一种掩膜式金属喷射沉积增材制造方法与流程

本发明涉及一种金属增材制造方法，属于金属增材制造技术领域。

背景技术：

金属喷射成形技术，是通过熔融金属的雾化沉积，直接制取金属零件或坯料的快速成形技术，其核心是金属液的雾化。用高压惰性气体，对熔融状态的金属进行雾化，使金属液破碎成大量细小的金属液滴，液滴被高速的雾化气体带出雾化区，具有一定的热能和动能，沉积到基板上形成具有一定致密性和形状的坯件。喷射沉积的基础成形单元为雾化金属液滴，沉积时以半固态形式聚集并凝固，解决了明显的分层问题；且金属喷射沉积时雾化金属的快速凝固会提高金属制件性能。

但是金属喷射成形过程中，雾化金属液的成形幅面较宽，成形精度无法保证，因此在零件直接制造成形方面应用较少，一般只应用于金属坯料制造、金属零件表面修复等。对于具有复杂轮廓的金属零部件，采用直接喷射沉积制造时，多采用雾化金属喷射到快速原型模具上，在陶瓷型或金属型的模面上成形零件本体，分离模具及零件，得到近净成形金属件。

当成形目标形状具有较高的深度和较复杂的轮廓时，雾化金属液滴在轮廓尖角处、小尺寸、狭窄通道处快速聚集凝固，堵塞雾化金属沉积成形通道，精度难以保证，甚至无法完全成形。因此采用凹模离散化的方式，将模具分层成为多层掩膜，逐层沉积成形，防止由于模具深度和复杂轮廓导致的沉积通道堵塞。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服金属直接喷射沉积成形零部件时，由于模具深度和复杂轮廓导致的沉积通道堵塞，难以完整、精密成形的问题，提供一种喷射沉积直接成形高精度、高性能金属零部件的增材制造工艺方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案为：一种掩膜式金属喷射沉积增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：模型获取，采用三维建模软件或对实体进行扫描，获得拟成形的零件模型；

步骤二：分层处理，将三维模型进行分层；

步骤三：掩膜制造，根据每层内外轮廓信息，采用数控加工的方式制作掩膜；

步骤四：掩膜定位，移动当前层对应掩膜，并定位至成形位置；

步骤五：通过气雾化喷嘴将熔融态金属喷射形成均匀金属液滴；

步骤六：移动基板或喷头，使金属雾化液滴沉积在基板上，并完全填充掩膜限定的空白位置；

步骤七：当前层下降一个层厚并去掉掩膜，并将下一成形层对应掩膜添加到成形位置，重复步骤五、六、七，如此逐层沉积金属，最终形成三维零件。

步骤八：脱模处理，取出成形零件，进行打磨、热处理或等静压等后处理。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的一种掩膜式金属喷射沉积增材制造方法流程图。

图2为本发明的实施例提供的一种掩膜旋转方式示意图。

附图中的标记编号说明如下：

1-左侧掩膜序列，2-右侧掩膜序列，3-掩膜内腔左侧，4-掩膜内腔右侧，5-定位销1，6-定位销2，7-定位销3，8-已成形零件

具体实施方式

下述为

本技术：
公开的方法实施例，该方法应用于实施本申请第一实施例公开的系统实施例。对于方法实施例中未披露的细节，请参照本申请系统实施例。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，以上所述仅为本发明专利的优选实施例而已，并不用于限制本发明专利，对于本领域的技术人员来说，本发明专利可以有各种更改和变化。凡在本发明专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

典型成形件为具有一定厚度、外形轮廓复杂的金属零部件，参照图1，本发明提供了一种掩膜式金属喷射沉积增材制造方法，包括以下步骤：

步骤101，模型获取，采用三维建模软件或对实体进行扫描，获得拟成形的零件模型；

步骤102，分层处理，将三维模型转换为金属喷射沉积切削复合成形软件可识别的分层数据格式。根据零件成形方向设定分层方向，将实体造型格式的cad文件经过切片软件处理后保存为n个切层数控文件。

步骤103，掩膜制造，将步骤2中获得的单层轮廓切层数控文件输入数控加工系统，依据成形精度要求选择掩膜材料的厚度和种类，切割制得n个切层掩膜模板。所述掩膜模板之间紧密接触，间隙应控制在0.03mm范围内，按顺序排列成掩膜队列，在队列一侧内部用z向定位销进行固定。

步骤104，金属喷射沉积准备，包括原材料、加热熔融装置和气雾化喷嘴；所述原材料不受形态限制，可以为棒状、块状、粉状等，本实施例中选用块状za4-1锌铝合金进行加热熔融；依据原材料种类设定所需加热参数，本实施例中熔融温度设定450℃、熔融时间15min、保温时间25min，获得流动性良好的金属熔体；

进一步地，依据成形层面轮廓大小、成形件性能要求，设定所需气雾化参数，包括液体压力和雾化气体压力，本实施例中液体压力选用0.05mpa，雾化气体压力选用0.15mpa。

步骤105，掩膜定位，将当前层对应掩膜旋转至成形位置，掩膜定位采用掩膜缺口与定位销扣合方式。掩膜加工时一端用所述z向定位销1、z向定位销2固定，左右两掩膜队列均预先加工定位缺口，在缺口旋转的目标位置预先放置定位销，当喷射第一层金属前，将最底层左右两片掩膜旋转至成形位置，直至缺口与定位销扣合，使左右两片掩膜扣合形成成形轮廓。

