本發(fā)明屬于3D打印制造新技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于超聲焊接增材及電火花成形的3D打印方法，是一種內(nèi)部帶有3D型腔的構(gòu)件超聲焊接增材及電火花加工的復(fù)合3D打印方法。

背景技術(shù)：

由于3D打印制造技術(shù)可整體成形那些傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的復(fù)雜/超復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，加上無需準(zhǔn)備模具，生產(chǎn)周期短等，3D打印制造技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，是近年來制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的熱點。

盡管這類增材制造能使3D構(gòu)件整體成型,但也有一些問題，例如形狀、尺寸和精度難達(dá)到構(gòu)件要求,內(nèi)部中空和懸空部分需要討厭的物理支撐等。

目前國內(nèi)尚不能很好解決這些問題，超聲增材與EDM（電火花加工）集成制造的研究國內(nèi)外還未見報道,近年來國外發(fā)展出分層超聲焊接增材與NC銑削相結(jié)合的方式試圖消除這些問題。如美國Solidica公司；再如美國Fabfication 公司。但這種組合一般都應(yīng)用在尺寸較大的構(gòu)件加工場合。由于難于消除刀具圓角、工藝系統(tǒng)振動以及刀具尺寸太大等帶來的影響，分層超聲焊接增材與NC銑削相結(jié)合這一模式仍難于應(yīng)用在內(nèi)部帶有高精度微小3D型腔的構(gòu)件，況且3D型腔頂層“天花板”無法銑削。

例如，廣泛應(yīng)用于天體物理、大氣探測、安全檢測等領(lǐng)域的外差型陣列接收機(jī)上的波導(dǎo)孔構(gòu)件就是內(nèi)部帶有高精度微3D型腔（溝槽）的典型小構(gòu)件。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，波導(dǎo)孔尺寸要求越來越小，精度要求越來越高（波導(dǎo)孔沿波導(dǎo)方向垂直截面矩形斷面的尺寸要求達(dá)到0.508×0.254mm級別，甚至0.254×0.127mm；接收信號孔與參考信號孔的耦合部分尺寸要求更??；而且誤差要在10μm之內(nèi)，表面粗糙度在Ra0.4μm之內(nèi)）。由于刀具尺寸及刀具半徑原因,這種復(fù)雜的高精度3D網(wǎng)絡(luò)微小孔系就難于NC銑削；又由于刀具振動原因，即使使用超聲分層焊接增材與NC銑削相結(jié)合成形方法仍然達(dá)不到波導(dǎo)孔在精度、光順性、均勻性、可靠性和尖銳角等方面的要求；況且水平布置的參考信號孔道頂面“天花板”層無法銑削。廹切需要在波導(dǎo)孔構(gòu)件成形方法上有新的突破。

超聲焊接增材的突出優(yōu)點是壓力小，溫度不高，固接牢，焊接均勻。若采用薄片焊接，對構(gòu)件已成形部分影響就更?。粵r且若分層整張焊接，有中空和懸空部位也不需要支承；再加上電火花加工突出優(yōu)勢是可突破尺寸禁區(qū)，電極尺寸可做的較小，而且電加工振動小，精度高等。而這些正是微小3D型腔加工所需要的，尤其是尺寸減小和表面光順有保證。

電火花加工另一突出優(yōu)勢是能形成尖角，有些3D構(gòu)件內(nèi)部某些部位需要保持尖角，例如波導(dǎo)小構(gòu)件上的接收信號孔和參考信號孔以及它們之間的耦合孔是空間網(wǎng)絡(luò)布置，但它們的截面是矩形，要求保持銳角，這恰恰是電加工的優(yōu)勢。而銑刀半徑會形成圓角，難以形成銳角，對垂直布局的接收信號孔要求截面是矩形尤其不利。

目前國內(nèi)已經(jīng)可以生產(chǎn)出高精度超薄金屬帶料（如杭州海銘金屬制品有限公司已經(jīng)可以生產(chǎn)出厚度2μm帶寬為0.99mm的帶料，陜西漢和新材料有限公司和深圳恒宇金屬材料有限公司已經(jīng)可以生產(chǎn)出厚度6μm銅箔。），這就為超聲焊接增材免去微3D型腔頂層加工創(chuàng)造了條件，也由于帶料厚度小于微3D型腔的允許誤差，可使3D型腔頂層高度必須是帶料厚度整數(shù)倍這一限制得于消除。

