一种微孔泡沫铜的激光快速制作方法
【专利摘要】本发明提供一种微孔泡沫铜的激光快速制作方法。所述制作方法依次包括步骤：（a）确定可发泡微细铜基金属粉末的组份、配比与粒度搭配；（b）制备具有原位微区发泡性能的微细铜基金属粉末；（c）进行零件的三维建模；（d）将三维CAD数学模型的STL文件保存为CLI格式文件；（e）将CLI格式文件转换输出AFI格式文件；（f）将AFI格式文件输入激光快速成型设备，完成微孔泡沫铜材料与零件的同步制作。采用本发明，能够完成具有微米孔隙特征或任意复杂形状与结构的泡沫铜材料的激光快速制备。
【专利说明】一种微孔泡沬铜的激光快速制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光快速成型(增材制造或3D打印)技术应用领域，具体涉及一种微孔泡沫铜的激光快速制作方法。
【背景技术】
[0002]泡沫金属材料，又称多孔质金属材料，在空气过滤器、消声器、静压主轴、导轨等产品中有着大量的应用需求，如在静压主轴和导轨中，由于压力气体通过多孔质材料时产生的节流效应比一般其它节流形式效果更好，因此可以大大提高静压支承的承载能力。目前多孔质泡沫金属材料的制备主要采用粉末冶金法和熔体发泡法，但是均存在制备工艺复杂、制造周期长、加工成本高、孔隙特征难以控制等技术与工艺瓶颈，因而严重阻碍了推广应用。
[0003]传统的泡沫铜制备技术对操作人员技能要求很高，而且还涉及到模具的制作，成本高、风险大，很难获得具有微米孔隙特征的泡沫铜。一般来说，传统的泡沫铜制备均需要大量的金属原材料、大型熔炼炉、铸造模具或粉末冶金模具，工序多、周期长、成本高，无法实现泡沫铜的高效快速制备；最大问题是难以实现材料制备与零件成型一体化，而泡沫铜金属件的机械加工又非常困难；而且传统方法的原材料利用率低、能耗高，无法实现泡沫铜的绿色制造，与当前我国对制造业提出的节能环保要求相矛盾。
[0004]激光快速原型技术是20世纪80年代初发展起来的一种先进制造技术，被认为是近年来制造【技术领域】的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。激光快速原型技术具有很快的市场响应速度和很高的加工柔性，理论上不需要任何工模具便可以制造出任意复杂形状零部件，最为重要的就是可以同步实现材料制备与零件成型，而且几乎是等量成型、材料利用率很高，特别适合于制备泡沫金属材料。由于激光能量密度高、焦斑尺寸小，因而利用激光快速原型技术，有望获得具有微米孔隙特征的泡沫金属铜，而且孔隙特征(如孔隙大小、孔隙分布、孔隙形状、孔隙率等)可得到有效地控制，可为微孔泡沫金属(如铜及铜合金)材料制备提供一种全新的高效绿色制造技术，具有广阔的应用前景。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种微孔泡沫铜的激光快速制作方法。采用本发明，可以以微细雾化铜粉为原始材料，完成具有微米孔隙特征或任意复杂形状与结构的泡沫铜材料的激光快速制备。
[0006]本发明的微孔泡沫铜的激光快速制作方法，包括:
Ca)基于熔体发泡原理和孔隙特征要求，以球形气雾化铜粉为主体材料，以微细铜磷粉或二氢化钛为发泡材料，确定发泡微细铜基金属粉末的组份、配比与粒度搭配；
(b)利用机械合金化方法，合理设置球料比、磨球大小、球磨速度、球磨时间、旋转方向、间隔时间等球磨工艺参数，制备具有发泡性能的微细铜基金属粉末；
(C)根据所需制备泡沫铜材料的几何信息，利用Pro/E、UG等通用三维CAD建模软件进行零件的三维建模，设计所需的三维CAD数学模型，并将模型保存为STL文件格式；
(d)将三维CAD数学模型的STL文件输入快速成型专用数据处理软件进行分层处理，保存为CLI格式文件；
Ce)将CLI格式文件输入快速成型路径规划软件，设置扫描间距、扫描路径和扫描策略，输出AFI格式文件；
(f )将AFI格式文件输入激光快速成型设备，设置成型工艺参数，完成微孔泡沫铜材料与零件的同步制作；
