CN108380871B - 一种基于感应加热的纳米金属粉末三维打印成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于感应加热的纳米金属粉末三维打印成型方法，包括：准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板、金属纳米粉末和纳米粉末喷射阵列板；将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充；在真空成型腔室内通过加热使成型基板及已成型部分保持在设定温度；取得当前切片的切片数据，按照其对应的分割的小区块，控制打开对应的送粉喷嘴喷射阀门，伴随着金属纳米粉末熔化、金属液体流平过程将同时发生凝固效应，并使其对应的小区块增加一定厚度。本发明巧妙利用了使成型基板及已成型部分温度在块体熔点以下、金属纳米粉末熔点以上的工艺思想，无需高能束辅助熔化效应，实现了基于纳米金属粉末的超精细、超高速三维零部件三维成型。

Description

一种基于感应加热的纳米金属粉末三维打印成型方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于感应加热的纳米金属粉末三维打印成型方法。

背景技术

3D打印(增材制造)技术实际上是一系列零部件快速成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速成型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。目前市场上的快速成型技术分为3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等。

由于金属的熔点很高，针对金属材料的3D打印成型技术需要高能量密度的激光束或电子束作为热源。随着科学技术的发展和推广应用的需要，利用激光增材制造直接制造金属零件越来越受到人们关注。激光增材制造可分为以下三种快速成形方法：①直接金属沉积技术；②选区激光烧结技术；③选区激光熔化技术。

直接金属沉积技术是利用一般快速成形思想，采用大功率激光熔化同步供给的金属粉末，利用特制喷嘴在沉积基板上逐层堆积而形成金属零件的快速成形技术。直接金属沉积技术的实质是计算机控制金属熔体的三维堆积成形，其存在的最严重的工艺问题是激光熔覆层开裂倾向明显，裂纹的存在将极大地降低激光熔覆件的致密度。

选区激光烧结技术是采用激光束有选择地分层烧结固体粉末，烧结过程中激光束逐行、逐层的移动进行区域化扫描，并使烧结成形的固化层层层叠加生成所需形状的零件，其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。选区激光烧结技术在烧结铁粉过程中，由于激光束作用于粉末时的温度比较高，能量比较大，在成形过程中易发生烧结层的分层，从而形成球化现象和形成比较大的裂纹。

选区激光熔化技术的工作原理与选区激光烧结技术相似，区别在于选区激光烧结技术在作用于粉末时，粉末未被完全熔化，呈半熔化状态制备成所需的成形件。选区激光熔化技术作用于粉末时，使粉末发生完全熔化并凝固，从而成形件的成形质量相比于选区激光烧结技术制备出的成形件有着显著的提高。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。研究表明，纳米粒子由于粒径小，比表面自由能高，故其化学势比相同条件下的块状固体高很多，结果导致其熔点和烧结温度大大低于同样材质的块状固体，且粒子的粒径越小，其熔点和烧结温度越低。金属纳米晶体的熔化温度不但取决于晶体尺寸同时也取决于晶体的维数(形状)。对具有相同维数的晶体，熔点随晶体尺寸的减小降低；而相同尺寸的晶体，熔点也随维数的减小降低。

现有技术中，虽然各类金属3D打印技术基本上都采用金属粉末作为成型原材料，但其粉末粒度均为100nm以上，需要依靠外部高能束(激光束或电子束)的辐照使得粉末熔化后再凝固成型，其不足之处有：1)成型过程中需要依赖单个或多个高能束线性扫描，对于每个高能束来说，其扫描路径上的粉末依次熔化-凝固成型，本质上无法实现并行成型，因此成型速度慢、效率低；2)由于激光器、电子束源的电光转换效率低(一般小于20％)，并且金属粉末的熔点很高，使得成型所需的能量密度极高，实际耗能很高；3)由于采用的是微米粒度金属粉末，粉末的高熔点特性使得其熔池冶金质量、成型表面粗糙度等工艺质量不高，容易产生残余应力累积、热应力变形、内部热裂纹等缺陷；4)由于热应力变形问题，成型零件尺寸受限，否则无法获得满足尺寸精度要求的成型件。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于感应加热的纳米金属粉末三维打印成型方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于感应加热的纳米金属粉末三维打印成型方法，包括如下步骤：

(1)准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板、金属纳米粉末和纳米粉末喷射阵列板；

所述三维打印成型零件的CAD数据文件是采用三维CAD软件对待成型加工的零部件进行三维建模，并根据获得的零部件三维模型尺寸外形添加辅助支撑结构，然后按传统三维打印的叠层制造原理设定层厚进行分层切片后获得的封闭轮廓图形数据集合；

