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基于金属3D打印技术成形嵌套零件工艺研究(一)

        金属微喷熔滴沉积(metal micro-spray and droplet deposition,MMSDD)技术与目前主流的3D打印技术如SLS、SLM、LCD、EBM 技术相比,具有设备成本低及原材料好获取等优点,在复杂金属构件制备、电子封装及结构功能一体化制造等领域具有广泛的应用前景。金属微喷熔滴沉积技术是由美国麻省理工学院(MIT)与美国加州大学欧文分校(UCI)在20 世纪90 年代初提出的.此后,美国东北大学高级材料处理实验室、美国橡树岭国家试验室、美国Microfab 公司、加拿大多伦多大学、日本大阪大学对该技术进行了深入研究,主要研究工作包括锡铅合金、铜、铝及铝合金等金属熔滴沉积过程控制和金属简单构件的喷射成形等。美国Microfab 公司研究了金属微喷熔滴沉积技术在电子、光学、生物领域的运用,并成功实现了商业运作,但其研究还只是面向低熔点金属锡铅合金或非金属材料熔滴的微喷沉积。加拿大多伦多大学的研究者研究了金属微小零件3D打印技术,此技术利用脉冲气压微喷原理,使低熔点锡/ 铅金属熔化后在一个气动脉冲的作用下,喷射形成一个直径 100~300 μm 的铅或锡金属熔滴,通过熔滴的逐层堆积可实现毫米级的微型零件打印,但成形制件仍局限为一些简单零件。

        国内,北京有色金属研究总院复合材料中心为了探讨低熔点合金在电子封装上的应用,试验研究了金属喷射断裂的规律,并制备了无铅焊料(Sn-4.0Ag-0.5Cu)均匀颗粒;天津大学理学院研究了均匀金属合金粉末的制备方法,并对铅锡合金颗粒的异质成核及其冷却凝固行为进行了建模预测;西北工业大学将金属熔滴沉积成形装置位于无氧环境中,采用理论和实验方法,研究使用脉冲气压金属熔滴的形成机制,并使用均匀铝熔滴沉积成形制件,其长度约为11 cm。成形时, 制件的沉积速率约为10 000 ~20 000 颗/ s,由于沉积金属熔滴热量的不断积累,其凝固、冷却的时间也逐渐地增加,从而导致沉积过程中金属熔滴层间过度重熔、金属液体溅射等现象,沉积制件上端尺寸较下端大几毫米,形状精度不高.近年来,西安交通大学快速成形工程中心也对均匀金属熔滴喷射成形技术,如均匀金属熔滴喷射、断裂、沉积变形机理和均匀金属熔滴的控制与检测方法等方面展开了理论与试验研究,并成形出金属薄壁/ 实体零件以及采用“双喷头”结构成形出具有悬垂嵌套结构构件。

        由于熔融金属容易氧化,表面张力大,液体粘度与水相当、难控制等特点,与非金属材料沉积成形有很大差异.所以目前研究都停留在成形一些简单形状零件.本文的研究是针对一些具有悬垂嵌套结构零件的金属熔滴沉积工艺控制难题而提出的,有很重要的现实意义。

1 工艺原理
        双喷头由金属喷头和支撑喷头组成,具体原理如图1(a)所示.金属喷头的主要作用是将其内部熔融金属在喷射压力作用下通过喷嘴喷出,喷出的材料按照切片数据层层粘结、固化,按照预定程序不断地进行,最终获得实体.在成形具有悬垂嵌套结构的零件时,悬臂/ 空腔部分由于无法直接成形,需要添加不同于主体成形的支撑部分,这点与其他金属3D 打印成形方法不同.此工艺要求支撑材料具有一定的耐金属高温性能,并在成形过程中能支撑住金属熔体冲击作用力和后续支撑材料重力.支撑材料还需要具有良好的流动性及易去除性能.将金属放入密闭坩埚内,利用电磁感应进行加热,待加热熔化后,在喷射压力作用下进行喷射沉积成形.支撑材料根据比例配制好装入储料桶内,在一定的气体压力下挤出.根据成形零件结构,控制不同材料成形。

图1 双喷头成型原理示意图

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