一种多孔金属结构件热熔滴打印沉积制造方法及装置与流程

本发明涉及一种多孔微小金属结构件快速成形技术领域，尤其涉及利用金属熔滴打印沉积成形多孔结构件的方法及装置。

背景技术：

随着航空航天、武器装备、微电子器件，生物植入等领域的迅猛发展和各种先进系统的智能化、微型化、轻量化、功能高度集成化的发展趋势，使得多孔材料构件的应用需求越来越多，特别是具有复杂孔隙变化的多孔微小金属构件，以其重量轻、比强度高、功能特性突出等自身优势，在各种微型多功能和集成化先进系统中应用日趋广泛，具有巨大的潜在市场。然而目前复杂多孔微小金属构件的制备技术尚不完善，严重制约了此类零构件的开发和应用。在传统工艺中，具有特殊功能的多孔金属构件，通常是先需要制备出所需的多孔材料，然后在经后续加工成形出各种复杂外形结构。目前，制备多孔材料较为成熟的方法主要有浆料发泡法、粉末冶金法、等离子喷涂、钛纤维烧结、自蔓延高温合成技术等。但是,这些制备方法的主要缺点是所制备多孔材料的孔隙率、孔隙形状、孔隙空间分布、孔隙连通性等参数无法精确控制，疲劳环境下容易产生裂纹、复杂外形制造困难、制备工艺复杂、成本高。近年来，随着快速原型分层制造技术的发展，在零件成形过程中精确控制成形件内部的孔隙参数，实现多孔金属零构件的个性化功能制造已成为可能。激光选区熔化技术（SLM）和选区电子束熔化技术(EBM)已在多孔金属零构件制造方面进行了初步应用，制备出了可控孔隙参数的多孔金属构件，在成形过程中通过对孔径大小和孔隙率的调控，实现了多孔金属构件密度、强度和弹性模量的有效控制。但上述分层制造方法中需要大功率能量源和粒度较小的金属粉末，其设备及原材料制备投入成本较高，推广应用存在一定的难度。另外，在粉体熔合过程中易出现球化结晶、局部烧结和热变形等现象，相关技术和理论尚未成熟，还有待进一步研究。因此，开发一种适用于复杂多孔微小金属构件的绿色、低成本、柔性化制造新方法已成为当务之急。

技术实现要素：
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本发明提出一种利用金属熔滴打印沉积成形多孔结构件的装置及方法，该方法通过外力迫使金属熔液以均匀微滴的形式从喷嘴中喷射出来，并基于离散堆积原理，以微米级的金属微熔滴为制造单元，通过控制熔滴尺寸、沉积方位、沉积形态、沉积温度、堆积轨迹以及搭接方式可实现三维孔隙形状、空间分布、连通性的控制，直至成型出微小多孔结构。该方法制造工序简单，无需高能量源和模具的制备，可以制备出不同材质的多孔微结构件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种多孔金属结构件热熔滴打印沉积制造方法，包括以下步骤：

步骤1：依据多孔金属结构件的孔隙尺寸和力学性能要求，选择对应的微型喷嘴直径和金属打印材料，采用超声波清洗机对微型喷嘴进行清洗，采用物理刮切与化学溶解相结合的方法，对选择的金属合金打印坯体原材料，进行表面氧化皮及杂质的去除，干燥后将其放入熔炼坩埚中；

步骤2：打开惰性气体压力储蓄瓶和真空过滤泵，对手套箱进行低氧环境处理，使得手套箱内的压强与外界大气压保持基本一致，经过3～ 5h 的除氧处理后，确保手套箱内的氧含量低于1PPM；

步骤3：启动计算机控制系统和多轴运动控制器，打开触屏人机界面，对X轴电机、Y轴运动平台电机、Z轴电机、U轴电机和V轴旋转平台电机进行伺服上电调试，确保X轴运直线滑台、Y轴直线滑台、Z轴直线滑台、U轴旋转平台和V轴旋转平台回到初始零点位置，在触屏人机界面上点击喷嘴高度测量指令，进行喷嘴高度测量；

