[发明专利]超声选区叠层增材制造装置及方法

说明书

本发明涉及一种超声选区叠层增材制造装置及方法，属于增材制造技术领域。成形室系统和纸模运动系统位于机架内并固定在其底板上，铺粉系统位于成形室系统的上方并固定在中间支撑板上，移动超声焊接系统和激光扫描切割系统固定于机架的顶部支撑板上。本发明无需采用大功率激光器、电子束等高能发射装置，在静压力下将超声振动能转化为粉末材料间的摩擦能、形变能及有限的升温；本方法所成形零件的残余应力与热变形非常小，可实现粉末颗粒间原子间的结合；可实现高强度金属或非金属三维零件的增材制造，尤其适用于非晶态金属材料的增材制造。具有成形过程中无需保护气体，成形后无需复杂的后处理工艺，成形精度高等优点。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种超声选区叠层增材制造装置及方法，在静压力下将超声振动能转化为粉末颗粒与沉积层之间的摩擦能、形变能及有限的升温，实现粉末颗粒间原子间的结合，用于高强度实体零件的直接近净成形，尤其适用于非晶态金属粉末材料的增材制造。

背景技术

基于粉末材料直接近净成形的增材制造技术，因其成形材料广泛、成形零件力学性能优异等优点，而被广泛应用于军工、航空航天、汽车、生物医疗、教育与文化以及服装等领域，基于粉末材料直接近净成形的增材制造技术主要有粉末床烧结式增材制造技术(SLS/SLM/EBM)和粘结剂喷射式增材制造技术(3DP)。

粉末床烧结式增材制造技术，首先在工作台上用辊筒铺一层粉末材料，然后计算机根据模形的切片轮廓线数据控制高能束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成工件的一个层面，在非扫描区的粉末仍呈松散状，作为工件和下一层粉末的支撑，一层成形完成后，工作台下降一个截面层的高度，再进行下一层的铺料和烧结，如此循环，最终形成三维工件。但其成形时材料容易被氧化，需要比较复杂的辅助工艺，成形室真空度要求高，激光器和粉末材料的价格较高，设备运转及维护成本较高，成形过程中容易产生残余应力，样件翘曲变形，由于高能束能量较高，难以直接成形非晶态金属材料。

粘结剂喷射式增材制造技术，首先铺粉机构在加工平台上精确地铺上一薄层粉末材料，然后喷墨打印头根据这一层的截面形状在粉末上喷出一层特殊的胶水，喷到胶水的薄层粉末发生固化，然后再铺一层粉末，打印头按下一截面的形状喷胶水，如此层层叠加，直到把整个零件的所有层打印完毕。但其成形零件强度低，需对零件进行脱脂、无压烧结、热等静压烧结和溶渗等调高其强韧性后处理，难以实现大体积致密零件的增材制造，成形后零件的表面精度和尺寸精度较差。

综上所述，现有的基于粉末材料直接近净成形的增材制造装置，粉末床烧结式增材制造装置成形时材料容易被氧化，需要比较复杂的辅助工艺，成形室真空度要求高，大功率激光器和粉末材料的价格较高，设备运转及维护成本较高，成形过程中容易产生残余应力，样件翘曲变形，由于高能束能量较高，难以直接成形非晶态金属材料；粘结剂喷射式增材制造装置成形零件强度低，需对零件进行脱脂、无压烧结、热等静压烧结和溶渗等调高其强韧性后处理，难以实现大体积致密零件的增材制造，成形后零件的表面精度和尺寸精度较差。本发明正是针对目前粉末材料直接近净成形的增材制造装置的现状，研制了不需要向成形装置引入高温热源，在静压力下将振动能量转化为金属粉末间的摩擦能、形变能及有限的升温，成形样件没有残余应力，几乎没有热变形，可实现粉末颗粒间原子间的结合，直接近净成形高强度三维实体样件，成形材料广泛，成形过程中无需保护气体，成形精度高，成形后无需复杂后处理工艺，设备运营维护成本低的超声选区叠层增材制造装置。

发明内容

本发明提供一种超声选区叠层增材制造装置及方法，以解决现有基于粉末材料直接近净成形的增材制造装置形时材料容易被氧化，需要比较复杂的辅助工艺，成形室真空度要求高，激光器和高标准粉末材料的价格较高，设备运转及维护成本较高，成形过程中容易产生残余应力，样件翘曲变形，成形后零件的尺寸精度较差，难以直接成形非晶态金属材料的问题。在静压力下将振动能量转化为金属粉末间的摩擦能、形变能及有限的升温，成形样件没有残余应力，几乎没有热变形，可实现粉末颗粒间原子间的结合，直接近净成形高强度三维实体样件，成形材料种类广泛，尤其适用于成形现有增材制造技术难以直接成形的非晶态金属材料。