金屬3D打印制造技術(shù)發(fā)展至今,已經(jīng)產(chǎn)生了多種比較成熟和有代表性的技術(shù),包括選擇性激光燒結(jié),選擇性激光熔化,激光工程凈成型,三維堆焊技術(shù)等,其中一些技術(shù)已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。但是,這些商業(yè)化的成型設(shè)備在材料使用范圍、成型的精度和效率以及成本等方面還存在許多問(wèn)題。為了克服這些問(wèn)題,本文基于氣動(dòng)式金屬熔融擠出沉積成型原理,提出了一種新型的金屬3D打印技術(shù),并嘗試進(jìn)行系統(tǒng)搭建和實(shí)驗(yàn)研究,旨在降低成本,提高材料的使用范圍以及提升零件成型的效率和精度。本文介紹了氣動(dòng)式擠出沉積成型工藝的原理和特點(diǎn),并且將金屬液體從噴嘴的出流過(guò)程按照管嘴模型進(jìn)行了建模分析,得出基于管嘴模型的出流能夠保證擠出線條的均勻穩(wěn)定并且得到了出流流量的表達(dá)式,給后續(xù)的實(shí)驗(yàn)提供了理論指導(dǎo);分析了噴嘴溫度,基板溫度,驅(qū)動(dòng)氣壓以及走線速度等參數(shù)對(duì)金屬液體的出流過(guò)程以及沉積成型過(guò)程產(chǎn)生的影響。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了整體方案設(shè)計(jì)和搭建工作;分析了機(jī)械系統(tǒng)的各個(gè)模塊包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、噴頭和基板的功能,并且進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),解決了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn),材料的擠出以及密封等關(guān)鍵性問(wèn)題;詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)部分包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)的控制原理,并且進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和搭建工作,解決了運(yùn)動(dòng)精密控制,氣壓精密控制以及溫度精密控制等關(guān)鍵性問(wèn)題。根據(jù)所搭建的系統(tǒng),把Sn99.3Cu0.7焊錫條作為實(shí)驗(yàn)材料,研究了驅(qū)動(dòng)氣壓和噴嘴溫度對(duì)金屬液體出流的影響,并且對(duì)基板溫度,驅(qū)動(dòng)氣壓,走線速度和噴嘴溫度對(duì)金屬液體沉積的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),得到了獲得最佳線條質(zhì)量的一組最佳工藝參數(shù)為:基板溫度為220℃,走線速度為30mm/s,驅(qū)動(dòng)氣壓為0.08 MPa,噴嘴溫度為250℃。通過(guò)優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行了一維和平面成型實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該系統(tǒng)在線條沉積方面的穩(wěn)定性和均勻性以及在成型平面方面的可行性,并且得到了成型平面的最佳走線間距為0.07mm。最后,基于平面實(shí)驗(yàn)中成型表面的質(zhì)量缺陷,對(duì)該系統(tǒng)提出了一種改進(jìn)方案,以期提高系統(tǒng)成型的質(zhì)量和精密性。
【學(xué)位單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP334.8
【部分圖文】：

（１）選區(qū)沉積工藝??世界各國(guó)對(duì)選區(qū)沉積工藝的研究較為普遍，該工藝的成型裝備主要包括粉床??和激光源。成型過(guò)程如圖１．２所示，首先滾輪按照分層厚度將粉末材料鋪平在工??作臺(tái)上，壓實(shí)后激光器按照切片軟件中得到的掃描路徑進(jìn)行掃描，粉末材料在激??光的加熱作用下被燒結(jié)或者完全融化，完成第一層的截面輪廓的成型工作，隨后??控制工作臺(tái)下移一個(gè)截面層層厚的距離，重復(fù)上述工作，完成第二個(gè)截面層的成??型，如此循環(huán)，直到將整個(gè)零件成型完畢。根據(jù)使用的粉末材料的不同，該工藝??主要分為選擇性激光燒結(jié)（ＳＬＳ）和選擇性激光熔化（ＳＬＭ）兩種方式。??激光系統(tǒng)?、振鏡??———???ｒ?激光束??Ｉ?滾輪贏??Ｉ?—？?＃５５２．??－?參魯參馨會(huì)籲嫌魯魯參參擊魯參擊魯ｆｌｗｗｗｍｖｗｉｗｉｉ?ｉｌｌ＇ｌｌ?ｉｉｉ??■＂ｆ＂？１?粉末??ｉ?ＩＩ?丨｜成型零件｜??儲(chǔ)粉腔?成型腔??Ｌ??Ｉ??圖１．２選區(qū)沉積工藝原理圖??１）選擇性激光燒結(jié)（ＳＬＳ）??ＳＬＳ工藝用的粉末材料包括兩種成分，其中量多的是用于成型零件的高熔點(diǎn)??粉末，量少的是用于粘結(jié)的低熔點(diǎn)粉末。燒結(jié)工藝過(guò)程中，熔點(diǎn)低的粉末材料在??高能激光的輻照下被完全熔化，將熔點(diǎn)高的金屬粉末材料結(jié)合在一塊，冷卻凝固??后便可以達(dá)到燒結(jié)的效果。然而

粉末或絲材的形式送入高溫溶池中進(jìn)行熔化，伴隨著熔池的高速移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬??材料的沉積成型。該工藝主要以ＬＥＮＳ為代表。??ＬＥＮＳ工藝的工作流程如圖１．３所示，以激光束作為熱源，采用送粉機(jī)構(gòu)向??噴頭中提供金屬粉末材料［９］。由于熔池之間可以達(dá)到完美的冶金結(jié)合，不需要經(jīng)??過(guò)滲金屬等后處理工藝便可以獲得高密度甚至于全密度的金屬制件，使得零件整??體的強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性能獲得了顯著的提升。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整成型過(guò)程中的影??響參數(shù)，該技術(shù)可以用于成型多種材料，尤其在對(duì)功能梯度材料的成型方面具備??顯著的優(yōu)勢(shì)。但是ＬＥＮＳ的缺點(diǎn)也很明顯，就是其成型過(guò)程中制件的體積收縮較??大，降低了最終零件的尺寸精度和形狀精度，同時(shí)不適合成型帶懸臂的零件。??激光器?＾反射鏡??ｒ?：３－—??送粉器??粉末流??成型層??基板??圖１．３?ＬＥＮＳ成型原理??４??

程中的熱源，使用金屬絲作為成型零件的材料［１Ｑ］，基本原理是計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先生??成的路徑控制焊槍的掃描軌跡，通過(guò)焊縫的沉積來(lái)得到零件的截面，然后逐層堆??積，最終獲得完整的金屬制件［１１］，其工藝原理如圖１．４所示。??金屬絲?■?（?????Ｅｐ￣??送絲機(jī)構(gòu)??＼?ＭＩＧ焊槍??金屬液■胃＼??基板，??圖１．３三維堆焊技術(shù)原理圖??由于焊接技術(shù)經(jīng)過(guò)了許多年的發(fā)展，相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，因此，基于??５??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2892828