既使選用厚度稍大的帶料（如0.01或0.02mm）,也可通過控制工藝尺寸鏈，即壓縮3D型腔的定位尺寸公差（一般來說定位尺寸公差要大于形狀尺寸公差），使頂層“天花板”高度是帶料厚度的整數(shù)倍，而通過對3D型腔的底層放電加工仍可保證3D型腔在高度方向的精度。

另一方面就是薄料超聲焊接需要的壓力比一般超聲焊接更小。若使用剛性好滾柱式焊頭，壓力作用在整個固接層與圓柱滾筒接觸線上，使本來很小的壓力得到分?jǐn)偅辉诖嘶A(chǔ)上還控制焊接方向（盡量與中空和懸空的長度方向垂直，即跨距小的方向）減小跨距；再加上每層工藝條件（振幅、頻率、壓力、作用時間等）是一致的（增材質(zhì)地均勻）。此外，如果3D型腔尺寸小，則跨距小，薄片本就不易在微3D型腔中空部分發(fā)生凹餡。所有這些，都有利于帶3D型腔的構(gòu)件焊接增材。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是一種基于超聲焊接增材及電火花成形的3D打印方法，基于分層超聲焊接增材及電火花成形兩種新技術(shù)，提出采用超薄高精度金屬帶料分層超聲焊接，達(dá)到增材目的，盡量降低焊頭對已成形層的影響，免去頂層“天花板”的加工，免去中空或懸空部位需要的支撐。在每層固結(jié)后，根據(jù)需要利用電火花加工使內(nèi)部帶有3D型腔的構(gòu)件在該層的截面形狀成形。既利用超聲焊接增材壓力小、溫度低、固結(jié)牢等優(yōu)勢又結(jié)合電火花成形電極振動小、電極尺寸小、成形精度高等特點。實現(xiàn)內(nèi)部帶有3D型腔(尤其是微小內(nèi)腔或是有尖角的內(nèi)腔)的構(gòu)件整體精密成形，為內(nèi)部帶有3D型腔的構(gòu)件在簡化結(jié)構(gòu)、減小尺寸、提高精度方面提供突破。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于超聲焊接增材及電火花成形，提出一種3D打印方法，實現(xiàn)內(nèi)部帶有3D型腔(尤其是微小內(nèi)腔或是有尖角的內(nèi)腔)的構(gòu)件整體精密成形，其方案如下：

A，送料：將高精度超薄金屬帶料送至焊接位置，分割，定位；

B，超聲焊接：將分割后的整張料焊接。焊接時，采用滾柱焊頭輕壓向被焊層，焊接時焊頭在被焊層上滾動，并同時在滾柱焊頭軸線方向施加超聲振動；

C，在每層固結(jié)后，根據(jù)需要再利用電火花成形技術(shù)使內(nèi)部帶有3D型腔的構(gòu)件在該層的截面形狀成形，加工出該層截面上的空缺。必要時在電加工時輔助超聲；

D，電加工后排去放電液并進(jìn)行吹烘，使用熱壓空氣吹烘殘存的放電液；

E,重復(fù)A-D的步驟，直到構(gòu)件最終成型。（如圖1）

進(jìn)一步的，上述的基于超聲焊接增材及電火花成形的3D打印方法，所述步驟A中的金屬帶料表面粗糙度達(dá)到或超過3D型腔要求，免去3D型腔頂層“天花板”加工；帶料厚度小于3D型腔高度公差，使3D型腔頂層高度無須是帶料厚度的整數(shù)倍，若帶料厚度略大于3D型腔高度公差則可壓縮3D型腔定位尺寸公差，使3D型腔頂層高度是帶料厚度的整數(shù)倍。

進(jìn)一步的，上述的基于超聲焊接增材及電火花成形的3D打印方法，所述步驟B中的整張料超聲焊接，免去普通3D打印增材時中空或懸空是需要的支撐。

進(jìn)一步的，上述的基于超聲焊接增材及電火花成形的3D打印方法，所述步驟B中的整張料超聲焊接，緊跟在3D型腔頂層的若干層根據(jù)需要密封構(gòu)件外圍，使放電液充滿3D型腔，以增加超聲焊接中的中空或懸空部位支撐力度（如圖2）。

進(jìn)一步的，上述的基于超聲焊接增材及電火花成形的3D打印方法，所述步驟B中滾柱焊頭均勻滾過被焊層，且采用剛性大的滾柱焊頭。使本就不大的接觸應(yīng)力分布在滾柱焊頭與被焊層的整條接觸線上，不易影響已成形部分，且滾柱焊頭的結(jié)構(gòu)易于施加超聲振動和焊接壓力，方便調(diào)整焊接工藝參數(shù)（頻率、振幅、壓力和作用時間等）。

