CN106609369A - 一种冷气动力喷涂实现增材制造的方法 - Google Patents

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王吉强
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Abstract

本发明涉及增材制造(AM)俗称3D打印技术领域，具体为一种冷气动力喷涂实现增材制造的方法。采用冷气动力喷涂工艺结合计算机辅助制造实现3D打印技术，区别于其他传统热3D打印技术，所述技术为非热输入型(非熔化)3D打印技术。该技术基于冷气动力喷涂工艺，能够使颗粒在固态状态下高速撞击，通过颗粒强烈的塑性变形沉积实现3D打印增材制造。同时，结合先进计算机辅助制造技术可以制备具有较高精度的复杂工件，在此过程中粉末不发生氧化、烧损、相变、组织变化等现象。从而，解决了高温易相变，易挥发合金、非晶、准晶以及纳米晶等材料无法应用传统热输入型(熔化型)3D打印技术制备工件的难题。

Description

一种冷气动力喷涂实现增材制造的方法
技术领域：
本发明涉及增材制造(AM)俗称3D打印技术领域，具体为一种冷气动力喷涂实现增材制造(3D打印)的方法——CGDS-AM(非热输入型3D打印技术)，采用冷气动力喷涂，依靠颗粒高速运动事所具有的动能进行快速沉积，实现非熔化3D打印的新技术。
背景技术：
3D打印技术，即快速制造(RM)技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，先通过计算机辅助设计(CAD)或计算机动画建模软件建模，再将建成的3D模型“分区”成逐层的截面，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
传统3D打印技术的成型原理均是通过热输入将原料粉末熔融，并结合CAE(计算机辅助工程Computer Aided Engineering)技术来实现增材制造。而对热和氧化敏感的材料，由于熔化后其组织、成分、各类物性参数都将产生变化，难以通过该种方法来实现增材制造。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷气动力喷涂实现增材制造(3D打印)的方法，通过采用冷气动力喷涂工艺结合计算机辅助制造实现3D打印，开辟一种制备具有一定精度且形状复杂的热敏感性材料工件的方法。
本发明的技术方案如下：
一种冷气动力喷涂实现增材制造的方法，该方法采用冷气动力喷涂工艺，并结合先进计算机辅助制造技术，实现CGDS-AM非热3D打印增材制造工件。
所述的冷气动力喷涂实现增材制造的方法，该方法通过3D打印的快速成型技术和冷气动力喷涂技术有机结合，以粉末为加工原料，采用压缩气体为加速介质，带动金属颗粒在固态下以1～4Mach的超音速碰撞基板，导致颗粒发生强烈的塑性变形，从而使粉末逐层沉积在金属基板上，叠加形成金属工件。
所述的冷气动力喷涂实现增材制造的方法，制造工件的过程中，冷气动力喷涂工艺的具体参数如下：加速介质使用压缩气体，种类为空气、氮气、氦气或上述两种以上的混合气体，喷涂时气体加热温度为100～1000℃，以提高压缩气体速度；喷涂压力为0.6～5MPa，喷涂距离为10～80mm，入射角度50°～90°。
所述的冷气动力喷涂实现增材制造的方法，选用的粉末粒径分布为5～50μm，以及团聚至微米级5～50μm的纳米颗粒。
所述的冷气动力喷涂实现增材制造的方法，采用专业CAD工具结合高精度自动机器人持枪实现3D打印。
所述的冷气动力喷涂实现增材制造的方法，制备的工件成分与使用粉末相同，并保留粉末初始组织且局部更加细化。
本发明的设计思想是：
冷气动力喷涂是近年来发展起来的一门新技术，受到国内外学者广泛关注。普遍被应用于表面改性，制备功能涂层以及工件修复技术。与传统的热喷涂不同，冷气动力喷涂是在低温状态下，通过高速粉末颗粒撞击基体时产生剧烈的塑性变形而实现沉积成型。在成型过程中不改变原料的组织及成分，因此冷气动力喷涂特别适合应用于对热和氧化敏感的粉末增材制造。经检索，将冷气动力喷涂结合CAE技术实现3D打印在国内外还未见有专利报导。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明开辟一种热敏感性材料的3D打印技术，解决了传统3D打印技术无法应用于热敏感性材料，如：高温易相变、易挥发合金及非晶、准晶、纳米晶等材料的难题，实现CGDS-AM非热3D打印制备具有较高精度的复杂工件。
2、采用本发明制备的工件成分与使用粉末相同，并保留粉末初始组织且更为细化，解决了制备纳米晶块体材料和部件的难题。
3、采用本发明制备的工件具有良好的机械性能。
4、采用本发明制备的工件具有较高的精度，实现近净成形。
附图说明
图1为冷气动力喷涂3D打印示意图。
图2为采用冷气动力喷涂3D打印技术制备管材。
图3为采用冷气动力喷涂3D打印技术制备Al12Si工件的截面组织形貌。
具体实施方式
在具体实施方式中，本发明采用冷气动力喷涂工艺结合计算机辅助制造实现的3D打印技术，制备具有一定精度且形状复杂的热敏感性材料工件的方法。在制备工件的过程中，具体参数如下：喷涂时气体加热温度为200～700℃(优选为300～500℃)，加热的目的是为了提高压缩气体速度。粉末及基板均可由室温加热至700℃，加速介质使用压缩气体，压缩气体的种类为空气、氮气、氦气或上述两种以上的混合气体，喷涂压力为1.5～5MPa，喷涂距离为10～30mm，入射角度50°～90°，制备的工件的结合强度达到40～200MPa，孔隙率0.1％～1.54％，表面粗糙度Ra40μm～160μm。
如图1所示，冷气动力喷涂3D打印的工艺流程如下：高压气体经气体加热后，与高压气体输送的粉末汇合，通过加热的高压气体将粉末送至超音速喷嘴。采用压缩气体为加速介质，带动金属颗粒在固态下以超音速(1～4Mach)碰撞基板，导致颗粒发生强烈的塑性变形。同时，结合计算机辅助工程技术CAE，采用专业CAD工具结合高精度自动机器人持枪实现3D打印，从而使粉末逐层沉积在金属基板上，叠加形成金属工件。
其中，通过调整入射角能够实现复杂部位精确沉积，但沉积效率会随着入射角度的减小而降低。选用粉末包括Al、Cu粉，Ti、Ni、MCrAlY合金粉以及一些陶瓷粉末，或按一定比例配置的混合粉。制备工件时，基板材料可选用与喷涂粉末一致或物性参数相近的材料以实现初期良好沉积。粉末粒径分布为5～50μm，以及团聚至微米级的纳米颗粒。
本发明中，冷喷涂设备请参见中国发明专利(专利号：01128130.8，授权公告号：CN1161188C)提到的一种冷气动力喷涂装置。
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1
喷涂粒度为400～500目纯Al粉，操作压力为1.5MPa，气体加热温度380℃，入射角60°～90°。喷射方向根据CAD文件程序控制，喷射距离配合生长方向移动，实现纯铝异形件3D打印成型。本实施例中，制备的工件制备的工件的结合强度达到40～200MPa，孔隙率0.1％～0.5％，表面粗糙度Ra40μm～160μm。如图2所示，从采用冷气动力喷涂3D打印技术制备铝材可以看出，冷气动力喷涂增材制造技术能够制造一定程度形状复杂的工件。
实施例2
喷涂粒度为325～600目的纯Cu粉，操作压力为2.5MPa，气体加热温度500℃，入射角60°～90°，打印喷头随异性导体表面转动。铜粉逐层沉积在原有基体表面，经测定增项部分导电性良好，实现易氧化材料的增材制造。本实施例中，制备的工件的结合强度达到65～200MPa，孔隙率0.2％～1.2％，电导率接近纯铜。
实施例3
喷涂粒度为450～500目非晶态Al粉，操作压力为1.8MPa，气体加热温度250℃，入射角90°。打印喷头垂直于基板方向进行喷射，喷射距离配合生长方向移动，实现非晶态纯铝增材制造。本实施例中，制备的块体材料组织具备非晶态组织特征。
实施例4
喷涂粒度为325～600目Al12Si粉末，操作压力为2.0MPa，气体加热温度400℃，入射角90°。打印喷头垂直于基板方向进行喷射，喷射距离配合生长方向移动，实现制备铝硅合金增材制造。本实施例中，制备的块体材料具有良好的耐磨及耐腐蚀性能。如图3所示，从采用冷气动力喷涂3D打印技术制备Al12Si工件的截面组织形貌。
实施例结果表明，本发明采用冷气动力喷涂工艺结合计算机辅助制造实现3D打印技术，区别于其他传统热3D打印技术，所述技术为非热3D打印技术。该技术基于冷气动力喷涂工艺，能够使颗粒在固态状态下高速撞击工件表面，通过颗粒强烈的塑性变形进行沉积实现3D打印增材制造。同时，结合先进计算机辅助制造技术可以制备具有较高精度的复杂工件。而在此过程中粉末不易发生氧化、烧损、相变、组织变化等现象，解决了高温易相变、易挥发合金及非晶、准晶、纳米晶等材料无法应用传统热3D打印技术制备工件的难题。

