一種微孔泡沫銅的激光快速制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種微孔泡沫銅的激光快速制作方法。所述制作方法依次包括步驟：（a）確定可發(fā)泡微細銅基金屬粉末的組份、配比與粒度搭配；（b）制備具有原位微區(qū)發(fā)泡性能的微細銅基金屬粉末；（c）進行零件的三維建模；（d）將三維CAD數(shù)學(xué)模型的STL文件保存為CLI格式文件；（e）將CLI格式文件轉(zhuǎn)換輸出AFI格式文件；（f）將AFI格式文件輸入激光快速成型設(shè)備，完成微孔泡沫銅材料與零件的同步制作。采用本發(fā)明，能夠完成具有微米孔隙特征或任意復(fù)雜形狀與結(jié)構(gòu)的泡沫銅材料的激光快速制備。
【專利說明】一種微孔泡沬銅的激光快速制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光快速成型(增材制造或3D打印)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種微孔泡沫銅的激光快速制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]泡沫金屬材料，又稱多孔質(zhì)金屬材料，在空氣過濾器、消聲器、靜壓主軸、導(dǎo)軌等產(chǎn)品中有著大量的應(yīng)用需求，如在靜壓主軸和導(dǎo)軌中，由于壓力氣體通過多孔質(zhì)材料時產(chǎn)生的節(jié)流效應(yīng)比一般其它節(jié)流形式效果更好，因此可以大大提高靜壓支承的承載能力。目前多孔質(zhì)泡沫金屬材料的制備主要采用粉末冶金法和熔體發(fā)泡法，但是均存在制備工藝復(fù)雜、制造周期長、加工成本高、孔隙特征難以控制等技術(shù)與工藝瓶頸，因而嚴重阻礙了推廣應(yīng)用。
[0003]傳統(tǒng)的泡沫銅制備技術(shù)對操作人員技能要求很高，而且還涉及到模具的制作，成本高、風(fēng)險大，很難獲得具有微米孔隙特征的泡沫銅。一般來說，傳統(tǒng)的泡沫銅制備均需要大量的金屬原材料、大型熔煉爐、鑄造模具或粉末冶金模具，工序多、周期長、成本高，無法實現(xiàn)泡沫銅的高效快速制備；最大問題是難以實現(xiàn)材料制備與零件成型一體化，而泡沫銅金屬件的機械加工又非常困難；而且傳統(tǒng)方法的原材料利用率低、能耗高，無法實現(xiàn)泡沫銅的綠色制造，與當前我國對制造業(yè)提出的節(jié)能環(huán)保要求相矛盾。
[0004]激光快速原型技術(shù)是20世紀80年代初發(fā)展起來的一種先進制造技術(shù)，被認為是近年來制造【技術(shù)領(lǐng)域】的一次重大突破，其對制造業(yè)的影響可與數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)相媲美，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想物化為具有一定功能的原型或直接制造零件，從而可以對產(chǎn)品設(shè)計進行快速評價、修改及功能試驗，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。激光快速原型技術(shù)具有很快的市場響應(yīng)速度和很高的加工柔性，理論上不需要任何工模具便可以制造出任意復(fù)雜形狀零部件，最為重要的就是可以同步實現(xiàn)材料制備與零件成型，而且?guī)缀跏堑攘砍尚?、材料利用率很高，特別適合于制備泡沫金屬材料。由于激光能量密度高、焦斑尺寸小，因而利用激光快速原型技術(shù)，有望獲得具有微米孔隙特征的泡沫金屬銅，而且孔隙特征(如孔隙大小、孔隙分布、孔隙形狀、孔隙率等)可得到有效地控制，可為微孔泡沫金屬(如銅及銅合金)材料制備提供一種全新的高效綠色制造技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種微孔泡沫銅的激光快速制作方法。采用本發(fā)明，可以以微細霧化銅粉為原始材料，完成具有微米孔隙特征或任意復(fù)雜形狀與結(jié)構(gòu)的泡沫銅材料的激光快速制備。