步骤4：启动温度加热控制器，并根据步骤一中选取的材料，设定环形加热炉的加热温度，使得环形加热炉逐步将坩埚加热到金属材料液相线以上150～200℃，并通过热电偶进行温度反馈，确保将坩埚中的金属原材料熔化成金属熔液；设定平板加热炉的加热温度，确保保温沉积板的温度保持在金属材料液相线以下200～300℃；

步骤5：打开触屏人机界面中的数据处理控制软件，将目标打印成型的多孔结构零件模型导入，依据孔隙尺寸、熔滴凝固铺展特性、熔滴尺寸和沉积层厚，选择合适的分层切片厚度、填充间距、收缩率和支撑形式，然后对多孔零件模型进行二维切片图形数据处理，得出每一层的金属微熔滴打印沉积路径数据，并转换成NC控制程序；

步骤6：启动压电信号发生器，将产生的高频压电信号输入到高温压电激振器中，激振器依据压电信号的幅值和频率进行振动，在坩埚的金属熔液中产生高强振动波，使迫金属熔液按照一定的频率从喷嘴中产生金属微熔滴，并通过调整参数保证每次喷射出的金属微熔滴尺寸稳定、均匀、可控；

步骤7：启动NC打印控制程序，使喷射的金属微滴打印在保温沉积板上面，通过多轴运动控制器协调控制五个轴的运动轨迹，使金属微滴按照每一层的轮廓信息逐点、逐线打印成形，完成一个层面的打印；

步骤8：打开CCD摄像头和频闪光源，对打印层面进行图像采集，图像采集卡将采集到的信息传输到计算机控制系统，计算机控制系统将采集到的层面图像与所存储的标准层面图像进行对比分析，满足误差要求后，计算机读入下一个层面的数据信息，开始下一层的打印沉积;

步骤9：打印完成后，将多孔制件从手套箱内取出，并整体进行回火处理，以消除微滴快速凝固时产生的热应力，去除毛刺和支撑得到满足使用要求的多孔结构件。

一种多孔金属结构件热熔滴打印沉积制造装置，包括：压力储气瓶、手套箱、滑板托架、直线滑台、CCD摄像头、立柱、旋转平台、真空过滤泵、计算机控制系统、多轴运动控制器、压电信号发生器、温度加热控制器、高温压电激振器、熔炼坩埚和保温沉积板；

所述压力储存瓶内部存储氩气，气体输送管道与手套箱相连，真空过滤泵位于手套箱的底部，启动真空过滤泵，并将氩气通过气体输送管道流入手套箱内，确保手套箱内低氧环境；

所述立柱位于隔震底板上面，Y轴直线滑台通过螺栓连接安装在立柱上面，滑板托架通过连接板安装在Y轴直线滑台上面，控制Y轴电机转动时，可实现滑板托架在Y方向的往返直线运动；

所述Z轴直线滑台安装在滑板托架的侧边，L型连接板安装在Z轴直线滑台的上面，环形加热炉通过卡套安装在L型连接板的水平端面上，控制Z轴电机转动时，可实现L型连接板在Z方向的上下直线运动；

所述U型支架体位于加热炉的正下方，U轴旋转平台安装在U型支架体的内部，X轴直线平台通过连接板安装在U轴旋转平台的上面，控制U轴电机转动时，可实现X轴直线平台的整体摆动；

所述V轴旋转平台安装在X轴直线平台上面，控制X轴电机的旋转，可实现V轴旋转平台整体在X方向上的往返直线运动；控制V轴旋转平台电机的转动，可实现保温沉积板环绕平台中心的整体旋转运动；

所述熔炼坩埚位于环形加热炉的内侧，高温压电激振器和热电偶放置于金属熔液内部，当压电信号发生器将压电信号通过数据信号传输集成模块传输到高温压电激振器时，高温压电激振器依据压电信号的幅值和频率进行振动，在坩埚的金属熔液中产生高强振动波，使迫金属熔液按照一定的频率从喷嘴中产生金属微熔滴；

