【技术实现步骤摘要】
均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法
[0001]本专利技术涉及均匀金属微滴喷射3D打印
，特别涉及均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法。
技术介绍
[0002]基于均匀金属微滴喷射的增材制造技术是一种有别于传统金属3D打印的新兴技术，它是通过控制脉冲压力和振动波形等参数，使熔融态金属喷射形成微米～亚毫米级的均匀微滴，再精确控制沉积基板三维运动与微滴按需喷射间的协调匹配，按照预设扫描轨迹实现金属微滴的逐点、逐线、逐层打印，最终成形出目标三维结构。均匀金属微滴喷射3D打印技术兼具喷墨打印分辨率高和雾化喷涂沉积晶粒细小等优点，且无需特制原材料和专用昂贵设备，在微小型复杂件、功能器件等的快速制造方面具有独特优势。然而，均匀金属微滴喷射3D打印技术采用离散的金属微滴作为制造单元，在金属微滴连续沉积过程中通常伴随着卷气与不完全流动填充等现象，导致其打印制件内部具有许多细小的孔洞缺陷，该类孔洞缺陷通常会在零件服役过程中造成应力集中并触发裂纹萌生，最终导致零部件失效，严重制约了该技术的实际应用。
[0003]现有技术通常通过优化控制均匀金属微滴层内/层间扫描步距、沉积基板温度等工艺参数，以提高金属微滴喷射打印制件致密度的方法。然而，该方法主要是基于工艺参数对打印制件宏观致密度的影响规律，还尚未考虑该技术中孔洞缺陷的详细形成过程及其潜在影响因素。
[0004]在均匀金属微滴喷射打印过程中，液滴碰撞卷气行为是液滴碰撞动力学的物理本质，在金属微滴局部快速凝固与强熔体马兰戈尼流(Marangoni>‑
drivenflow)引发的高阻力共同作用下，卷入金属微滴底部的气泡较难在浮力驱动下排出，故由卷气形成的气孔缺陷较难通过优化控制工艺参数来进行有效抑制；其次，多颗金属微滴连续堆积的沉积层表面通常会自发地形成“贝壳”状的凹凸不平特征形貌，熔融态金属液在向已沉积层表面的空隙中流动填充时，由于金属液流体毛细作用力、表面张力与填充区域气体的反向阻力间的平衡，该流动填充过程通常存在着浸渗极限，即单纯依赖金属微滴铺展流动较难将沉积层界面区域内的微小空隙完全填充。
[0005]基于以上特点，均匀金属微滴喷射3D打印制件内部的孔洞缺陷一直是很难根除的常规缺陷。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的是提供均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法，以解决现有技术中存在的问题。
[0007]为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法，包括以下步骤：
[0008]1)选取金属或合金作为打印原材料，并对打印原材料表面的氧化皮和杂质进行处
理。
[0009]2)将处理后的打印原材料供给至按需式均匀金属微滴发生器。其中，所述按需式均匀金属微滴发生器布置在低氧低水环境中。所述按需式均匀金属微滴发生器的外壁上设置有感应加热器。所述按需式均匀金属微滴发生器的底部设置有喷嘴。所述按需式均匀金属微滴发生器布置在沉积基板上方。所述按需式均匀金属微滴发生器接地处理。
[0010]3)启动感应加热器。所述感应加热器产生热量对打印原材料进行加温，打印原材料熔化为熔融液态金属或合金。
[0011]4)打印初始化。将三维工作台移动至打印位置，调整沉积基板距喷嘴至设定距离。其中，所述三维工作台接地处理。所述三维工作台的上表面从下到上依次铺设绝缘板、加热板和沉积基板。所述沉积基板与高压直流电源I的正极接通。所述三维工作台具有X方向移动轴、Y方向移动轴和Z方向移动轴，实现XYZ三个方向的运动。所述沉积基板、加热板、绝缘板和三维工作台均布置在低氧低水环境中。
[0012]5)启动加热板对沉积基板进行预热处理。
[0013]6)启动按需式均匀金属微滴发生器，激发熔融态金属或合金原材料在喷嘴处挤出，形成液流。