[0006]本發(fā)明的微孔泡沫銅的激光快速制作方法，包括:
Ca)基于熔體發(fā)泡原理和孔隙特征要求，以球形氣霧化銅粉為主體材料，以微細銅磷粉或二氫化鈦為發(fā)泡材料，確定發(fā)泡微細銅基金屬粉末的組份、配比與粒度搭配；
(b)利用機械合金化方法，合理設(shè)置球料比、磨球大小、球磨速度、球磨時間、旋轉(zhuǎn)方向、間隔時間等球磨工藝參數(shù)，制備具有發(fā)泡性能的微細銅基金屬粉末；
(C)根據(jù)所需制備泡沫銅材料的幾何信息，利用Pro/E、UG等通用三維CAD建模軟件進行零件的三維建模，設(shè)計所需的三維CAD數(shù)學(xué)模型，并將模型保存為STL文件格式；
(d)將三維CAD數(shù)學(xué)模型的STL文件輸入快速成型專用數(shù)據(jù)處理軟件進行分層處理，保存為CLI格式文件；
Ce)將CLI格式文件輸入快速成型路徑規(guī)劃軟件，設(shè)置掃描間距、掃描路徑和掃描策略，輸出AFI格式文件；
(f )將AFI格式文件輸入激光快速成型設(shè)備，設(shè)置成型工藝參數(shù)，完成微孔泡沫銅材料與零件的同步制作；
(g)將泡沫銅零件從激光快速成型設(shè)備中取出，進行清理，去除表面多余的金屬粉末；
(h)利用線切割將清理過的泡沫銅零件從金屬基板上取下來，并進行適當?shù)谋砻嫣幚砗蠹吹玫剿璧奈⒖着菽~材料或零件。
[0007]本發(fā)明的微孔泡沫銅激光快速制作方法，具有以下特點:
1.不需要任何工模具，制造工藝簡單，可快速完成微孔泡沫銅的制作，而且?guī)缀蹩梢詫崿F(xiàn)等量成型，原材料幾乎沒有浪費，經(jīng)濟效益好，因而有望成為一種普遍應(yīng)用的多孔質(zhì)泡沫金屬銅制作方法。
[0008]2.加工柔性高，可以加工出任意復(fù)雜形狀的多孔泡沫銅金屬零件，這是傳統(tǒng)泡沫金屬制備方法難以做到的。
[0009]3.制備的微米泡沫銅材料內(nèi)部具有大量的分布均勻的相互貫通的孔隙大小為30um以下的微米級孔洞，具有良好的滲透系數(shù)和節(jié)氣效果。
[0010]4.傳統(tǒng)的泡沫銅制備作方法對人的依賴性很高，需要經(jīng)過長時間培訓(xùn)的專業(yè)技藝人員，而且難以制備出微米孔隙特征的泡沫銅材料。而且依賴傳統(tǒng)工藝，要同步實現(xiàn)微孔泡沫銅的制備與成型，在制造的技術(shù)和成本上是幾乎不可能的。
[0011]5.材料制備與零件成型一體化，流程短、能耗低、周期短、成本低。由于幾乎是等量成型，因而原材料需求量很小，而且原材料利用率很高，可高達98%，可在數(shù)小時至數(shù)十小時內(nèi)完成微孔泡沫金屬銅的材料制備與精確成型。
[0012]6.通過改變激光能量、掃描策略和粉末物性，可以快速地調(diào)控微孔泡沫金屬銅的孔隙特征，從而改變微孔泡沫金屬銅的性能與功能指標。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為采用本發(fā)明的方法制備的微孔泡沫銅試樣；
圖2為采用本發(fā)明的方法制備的微孔泡沫銅的孔隙特征圖；
