气动式金属3D打印系统的搭建及实验研究

发布时间：2020-11-21 09:42

　　 金属3D打印制造技术发展至今,已经产生了多种比较成熟和有代表性的技术,包括选择性激光烧结,选择性激光熔化,激光工程净成型,三维堆焊技术等,其中一些技术已经逐步实现了商业化。但是,这些商业化的成型设备在材料使用范围、成型的精度和效率以及成本等方面还存在许多问题。为了克服这些问题,本文基于气动式金属熔融挤出沉积成型原理,提出了一种新型的金属3D打印技术,并尝试进行系统搭建和实验研究,旨在降低成本,提高材料的使用范围以及提升零件成型的效率和精度。本文介绍了气动式挤出沉积成型工艺的原理和特点,并且将金属液体从喷嘴的出流过程按照管嘴模型进行了建模分析,得出基于管嘴模型的出流能够保证挤出线条的均匀稳定并且得到了出流流量的表达式,给后续的实验提供了理论指导;分析了喷嘴温度,基板温度,驱动气压以及走线速度等参数对金属液体的出流过程以及沉积成型过程产生的影响。对整个系统进行了整体方案设计和搭建工作;分析了机械系统的各个模块包括运动平台、喷头和基板的功能,并且进行了详细的结构设计,解决了系统运动的实现,材料的挤出以及密封等关键性问题;详细介绍了控制系统部分包括运动控制系统、气压控制系统以及温度控制系统的控制原理,并且进行了相应的设计和搭建工作,解决了运动精密控制,气压精密控制以及温度精密控制等关键性问题。根据所搭建的系统,把Sn99.3Cu0.7焊锡条作为实验材料,研究了驱动气压和喷嘴温度对金属液体出流的影响,并且对基板温度,驱动气压,走线速度和喷嘴温度对金属液体沉积的影响进行了实验,得到了获得最佳线条质量的一组最佳工艺参数为:基板温度为220℃,走线速度为30mm/s,驱动气压为0.08 MPa,喷嘴温度为250℃。通过优化的工艺参数进行了一维和平面成型实验,验证了该系统在线条沉积方面的稳定性和均匀性以及在成型平面方面的可行性,并且得到了成型平面的最佳走线间距为0.07mm。最后,基于平面实验中成型表面的质量缺陷,对该系统提出了一种改进方案,以期提高系统成型的质量和精密性。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP334.8
【部分图文】：

（１）选区沉积工艺??世界各国对选区沉积工艺的研究较为普遍，该工艺的成型装备主要包括粉床??和激光源。成型过程如图１．２所示，首先滚轮按照分层厚度将粉末材料铺平在工??作台上，压实后激光器按照切片软件中得到的扫描路径进行扫描，粉末材料在激??光的加热作用下被烧结或者完全融化，完成第一层的截面轮廓的成型工作，随后??控制工作台下移一个截面层层厚的距离，重复上述工作，完成第二个截面层的成??型，如此循环，直到将整个零件成型完毕。根据使用的粉末材料的不同，该工艺??主要分为选择性激光烧结（ＳＬＳ）和选择性激光熔化（ＳＬＭ）两种方式。??激光系统?、振镜??———???ｒ?激光束??Ｉ?滚轮赢??Ｉ?—？?＃５５２．??－?參鲁參馨會籲嫌鲁鲁參參擊鲁參擊鲁ｆｌｗｗｗｍｖｗｉｗｉｉ?ｉｌｌ＇ｌｌ?ｉｉｉ??■＂ｆ＂？１?粉末??ｉ?ＩＩ?丨｜成型零件｜??储粉腔?成型腔??Ｌ??Ｉ??图１．２选区沉积工艺原理图??１）选择性激光烧结（ＳＬＳ）??ＳＬＳ工艺用的粉末材料包括两种成分，其中量多的是用于成型零件的高熔点??粉末，量少的是用于粘结的低熔点粉末。烧结工艺过程中，熔点低的粉末材料在??高能激光的辐照下被完全熔化，将熔点高的金属粉末材料结合在一块，冷却凝固??后便可以达到烧结的效果。然而

粉末或丝材的形式送入高温溶池中进行熔化，伴随着熔池的高速移动来实现金属??材料的沉积成型。该工艺主要以ＬＥＮＳ为代表。??ＬＥＮＳ工艺的工作流程如图１．３所示，以激光束作为热源，采用送粉机构向??喷头中提供金属粉末材料［９］。由于熔池之间可以达到完美的冶金结合，不需要经??过渗金属等后处理工艺便可以获得高密度甚至于全密度的金属制件，使得零件整??体的强度和刚度等力学性能获得了显著的提升。同时，通过调整成型过程中的影??响参数，该技术可以用于成型多种材料，尤其在对功能梯度材料的成型方面具备??显著的优势。但是ＬＥＮＳ的缺点也很明显，就是其成型过程中制件的体积收缩较??大，降低了最终零件的尺寸精度和形状精度，同时不适合成型带悬臂的零件。??激光器?＾反射镜??ｒ?：３－—??送粉器??粉末流??成型层??基板??图１．３?ＬＥＮＳ成型原理??４??

程中的热源，使用金属丝作为成型零件的材料［１Ｑ］，基本原理是计算机根据预先生??成的路径控制焊枪的扫描轨迹，通过焊缝的沉积来得到零件的截面，然后逐层堆??积，最终获得完整的金属制件［１１］，其工艺原理如图１．４所示。??金属丝?■?（?????Ｅｐ￣??送丝机构??＼?ＭＩＧ焊枪??金属液■胃＼??基板，??图１．３三维堆焊技术原理图??由于焊接技术经过了许多年的发展，相关的技术已经非常成熟，因此，基于??５??
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 姜华;汤海波;王华明;;激光熔化沉积DZ408镍基高温合金的组织研究[J];稀有金属与硬质合金;2014年01期

2 孙聚杰;;3D打印材料及研究热点[J];丝网印刷;2013年12期

3 左寒松;李贺军;齐乐华;晁艳普;王鹏云;;铝合金微熔滴沉积成形过程中缺陷形成机理研究[J];稀有金属材料与工程;2013年08期

4 杨海欧;王俊;刘智勇;林鑫;陈静;黄卫东;;激光立体成形多孔钛合金工艺及性能研究[J];应用激光;2013年04期

5 杨永强;刘洋;宋长辉;;金属零件3D打印技术现状及研究进展[J];机电工程技术;2013年04期

6 王忠宏;李扬帆;张曼茵;;中国3D打印产业的现状及发展思路[J];经济纵横;2013年01期

7 陈小文;李建雄;刘安华;;快速成型技术及光固化树脂研究进展[J];激光杂志;2011年03期

8 杨永强;罗子艺;苏旭彬;王迪;;不锈钢薄壁零件选区激光熔化制造及影响因素研究[J];中国激光;2011年01期

9 吴伟辉;杨永强;王迪;黄伟红;;选区激光熔化变密度快速制造工艺研究[J];中国激光;2010年07期

10 任继文;彭蓓;;选择性激光烧结技术的研究现状与展望[J];机械设计与制造;2009年10期

相关硕士学位论文 前1条

1 邓诗贵;锡铋低熔点金属3D打印材料及工艺的研究[D];广西大学;2016年

本文编号：2892828