CN1328888A - 基于液体热化学反应的直接快速精密金属型成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于快速精密金属型成形技术领域。该方法是将室温下的液体反应物从喷嘴中喷出,接触到热平板上,在此温度下该反应物通过热化学反应生成的固体物质堆积到底板上,所得到的固体物质通过原子与原子之间的堆积,实现层内与层与层之间的粘结,通过控制喷头和喷射的时间逐层向上有序堆积,最终得到实体金属型。本发明具有加工精度高,工艺简单,得到的产物结合强度高、密度大、收缩率小等特点。

Description

基于液体热化学反应的直接快速精密金属型成形方法

本发明属于快速精密金属型成形技术领域。

目前快速金属型成形方法采用了液态金属微滴沉积技术(Liquid Metal DropletEjection and Depostion Techniques)。该工艺由Jung-Hoon Chun和ChristianH.Passow发明，见美国专利US，5,266,098。该工艺使用的材料为金属固体，采用一种金属微粒均匀喷射装置，该装置用加热炉熔化合金，通过控制金属喷射时的振动频率可以控制微滴的尺寸轮廓和特定的微粒结构。当该装置沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料喷出；材料迅速凝固，并与周围及上一层的材料粘接在一起，逐步堆积得到金属原型。在成形过程中材料之间的连接靠材料本身熔融来实现的，是基于依靠材料间的镶嵌、扩散、吸附等物理作用实现材料间连接的一类快速成形工艺。

液态金属微滴沉积技术由于使用的成形材料是金属粉末，首先要在喷射装置中直接熔化金属，金属加热融化形成微滴，在指定时间内输送到指定位置与成形材料连接并凝固。该装置的加热温度一般很高，喷射出的液滴在底板上凝固时收缩率大，影响成形工件的尺寸精度。在该工艺中金属材料存在着熔化(相变)，凝固(相变)收缩并引起很大的残余应力和变形因而引发一系列问题，致使精度无法保证，表面粗糙度高居不下。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于液体热化学反应的直接快速精密金属型成形方法，具有加工精度高，工艺简单，得到的产物结合强度高、密度大、收缩率小等特点。

本发明提出的一种基于液体热化学反应的直接快速精密金属型成形方法，在密闭的成型室环境中进行，该成型室内包括六个部分：温控底板加热单元；X-Y向扫描和Z向上升以及其定位单元；反应物提供和控制单元：喷头装置；压力产生单元和气体产物的处理和回收单元；

其特征在于，采用其生成物是金属单质和气体的液体物质作为成形材料；该成形工艺具体包括以下步骤：

1)将温控底板加热到一定的温度并保持；

2)关上成型室，运行压力产生单元直到产生一定的压力；

3)打开反应物提供和控制单元并调整液体反应物的流量和压力；

4)运行扫描系统使喷头装置按预定位置和时间喷射或喷洒反应物，液滴在热的温控底板上中迅速发生化学反应，得到的固体产物形成该层的实际轨迹，而得到的气体生成物通过气体产物的处理和回收单元从成型室中去除；

5)通过X-Y向扫描和Z向上升以及其定位单元中的Z轴升降运动子单元使底板上升一个层厚的距离；

6)喷头在每层的轨迹处按需喷射，液滴与已成形的部分通过化学反应粘结，在底板向上逐层堆积，最后成形得到与电子模型对应的物理模型。本发明所述的液态物质成形材料可以是有机金属化合物。

上述的成形材料可通过计算机辅助设计模型一CAD模型驱动的扫描系统沿扫描路径和点位格式喷射或挤出而堆积成型。

本发明方法中所述的密闭的成型室中的各设备均可采用已有技术的已知设备，在此不再详细描述。

本发明的成形原理：

本发明所述方法依据离散/堆积成形的原理，由三维CAD模型直接驱动运动系统，使得喷头能随运动单元做XY水平面的任意曲线运动以及工作台做Z向升降运动。该方法是将室温下的液体反应物(有机金属化合物等)从喷嘴中喷出，接触到热平板上，在此温度下该反应物通过热化学反应(分解反应等)生成的固体物质堆积到底板上，所得到的固体物质通过原子与原子之间的堆积，实现层内与层与层之间的粘结，通过控制喷头和喷射的时间逐层向上有序堆积，最终得到实体金属型。

本发明的优点在于：

目前世界上任何一种金属直接成形方法均存在加热、相变的过程，并由此带来一系列问题，本发明摒弃了大家惯用的思路，从根本上为金属直接成形开辟了新径，其具体特点包括以下几方面：