圖3為采用本發(fā)明的方法制備的微孔泡沫銅的透氣功能實測圖。

【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0015]第一步，確定可發(fā)泡微細銅基金屬粉末的組份、配比與粒度搭配。
[0016]基于激光原位微區(qū)發(fā)泡原理，結(jié)合選區(qū)激光熔融增材制造工藝要求，確定合適的材料組份、配比和粒度搭配。主體材料選用球形氣霧化純銅粉末，粒度為200目，發(fā)泡材料選用微細銅磷粉末或二氫化鈦粉末，粒度為500目，質(zhì)量百分比分別為95%霧化銅粉+5%銅磷粉與95%霧化銅粉+3%銅磷粉+2% 二氫化鈦粉
第二步，制備具有原位微區(qū)發(fā)泡性能的微細銅基金屬粉末。
[0017]基于機械合金化原理，采用行星式球磨機(QM — SP - 4L)，確定合適的關(guān)鍵球磨工藝參數(shù)(球料比、磨球大小、球磨轉(zhuǎn)速、球磨時間、間隔時間等)，制備出具有原位微區(qū)發(fā)泡性能的適合于選區(qū)激光熔融成型的微細銅基粉末，球磨工藝參數(shù)為:轉(zhuǎn)速200r/min、時間I小時、球料比5:1。球磨后的微細銅基金屬粉末的形貌盡量為球形或近球形，粒度呈正態(tài)分布，平均粒徑約為60um。
[0018]第三步，零件三維建模。
[0019]利用Pro/E、UG等通用三維CAD建模軟件進行微孔泡沫銅零件的的三維幾何建模。建模完成后，將三維CAD模型保存為STL格式文件，導(dǎo)出STL文件時，將弦高控制參數(shù)和角度控制參數(shù)分別設(shè)置為0.05和0.001。
[0020]第四步，三維模型分層。
[0021]利用快速成型專用數(shù)據(jù)處理軟件讀取和編輯三維STL模型，并根據(jù)快速成型設(shè)備加工能力，調(diào)整三維模型至設(shè)備原點，綜合考慮成型精度、難度和效率要求，設(shè)置合適的成型方向并進行分層處理，輸出CLI格式文件，分層厚度為0.1mm?0.15mm，刀具補償值為
0.2mmο
[0022]第五步，掃描路徑規(guī)劃。
[0023]利用快速成型路徑規(guī)劃軟件讀入CLI格式的層片文件，進行激光掃描路徑規(guī)劃處理，輸出激光快速成型設(shè)備能夠識別的AFI格式文件，掃描間距為0.05mm?0.1Omm左右，輸出類型為優(yōu)化路徑，優(yōu)化原則為深度-廣度混合原則，輪廓掃描方式為后掃描輪廓，掃描方向為X、Y方向交替掃描，不輸出相鄰行間連接線。
[0024]第六步，激光快速成型。
[0025]將AFI格式文件讀入激光快速成型設(shè)備(AFS320-MZ/Q)，設(shè)置最重要的兩個成型參數(shù):激光功率600W左右、掃描速度0.15m/s，完成微孔泡沫銅的激光原位合成和精確成型的一體化，實現(xiàn)微孔泡沫銅材料或零件的激光快速制作，成型氣氛為大氣環(huán)境。
[0026]第七步，零件后處理。
[0027]從激光快速成型設(shè)備中取出微孔泡沫銅試樣，去掉原型表面多余的金屬粉末，利用金相砂紙或小型噴砂機對微孔泡沫銅表面進行適當?shù)谋砻嫣幚?，表面處理后的微孔泡沫銅試樣如圖1所示。
[0028]通過SEM掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明制備的微孔泡沫銅內(nèi)部具有許多隨機分布的微米尺度孔洞，最大孔隙尺度為數(shù)十微米，最小孔隙尺度可達亞微米，如圖2所示。圖3為本發(fā)明的微孔泡沫銅的透氣功能實測圖。測試結(jié)果表明，本發(fā)明制備的微孔泡沫銅試樣具有良好的透氣性，證明SLM微孔泡沫銅內(nèi)部的孔隙之間基本是相互貫通的。
