[发明专利]一种大型精密金属零件的分区并行式三维打印成型方法

说明书

本发明提供了一种大型精密金属零件的分区并行式三维打印成型方法，包括：准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板、金属粉末和金属粉末感应熔炼成型阵列板；将各个分层切片分割为若干个封闭轮廓图形块；将所有封闭轮廓图形块进行内部分块式填充；通过平行喷嘴阵列与成型基板之间相对移动来填充每个封闭轮廓图形块中的每个小区块；从而实现成型零件从底部到顶部的层层堆叠。本发明将大型零部件的分层切片灵活分成多个图形块，利用并行式金属粉末感应熔炼成型阵列板与成型基板的相对运动，依次对每个图形块进行面阵投影式粉末并行喷射成型，使得原理上成型尺寸不受任何限制，可实现任意大尺寸零件的精密成型。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种大型精密金属零件的分区并行式三维打印成型方法。

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。

感应熔炼的主要原理是法拉第电磁感应定律和电流热效应的焦耳一楞茨定律。加热开始时，给感应线圈通以交变电流，电流在它的周围空间和导体内部激发出交变磁场，使得置于磁场中心的材料内产生感应电流，这些电流在闭合回路内流动时，自由电子要克服各种阻力。于是，一部分电能用于做功而转换成热能，从而使材料升温。真空感应熔炼是真空冶金领域中的一个重要分支，真空感应熔炼能够精确控制产品在熔炼过程中的化学组成和温度，同时可以自发地阻止基体被一些易反应气体污染。金属及合金材料在进行感应加热时，强大的变频电流经感应线圈产生很强的磁场，产生电磁力。被熔化的金属受到电磁力的作用产生强烈搅拌，凝固体系产生规则的波动，加快了杂质在硅中的运动，一方面有利于易挥发杂质尽快转移到挥发表面，发生挥发反应，另一方面，杂质这种强烈的搅拌作用会在一定程度上改变晶体的显微组织形貌，进而影响杂质在晶体的分布状态。