一种基于磁力搅拌的三维打印锻造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电磁搅拌的三维打印锻造方法，其通过在三维成型的累积熔融原料的过程中，在打印体上的累积熔融原料的区域完全固化之前，对打印体上的累积熔融原料的区域施加电流和磁场以形成磁力作用，通过磁力作用对打印体上的累积熔融原料的区域的内部微观组织进行调控；正在累积的熔融原料作为所施加电流的一处接入点；产生的熔融原料的加热源与产生熔池的加热源互相独立。上述方法产生的零件材料性能优越，将非机械接触式的微型锻造无缝地集成于三维打印过程中，所需的装置不存在被熔蚀和磨损问题；熔融原料的生成与熔池的生成过程解耦合，具有极高的可控性和灵活性，所需的控制系统简单；熔融原料的累积精度高，成型精度高；设备简单。

A 3D printing forging method based on magnetic stirring

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁力搅拌的三维打印锻造方法
本专利技术涉及应用于三维打印的材料凝固组织调控方法，尤其是涉及一种在三维成型过程中利用材料内部电流与外加磁场之间的物理作用以实现调控材料内部微观组织的方法，属于增材制造

技术介绍
三维打印技术最早起源于19世纪末的美国(即LOM，LaminatedObjectManufacturing，分层实体制造法)，直到20世纪八十年代之后在美国、欧洲等地得到完善并逐步商业化。现在常见的主流三维打印技术，例如立体光固化成型法(StereoLithographyApparatus,SLA)、熔融沉积制造(FusedDepositionModeling，FDM)、选择性激光烧结(SelectingLaserSintering，SLS)、三维粉末粘接(ThreeDimensionalPrintingandGluing，3DP)，于20世纪八九十年代在美国获得商业化。在以金属为打印原料的金属三维打印技术中，常见的有选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)、激光近成形(LaserEngineeredNetShaping,LENS)、电子束熔化(ElectronBeamMelting,EBM)、金属丝电弧熔化成型(WireandArcAdditiveManufacture,WAAM)等，这些技术都需要将固态的金属原料熔化，并且同时需要对打印体的正在累积熔化金属原料的区域进行熔化，以使打印体与熔化原料之间通过熔融的方式结合在一起。在现有金属三维打印技术中，金属材料尤其是合金材料在三维成型之后，材料性能往往达不到传统金属材料加工技术中的经过锻造的合金材料的性能，因此，出现多种辅助技术用于在三维成型过程中对金属材料进行调控以获得锻造或类似锻造的性能，例如申请号201010147632.2、名称“零件与模具的熔积成形复合制造方法及其辅助装置”的中国专利申请和申请号201610183468.8、名称“非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及磁控金属3D打印装置”的中国专利申请，又如公布号WO2019002563A2、名称“SOLIDIFICATIONREFINEMENTANDGENERALPHASETRANSFORMATIONCONTROLTHROUGHAPPLICATIONOFINSITUGASJETIMPINGEMENTINMETALADDITIVEMANUFACTURING”的PCT国际专利申请。对三维打印零件的材料调控方式，除了上述的在三维成型过程中对金属材料进行调控，还有在三维打印结束后对零件进行调制的方式，例如：将打印出来的零件整体进行热等静压处理(HotIsostaticPressing)，以将未充分融合的材料颗粒(例如SLM技术在成型过程中产生的被裹挟但未充分熔化的金属粉末)与临近材料融合和消除零件内部的热裂纹、微孔洞、残余应力等缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可同步集成于三维打印成型过程中的低成本且简单易行的非机械接触式锻造方法。