所述计算机控制系统通过总线与多轴运动控制器、压电信号发生器、温度加热控制器和图像采集卡相连，实现对各个模块的总体控制；所述数据信号传输集成模块安装在手套箱的顶部，用来实现电机反馈控制信号与多轴运动控制器、温度反馈控制信号与温度加热控制器、CCD图像数据与图像采集卡、压电信号与高温压电激振器之间的数据信号传输；

所述环形加热炉放置于熔炼坩埚外侧，平板加热炉放置于保温沉积板内部，热电偶分别放置于熔炼坩埚和保温沉积板内部，热电偶将采集到的温度信号传送到温度加热控制器，实现对坩埚和保温沉积板内部温度的反馈控制；

所述CCD摄像头通过螺纹连接安装在L型连接板的下端面；CCD摄像头通过图像采集卡与计算机控制系统相连，计算机控制系统将采集到的层面图像显示到触屏人机界面上，并与所存储的标准层面图形进行对比分析，实现打印层面孔隙轮廓效果的测量与反馈；当打印开始后多轴运动控制器按照层面数据信息控制X、Y、Z轴的直线运动和U、V轴的旋转运动，压电信号发生器控制金属微滴的喷射，协调两者可实现金属熔滴的逐点、逐线、逐层打印，完成多孔金属零件的堆积成形。

本发明的有益技术效果是：

（1）本发明采用压电按需熔滴喷射技术，以压电陶瓷作为驱动源，可对熔滴的喷射频率、形状尺寸、温度状态和沉积位置可准确调控，该装置结构简单、维护方便，可大大降低资金投入。

(2)本发明提出将熔滴定点定向沉积和快速分层制造技术相结合直接打印成形微小复杂多孔金属构件，通过5轴运动控制和添加辅助（局部）支撑结构，可以实现任意形状复杂多孔微小金属构件的直接成形，无需大功率能量源和特制金属粉体，具有柔性化、高效率、低成本等特点。

（3）本发明提出通过控制熔滴尺寸、沉积方位、沉积形态、沉积温度以及搭接方式可实现三维孔隙的形状、空间分布、连通性的控制，有效解决常规制造方法中三维孔隙参数无法精确控制的瓶颈问题，为微小复杂多孔金属构件的大规模快速制备提供了新途径。

（4）本发明采用CCD图像检测识别系统，可对熔滴的沉积位置和孔隙成形精度进行实时检测与反馈，有效避免缺陷的存在，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明方法采用的多孔金属结构件热熔滴打印沉积制造系统示意图；

图2为本发明方法中的局部放大示意图；

图3为本发明方法实施例1制备的铜合金多变孔径圆柱形散热器件示意图；

图4为本发明方法实施例2制备的高强度铝合金多孔桁架构件示意图；

图中：

1-惰性气体压力储存瓶、2-气体输送管道、3-手套箱、4-Y轴直线滑台、5-滑板托架、6-数据信号传输集成模块、7-Z轴电机、8-Z轴直线滑台、9-L型连接板、10-CCD摄像头、11-隔震底板、12-立柱、13-U轴电机、14-U型支架体、15-U轴旋转平台、16-X轴电机、17-X轴直线平台、18-V轴旋转平台、19-真空过滤泵、20-计算机控制系统、21-多轴运动控制器、22-压电信号发生器、23-温度加热控制器、24-图像采集卡、25-触屏人机界面、26-高温压电激振器、27-热电偶、28-环形加热炉、29-熔炼坩埚、30-金属熔液、31-频闪光源、32-平板加热炉、33-多孔制件、34-保温沉积板、35-热电偶。

具体实施方式

下面结合附图图1至图4和具体实施例，对本发明进行详细说明，下面的实施例可以组合使用，并且，本发明可利用各种形式来实现，不限于本说明书所描述各个具体的实施例，提供这些实施例的目的是对本发明的公开内容更加透彻全面地便于理解。进一步需要说明的是，当某一结构固定于另一个结构，包括将该结构直接或间接固定于该另一个结构，或者将该结构通过一个或多个其它中间结构固定于该另一个结构。当一个结构连接另一个结构，包括将该结构直接或间接连接到该另一个结构，或者将该结构通过一个或多个其它中间结构连接到该另一个结构。