所述成型基板的上表面为平面且要求能够将三维打印成型零件的最底层切片的封闭轮廓图形包括在内，所述成型基板的材质为金属或陶瓷材料，所述成型基板带有可控温度的加热装置以实现将成型基板的上表面加热并保持在设定温度范围内；

所述金属纳米粉末用于三维打印成型，要求金属纳米粉末具有温度尺寸效应，金属纳米粉末的熔点低于成型基板的熔点；

所述纳米粉末喷射阵列板上设置有由多个送粉喷嘴组合构成的平行喷嘴阵列，送粉喷嘴的形状要求其管道横截面是任意多边形或曲线封闭图形，送粉喷嘴的管道尺寸要求最大粒径尺寸的单颗金属纳米粉末可以无阻碍通过；每个送粉喷嘴均设置有喷射阀门，用于控制其关闭与打开；每个送粉喷嘴的出射端均设置有一感应线圈，感应线圈的磁场中心位于送粉喷嘴的出射端中心轴线上；金属纳米粉末经由所述感应线圈的中心喷射而出；所述送粉喷嘴和感应线圈内部均设置有水冷机构；

所述平行喷嘴阵列上所有送粉喷嘴的出射端排布面积要求能够将三维打印成型零件的各个分层切片的封闭轮廓图形均包括在内；

(2)根据纳米粉末喷射阵列板的平行喷嘴阵列排布关系，将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充，其分块式填充方法为：将封闭轮廓图形的内部分割为若干个小区块，要求每个小分块的位置均与唯一一个送粉喷嘴的位置对应，即小区块与送粉喷嘴的数量和位置为一一对应关系，且小分块质心与其对应的送粉喷嘴出口横截面几何中心之间的连线相互平行；与送粉喷嘴对应的，小区块的形状是任意多边形或者曲线封闭图形，要求每个小区块的尺寸面积均小于面积设定值，所述面积设定值是指步骤(6)中纳米粉末熔化后的单层平铺面积×(1-重叠量)，所述重叠量为10～50％；

(3)将成型基板、纳米粉末喷射阵列板喷射的输出端口置于成型腔室内，所述成型腔室内为真空或接近真空，并带有实时真空控制系统用于实时抽气保持气压；要求所述纳米粉末喷射阵列板的安装方位使得平行喷嘴阵列与成型基板表面垂直，并且与第(2)步中分块式填充后获得的小区块位置一一对应，即纳米粉末经由平行送粉喷嘴喷射出来的运动方向垂直撞击于成型基板表面，用于填充第(2)步中分块式填充的对应小区块；

(4)通过加热使成型基板及已成型部分在成型过程中始终保持在设定温度，所述设定温度要求在块体熔点以下、金属纳米粉末熔点以上；所述块体熔点是指与金属纳米粉末材料化学成分相同的普通块体金属材料的熔点，即不带温度尺寸效应的熔点；

(5)将三维打印成型零件的CAD数据文件最底层切片作为当前切片；

(6)取得当前切片的切片数据，按照其对应的分割的小区块，控制打开对应的送粉喷嘴喷射阀门，通过惰性气体流、磁场或电场的一种或多种复合驱动作用，使得金属纳米粉末经由送粉喷嘴流出，之后经过感应线圈的加热，温度升高；随后垂直撞击于成型基板的当前成型表面，即落在当前成型表面所对应的分块式填充的小区块中；由于当前成型表面的温度高于金属纳米粉末的熔点，使得其发生快速熔化，并自动流平于小区块内；又由于当前成型表面的温度未及其块体熔点，伴随着金属纳米粉末熔化、金属液体流平过程将同时发生凝固效应，即金属纳米粉末通过熔化、流平、凝固与当前成型表面熔合一体，并使其对应的小区块增加一定厚度；

(7)调整成型基板与纳米粉末喷射阵列板喷射输出端口的相对距离，按照分层切片从底部到顶部的顺序，取下一个切片为当前切片；

(8)重复执行步骤(6)-(7)，实现成型零件从底部到顶部的层层堆叠，直至所有分层全部成型完毕。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明利用了纳米金属粉末的温度尺寸效应(粒子的粒径越小，其熔点和烧结温度越低)，采用传统方法不选择的超细纳米金属粉末，大大降低了金属零部件成型温度，巧妙利用了使成型基板及已成型部分温度在块体熔点以下、金属纳米粉末熔点以上的工艺思想，无需高能束辅助熔化效应，实现了基于纳米金属粉末的超精细、超高速三维零部件三维成型(增材制造)。

