[发明专利]均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法

说明书

发明提供均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法。该方法包括打印初始化、打印原材料供给、启动感应加热器、启动加热板、启动按需式均匀金属微滴发生器、金属微滴沉积等步骤。本方法提出采用电场诱导作用来抑制均匀金属微滴喷射打印制件内部孔洞缺陷的新思路，利用电场触发金属微滴底部生成泰勒锥，使得金属微滴底部中心区域与沉积基体间预先接触，在根本上抑制微滴碰撞过程中的卷气行为，并利用电场导向吸引作用促进金属微滴对沉积凝固层表面空隙区域的流动填充，实现打印制件内部孔洞缺陷的有效抑制，有望突破均匀金属微滴喷射打印制件致密度难以进一步提升的技术瓶颈。

技术领域

本发明涉及均匀金属微滴喷射3D打印技术领域，特别涉及均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法。

背景技术

基于均匀金属微滴喷射的增材制造技术是一种有别于传统金属3D打印的新兴技术，它是通过控制脉冲压力和振动波形等参数，使熔融态金属喷射形成微米～亚毫米级的均匀微滴，再精确控制沉积基板三维运动与微滴按需喷射间的协调匹配，按照预设扫描轨迹实现金属微滴的逐点、逐线、逐层打印，最终成形出目标三维结构。均匀金属微滴喷射3D打印技术兼具喷墨打印分辨率高和雾化喷涂沉积晶粒细小等优点，且无需特制原材料和专用昂贵设备，在微小型复杂件、功能器件等的快速制造方面具有独特优势。然而，均匀金属微滴喷射3D打印技术采用离散的金属微滴作为制造单元，在金属微滴连续沉积过程中通常伴随着卷气与不完全流动填充等现象，导致其打印制件内部具有许多细小的孔洞缺陷，该类孔洞缺陷通常会在零件服役过程中造成应力集中并触发裂纹萌生，最终导致零部件失效，严重制约了该技术的实际应用。

现有技术通常通过优化控制均匀金属微滴层内/层间扫描步距、沉积基板温度等工艺参数，以提高金属微滴喷射打印制件致密度的方法。然而，该方法主要是基于工艺参数对打印制件宏观致密度的影响规律，还尚未考虑该技术中孔洞缺陷的详细形成过程及其潜在影响因素。

在均匀金属微滴喷射打印过程中，液滴碰撞卷气行为是液滴碰撞动力学的物理本质，在金属微滴局部快速凝固与强熔体马兰戈尼流(Marangoni-drivenflow)引发的高阻力共同作用下，卷入金属微滴底部的气泡较难在浮力驱动下排出，故由卷气形成的气孔缺陷较难通过优化控制工艺参数来进行有效抑制；其次，多颗金属微滴连续堆积的沉积层表面通常会自发地形成“贝壳”状的凹凸不平特征形貌，熔融态金属液在向已沉积层表面的空隙中流动填充时，由于金属液流体毛细作用力、表面张力与填充区域气体的反向阻力间的平衡，该流动填充过程通常存在着浸渗极限，即单纯依赖金属微滴铺展流动较难将沉积层界面区域内的微小空隙完全填充。

基于以上特点，均匀金属微滴喷射3D打印制件内部的孔洞缺陷一直是很难根除的常规缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法，包括以下步骤：

1)选取金属或合金作为打印原材料，并对打印原材料表面的氧化皮和杂质进行处理。

2)将处理后的打印原材料供给至按需式均匀金属微滴发生器。其中，所述按需式均匀金属微滴发生器布置在低氧低水环境中。所述按需式均匀金属微滴发生器的外壁上设置有感应加热器。所述按需式均匀金属微滴发生器的底部设置有喷嘴。所述按需式均匀金属微滴发生器布置在沉积基板上方。所述按需式均匀金属微滴发生器接地处理。

3)启动感应加热器。所述感应加热器产生热量对打印原材料进行加温，打印原材料熔化为熔融液态金属或合金。