参考图1和2，一种利多孔金属结构件热熔滴打印沉积制造方法，包括以下步骤：

步骤1：依据多孔金属结构件的孔隙尺寸和力学性能要求，选择对应的微型喷嘴直径和金属打印材料，采用超声波清洗机对微型喷嘴进行清洗，采用物理刮切与化学溶解相结合的方法，对选择的金属合金打印坯体原材料，进行表面氧化皮及杂质的去除，干燥后将其放入熔炼坩埚29中；

步骤2：打开惰性气体压力储蓄瓶1和真空过滤泵19，对手套箱3进行低氧环境处理，使得手套箱3 内的压强与外界大气压保持基本一致，经过3～ 5h 的除氧处理后，确保手套箱3内的氧含量低于1PPM；

步骤3：启动计算机控制系统20和多轴运动控制器21，打开触屏人机界面25，对X轴电机16、Y轴运动平台4电机、Z轴电机7、U轴电机15和V轴旋转平台18电机进行伺服上电调试，确保X轴运直线滑台17、Y轴直线滑台4、Z轴直线滑台8、U轴旋转平台和V轴旋转平台回到初始零点位置，在触屏人机界面25上点击喷嘴高度测量指令，进行喷嘴高度测量；

步骤4：启动温度加热控制器23，并根据步骤一中选取的材料，设定环形加热炉28的加热温度，使得环形加热炉28逐步将坩埚29加热到金属材料液相线以上150～200℃，并通过热电偶27、35进行温度反馈，确保将坩埚29中的金属原材料熔化成金属熔液30；设定平板加热炉32的加热温度，确保保温沉积板34的温度保持在金属材料液相线以下200～300℃；

步骤5：打开触屏人机界面25中的数据处理控制软件，将目标打印成型的多孔结构零件模型导入，

依据孔隙尺寸、熔滴凝固铺展特性、熔滴尺寸和沉积层厚，选择合适的分层切片厚度、填充间距、收缩率和支撑形式，然后对多孔零件模型进行二维切片图形数据处理，得出每一层的金属微熔滴打印沉积路径数据，并转换成NC控制程序；

步骤6：启动压电信号发生器22，将产生的高频压电信号输入到高温压电激振器26中，激振器26依据压电信号的幅值和频率进行振动，在坩埚29的金属熔液30中产生高强振动波，使迫金属熔液30按照一定的频率从喷嘴中产生金属微熔滴，并通过调整参数保证每次喷射出的金属微熔滴尺寸稳定、均匀、可控；

步骤7：启动NC打印控制程序，使喷射的金属微滴打印在保温沉积板34上面，通过多轴运动控制器21协调控制五个轴的运动轨迹，使金属微滴按照每一层的轮廓信息逐点、逐线打印成形，完成一个层面的打印；

步骤8：打开CCD摄像头10和频闪光源31，对打印层面进行图像采集，图像采集卡24将采集到的信息传输到计算机控制系统，计算机控制系统将采集到的层面图像与所存储的标准层面图像进行对比分析，满足误差要求后，计算机读入下一个层面的数据信息，开始下一层的打印沉积;

步骤9：打印完成后，将多孔制件33从手套箱3内取出，并整体进行回火处理，以消除微滴快速凝固时产生的热应力，去除毛刺和支撑得到满足使用要求的多孔结构件。

本发明的一种多孔金属结构件热熔滴打印沉积制造装置，包括：压力储气瓶1、手套箱3、滑板托架5、直线滑台8、CCD摄像头10、立柱12、旋转平台18、真空过滤泵19、计算机控制系统20、多轴运动控制器21、压电信号发生器22、温度加热控制器23、高温压电激振器26、熔炼坩埚29和保温沉积板34；

其特点在于所述惰性气体压力储存瓶1内部存储99.999%高纯氩气，气体输送管道2与手套箱3相连，真空过滤泵19位于手套箱3的底部，启动真空过滤泵19，并将高纯氩气通过气体输送管道2流入手套箱3内，确保手套箱3内低氧环境；

