器与所述加热元件相连，所述波形生成器与所述电磁阀相连，所述激光器用于补充所述基板上熔滴重熔的热量。

2.如权利要求1所述的一种激光辅助的金属微喷液体增材制造装置，其特征在于，还包括保护气体罐，所述手套箱与所述保护气体罐相连，所述手套箱与所述保护气体罐之间设有压力阀。

3.如权利要求1所述的一种激光辅助的金属微喷液体增材制造装置，其特征在于，还包括红外热成像仪，所述红外热成像仪与所述中央处理器相连，所述红外热成像仪用于实时检测所述基板上沉积层表面和熔滴的温度。

4.如权利要求1所述的一种激光辅助的金属微喷液体增材制造装置，其特征在于，所述手套箱内还设有排气阀，所述排气阀安装在所述坩埚的上端。

5.如权利要求1所述的一种激光辅助的金属微喷液体增材制造装置，其特征在于，所述坩埚的下端设有喷嘴，所述熔滴通过所述喷嘴流出滴到所述基板上。

6.一种激光辅助的金属微喷液体增材制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、开启真空泵对手套箱内抽真空，再打开保护气体罐的压力阀，往所述手套箱内通入保护气体；

步骤2、温度控制器控制加热元件加热坩埚熔化金属块体，调整高温熔体的黏度，达到适合喷射的熔滴温度；

步骤3、控制电磁阀的开关,使坩埚腔内产生脉冲气压,改变所述坩埚腔内熔体体积,使流体内部产生瞬时速度和压力变化，挤压熔体流出喷嘴而形成熔滴，通过波形生成器调节脉冲频率，控制三维平台根据成型要求进行运动，使所述熔滴在基板上准确沉积成型；

步骤4、中央处理器控制激光器发射脉冲，从而在所述熔滴与沉积层的重熔与凝固前沿处进行能量输入。

7.如权利要求6所述的一种激光辅助的金属微喷液体增材制造方法，其特征在于，所述步骤1还包括，反复进行多次洗气操作，保护所述熔滴在沉积成型过程中不被氧化。

8.如权利要求6所述的一种激光辅助的金属微喷液体增材制造方法，其特征在于，所述激光辅助的金属微喷液体增材制造方法还包括：

步骤5、随着沉积进行，控制所述三维平台的z轴运动，使所述熔滴的沉积距离恒定。

9.如权利要求8所述的一种激光辅助的金属微喷液体增材制造方法，其特征在于，所述步骤5还包括，用红外热成像仪实时测量所述熔滴和沉积实体的温度，控制所述激光器的能量输出。

10.如权利要求9所述的一种激光辅助的金属微喷液体增材制造方法，其特征在于，所述激光辅助的金属微喷液体增材制造方法还包括：

步骤6、增材结束，从所述基板上取下金属沉积件进行保温后处理，清理所述基板。

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