[发明专利]一种超声辅助金属微喷熔滴沉积成型装置及方法

说明书

本发明公开了一种超声辅助金属微喷熔滴沉积成型装置及方法，该装置包括手套箱，在手套箱的内部安装有三维工作台、基板、检测装置、超声波辅助装置、热熔装置、压电执行器以及间隙微调仪；在手套箱的外部设有惰性气体罐、真空泵、压力控制器、中央处理器、温度控制器、运动控制卡和超声波发生器。本发明在金属微喷熔滴沉积成型过程中，对沉积层表面的熔覆层施加非接触式超声振动，利用超声的空化、声流、机械和热效应，破碎熔滴金属内的晶粒，抑制晶粒长大，有效提高成型件的表面质量，减少气孔的产生。同时，根据红外热成像仪测量的温度值控制加热元件的温度，避免金属熔滴的流淌，使金属熔滴能够快速精准的凝固成型。

技术领域

本发明涉及金属三维增材制造领域，具体涉及一种超声辅助金属微喷熔滴沉积成型装置及方法。

背景技术

金属微喷熔滴沉积成形技术是金属增材制造技术的一种，它基于离散-堆积的成形思想，将三维零件进行二维离散，形成片层数据，逐层累加成形零件。通过坩埚将块状金属熔化，利用计算机精确控制金属微熔滴按需喷射和三维沉积平台的运动，使熔滴在基板上逐点、逐层沉积，从而实现三维金属零件的无模直接成形。该技术成形工艺简单，适合于微小复杂金属零件的直接快速成形。

近年来，国内外研究者针对微熔滴喷射理论、熔滴及沉积实体热状态变化规律和微熔滴碰撞铺展等基础问题，以及配套实验装置的设计与改进等方面均进行了较为深入的研究，但仍存在诸多影响成形精度和质量的问题亟待解决，如熔滴流淌难控制、成形层间冶金结合不足、容易形成微孔隙和冷叠等，尤其是熔体流淌和凝固过程的精确控制已成为制约该技术走向工业应用的瓶颈。在成形件边缘部分极易产生“流淌”现象。同时，成形过程中的热积累量作用不仅使先成形部分产生一定的温度梯度，使其内部形成残余应力，导致成形件产生翘曲变形现象，而且容易导致零件的晶粒粗化，降低零件的整体力学性能。所以对凝固成型过程的精确控制，提高成型件的精度，减少气孔就显得尤其重要。

公开号为CN103056375A的专利《微小金属熔滴形成装置以及利用该装置形成微小金属熔滴的方法》公开了一种通过控制加载应力波控制金属熔滴尺寸的方法。公开号为CN104028761A的专利《一种金属微喷熔滴电磁约束沉积成型系统》公开了一种通过施加外置电磁场，实现小空间、大场强、大时间温度梯度环境下电磁场约束对金属微熔滴流淌、快速凝固后成型的控形控性精确沉积成型，提高金属复杂构件成型精度和效率。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有背景技术存在的不足，提供一种超声辅助金属微喷熔滴沉积成型装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种超声辅助金属微喷熔滴沉积成型装置，包括手套箱，所述手套箱的内部安装有三维工作台、基板、检测装置、超声波辅助装置、热熔装置、压电执行器以及间隙微调仪；手套箱的外部设有惰性气体罐、真空泵、压力控制器、中央处理器、温度控制器、运动控制卡和超声波发生器。

上述三维工作台安装在手套箱内的底部，基板安装在三维工作台的上端面，在三维工作台的正上方设有热熔装置，热熔装置固定连接于手套箱，热熔装置包括有坩埚以及安装在坩埚周围的加热元件，坩埚的底部安装间隙可调喷嘴，坩埚的上端安装压电执行器，压电执行器上方安装间隙微调仪，间隙微调仪用于控制压电执行器产生的脉冲压力，从而调节间隙可调喷嘴喷射金属熔滴的频率，坩埚上端与压电执行器中间安装有绝热元件；检测装置和超声波辅助装置设在热熔装置和基板中间，分别位于间隙可调喷嘴的左右两侧，检测装置包括卡座一和红外热成像仪，超声波辅助装置包括卡座二、超声波换能器、超声波变幅杆、工具头和超声冲击针。

在手套箱的外部，惰性气体罐通过管道连通手套箱，管道上设有压力阀，所述压力阀位于手套箱内部；真空泵通过输气管连接手套箱。中央处理器通过线路分别连接压力控制器、温度控制器、红外热成像仪和运动控制卡，压力控制器通过线路连接压力阀，可以调节手套箱内惰性气体的含量；温度控制器连接坩埚内加热元件，控制加热元件对坩埚内部金属溶液的加热；运动控制卡通过线路连接三维工作台，控制其相对手套箱进行移动；超声波发生器通过线路连接超声波辅助装置。