第一，不存在加热—相变(熔化)—冷却—相变(凝固)过程，大大减少成形过程中的残余应力，因而精度将大大提高；

第二，由于喷头无需加热，且在低于金属熔点温度下制备金属型，喷头简单，使用寿命长；

第三，成形过程中液体反应物在一定温度的底板上发生热化学反应，得到的金属产物是通过原子聚集而成的。所以它的微观结构比物理过程得到的产物结合强度高、密度大、收缩率小；

第四，该工艺仅底板需要加热，系统更简单，更容易控制；

第五，可采用直径小的喷嘴，在微滴接触的区域底板保持恒定的温度用于堆积，得到的金属型可以很精细，精度高；最后，由于这种工艺的零件具有完全致密的金属微观结构，其机械性能类似于实际产品。输出直接是金属型，可供设计人员和用户进行功能测试。省略模具制造及相应设备的准备等中间步骤，大大减少了开发时间。

附图简要说明：

图1为本发明的实施例成形方法原理和成形结构示意图。

本发明提出的基于液体热化学反应的直接快速精密金属型成形方法的实施例结合附图详细说明如下：

本实施例的成形方法原理和成形环境结构如图1所示，其中，密闭成型室1包含有一个入口——压力产生单元和一个出口——气体产物处理和回收单元。X-Y扫描单元3和Z向移动平台8与基座9相连。在Z向移动平台8上从下到上依次放置加热单元7和温控底板6，在温控底板上得到成形的工件5。喷头2固定于X-Y扫描单元3上，喷头2中液体反应物材料由反应物提供单元供给，通过调节阀门4来调节液体反应物材料的流量。

本实施例采用的液态材料为有机金属化合物中的五羰基合金铁(Fe(co)₅)。

本实施例的成形方法包括以下步骤：

1、温控底板6置于密闭成型室1，启动加热系统7，使温控底板6的温度为150—450℃。提供五羰基合金铁发生热分解反应所需要的温度；

2、运行压力产生系统，密闭成型室的压力为15—100kPa。提供五羰基合金铁发生热分解反应所需要的压力；

3、打开反应物提供和控制单元，通过调整阀门4调整液体反应物—五羰基合金铁的流量和压力；

4、通过计算机发送NC代码，运行X-Y扫描系统3使喷头2在XY平面内按预定位置和时间喷洒五羰基合金铁，液滴在热的温控底板6上中迅速发生化学反应，得到的固体产物—铁形成该层的实际轨迹，而得到的气体生成物—CO通过气体产物的处理和回收单元从成型室1中去除；

5、通过Z向移动平台8使温控底板6上升一个层厚的距离；

6、喷头2在每层的轨迹处按需喷射，液滴与已成形的部分通过化学反应粘结，在温控底板6向上逐层堆积，最后成形得到与电子模型对应的工件5。

Claims (3)

1、一种基于液体热化学反应的直接快速精密金属型成形方法，在密闭的成型室环境中进行，该成型室内包括六个部分：温控底板加热单元；X-Y向扫描和Z向上升以及其定位单元；反应物提供和控制单元；喷头装置；压力产生单元和气体产物的处理和回收单元；

其特征在于，采用其生成物是金属单质和气体的液体物质作为成形材料；该成形工艺具体包括以下步骤：

1)将温控底板加热到一定的温度并保持；

2)关上成型室，运行压力产生单元直到产生一定的压力；

3)打开反应物提供和控制单元并调整液体反应物的流量和压力；

4)运行扫描系统使喷头装置按预定位置和时间喷射或喷洒反应物，液滴在热的温控底板上中迅速发生化学反应，得到的固体产物形成该层的实际堆积轨迹，而得到的气体生成物通过气体产物的处理和回收单元从成型室中去除；

5)通过X-Y向扫描和Z向上升以及其定位单元中的Z轴升降运动子单元使底板上升一个层厚的距离；

6)喷头在每层的轨迹处按需喷射，液滴与已成形的部分通过化学反应粘结，在底板向上逐层堆积，最后成形得到与电子模型对应的物理模型。

2、如权利要求1所述的基于液体热化学反应的直接快速精密金属型成形方法，其特征在于，所述的液态物质成形材料是有机金属化合物。

3、如权利要求1所述的基于液体热化学反应的直接快速精密金属型成形方法，其特征在于，该成形材料是通过计算机辅助设计模型—CAD模型驱动的扫描系统沿扫描路径和点位格式喷射或挤出而堆积成型。