2)本发明在成型过程中将成型基板及已成型部分整体加热，没有成型基板及已成型部分的温度梯度问题，消除了传统高能束扫描三维成型方法因温度梯度无可避免导致的成型热应力难题，同时消除了残余应力累积、热应力变形、内部热裂纹等缺陷。

3)本发明采用纳米粉末喷射阵列板的面阵投影式粉末并行喷射成型，对任一单层都是一次喷射成型，从而成型速度相比传统方法有数量级上的极大提高；

4)本发明采用纳米金属粉末作为原材料，粒径较传统方法小得多，从而成型的层厚精度高、成型件表面粗糙度降低(理论上表面粗糙度约为成型粉末的二分之一粒径，因此纳米金属粉末的成型件表面更光滑)，工艺质量更好；并且，成型过程在低真空环境下，不会产生氧化等成型环境影响问题。

5)本发明可以在成型过程中根据需要送不同粉(粉管按时间、空间调整送粉种类)，从而可成型梯度材料、异种材料等任意成分与分布的构件，灵活方便，自由度大；

6)本发明由于消除了残余应力累积、热应力变形、内部热裂纹等缺陷问题，使得成型尺寸不受限制，可实现大尺寸零件成型；并且，采用的纳米金属粉末也使得其相比传统方法更适应于微纳细小零件的三维成型，还可用磁控线圈汇聚效应，实现共形缩放映射的成型，以进一步缩小成型尺寸、提高成型精度。

7)本发明采用了中高频电场感应加热效应，一方面实现纳米金属粉末的预热，促进其到达成型表面后的快速熔化，可有效提高成型速率，另一方面其强交变电场对已成型表面的金属液滴流平过程具有强烈的电磁搅拌作用，可使得其冶金过程更加均匀充分，有利于消除了内部结晶偏析、热裂纹等缺陷问题，成型质量更好。

附图说明

图1为送粉喷嘴、感应线圈及成型基板的示意图；

图2为网格喷管阵列示意图；

图3为圆管网格喷管阵列示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供了一种基于感应加热的纳米金属粉末三维打印成型方法，包括如下步骤：

(1)准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板、金属纳米粉末和纳米粉末喷射阵列板；

所述三维打印成型零件的CAD数据文件是由设计人员采用三维CAD软件对待成型加工的零部件进行三维建模，并根据获得的零部件三维模型尺寸外形添加必要的辅助支撑结构，然后按传统三维打印的叠层制造原理设定层厚(纳米粉末熔化后的单层平铺层厚)进行分层切片后获得的封闭轮廓图形数据集合；

所述成型基板的上表面为平面且要求能够将三维打印成型零件的最底层切片的封闭轮廓图形包括在内，所述成型基板的材质为导热性良好的金属或陶瓷材料，所述成型基板带有可控温度的加热装置以实现将成型基板的上表面加热并保持在设定温度范围内。

优选的，也可以在三维打印成型零件的实时成型表面部分采用跟随感应线圈实时加热并控温在设定温度范围内。

所述金属纳米粉末用于三维打印成型，要求金属纳米粉末具有温度尺寸效应，典型的成型粉末粒径小于100纳米(即小于具有温度尺度效应的粒径阈值)，要求金属纳米粉末的熔点低于基板的熔点。

优选的，金属纳米粉末自身带有磁性或电荷，可以被磁场或电场加速。

如图1所示，所述纳米粉末喷射阵列板上设置有由多个送粉喷嘴1组合构成的平行喷嘴阵列，送粉喷嘴1的形状要求其管道横截面是任意多边形或曲线封闭图形，送粉喷嘴1的管道尺寸要求最大粒径尺寸的单颗金属纳米粉末5可以无阻碍通过；若干个送粉喷嘴1的形状和尺寸可以相同，也可以不同；每个送粉喷嘴1均设置有喷射阀门，用于控制其关闭与打开，即控制每个送粉喷嘴1是否喷射金属纳米粉末5。

每个送粉喷嘴1的出射端均设置有一感应线圈2，感应线圈2的磁场中心位于送粉喷嘴1的出射端中心轴线上。金属纳米粉末5经由所述感应线圈2的中心喷射而出。所述送粉喷嘴1和感应线圈2内部均设置有水冷机构。

