[发明专利]一种金属零件增材制造方法及装置

说明书

本发明公开了一种金属零件增材制造方法及相应设备，将零件的三维模型数据输入至3D打印设备的控制系统内，生成喷头和工作平台规划路径的控制指令；控制系统控制工作平台和喷头按照规划路径移，将具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物料通过喷头喷出，使其粘贴在工作平台的层面或已沉积的模型混合物表面上；使用热源将混合物加热至金属粉末熔点以下的烧结温度，完成粘结剂的气化脱脂及金属粉末的烧结；重复前述两步骤，直至完成金属零件的打印成型。本发明将具有流变性的金属粉末和粘结剂混合物喷射成型，同步进行脱脂和烧结，可精确控制零件尺寸，适用于制造形状复杂的金属零件，无需注射模具，工艺简单实用，减少能耗。

技术领域

本发明属于增材制造与金属粉末烧结技术领域，尤其是涉及一种基于增材制造工艺直接制造金属零部件的方法。

背景技术

目前，以3D打印为代表的增材制造已成为一项快速成形的主要工艺。可打印金属零件的3D打印技术包括：LOM(分层实体制造)、3DP(三维印刷)、SLS (选择性激光烧结)、SLM(选择性激光熔化)、LSF(激光立体成型)等。LOM成型原理是采用激光器按照CAD分层模型所获得的数据，用激光束将单面涂有热熔胶的薄膜材料的金属箔切割成设计原型某一层的内外轮廓，再通过加热辊加热，使刚切好的一层与下面切好的层面粘接在一起，通过逐层切割、粘合，最后将不需要的材料剥离，得到设计原型。LOM技术的材料利用率率低，制造的金属零件抗拉强度较差，且零件表面有台阶纹理。3DP打印利用喷头喷射的液体粘结剂，粘结铺设在粉床上的金属粉末成形，零件强度很低。

3D打印用于制造承受较大载荷的金属功能零件时，更多地应用SLS、SLM 和LSF技术。SLS主要是利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基本原理，通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然后逐层烧结堆积成型。铺粉滚筒先铺一层粉末材料，通过打印设备里的恒温设施将其加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，接着激光束在粉层上照射，使被照射的粉末温度升至熔化点之上，进行烧结并与下面已制作成形的部分实现黏结。当一个层面完成烧结之后，打印平台下降一个层厚的高度，铺粉滚筒为打印平台铺上新的粉末材料，然后控制激光束再次照射进行烧结，如此循环往复，层层叠加，直至完成整个三维物体的打印工作。由于是使用铺粉方式SLS打印后的金属零件孔隙较多，且往往强度不足，需要在烧结炉中进行二次烧结甚至三次烧结，或者金属熔渗工序，以得到致密且强度较高的金属零件。SLM与SLS打印过程非常相似，区别在于 SLM利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化，再经冷却凝固而成型，这种技术不需要二次烧结，但是能耗非常高。LSF也是采用激光熔化金属粉末的方法按照轮廓轨迹逐层堆积材料，故也存在能耗很高的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种无需成型模具和二次烧结的金属零件增材制造方法。

本发明的另一目的是提供一种金属零件增材制造装置。

本发明的技术解决方案是：一种金属零件增材制造方法，包括以下步骤：(1)、将零件的三维模型数据输入至3D打印设备的控制系统内，生成喷头和工作平台规划路径的控制指令；(2)、控制系统按照步骤1中的控制指令，控制工作平台和喷头按照规划路径移动，将具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物料通过喷头喷出，使其粘贴在工作平台的层面或已沉积的模型混合物表面上；(3)、使用热源将步骤(2)中的混合物加热至金属粉末熔点以下的烧结温度，完成粘结剂的气化脱脂及金属粉末的烧结，(4)、重复步骤2-3，直至完成金属零件的打印成型。

具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物通过喷头逐层射出成形，且同步进行粘结剂脱脂与烧结，喷头可以被精确控制具有流变性的混合物料射出的数量，有利于保证成型零件的尺寸控制精度，烧结后的金属零件表面不存在残余粉末，不必在制造后再予以清除，方便制造形状复杂的金属零件，工艺过程简单，结合了金属粉末射出成形工艺和3D打印技术，烧结温度低于金属熔点，能耗小。

在步骤(2)中还包括将3D打印设备的成型腔内抽真空或通入保护性惰性气体的步骤。方便为3D打印和烧结提供封闭的保护环境，提高成型质量。