一种基于感应加热的纳米金属粉末三维打印成型方法   0    0

本发明提供了一种基于感应加热的纳米金属粉末三维打印成型方法，包括：准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板、金属纳米粉末和纳米粉末喷射阵列板；将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充；在真空成型腔室内通过加热使成型基板及已成型部分保持在设定温度；取得当前切片的切片数据，按照其对应的分割的小区块，控制打开对应的送粉喷嘴喷射阀门，伴随着金属纳米粉末熔化、金属液体流平过程将同时发生凝固效应，并使其对应的小区块增加一定厚度。本发明巧妙利用了使成型基板及已成型部分温度在块体熔点以下、金属纳米粉末熔点以上的工艺思想，无需高能束辅助熔化效应，实现了基于纳米金属粉末的超精细、超高速三维零部件三维成型。

1.一种基于感应加热的金属纳米粉末三维打印成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)准备三维打印成型零件的CAD数据文件、成型基板、金属纳米粉末和纳米粉末喷射阵列板；
所述三维打印成型零件的CAD数据文件是采用三维CAD软件对待成型加工的零部件进行三维建模，并根据获得的零部件三维模型尺寸外形添加辅助支撑结构，然后按传统三维打印的叠层制造原理设定层厚进行分层切片后获得的封闭轮廓图形数据集合；
所述成型基板的上表面为平面且要求能够将三维打印成型零件的最底层切片的封闭轮廓图形包括在内，所述成型基板的材质为金属或陶瓷材料，所述成型基板带有可控温度的加热装置以实现将成型基板的上表面加热并保持在设定温度范围内；
所述金属纳米粉末用于三维打印成型，要求金属纳米粉末具有温度尺寸效应，即金属纳米粉末粒径小于100纳米，金属纳米粉末的熔点低于成型基板的熔点；
所述纳米粉末喷射阵列板上设置有由多个送粉喷嘴组合构成的平行喷嘴阵列，送粉喷嘴的形状要求其管道横截面是任意多边形或曲线封闭图形，送粉喷嘴的管道尺寸要求最大粒径尺寸的单颗金属纳米粉末可以无阻碍通过；每个送粉喷嘴均设置有喷射阀门，用于控制其关闭与打开；每个送粉喷嘴的出射端均设置有一感应线圈，感应线圈的磁场中心位于送粉喷嘴的出射端中心轴线上；金属纳米粉末经由所述感应线圈的中心喷射而出；所述送粉喷嘴和感应线圈内部均设置有水冷机构；
所述平行喷嘴阵列上所有送粉喷嘴的出射端排布面积要求能够将三维打印成型零件的各个分层切片的封闭轮廓图形均包括在内；
(2)根据纳米粉末喷射阵列板的平行喷嘴阵列排布关系，将每层切片的封闭轮廓图形进行内部分块式填充，其分块式填充方法为：将封闭轮廓图形的内部分割为若干个小区块，要求每个小区块的位置均与唯一一个送粉喷嘴的位置对应，即小区块与送粉喷嘴的数量和位置为一一对应关系，且小区块质心与其对应的送粉喷嘴出口横截面几何中心之间的连线相互平行；与送粉喷嘴对应的，小区块的形状是任意多边形或者曲线封闭图形，要求每个小区块的尺寸面积均小于面积设定值，所述面积设定值是指送粉喷嘴单次喷射纳米粉末熔化后的单层平铺面积×(1-重叠量)，所述重叠量为10～50％；
(3)将成型基板、纳米粉末喷射阵列板喷射的输出端口置于成型腔室内，所述成型腔室内为真空或接近真空，并带有实时真空控制系统用于实时抽气保持气压；要求所述纳米粉末喷射阵列板的安装方位使得平行喷嘴阵列与成型基板表面垂直，并且与第(2)步中分块式填充后获得的小区块位置一一对应，即纳米粉末经由平行送粉喷嘴喷射出来的运动方向垂直撞击于成型基板表面，用于填充第(2)步中分块式填充的对应小区块；
(4)通过加热使成型基板及已成型部分在成型过程中始终保持在设定温度，所述设定温度要求在块体熔点以下、金属纳米粉末熔点以上；所述块体熔点是指与金属纳米粉末材料化学成分相同的普通块体金属材料的熔点，即不带温度尺寸效应的熔点；
(5)将三维打印成型零件的CAD数据文件最底层切片作为当前切片；
(6)取得当前切片的切片数据，按照其对应的分割的小区块，控制打开对应的送粉喷嘴喷射阀门，通过惰性气体流、磁场或电场的一种或多种复合驱动作用，使得金属纳米粉末经由送粉喷嘴流出，之后经过感应线圈的加热，温度升高；随后垂直撞击于成型基板的当前成型表面，即落在当前成型表面所对应的分块式填充的小区块中；由于当前成型表面的温度高于金属纳米粉末的熔点，使得其发生快速熔化，并自动流平于小区块内；又由于当前成型表面的温度未及其块体熔点，伴随着金属纳米粉末熔化、金属液体流平过程将同时发生凝固效应，即金属纳米粉末通过熔化、流平、凝固与当前成型表面熔合一体，并使其对应的小区块增加一定厚度；
(7)调整成型基板与纳米粉末喷射阵列板喷射输出端口的相对距离，按照分层切片从底部到顶部的顺序，取下一个切片为当前切片；
(8)重复执行步骤(6)-(7)，实现成型零件从底部到顶部的层层堆叠，直至所有分层全部成型完毕。