[0014]7)在充电电极的诱导作用下，负电荷聚集到液流上。当液流长度达到一定阈值时，液流断裂形成带负电荷的充电金属微滴。其中，所述充电电极整体为环形片状结构。所述充电电极上设置有供充电金属微滴穿过的孔洞。所述充电电极布置在喷嘴与沉积基板之间。所述充电电极与周期性高压脉冲电源的正极接通。所述周期性高压脉冲电源为充电电极断续加电。
[0015]8)带负电荷的充电金属微滴穿过充电电极上的孔洞向通电沉积基板飞行。带负电荷的充电金属微滴与沉积基板之间逐渐形成电场。电场强度随着两者的距离减小而增大。在电场诱导作用下，电荷在充电金属微滴内部重新分布，负电荷聚集到微滴的底部，从而增大麦克斯韦应力。当电场强度达到一定水平时，充电金属微滴的电荷水平升高到临界电荷水平以上，充电金属微滴在麦克斯韦应力作用下克服表面张力与周围环境气体压力而变形，在充电金属微滴底部生成泰勒锥。
[0016]9)带负电荷的充电金属微滴向沉积基板沉积。带负电荷的充电金属微滴底部的泰勒锥与沉积基板表面率先接触，在随后的流动铺展过程中，微滴沉积区域内的环境气体被顺势排出。
[0017]10)根据成形制件数字模型，反复控制按需式均匀金属微滴发生器产生充电金属微滴，并控制充电金属微滴的打印沉积与三维工作台运动间的协调匹配，实现第一个沉积层逐滴打印。
[0018]11)上一个沉积层成形完成后，三维工作台的Z轴方向下降一个沉积层高度。以已沉积凝固层将作为新的打印沉积基体。充电金属微滴沉积在已沉积凝固层上。其中，新入射的充电金属微滴与已沉积凝固层发生微域互熔，形成重熔区。电场的导向吸引作用促进充电金属微滴的流动填充，进而促进充电金属微滴对凝固层表面的微小空隙的完全填充。
[0019]12)重复步骤11)，实现逐滴逐层打印直至成形结束，最终形成成形制件。
[0020]13)关闭整个打印沉积系统，将成形制件从低氧低水环境内取出，并对成形制件进行回火处理。
[0021]进一步，通过调节高压脉冲电源的脉冲宽度和频率调整诱导充电量。
[0022]进一步，所述高压直流电源I的电压在0～1000V范围内连续可调。所述周期性高压脉冲电源的电压在500～5000V范围内连续可调。
[0023]本专利技术还提供均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法，包括以下步骤：
[0024]1)选取金属或合金作为打印原材料，并对打印原材料表面的氧化皮和杂质进行处理。
[0025]2)将处理后的打印原材料供给至按需式均匀金属微滴发生器。其中，所述按需式均匀金属微滴发生器布置在低氧低水环境中。所述按需式均匀金属微滴发生器的外壁上设置有感应加热器。所述按需式均匀金属微滴发生器的底部设置有喷嘴。所述按需式均匀金属微滴发生器布置在沉积基板上方。所述按需式均匀金属微滴发生器接地处理。
[0026]3)启动感应加热器。所述感应加热器产生热量对打印原材料进行加温，打印原材料熔化为熔融液态金属或合金。
[0027]4)打印初始化。将三维工作台移动至打印位置，调整沉积基板距喷嘴至设定距离。其中，所述三维工作台接地处理。所述三维工作台的上表面从下到上依次铺本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取金属或合金作为打印原材料，并对打印原材料表面的氧化皮和杂质进行处理；2)将处理后的打印原材料供给至按需式均匀金属微滴发生器；其中，所述按需式均匀金属微滴发生器(1)布置在低氧低水环境(11)中；所述按需式均匀金属微滴发生器(1)的外壁上设置有感应加热器(2)；所述按需式均匀金属微滴发生器(1)的底部设置有喷嘴(3)；所述按需式均匀金属微滴发生器(1)布置在沉积基板上方；所述按需式均匀金属微滴发生器(1)接地处理；3)启动感应加热器(2)；所述感应加热器(2)产生热量对打印原材料进行加温，打印原材料熔化为熔融液态金属或合金；4)打印初始化；将三维工作台(10)移动至打印位置，调整沉积基板(7)距喷嘴(3)至设定距离；其中，所述三维工作台(10)接地处理；所述三维工作台(10)