[0029]在當今國家正大力提倡的高端工藝裝備自主開發(fā)領(lǐng)域，本發(fā)明的微孔泡沫銅激光快速制作方法的最大優(yōu)勢在于能夠不需要任何工模具、并以極高的材料利用率，快速地實現(xiàn)微孔泡沫銅的激光原位合成與精確成型一體化，而且還能夠通過調(diào)整粉體材料的物性指標，快捷靈活地調(diào)控微孔泡沫銅材料的孔隙特征(如孔隙率、孔隙大小與分布等等)，可為在靜壓支撐、高速主軸、減振導(dǎo)軌等產(chǎn)品中具有關(guān)鍵作用的多孔質(zhì)材料制備與零件加工，提供一種全新的、高效的、綠色的先進制造方法，也可推廣應(yīng)用到其它高熔點微孔泡沫金屬材料的激光快速制備。本發(fā)明的微孔泡沫金屬銅激光快速制作方法可在很短的時間內(nèi)，制作不同尺寸、不同形狀和不同孔隙特征的微孔泡沫銅試樣，具有快速的響應(yīng)速度和很高的加工柔性。
【權(quán)利要求】
1.一種微孔泡沫銅的激光快速制作方法，依次包括如下步驟: Ca)確定發(fā)泡微細銅基金屬粉末的組份、配比與粒度搭配； (b)采用行星式球磨機，制備具有原位微區(qū)發(fā)泡性能的微細銅基金屬粉末； (c)利用通用三維建模軟件進行零件的三維建模，設(shè)計所需的三維CAD數(shù)學(xué)模型，并將模型保存為STL文件格式； (d)將三維CAD數(shù)學(xué)模型的STL文件輸入快速成型專用數(shù)據(jù)處理軟件進行分層處理，保存為CLI格式文件； Ce)將CLI格式文件輸入快速成型路徑規(guī)劃軟件，規(guī)劃掃描路徑，輸出AFI格式文件； Cf)將AFI格式文件輸入激光快速成型設(shè)備，設(shè)置成型工藝參數(shù)，完成微孔泡沫銅材料與零件的同步制作； (g)將泡沫銅零件從激光快速成型設(shè)備中取出，進行清理，去除表面多余的金屬粉末； (h)利用線切割將清理過的泡沫銅零件從金屬基板上取下來，并進行適當?shù)谋砻嫣幚砗蠹吹玫剿璧奈⒖着菽~材料或零件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔泡沫銅的激光快速制作方法，其特征在于:所述的步驟a中的粉體材料組成與質(zhì)量百分比分別為: 霧化銅粉(粒度200目)95% 銅磷粉(粒度500目)5% 。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔泡沫銅的激光快速制作方法，其特征在于:所述的步驟a中的粉體材料組成與質(zhì)量百分比分別為: 霧化銅粉(粒度200目)95% 銅磷粉(粒度500目)3% 二氫化鈦粉(粒度500目)2%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔泡沫銅的激光快速制作方法，其特征在于:所述的步驟b中的粉末制備工藝參數(shù)為:轉(zhuǎn)速200r/min、時間I小時、球料比5:1，粉末形貌盡量為球形或近球形,粒度呈正態(tài)分布,平均粒徑約為60um。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔泡沫銅的激光快速制作方法，其特征在于:所述的步驟f中的成型工藝參數(shù)為:分層厚度0.05mm-0.10mm、掃描間距0.15mm、激光功率600W左右、掃描速度0.15m/s。
【文檔編號】G06F17/50GK104227230SQ201410355593
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】楊家林, 王寶瑞, 吉方, 陽紅, 樊亞麗, 許超, 滕文華 申請人:中國工程物理研究院機械制造工藝研究所