(g)将泡沫铜零件从激光快速成型设备中取出，进行清理，去除表面多余的金属粉末；
(h)利用线切割将清理过的泡沫铜零件从金属基板上取下来，并进行适当的表面处理后即得到所需的微孔泡沫铜材料或零件。
[0007]本发明的微孔泡沫铜激光快速制作方法，具有以下特点:
1.不需要任何工模具，制造工艺简单，可快速完成微孔泡沫铜的制作，而且几乎可以实现等量成型，原材料几乎没有浪费，经济效益好，因而有望成为一种普遍应用的多孔质泡沫金属铜制作方法。
[0008]2.加工柔性高，可以加工出任意复杂形状的多孔泡沫铜金属零件，这是传统泡沫金属制备方法难以做到的。
[0009]3.制备的微米泡沫铜材料内部具有大量的分布均匀的相互贯通的孔隙大小为30um以下的微米级孔洞，具有良好的渗透系数和节气效果。
[0010]4.传统的泡沫铜制备作方法对人的依赖性很高，需要经过长时间培训的专业技艺人员，而且难以制备出微米孔隙特征的泡沫铜材料。而且依赖传统工艺，要同步实现微孔泡沫铜的制备与成型，在制造的技术和成本上是几乎不可能的。
[0011]5.材料制备与零件成型一体化，流程短、能耗低、周期短、成本低。由于几乎是等量成型，因而原材料需求量很小，而且原材料利用率很高，可高达98%，可在数小时至数十小时内完成微孔泡沫金属铜的材料制备与精确成型。
[0012]6.通过改变激光能量、扫描策略和粉末物性，可以快速地调控微孔泡沫金属铜的孔隙特征，从而改变微孔泡沫金属铜的性能与功能指标。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为采用本发明的方法制备的微孔泡沫铜试样；
图2为采用本发明的方法制备的微孔泡沫铜的孔隙特征图；
图3为采用本发明的方法制备的微孔泡沫铜的透气功能实测图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0015]第一步，确定可发泡微细铜基金属粉末的组份、配比与粒度搭配。
[0016]基于激光原位微区发泡原理，结合选区激光熔融增材制造工艺要求，确定合适的材料组份、配比和粒度搭配。主体材料选用球形气雾化纯铜粉末，粒度为200目，发泡材料选用微细铜磷粉末或二氢化钛粉末，粒度为500目，质量百分比分别为95%雾化铜粉+5%铜磷粉与95%雾化铜粉+3%铜磷粉+2% 二氢化钛粉
第二步，制备具有原位微区发泡性能的微细铜基金属粉末。
[0017]基于机械合金化原理，采用行星式球磨机(QM — SP - 4L)，确定合适的关键球磨工艺参数(球料比、磨球大小、球磨转速、球磨时间、间隔时间等)，制备出具有原位微区发泡性能的适合于选区激光熔融成型的微细铜基粉末，球磨工艺参数为:转速200r/min、时间I小时、球料比5:1。球磨后的微细铜基金属粉末的形貌尽量为球形或近球形，粒度呈正态分布，平均粒径约为60um。
[0018]第三步，零件三维建模。
[0019]利用Pro/E、UG等通用三维CAD建模软件进行微孔泡沫铜零件的的三维几何建模。建模完成后，将三维CAD模型保存为STL格式文件，导出STL文件时，将弦高控制参数和角度控制参数分别设置为0.05和0.001。
[0020]第四步，三维模型分层。
[0021]利用快速成型专用数据处理软件读取和编辑三维STL模型，并根据快速成型设备加工能力，调整三维模型至设备原点，综合考虑成型精度、难度和效率要求，设置合适的成型方向并进行分层处理，输出CLI格式文件，分层厚度为0.1mm?0.15mm，刀具补偿值为
0.2mmο
[0022]第五步，扫描路径规划。
[0023]利用快速成型路径规划软件读入CLI格式的层片文件，进行激光扫描路径规划处理，输出激光快速成型设备能够识别的AFI格式文件，扫描间距为0.05mm?0.1Omm左右，输出类型为优化路径，优化原则为深度-广度混合原则，轮廓扫描方式为后扫描轮廓，扫描方向为X、Y方向交替扫描，不输出相邻行间连接线。