的上表面从下到上依次铺设绝缘板(9)、加热板(8)和沉积基板(7)；所述沉积基板(7)与高压直流电源Ⅰ的正极接通；所述三维工作台(10)具有X方向移动轴、Y方向移动轴和Z方向移动轴，实现XYZ三个方向的运动；所述沉积基板(7)、加热板(8)、绝缘板(9)和三维工作台(10)均布置在低氧低水环境(11)中；5)启动加热板(8)对沉积基板(7)进行预热处理；6)启动按需式均匀金属微滴发生器(1)，激发熔融态金属或合金原材料在喷嘴(3)处挤出，形成液流；7)在充电电极(4)的诱导作用下，负电荷聚集到液流上；当液流长度达到一定阈值时，液流断裂形成带负电荷的充电金属微滴(5)；其中，所述充电电极(4)整体为环形片状结构；所述充电电极(4)上设置有供充电金属微滴(5)穿过的孔洞；所述充电电极(4)布置在喷嘴(3)与沉积基板(7)之间；所述充电电极(4)与周期性高压脉冲电源的正极接通；所述周期性高压脉冲电源为充电电极(4)断续加电；8)带负电荷的充电金属微滴(5)穿过充电电极(4)上的孔洞向通电沉积基板(7)飞行；带负电荷的充电金属微滴(5)与沉积基板(7)之间逐渐形成电场；电场强度随着两者的距离减小而增大；在电场诱导作用下，电荷在充电金属微滴(5)内部重新分布，负电荷聚集到微滴的底部，从而增大麦克斯韦应力；当电场强度达到一定水平时，充电金属微滴(5)的电荷水平升高到临界电荷水平以上，充电金属微滴(5)在麦克斯韦应力作用下克服表面张力与周围环境气体压力而变形，在充电金属微滴(5)底部生成泰勒锥(13)；9)带负电荷的充电金属微滴(5)向沉积基板(7)沉积；带负电荷的充电金属微滴(5)底部的泰勒锥(13)与沉积基板(7)表面率先接触，在随后的流动铺展过程中，微滴沉积区域内的环境气体被顺势排出；10)根据成形制件数字模型，反复控制按需式均匀金属微滴发生器(1)产生充电金属微滴(5)，并控制充电金属微滴(5)的打印沉积与三维工作台(10)运动间的协调匹配，实现第一个沉积层逐滴打印；11)上一个沉积层成形完成后，三维工作台(10)的Z轴方向下降一个沉积层高度；以已沉积凝固层(14)将作为新的打印沉积基体；充电金属微滴(5)沉积在已沉积凝固层(14)上；其中，新入射的充电金属微滴(5)与已沉积凝固层(14)发生微域互熔，形成重熔区(15)；电场的导向吸引作用促进充电金属微滴(5)的流动填充，进而促进充电金属微滴(5)对凝固层
(14)表面的微小空隙(16)的完全填充；12)重复步骤11)，实现逐滴逐层打印直至成形结束，最终形成成形制件(6)；13)关闭整个打印沉积系统，将成形制件(6)从低氧低水环境(11)内取出，并对成形制件(6)进行回火处理。2.根据权利要求1所述的均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法，其特征在于：通过调节高压脉冲电源的脉冲宽度和频率调整诱导充电量。3.根据权利要求1所述的均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法，其特征在于：所述高压直流电源Ⅰ的电压在0～1000V范围内连续可调；所述周期性高压脉冲电源的电压在500～5000V范围内连续可调。4.均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取金属或合金作为打印原材料，并对打印原材料表面的氧化皮和杂质进行处理；2)将处理后的打印原材料供给至按需式均匀金属微滴发生器；其中，所述按需式均匀金属微滴发生器(1)布置在低氧低水环境(11)中；所述按需式均匀金属微滴发生器(1)的外壁上设置有感应加热器(2)；所述按需式均匀金属微滴发生器(1)的底部设置有喷嘴(3)...
【专利技术属性】
技术研发人员：伊浩，刘蒙霖，曹华军，齐乐华，邓巍巍，渠达，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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