Claims (6)

1.一种冷气动力喷涂实现增材制造的方法，其特征在于：该方法采用冷气动力喷涂工艺，并结合先进计算机辅助制造技术，实现CGDS-AM非热3D打印增材制造工件。
2.按照权利要求1所述的冷气动力喷涂实现增材制造的方法，其特征在于：该方法通过3D打印的快速成型技术和冷气动力喷涂技术有机结合，以粉末为加工原料，采用压缩气体为加速介质，带动金属颗粒在固态下以1～4Mach的超音速碰撞基板，导致颗粒发生强烈的塑性变形，从而使粉末逐层沉积在金属基板上，叠加形成金属工件。
3.按照权利要求1所述的冷气动力喷涂实现增材制造的方法，其特征在于：制造工件的过程中，冷气动力喷涂工艺的具体参数如下：加速介质使用压缩气体，种类为空气、氮气、氦气或上述两种以上的混合气体，喷涂时气体加热温度为100～1000℃，以提高压缩气体速度；喷涂压力为0.6～5MPa，喷涂距离为10～80mm，入射角度50°～90°。
4.按照权利要求3所述的冷气动力喷涂实现增材制造的方法，其特征在于：选用的粉末粒径分布为5～50μm，以及团聚至微米级5～50μm的纳米颗粒。
5.按照权利要求1所述的冷气动力喷涂实现增材制造的方法，其特征在于：采用专业CAD工具结合高精度自动机器人持枪实现3D打印。
6.按照权利要求1所述的冷气动力喷涂实现增材制造的方法，其特征在于：制备的工件成分与使用粉末相同，并保留粉末初始组织且局部更加细化。
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