[0024]第六步，激光快速成型。
[0025]将AFI格式文件读入激光快速成型设备(AFS320-MZ/Q)，设置最重要的两个成型参数:激光功率600W左右、扫描速度0.15m/s，完成微孔泡沫铜的激光原位合成和精确成型的一体化，实现微孔泡沫铜材料或零件的激光快速制作，成型气氛为大气环境。
[0026]第七步，零件后处理。
[0027]从激光快速成型设备中取出微孔泡沫铜试样，去掉原型表面多余的金属粉末，利用金相砂纸或小型喷砂机对微孔泡沫铜表面进行适当的表面处理，表面处理后的微孔泡沫铜试样如图1所示。
[0028]通过SEM扫描电镜观察发现，采用本发明制备的微孔泡沫铜内部具有许多随机分布的微米尺度孔洞，最大孔隙尺度为数十微米，最小孔隙尺度可达亚微米，如图2所示。图3为本发明的微孔泡沫铜的透气功能实测图。测试结果表明，本发明制备的微孔泡沫铜试样具有良好的透气性，证明SLM微孔泡沫铜内部的孔隙之间基本是相互贯通的。
[0029]在当今国家正大力提倡的高端工艺装备自主开发领域，本发明的微孔泡沫铜激光快速制作方法的最大优势在于能够不需要任何工模具、并以极高的材料利用率，快速地实现微孔泡沫铜的激光原位合成与精确成型一体化，而且还能够通过调整粉体材料的物性指标，快捷灵活地调控微孔泡沫铜材料的孔隙特征(如孔隙率、孔隙大小与分布等等)，可为在静压支撑、高速主轴、减振导轨等产品中具有关键作用的多孔质材料制备与零件加工，提供一种全新的、高效的、绿色的先进制造方法，也可推广应用到其它高熔点微孔泡沫金属材料的激光快速制备。本发明的微孔泡沫金属铜激光快速制作方法可在很短的时间内，制作不同尺寸、不同形状和不同孔隙特征的微孔泡沫铜试样，具有快速的响应速度和很高的加工柔性。
【权利要求】
1.一种微孔泡沫铜的激光快速制作方法，依次包括如下步骤: Ca)确定发泡微细铜基金属粉末的组份、配比与粒度搭配； (b)采用行星式球磨机，制备具有原位微区发泡性能的微细铜基金属粉末； (c)利用通用三维建模软件进行零件的三维建模，设计所需的三维CAD数学模型，并将模型保存为STL文件格式； (d)将三维CAD数学模型的STL文件输入快速成型专用数据处理软件进行分层处理，保存为CLI格式文件； Ce)将CLI格式文件输入快速成型路径规划软件，规划扫描路径，输出AFI格式文件； Cf)将AFI格式文件输入激光快速成型设备，设置成型工艺参数，完成微孔泡沫铜材料与零件的同步制作； (g)将泡沫铜零件从激光快速成型设备中取出，进行清理，去除表面多余的金属粉末； (h)利用线切割将清理过的泡沫铜零件从金属基板上取下来，并进行适当的表面处理后即得到所需的微孔泡沫铜材料或零件。
2.根据权利要求1所述的微孔泡沫铜的激光快速制作方法，其特征在于:所述的步骤a中的粉体材料组成与质量百分比分别为: 雾化铜粉(粒度200目)95% 铜磷粉(粒度500目)5% 。
3.根据权利要求1所述的微孔泡沫铜的激光快速制作方法，其特征在于:所述的步骤a中的粉体材料组成与质量百分比分别为: 雾化铜粉(粒度200目)95% 铜磷粉(粒度500目)3% 二氢化钛粉(粒度500目)2%。
4.根据权利要求1所述的微孔泡沫铜的激光快速制作方法，其特征在于:所述的步骤b中的粉末制备工艺参数为:转速200r/min、时间I小时、球料比5:1，粉末形貌尽量为球形或近球形,粒度呈正态分布,平均粒径约为60um。
5.根据权利要求1所述的微孔泡沫铜的激光快速制作方法，其特征在于:所述的步骤f中的成型工艺参数为:分层厚度0.05mm-0.10mm、扫描间距0.15mm、激光功率600W左右、扫描速度0.15m/s。
【文档编号】G06F17/50GK104227230SQ201410355593
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】杨家林, 王宝瑞, 吉方, 阳红, 樊亚丽, 许超, 滕文华 申请人:中国工程物理研究院机械制造工艺研究所