气动挤出金属直写沉积成形技术研究

发布时间：2020-04-01 17:07

【摘要】：在近三十年,“增材制造”得到了广泛的关注和深入的研究,迄今,已发展出多种比较成熟的增材制造技术,但这些技术仍然面临使用成本高、制件性能不佳等问题。为了在解决这些问题方面有所贡献,本文提出了气动挤出金属直写沉积成形技术,该技术结合了恒压驱动与挤出直写沉积成形的优点,是一种金属零件直接制造技术,其工作原理是:金属材料被加热熔化后,在恒压驱动下,金属熔液被连续均匀挤出,同时,基板沿数控程序控制的运动轨迹运动,金属熔液在基板沉积并形成金属零件。依靠热管理策略控制直写沉积成形过程中的热转移,使沉积层间的结合方式为冶金结合,以提高最终的金属零件的强度。气动挤出金属直写沉积成形技术是一种有潜在应用价值的低成本技术,可使用的成形材料多种多样。本文就该技术的基础科学问题作了探索研究,主要的研究内容和创新成果如下:本文首先对气动挤出金属直写沉积成形技术的工作原理和直写沉积成形系统的总体架构作了详细阐述,并搭建了气动挤出金属直写沉积成形实验装置。该直写沉积成形系统主要由三个子系统组成:运动控制与执行、气压监测与控制和温度控制。本文对各子系统的技术细节作了说明。探讨了直写沉积成形系统中的关键零部件的设计和制造要点,包括孔的加工方式选择,密封材料选择与密封结构设计。利用搭建的金属直写沉积成形装置,实现了金属熔液的受控直写沉积成形,为后续的研究工作提供了可靠的硬件基础。利用流体力学相关理论,分析了喷嘴结构对金属熔液流动的影响。理论分析结果表明,在喷嘴结构中增加节流孔,可以达到减小金属熔液流量的目的,进而获得精度更高的金属线。为分析节流孔对金属熔液的流动行为的影响,建立了金属熔液在喷嘴中流动的物理模型,并利用ANSYS CFX软件对金属熔液在喷嘴中的流动行为进行了数值模拟。模拟结果表明,金属熔液在流经节流孔的过程中,流体动能有所损失,最终导致金属熔液流量减小,减小幅度约为28%。为检验物理模型的可靠性,将模拟值和实验值作了对比分析,结果表明本文建立的物理模型和数值模拟是有效的理论分析工具。基于传热学相关理论,本文建立了金属熔液在直写沉积成形过程中的冷却物理模型,推导得出描述金属线温度分布的数学表达式,并以此绘制出金属线温度随路径变化的曲线。利用这些曲线,分析了金属熔液的凝固时间。通过实验和检测样品,分别讨论了基板速度、基板和喷嘴间的距离、金属熔液温度和基板温度对金属线的形貌、微观组织和硬度的影响。借助实验和拉伸测试,初步分析了熨压作用对金属线力学性能的影响,但熨压作用对金属材料力学性能的影响的工作机理,还需要进一步研究。在“控形控性”研究基础上,进行层间结合机理研究,讨论分析了实验参数对层间结合的影响。在前面章节的研究基础之上,合理设定实验参数,利用前述直写沉积成形装置,成功制备出二维平面图形和三维实体,这说明气动挤出金属直写沉积成形原理具有可行性。制备出的三维实体包括薄壁实体、斜壁实体和厚壁实体三类,对金属实体直写沉积成形过程中出现的问题作了讨论与分析。
【图文】：

铸造技术,金属零件,蜂窝结构,高能束

图 1-1 3DP 结合铸造技术制造蜂窝结构金属零件[28]直接金属零件增材制造接法是用金属材料直接制造零件，，它又可以分为高能束辅助和无高能束辅辅助直接金属零件增材制造的一般过程是：成形材料在高能束(例如激光束辐照下，在指定位置熔化后凝固成形。这类工艺以 SLS、SLM、EBM、L立体自由成形(Electron Beam Solid Freeform Fabrication, EBF3)[29, 30]为典型LS、SLM、EBM、LENS 和 EBF3 都需要价格昂贵的高能束设备，其工艺无高能束辅助直接金属零件增材制造技术的成本相对较低,鉴于此，低成本增材制造技术的研究与开发成为了金属零件增材造技术的又一个研究方向类直接金属零件增材制造技术，其中的代表是熔滴沉积工艺，其一般过程在到达沉积位置前以熔融态微滴形式存在，微滴到达沉积位置后与已沉积属熔滴按需累积最终形成金属零件。此外，还有学者研究开发了其他低成

原理图,熔融沉积,选区,高能束

31]。粉床选区熔融沉积工艺包括SLS、SLM和EBM，工艺原理如图1-2[32, 33]所示，高能束束斑按照设定的运动轨迹辐照预置粉床，金属粉末因高能束的热效应形成熔池，高能束束斑移开后，熔池凝结形成沉积层。完成一层沉积层后，
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG306

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