進(jìn)一步的，上述的基于超聲焊接增材及電火花成形的3D打印方法，所述步驟C中電加工的電極型式多樣，可以是單電極、成形電極、輪廓電極。

進(jìn)一步的，上述的基于超聲焊接增材及電火花成形的3D打印方法，所述步驟C中的放電方法：單電極和成形電極先在3D型腔層深方向放電，并利用搖動功能來進(jìn)行拓寬；若采用輪廓電極側(cè)向放電，則放電路經(jīng)由CAD模型截面決定，并根據(jù)電加工結(jié)果確定輪廓補(bǔ)償量，補(bǔ)償量可為常數(shù)，也可區(qū)別補(bǔ)償。

進(jìn)一步的，上述的基于超聲焊接增材及電火花成形的3D打印方法，所述步驟C中根據(jù)需要輔助超聲。

進(jìn)一步的，上述的基于超聲焊接增材及電火花成形的3D打印方法，所述步驟D中超聲焊接與電加工切換時安排吹烘（熱壓空氣，溫度低于放電液燃點）工步。超聲焊接裝置和吹烘裝置均與電加工機(jī)床主軸連接，實現(xiàn)焊接裝置和吹烘裝置的移動。超聲焊接裝置和吹烘裝置本身可以在工作位置和空閑位置切換，并且互不干擾。

本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有3D打印模式、超聲焊接增材與NC銑削制造結(jié)合模式相比,有如下優(yōu)勢：

1、高精度薄片料分層整張超聲焊接，質(zhì)地均勻，溫度低，壓力小，3D型腔頂層無須加工，內(nèi)部懸中空或空部位無須支撐。

2、電加工振動小，精度高，可形成尖角，表面光順及尺寸減小有保證?？蓪崿F(xiàn)復(fù)雜3D型腔整體精密成形。

3、工序簡單，實施容易，特別是內(nèi)部帶有高精度微小復(fù)雜3D型腔或是需要保持尖角的構(gòu)件整體精密成形更具優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是本發(fā)明技術(shù)方案示意圖。

圖2是放電液輔助支撐示意圖。

圖3是實施例的應(yīng)用射電接收機(jī)波導(dǎo)孔構(gòu)件中的波導(dǎo)孔走向及分布三維立體示意圖。

圖4是實施例的波導(dǎo)孔中耦合孔局部放大示意圖。

圖5是實施例的波導(dǎo)孔走向及分布前視圖和俯視圖。

圖6是實施例的送料示意圖。

圖7是實施例的超聲焊接示意圖。

圖8是實施例的參考信號孔和藕合孔電加工示意圖。

圖9是實施例的接收信號孔電加工示意圖。

圖10是實施例的接收信號孔彎曲部分放電示意圖。

圖11是實施例的頂層處理的高度關(guān)系示意圖。

圖12是實施例的輪廓電極補(bǔ)償方法示意圖。

圖13是實施例的吹烘示意圖。

具體實施方式

以下以射電接收機(jī)波導(dǎo)孔構(gòu)件中的波導(dǎo)孔加工為例具體加以說明。

1，波導(dǎo)孔加工要求

如圖3-5所示，為微波、毫米波、亞毫米波等波段的射電接收機(jī)波導(dǎo)孔構(gòu)件的一個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，要求做成整體，并且孔道光順。接收信號孔和參考信號孔呈空間垂直布局，各有直線部分和彎曲部分，并且還有它們之間的耦合孔。各孔斷面均為矩形。矩形斷面的尺寸要求達(dá)到0.508×0.254mm級別，甚至0.254×0.127mm，耦合孔尺寸要求更小。矩形斷面的尺寸誤差要求在10μm之內(nèi)，表面粗糙度在Ra0.8～0.4μm之內(nèi)。

2，波導(dǎo)孔超聲焊接增材及電加工實施。

本發(fā)明在波導(dǎo)孔加工中的實施方案如圖6-13所示，但本發(fā)明實施不限于此。

2．1送料（圖6）

A，選用高精超薄的金屬帶料，厚度不大于波導(dǎo)孔矩形斷面尺寸公差（厚度小于10微米，表面粗糙度Ra0.4微米以下），

B，帶料經(jīng)張緊由電加工機(jī)床主軸拖到正確位置，裁剪后落向固定在機(jī)床工作臺的專用底座上并定位。

2．2,超聲焊接增材（圖7）

A，滾柱焊頭在剛送的料層上滾過，并在滾柱焊頭軸線方向上的施加超聲振動。

B，滾柱焊頭與調(diào)壓裝置連接，壓力可調(diào)節(jié)，使?jié)L柱焊頭輕壓在焊接層上。要求滾柱剛性好，壓力分布在整個焊接層的接觸線上。且滾動方向（即焊接方向）盡量與波導(dǎo)方向垂直（使懸空跨距?。?/p>