所述立柱12位于隔震底板11上面，Y轴直线滑台4通过螺栓连接安装在立柱12上面，滑板托架5通过连接板安装在Y轴直线滑台4上面，控制Y轴电机转动时，可实现滑板托架5在Y方向的往返直线运动；

所述Z轴直线滑台8安装在滑板托架5的侧边，L型连接板9安装在Z轴直线滑台8的上面，环形加热炉28通过卡套安装在L型连接板9的水平端面上，控制Z轴电机7转动时，可实现L型连接板9在Z方向的上下直线运动；

所述U型支架体14位于加热炉28的正下方，U轴旋转平台15安装在U型支架体14的内部，X轴直线平台17通过连接板安装在U轴旋转平台15的上面，控制U轴电机13转动时，可实现X轴直线平台17的整体摆动；

所述V轴旋转平台安装在X轴直线平台17上面，控制X轴电机16的旋转，可实现V轴旋转平台整体在X方向上的往返直线运动；控制V轴旋转平台电机的转动，可实现保温沉积板环绕平台中心的整体旋转运动；

所述熔炼坩埚29位于环形加热炉28的内侧，高温压电激振器26和热电偶27放置于金属熔液30内部，当压电信号发生器22将压电信号通过数据信号传输集成模块6传输到高温压电激振器26时，高温压电激振器26依据压电信号的幅值和频率进行振动，在坩埚29的金属熔液30中产生高强振动波，使迫金属熔液30按照一定的频率从喷嘴中产生金属微熔滴；

所述计算机控制系统20通过总线与多轴运动控制器21、压电信号发生器22、温度加热控制器23和图像采集卡24相连，实现对各个模块的总体控制；所述数据信号传输集成模块6安装在手套箱3的顶部，用来实现电机反馈控制信号与多轴运动控制器21、温度反馈控制信号与温度加热控制器23、CCD图像数据与图像采集卡24、压电信号与高温压电激振器26之间的数据信号传输；

所述环形加热炉28放置于熔炼坩埚29外侧，平板加热炉32放置于保温沉积板34内部，热电偶27、35分别放置于熔炼坩埚29和保温沉积板34内部，热电偶27、35将采集到的温度信号传送到温度加热控制器23，实现对坩埚29和保温沉积板34内部温度的反馈控制；

所述CCD摄像头10通过螺纹连接安装在L型连接板9的下端面；CCD摄像头10通过图像采集卡24与计算机控制系统20相连，计算机控制系统20将采集到的层面图像显示到触屏人机界面25上，并与所存储的标准层面图形进行对比分析，实现打印层面孔隙轮廓效果的测量与反馈；

当打印开始后多轴运动控制器21按照层面数据信息控制X、Y、Z轴的直线运动和U、V轴的旋转运动，压电信号发生器22控制金属微滴的喷射，协调两者可实现金属熔滴的逐点、逐线、逐层打印，完成多孔金属零件的堆积成形。