为了实现上述的专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于磁力搅拌的三维打印锻造方法，其通过在三维打印过程中，在打印体上的累积熔融原料的区域完全固化之前对其内部微观组织进行调控；所述的三维打印，其主要方法是：将固态原料熔化获得熔融原料，熔融原料被放置到三维打印设备所使用的成型区，熔融原料在成型区累积并转变为打印体，新生成的熔融原料在打印体上的熔池上累积、直至所要打印的物体成型；其中：在累积熔融原料的过程中，熔融原料所被放置的位置由所要打印的物体的形状和结构决定；所述的三维打印设备所使用的成型区，是指三维打印设备在打印零件时所使用的空间；所述的熔池是通过加热能量将打印体的即将和/或正在累积熔融原料的区域熔化而获得，熔池属于所述打印体的组成部分，熔池在凝固后转变为固态；所述的锻造方法，在累积熔融原料的过程中，在打印体上的累积熔融原料的区域完全固化之前，对打印体上的累积熔融原料的区域施加电流和磁场以形成磁力作用(当导体内电流方向与磁场不平行时，导体受到安倍力或洛伦兹力作用，即磁力作用)，通过所述磁力作用对打印体上的累积熔融原料的区域的内部微观组织进行调控(磁力产生诸多物理作用，例如：熔融态的材料被磁力搅拌，软化态的材料在微观层面被挤压、或被推动、或产生振动、或磁致伸缩、或材料内部晶粒的原有生长模式被破坏)；正在累积的熔融原料作为所施加电流的一处接入点；产生所述的熔融原料的加热源与产生所述的熔池的加热源互相独立。(解释：在电路中，至少需要两处接入点，才能形成回路；正在累积的熔融原料作为施加电流所需的其中一处接入点；其它的接入点可以多样，例如打印体或者与打印体连接的导电性结构可以作为接入点，接入方式也多样，包括接触式的接入方式和非接触式的接入方式，例如：机械式连接(接触式)，电弧连接(非接触式)，电容耦合(非接触式)。产生所述的熔融原料的加热源与产生所述的熔池的加热源互相独立，即熔融原料的生成与熔池的生成是解耦合的，例如：通过电阻加热方式产生熔融原料，通过电弧加热产生熔池。)所述的打印体上的累积熔融原料的区域包括熔池、与正在累积熔融原料的熔池连接的软化区；在累积熔融原料的过程中，对打印体上的与正在累积熔融原料的熔池连接的软化区施加电流和磁场，软化区内材料受到所述磁力作用；或者，在累积熔融原料的过程中，对打印体上的正在累积熔融原料的熔池施加电流和磁场，熔池内材料及其连接的软化区内材料受到所述磁力作用；或者，在累积熔融原料的过程中，对打印体上的正在累积熔融原料的熔池和正在累积的熔融原料施加电流和磁场，熔池内材料及其连接的软化区内材料、以及正在累积的熔融原料受到所述磁力作用。可选地：所述的施加的电流，采用正在对打印体进行加热用于产生熔池的加热源作为所述的施加的电流的一种接入途径。例如电弧(包括自由弧、压缩弧等)，即：通过电离的气体将电流接入打印体；在金属丝电弧熔化成型(WireandArcAdditiveManufacture,WAAM)的金属三维打印技术中，电弧就是将电流引入打印体的途径/方式。又如激光，激光在加热打印体产生熔池的同时，也会对其所穿过的气体加热产生等离子体，等离子体具有导电性，可以将激光加热产生的等离子体作为电流的接入途径(但是在等离子体中通过电流就会形成电弧)。可选地：所述的施加的电流，为复合电流，即该复合电流由至少两个电路产生的电流组成。可选地：所述的施加的电流，为复合电流，即该复合电流由至少两个电路产生的电流组成，或者说，由至少两个电路产生的电流共同流经所述的熔池，或者共同流经所述的熔池和熔融原料。可选地：所述的施加的电流，打印体和/或打印体所依赖的三维打印设备的打印体支撑平台作为该电流的一处接入点；所述的打印体所依赖的三维打印设备的打印体支撑平台是指在三维打印过程中，三维打印设备的用于支撑打印体的可复用结构或一次性结构。可选地：所述的施加的磁场，为静态磁场(例如稳定直流电产生的磁场、永磁体产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁力搅拌的三维打印锻造方法，其通过在三维打印过程中，在打印体上的累积熔融原料的区域完全固化之前对其内部微观组织进行调控；所述的三维打印，其主要方法是：将固态原料熔化获得熔融原料，熔融原料被放置到三维打印设备所使用的成型区，熔融原料在成型区累积并转变为打印体，新生成的熔融原料在打印体上的熔池上累积、直至所要打印的物体成型；其中：在累积熔融原料的过程中，熔融原料所被放置的位置由所要打印的物体的形状和结构决定；所述的三维打印设备所使用的成型区，是指三维打印设备在打印零件时所使用的空间；所述的熔池是通过加热能量将打印体的即将和/或正在累积熔融原料的区域熔化而获得，熔池属于所述打印体的组成部分，熔池在凝固后转变为固态；/n所述的锻造方法，其特征在于：/n在累积熔融原料的过程中，在打印体上的累积熔融原料的区域完全固化之前，对打印体上的累积熔融原料的区域施加电流和磁场以形成磁力作用，通过所述磁力作用对打印体上的累积熔融原料的区域的内部微观组织进行调控；正在累积的熔融原料作为所施加电流的一处接入点；产生所述的熔融原料的加热源与产生所述的熔池的加热源互相独立。/n