平行喷嘴阵列上所有送粉喷嘴2的出射端排布面积要求能够将三维打印成型零件的各个分层切片的封闭轮廓图形均包括在内。

典型的纳米粉末喷射阵列板有：井字形网格喷管阵列、蜂巢形多边形、网格喷管阵列(如图2所示)、圆管网格喷管阵列(如图3所示)等。

喷射阀门打开后，通过惰性气体流、磁场或电场的一种或多种复合驱动作用，金属粉末5从送粉喷嘴1的出射端喷射出来，之后进入感应线圈2的磁场内，被感应线圈2快速感应加热，所述感应线圈2与外部高频或中频感应电源相连。

所述输运气体要求在高温下不与金属粉末5发生化学反应，一般为惰性气体、氮气、二氧化碳或多种气体的混合。

(2)根据纳米粉末喷射阵列板的平行喷嘴阵列排布关系，将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充，其分块式填充方法为：将封闭轮廓图形的内部分割为若干个小区块，要求每个小分块的位置均与唯一一个送粉喷嘴的位置对应，即小区块与送粉喷嘴的数量和位置为一一对应关系，且小分块质心(假设为均匀密度的等厚板，质心一定存在)与其对应的送粉喷嘴出口横截面几何中心之间的连线相互平行；与送粉喷嘴对应的，小区块的形状是任意多边形或者曲线封闭图形，要求每个小区块的尺寸面积均小于面积设定值，所述面积设定值是指步骤(6)中纳米粉末熔化后的单层平铺面积×(1-重叠量)，所述重叠量为10～50％。其中，步骤(6)中纳米粉末熔化后的单层平铺面积和步骤(1)中纳米粉末熔化后的单层平铺层厚可以通过实验方法提前测出。

(3)将成型基板3、纳米粉末喷射阵列板喷射的输出端口置于成型腔室内，所述成型腔室内为真空或接近真空(气压小于100帕斯卡)，并带有实时真空控制系统，可以实时抽气保持极低气压(小于100帕斯卡)；由于金属纳米粉末的喷射驱动力为惰性气体或电磁场，故要求实时抽气。

要求所述纳米粉末喷射阵列板的安装方位使得平行喷嘴阵列与成型基板3表面垂直，并且与第(2)步中分块式填充后获得的小区块位置一一对应，即纳米粉末经由平行送粉喷嘴喷射出来的运动方向垂直撞击于成型基板表面，用于填充第(2)步中分块式填充的对应小区块。

优选的，使成型方向(纳米粉末经由平行送粉喷嘴喷射出来的运动方向)为沿重力竖直方向，以避免重力偏折效应。

优选的，对真空成型腔室进行隔振处理，使其振动幅度不大于成型尺寸精度。

(4)通过加热使成型基板3及已成型部分4在成型过程中始终保持在设定温度，所述设定温度要求在块体熔点以下、金属纳米粉末熔点以上；所述块体熔点是指与金属纳米粉末材料化学成分相同的普通块体金属材料的熔点，即不带温度尺寸效应的熔点。

(5)将三维打印成型零件的CAD数据文件最底层切片作为当前切片；

(6)取得当前切片的切片数据，按照其对应的分割的小区块，控制打开对应的送粉喷嘴喷射阀门，通过惰性气体流、磁场或电场的一种或多种复合驱动作用，使得金属纳米粉末经由送粉喷嘴流出，之后经过感应线圈的加热，温度升高；随后垂直撞击于成型基板的当前成型表面，即落在当前成型表面所对应的分块式填充的小区块中；由于当前成型表面的温度高于金属纳米粉末的熔点，使得其发生快速熔化，并自动流平于小区块内；又由于当前成型表面的温度未及其块体熔点，伴随着金属纳米粉末熔化、金属液体流平过程将同时发生凝固效应，即金属纳米粉末通过熔化、流平、凝固与当前成型表面熔合一体，并使其对应的小区块增加一定厚度；

优选的，可以采用与纳米粉末喷射阵列板结构原理相似的LCD液晶面板显示控制原理，控制纳米粉末喷射阵列板的面阵型平行送粉喷嘴喷射阀门的输出与关闭。

优选的，若金属纳米粉末自身带有磁性或电荷，可以施加磁场或电场使其在送粉喷嘴1流出后继续被加速直至撞击成型表面。

(7)调整成型基板3与纳米粉末喷射阵列板喷射输出端口的相对距离(即移动一个单层成型层厚，保持二者不发生碰触且处于合适的喷射成型距离范围内)，按照分层切片从底部到顶部的顺序，取下一个切片为当前切片。

(8)重复执行步骤(6)-(7)，实现成型零件从底部到顶部的层层堆叠，直至所有分层全部成型完毕。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (1)