实施例1：铜合金多变孔径圆柱形散热器件打印成形

依据多变孔径圆柱形散热器件的孔隙尺寸和力学性能要求，选择铜合金作为打印材料，选取坩埚底部的喷嘴直径为200微米，对铜合金坯体原材料进行表面氧化皮及杂质的去除，干燥后将其放入熔点坩埚29中；打开惰性气体压力储蓄瓶1和真空过滤泵19，对手套箱3进行低氧环境处理，确保手套箱3内的氧含量低于1PPM；启动计算机控制系统20和多轴运动控制器21，打开触屏人机界面25，对X、Y、Z、U、V轴的电机进行伺服上电，将运动平台中的各个轴运动到初始零点位置，点击喷嘴高度测量指令，进行喷嘴高度测量；启动温度加热控制器23，设定环形加热炉28的加热温度为1050℃，平板加热炉32的加热温度为550℃，通过热电偶27和35进行温度反馈，保温加热1个小时，确保将坩埚29中的金属原材料熔化成金属熔液30；打开触屏人机界面25中的数据处理控制软件，将目标打印成型的多孔结构零件模型导入，设定分层切片厚度为0.15mm、填充间距为0.25mm、收缩率为0.15%、支撑形式为外部整体支撑，对多孔零件模型进行二维切片图形数据处理，得出每一层的金属微熔滴打印沉积路径数据，并转换成NC控制程序；启动压电信号发生器22，设定压电信号的激振频率为10-100HZ，激振器26依据压电信号的幅值和频率进行振动，使金属熔滴从坩埚29底部的喷嘴中喷出，调整信号参数保证每次喷射出的金属微熔滴尺寸稳定、均匀、可控；启动NC打印控制程序，通过多轴运动控制器21协调控制五个轴的运动轨迹，使金属微滴按照每一层的轮廓信息在在保温沉积板34上面逐点、逐线打印完成一个层面； 打开CCD摄像头10和频闪光源31，对打印层面进行图像采集，图像采集卡24将采集到的信息传输到计算机控制系统，计算机控制系统将采集到的层面图像与所存储的标准层面图像进行对比分析，满足误差要求后，计算机读入下一个层面的数据信息，开始下一层的打印沉积;打印完成后将制件从手套箱3内取出，整体进行回火处理，以消除微滴快速凝固时产生的热应力，去除毛刺和支撑得到满足使用要求的铜合金多变孔径圆柱形散热器件。

实施例2：高强度铝合金多孔桁架构件打印成形

依据铝合金多孔桁架构件的孔隙尺寸和力学性能要求，选择高强度铝合金作为打印材料，选取坩埚底部的喷嘴直径为100微米，对高强度铝合金坯体原材料进行表面氧化皮及杂质的去除，干燥后将其放入熔点坩埚29中；打开惰性气体压力储蓄瓶1和真空过滤泵19，对手套箱3进行低氧环境处理，确保手套箱3内的氧含量低于1PPM；启动计算机控制系统20和多轴运动控制器21，打开触屏人机界面25，对X、Y、Z、U、V轴的电机进行伺服上电，将运动平台中的各个轴运动到初始零点位置，点击喷嘴高度测量指令，进行喷嘴高度测量；启动温度加热控制器23，设定环形加热炉28的加热温度为950℃，平板加热炉32的加热温度为450℃，通过热电偶27和35进行温度反馈，保温加热1个小时，确保将坩埚29中的金属原材料熔化成金属熔液30；打开触屏人机界面25中的数据处理控制软件，将目标打印成型的多孔结构零件模型导入，设定分层切片厚度为0.1mm、填充间距为0.15mm、收缩率为0.1%、支撑形式为内外整体支撑，对多孔零件模型进行二维切片图形数据处理，得出每一层的金属微熔滴打印沉积路径数据，并转换成NC控制程序；启动压电信号发生器22，设定压电信号的激振频率为10-100HZ，激振器26依据压电信号的幅值和频率进行振动，使金属熔滴从坩埚29底部的喷嘴中喷出，调整信号参数保证每次喷射出的金属微熔滴尺寸稳定、均匀、可控；启动NC打印控制程序，通过多轴运动控制器21协调控制五个轴的运动轨迹，使金属微滴按照每一层的轮廓信息在在保温沉积板34上面逐点、逐线打印完成一个层面； 打开CCD摄像头10和频闪光源31，对打印层面进行图像采集，图像采集卡24将采集到的信息传输到计算机控制系统，计算机控制系统将采集到的层面图像与所存储的标准层面图像进行对比分析，满足误差要求后，计算机读入下一个层面的数据信息，开始下一层的打印沉积;打印完成后将制件从手套箱3内取出，并整体进行回火处理，以消除微滴快速凝固时产生的热应力，去除毛刺和支撑得到满足使用要求的铜合金多变孔径圆柱形散热器件。

上述实施方式只是本发明专利的优选实例，并不是用来限制本发明专利的实施与权利范围的，凡依据本发明专利申请专利保护范围所述的内容做出的等效变化和修饰，均应包括于本发明专利申请专利范围内。