【技术特征摘要】
20191018 CN 2019109929800;20191203 CN 2019112228761.一种基于磁力搅拌的三维打印锻造方法，其通过在三维打印过程中，在打印体上的累积熔融原料的区域完全固化之前对其内部微观组织进行调控；所述的三维打印，其主要方法是：将固态原料熔化获得熔融原料，熔融原料被放置到三维打印设备所使用的成型区，熔融原料在成型区累积并转变为打印体，新生成的熔融原料在打印体上的熔池上累积、直至所要打印的物体成型；其中：在累积熔融原料的过程中，熔融原料所被放置的位置由所要打印的物体的形状和结构决定；所述的三维打印设备所使用的成型区，是指三维打印设备在打印零件时所使用的空间；所述的熔池是通过加热能量将打印体的即将和/或正在累积熔融原料的区域熔化而获得，熔池属于所述打印体的组成部分，熔池在凝固后转变为固态；
所述的锻造方法，其特征在于：
在累积熔融原料的过程中，在打印体上的累积熔融原料的区域完全固化之前，对打印体上的累积熔融原料的区域施加电流和磁场以形成磁力作用，通过所述磁力作用对打印体上的累积熔融原料的区域的内部微观组织进行调控；正在累积的熔融原料作为所施加电流的一处接入点；产生所述的熔融原料的加热源与产生所述的熔池的加热源互相独立。


2.根据权利要求1所述的基于磁力搅拌的三维打印锻造方法，其特征在于：
所述的打印体上的累积熔融原料的区域包括熔池、与正在累积熔融原料的熔池连接的软化区；
在累积熔融原料的过程中，对打印体上的与正在累积熔融原料的熔池连接的软化区施加电流和磁场，软化区内材料受到所述磁力作用；或者，
在累积熔融原料的过程中，对打印体上的正在累积熔融原料的熔池施加电流和磁场，熔池内材料及其连接的软化区内材料受到所述磁力作用；或者，
在累积熔融原料的过程中，对打印体上的正在累积熔融原料的熔池和正在累积的熔融原料施加电流和磁场，熔池内材料及其连接的软化区内材料、以及正在累积的熔融原料受到所述磁力作用。


3.根据权利要求1所述的基于磁力搅拌的三维打印锻造方法，其特征在于：
所述的施加的电流，采用正在对打印体进行加热用于产生熔池的加热源作为所述的施加的电流的一种接入途径。


4.根据权利要求1所述的基于磁力搅拌的三维打印锻造方法，其特征在于：
所述的施加的磁场，为静态磁场、或脉冲磁场、或交变磁场、或旋转磁场。


5.根据权利要求1所述的基于磁力搅拌的三维打印锻造方法，其特征在于：
所述的施加的磁场，为合成磁场，由至少两个磁场发生装置产生的磁场合成；
所述的施加的磁场，是移动的磁场，在三维打印过程中磁场与打印体上的熔池同步移动。


6.根据权利要求1所述的基于磁力搅拌的三维打印锻造方法，其特征在于：
所述的施加的磁场，其发生装置设置于三维打印设备的打印头上，磁场发生装置跟随打印头移动；三维打印所需的原料从打印头输出并往打印体上的熔池移动，三维打印原料与熔池接触并在熔池上累积；在三维打印原料与打印体之间施加电流，电流从熔融原料流入熔池并返回电源，或者电流从熔池流入熔融原料并返回电源。


7.根据权利要求1所述的基于磁力搅拌的三维打印锻造方法，其特征在于：
所述的施加的磁场，其发生装置设置于三维打印设备的打印头上，磁场发生装置跟随打印头移动；三维打印所需的原料从打印头输出并往打印体上的熔池移动，三维打印原料与熔池接触并在熔池上累积；在三维打印原料与打印体之间施加一路电流，电流从熔融原料流入熔池并返回电源，或者电流从熔池流入熔融原料并返回电源；使用电弧作为加热打印体表面以产生熔池的加热源，电弧作为另一路电流的接入途径，电流从电弧流入熔池并返回电源，或者电流从熔池流入电弧并返回电源。


8.根据权利要求1所述的基于磁力搅拌的三维打印锻造方法，其特征在于：所述的施加的电流，为复合电流，所述复合电流由至少两个电路产生的电流组成，也即，由至少两个电路产生的电流共同流经所述的熔池，或者共同流经所述的熔池和熔融原料。


9.根据权利要求8所述的基于磁力搅拌的三维打印锻造方法，其特征在于：
所述的施加的电流，电流至少由流经正在累积的熔融原料的电流和对打印体加热产生熔池的电弧电流组成；
所述的施加的电流，打印体和/或打印体所依赖的三维打印设备的打...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁福鹏，
申请(专利权)人：南京钛陶智能系统有限责任公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32