1.一种基于感应加热的金属纳米粉末三维打印成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板、金属纳米粉末和纳米粉末喷射阵列板；

所述三维打印成型零件的CAD数据文件是采用三维CAD软件对待成型加工的零部件进行三维建模，并根据获得的零部件三维模型尺寸外形添加辅助支撑结构，然后按传统三维打印的叠层制造原理设定层厚进行分层切片后获得的封闭轮廓图形数据集合；

所述成型基板的上表面为平面且要求能够将三维打印成型零件的最底层切片的封闭轮廓图形包括在内，所述成型基板的材质为金属或陶瓷材料，所述成型基板带有可控温度的加热装置以实现将成型基板的上表面加热并保持在设定温度范围内；

所述金属纳米粉末用于三维打印成型，要求金属纳米粉末具有温度尺寸效应，即金属纳米粉末粒径小于100纳米，金属纳米粉末的熔点低于成型基板的熔点；

所述纳米粉末喷射阵列板上设置有由多个送粉喷嘴组合构成的平行喷嘴阵列，送粉喷嘴的形状要求其管道横截面是任意多边形或曲线封闭图形，送粉喷嘴的管道尺寸要求最大粒径尺寸的单颗金属纳米粉末可以无阻碍通过；每个送粉喷嘴均设置有喷射阀门，用于控制其关闭与打开；每个送粉喷嘴的出射端均设置有一感应线圈，感应线圈的磁场中心位于送粉喷嘴的出射端中心轴线上；金属纳米粉末经由所述感应线圈的中心喷射而出；所述送粉喷嘴和感应线圈内部均设置有水冷机构；

所述平行喷嘴阵列上所有送粉喷嘴的出射端排布面积要求能够将三维打印成型零件的各个分层切片的封闭轮廓图形均包括在内；

(2)根据纳米粉末喷射阵列板的平行喷嘴阵列排布关系，将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充，其分块式填充方法为：将封闭轮廓图形的内部分割为若干个小区块，要求每个小区块的位置均与唯一一个送粉喷嘴的位置对应，即小区块与送粉喷嘴的数量和位置为一一对应关系，且小区块质心与其对应的送粉喷嘴出口横截面几何中心之间的连线相互平行；与送粉喷嘴对应的，小区块的形状是任意多边形或者曲线封闭图形，要求每个小区块的尺寸面积均小于面积设定值，所述面积设定值是指送粉喷嘴单次喷射纳米粉末熔化后的单层平铺面积×(1-重叠量)，所述重叠量为10～50％；

(3)将成型基板、纳米粉末喷射阵列板喷射的输出端口置于成型腔室内，所述成型腔室内为真空或接近真空，并带有实时真空控制系统用于实时抽气保持气压；要求所述纳米粉末喷射阵列板的安装方位使得平行喷嘴阵列与成型基板表面垂直，并且与第(2)步中分块式填充后获得的小区块位置一一对应，即纳米粉末经由平行送粉喷嘴喷射出来的运动方向垂直撞击于成型基板表面，用于填充第(2)步中分块式填充的对应小区块；

(4)通过加热使成型基板及已成型部分在成型过程中始终保持在设定温度，所述设定温度要求在块体熔点以下、金属纳米粉末熔点以上；所述块体熔点是指与金属纳米粉末材料化学成分相同的普通块体金属材料的熔点，即不带温度尺寸效应的熔点；

(5)将三维打印成型零件的CAD数据文件最底层切片作为当前切片；

(6)取得当前切片的切片数据，按照其对应的分割的小区块，控制打开对应的送粉喷嘴喷射阀门，通过惰性气体流、磁场或电场的一种或多种复合驱动作用，使得金属纳米粉末经由送粉喷嘴流出，之后经过感应线圈的加热，温度升高；随后垂直撞击于成型基板的当前成型表面，即落在当前成型表面所对应的分块式填充的小区块中；由于当前成型表面的温度高于金属纳米粉末的熔点，使得其发生快速熔化，并自动流平于小区块内；又由于当前成型表面的温度未及其块体熔点，伴随着金属纳米粉末熔化、金属液体流平过程将同时发生凝固效应，即金属纳米粉末通过熔化、流平、凝固与当前成型表面熔合一体，并使其对应的小区块增加一定厚度；

(7)调整成型基板与纳米粉末喷射阵列板喷射输出端口的相对距离，按照分层切片从底部到顶部的顺序，取下一个切片为当前切片；

(8)重复执行步骤(6)-(7)，实现成型零件从底部到顶部的层层堆叠，直至所有分层全部成型完毕。