C，整個超聲焊接裝置通過機(jī)構(gòu)與電加工機(jī)床主軸連接實現(xiàn)焊頭移動，并能實現(xiàn)工作位置和空閑位置切換。

D，焊接過程中調(diào)節(jié)壓力、超聲振動頻率和振幅、及滾動速度，將該層超聲焊接，達(dá)成增材目的。

E，焊接緊跟在參考信號孔頂層的若干層時，則密封波導(dǎo)構(gòu)件已焊層外圍，使放電液充滿3D型腔（只是充滿，無壓力，后排干），以增加中空部位支撐力度（圖2）。

2．3，若該層有波導(dǎo)孔道等空缺部位時切換到電加工模式，電火花去除該層需要去除的部分。

A，采用小能量微細(xì)放電規(guī)準(zhǔn)，在放電時對電極施加高度方向的超聲振動，提高電加工效率和精度。

B，電極型式：參考信號孔采用輪廓電極，而接收信號孔和藕合孔做成截面為矩形的單電極，

C，放電方法：如圖8是接收信號孔和藕合孔放電方法，矩形電極先放電到層深，再通過搖動拓展達(dá)截面形狀尺寸要求。注意接收信號孔是垂直布局，因此接收信號孔彎曲部分放電寬度與電極寬度不一致，須先放電到層深，再拓寬，如圖9，這樣層層放電，使接收信號孔彎曲部分成型。圖10是參考信號孔放電方法，小圓電極高速旋轉(zhuǎn)微細(xì)放電，沿參考信號孔道兩側(cè)輪廓加工。

D，電極制備：先用NC銑削等方法使電極初步成形，再用靠模放電法反靠出小電極尺寸（尤其是耦合孔）。

E，參考信號孔頂層“天花板”的處理方式。

采用高精度帶料，頂層無需加工。

若材料帶厚度小于矩形斷面高度公差，則無需考慮頂層高度是不是材料帶厚度的整數(shù)倍問題。

若頂層高度不是材料帶厚度的整數(shù)倍，且材料帶厚度略大于矩形斷面高度公差，則壓縮參考信號孔高度的定位尺寸公差，使頂層“天花板”高度是帶料厚度的整數(shù)倍，而通過對矩形斷面的底層放電加工來保證微孔矩形斷面精度。如圖11，設(shè)矩形斷面高度的形狀尺寸及公差為h±Δh，而矩形斷面的高度定位尺寸及公差為H±ΔH，一般來說ΔH比Δh大的多，可適當(dāng)壓縮H的制造公差，比如做成負(fù)偏差H-ΔH，使參考信號孔的頂層高度正好是材料帶厚度的整數(shù)倍，而通過對斷面的底層放電加工來保證斷面高度方向的定位尺寸。

E，電極損耗補(bǔ)償方法： 根據(jù)加工結(jié)果決定是否補(bǔ)償：斷面為矩形的電極靠搖動或插補(bǔ)進(jìn)行補(bǔ)償（如圖8）；斷面為圓電極（輪廓電極）則對放電路徑中的每個數(shù)控程序段多個等分，每一等分為一步長，按步長區(qū)別補(bǔ)償（如圖12示意是將數(shù)控程序段B→A分為3段區(qū)別補(bǔ)償）。

2．4電加工后排去放電液并吹氣烘干焊接面上的殘存放電液(如圖13)

電加工后超聲焊接前，須快速吹氣烘干焊接面上的殘存放電液 (吹氣溫度低于放電液燃點)，吹氣裝置連接在電加工機(jī)床主軸上，可以相對焊層移動，使焊層吹氣均勻，整個吹氣裝置有吹氣和烘干兩個工位，但空間布局不和超聲焊接裝置相干涉。

2．5，送料，(如圖6)，重復(fù)以上步驟，如此逐層成形，直到波導(dǎo)孔整體成型。

以上所述僅是本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明保護(hù)范圍不限以此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員在本發(fā)明公開的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。