步骤106，将成形金属加热至熔融状态，通过气雾化喷嘴形成均匀喷雾，所述气雾化喷嘴的尺寸及雾化气体参数由所制零部件的材料、尺寸、性能要求所决定。本实施例中选用液体帽孔径0.4mm，空气帽喷雾角度45°角的气雾化喷嘴。

步骤107，基板或喷头按照预定路径移动，移动路径由所制零部件当前层的轮廓形状、尺寸、厚度所决定，使金属雾化液滴沉积在基板上，并完全填充掩膜限定的空白位置。

步骤108，将已成形掩膜旋转离开成形位置，并将下一成形层对应掩膜旋转添加到成形位置，重复步106～107，如此逐层沉积金属，最终形成三维零件，脱模处理，取出成形零件，进行打磨、热处理或等静压等后处理。

技术特征：

1.一种掩膜式金属喷射成形增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：模型获取，采用三维建模软件或对实体进行扫描，获得拟成形的零件模型；

步骤二：分层处理，将三维模型进行分层；

步骤三：掩膜制造，根据每层内外轮廓信息，采用数控加工的方式制作掩膜；

步骤四：掩膜定位，移动当前层对应掩膜，并定位至成形位置；

步骤五：通过气雾化喷嘴将熔融态金属喷射形成均匀金属液滴；

步骤六：移动基板或喷头，使金属雾化液滴沉积在基板上，并完全填充掩膜限定的空白位置；

步骤七：当前层下降一个层厚并去掉掩膜，并将下一成形层对应掩膜添加到成形位置，重复步骤五、六、七，如此逐层沉积金属，最终形成三维零件。

步骤八：脱模处理，取出成形零件，进行打磨、热处理或等静压等后处理。

2.根据权利要求1中所述的一种掩膜式金属喷射沉积增材制造方法，其特征在于，

步骤一中，所述模型获取是指通过三维建模软件或对实体进行扫描等方式获取零件模型，并可转换为掩膜式金属喷射沉积增材制造专用软件可识别的数据格式。

3.根据权利要求1中所述的一种掩膜式金属喷射沉积增材制造方法，其特征在于，

步骤二中，所述分层处理是指根据零件成形方向，将实体造型格式的cad文件经过切片软件处理后保存为n个切层数控文件。

4.根据权利要求1中所述的一种掩膜式金属喷射沉积增材制造方法，其特征在于，

步骤三中，所述掩膜制造是将单层轮廓信息输入数控加工系统，依据成形精度要求选择掩膜材料的厚度和种类，切割制得n个切层掩膜模板，同一层掩膜由左右两片扣合而成。所述掩膜模板之间紧密接触，按顺序排列成左右两个掩膜队列，在队列一侧内部用z向定位销1、z向定位销2分别进行固定。

5.根据权利要求1中所述的一种掩膜式金属喷射沉积增材制造方法，其特征在于，

步骤四中，所述掩膜定位包括但不限于旋转左右两侧掩膜，直至掩膜缺口与定位销扣合方式。掩膜加工时一端用所述z向定位销1、z向定位销2固定，左右两掩膜队列均预先加工定位缺口，在缺口旋转的目标位置预先放置定位销3，当喷射第一层金属前，将最底层左右两片掩膜旋转至成形位置，直至缺口与定位销3扣合，使左右两片掩膜扣合形成成形轮廓。

6.根据权利要求1中所述的一种掩膜式金属喷射沉积增材制造方法，其特征在于，

步骤五中，所述气雾化喷嘴的尺寸由所制零部件的材料、尺寸、性能要求所决定。所述熔融态金属由原材料加热获得，原材料不受形态限制，可以为棒状、块状、粉状等，依据原材料种类设定所需加热参数，包括熔融温度、熔融时间、保温时间等，获得流动性良好的熔融态金属。依据成形层面轮廓大小、成形件性能要求，设定所需气雾化参数，包括液体压力和雾化气体压力，获得均匀金属液滴喷雾。

7.根据权利要求1中所述的一种掩膜式金属喷射沉积增材制造方法，其特征在于，

步骤六中，所述基板或喷头按照预定路径移动，移动路径由所制零部件当前层的轮廓形状、尺寸、厚度所决定。

技术总结
本发明公开了一种掩膜式喷射成形增材制造方法，属于金属直接增材制造领域。该方法首先根据成形目标零部件模型的形状尺寸，进行切层处理，并生成一组具有特定轮廓的屏蔽掩膜；其次数控加工制作出多个掩膜，并按照预定顺序形成掩膜队列；在喷射成形过程中，逐层依次将掩膜添加至成形位置，金属熔液通过气雾化喷嘴，形成金属液喷雾，沉积到零件成形面掩膜限定的区域内；然后掩膜离位并顺序添加下一层掩膜，继续覆盖沉积金属材料，最终形成以多层掩膜型腔为外边界的金属零件。在金属喷射沉积增材制造过程中，采用精度良好的多层掩膜，可以提高金属喷射沉积零部件的成形精度。该方法适用于具有一定尺寸精度要求的金属零部件的直接喷射沉积成形。

技术研发人员：刘丰;王佳琳;王永威;戎文娟;马伊诺
受保护的技术使用者：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司
技术研发日：2021.01.22
技术公布日：2021.07.23