[发明专利]基于脉冲电流的3D打印方法及装置

说明书

本发明提供一种基于脉冲电流的3D打印方法，以非晶合金丝材或条带为原材料，对其点压后通过脉冲电流进行焊接，逐层堆叠形成三维样件。本发明方法利用脉冲电流作为非晶合金太空增材制造的热源，一方面制造过程中所需功耗远小于电子束、激光等传统热源，提高能量利用率，实现低功耗增材制造；另一方面，脉冲电流快递加热，使非晶合金处于黏度较小的非熔融状态，可避免金属材料传统3D打印方法在微重力下熔池难以控制、高真空环境下散热及凝固困难等问题，可提高太空增材制造过程的稳定性；此外，通过脉冲电流对非晶合金进行点压快速焊接及逐层增材制造，增材制造过程中热作用时间精准可控，不仅可以保持原材料的非晶结构，提高增材样件的力学性能。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域,适用于太空制造领域，具体涉及一种基于电脉冲的3D打印方法及装置。

背景技术

面向太空环境的太空增材制造技术(In-space Additive Manufacturing)，即“在太空制造、服役于太空”，可突破运载火箭发射时对载荷体积、重量以及结构强度的严苛限制，实现不同尺寸、复杂形状航天器结构的在轨制造，提高航天任务执行的灵活性。同时，在太空微重力环境下，可简化航天器结构和强度设计，实现“小设备”制造“大结构”。因此，发展太空增材制造技术，是各国抢占空间竞争制高点的战略要求，有助于推动我国月球及深空探测、载人航天工程、在轨维护及国防军事力量的发展。

目前，采用热塑性高分子和纤维增强复合材料作为原材料的舱内增材制造技术在国内外已取得突破性进展。据报道，NASA已于2014年在国际空间站中利用熔融沉积成型技术(FDM，Fused Deposition Modeling)实现了热塑性高分子材料的舱内增材制造。2020年，中国空间技术研究院北京卫星制造厂有限公司研制了连续纤维增强复合材料的FDM增材制造系统，通过我国自主研制的新一代载人飞船试验船，完成了国内首次太空增材制造技术的在轨实验。

面向空间大型结构，突破舱外太空环境的增材制造技术是重点。2019年，NASA资助“Archinaut One”项目(7370万美元)，目标是在轨验证小型航天器在近地轨道上制造10米桁架结构的能力。高真空、微重力、高低温交互、强辐照等极端空间环境对增材制造过程中的原材料、工艺、装置等均提出了特殊要求。比如，太空环境下重力的消失会造成原材料熔滴飞溅，熔池和制造过程难以控制；高真空环境会造成材料在制造过程中传热传质方式的改变。因此，突破太空增材制造技术，需要基于新材料、新工艺、新装置等。

非晶合金是20世纪60年代发现的一种新型金属材料，具有长程无序、短程有序的原子结构，因而不具有位错、晶界等缺陷，表现出的高强度、高硬度、大弹性变形极限、抗辐照、耐腐蚀、抗高速撞击等性质；同时兼具塑料特性，可在远低于其熔点的过冷液相温区进行热塑性加工，从而大幅降低制造过程所需的能耗，避免高能耗热源在微重力条件下增材制造时引起的熔滴飞溅，提高制造过程的稳定性。因此，非晶合金是实现合金材料太空增材制造技术的理想模型材料。

然而，非晶结构比晶体结构具有更高的能量状态，导致非晶合金天然具有晶化的趋势，即将非晶合金加热到玻璃转变温度以上，经过一段时间后会产生结晶现象，影响其服役性能。

2011年，加州理工大学William L.Johnson在Science期刊中报道了利用脉冲电流对非晶合金材料进行快速加热时可提高非晶合金玻璃转变温度，有效避免晶化行为，保持其特殊原子结构及优异性能(William L.Johnson,et al.Beating Crystallization inGlass-Forming Metals by Millisecond.Science 332(2011)828-833.)，参见图1。