本發(fā)明涉及增材制造(AM)俗稱3D打印技術領域，具體為一種冷氣動力噴涂實現(xiàn)增材制造(3D打印)的方法——CGDS-AM(非熱輸入型3D打印技術)，采用冷氣動力噴涂，依靠顆粒高速運動事所具有的動能進行快速沉積，實現(xiàn)非熔化3D打印的新技術。

背景技術：
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3D打印技術，即快速制造(RM)技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，先通過計算機輔助設計(CAD)或計算機動畫建模軟件建模，再將建成的3D模型“分區(qū)”成逐層的截面，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

傳統(tǒng)3D打印技術的成型原理均是通過熱輸入將原料粉末熔融，并結合CAE(計算機輔助工程Computer Aided Engineering)技術來實現(xiàn)增材制造。而對熱和氧化敏感的材料，由于熔化后其組織、成分、各類物性參數都將產生變化，難以通過該種方法來實現(xiàn)增材制造。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種冷氣動力噴涂實現(xiàn)增材制造(3D打印)的方法，通過采用冷氣動力噴涂工藝結合計算機輔助制造實現(xiàn)3D打印，開辟一種制備具有一定精度且形狀復雜的熱敏感性材料工件的方法。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種冷氣動力噴涂實現(xiàn)增材制造的方法，該方法采用冷氣動力噴涂工藝，并結合先進計算機輔助制造技術，實現(xiàn)CGDS-AM非熱3D打印增材制造工件。

所述的冷氣動力噴涂實現(xiàn)增材制造的方法，該方法通過3D打印的快速成型技術和冷氣動力噴涂技術有機結合，以粉末為加工原料，采用壓縮氣體為加速介質，帶動金屬顆粒在固態(tài)下以1～4Mach的超音速碰撞基板，導致顆粒發(fā)生強烈的塑性變形，從而使粉末逐層沉積在金屬基板上，疊加形成金屬工件。

所述的冷氣動力噴涂實現(xiàn)增材制造的方法，制造工件的過程中，冷氣動力噴涂工藝的具體參數如下：加速介質使用壓縮氣體，種類為空氣、氮氣、氦氣或上述兩種以上的混合氣體，噴涂時氣體加熱溫度為100～1000℃，以提高壓縮氣體速度；噴涂壓力為0.6～5MPa，噴涂距離為10～80mm，入射角度50°～90°。

所述的冷氣動力噴涂實現(xiàn)增材制造的方法，選用的粉末粒徑分布為5～50μm，以及團聚至微米級5～50μm的納米顆粒。

所述的冷氣動力噴涂實現(xiàn)增材制造的方法，采用專業(yè)CAD工具結合高精度自動機器人持槍實現(xiàn)3D打印。

所述的冷氣動力噴涂實現(xiàn)增材制造的方法，制備的工件成分與使用粉末相同，并保留粉末初始組織且局部更加細化。

本發(fā)明的設計思想是：

冷氣動力噴涂是近年來發(fā)展起來的一門新技術，受到國內外學者廣泛關注。普遍被應用于表面改性，制備功能涂層以及工件修復技術。與傳統(tǒng)的熱噴涂不同，冷氣動力噴涂是在低溫狀態(tài)下，通過高速粉末顆粒撞擊基體時產生劇烈的塑性變形而實現(xiàn)沉積成型。在成型過程中不改變原料的組織及成分，因此冷氣動力噴涂特別適合應用于對熱和氧化敏感的粉末增材制造。經檢索，將冷氣動力噴涂結合CAE技術實現(xiàn)3D打印在國內外還未見有專利報導。

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是：

1、本發(fā)明開辟一種熱敏感性材料的3D打印技術，解決了傳統(tǒng)3D打印技術無法應用于熱敏感性材料，如：高溫易相變、易揮發(fā)合金及非晶、準晶、納米晶等材料的難題，實現(xiàn)CGDS-AM非熱3D打印制備具有較高精度的復雜工件。

2、采用本發(fā)明制備的工件成分與使用粉末相同，并保留粉末初始組織且更為細化，解決了制備納米晶塊體材料和部件的難題。

3、采用本發(fā)明制備的工件具有良好的機械性能。

4、采用本發(fā)明制備的工件具有較高的精度，實現(xiàn)近凈成形。

附圖說明

圖1為冷氣動力噴涂3D打印示意圖。

圖2為采用冷氣動力噴涂3D打印技術制備管材。

圖3為采用冷氣動力噴涂3D打印技術制備Al12Si工件的截面組織形貌。

具體實施方式

在具體實施方式中，本發(fā)明采用冷氣動力噴涂工藝結合計算機輔助制造實現(xiàn)的3D打印技術，制備具有一定精度且形狀復雜的熱敏感性材料工件的方法。在制備工件的過程中，具體參數如下：噴涂時氣體加熱溫度為200～700℃(優(yōu)選為300～500℃)，加熱的目的是為了提高壓縮氣體速度。粉末及基板均可由室溫加熱至700℃，加速介質使用壓縮氣體，壓縮氣體的種類為空氣、氮氣、氦氣或上述兩種以上的混合氣體，噴涂壓力為1.5～5MPa，噴涂距離為10～30mm，入射角度50°～90°，制備的工件的結合強度達到40～200MPa，孔隙率0.1％～1.54％，表面粗糙度Ra40μm～160μm。

如圖1所示，冷氣動力噴涂3D打印的工藝流程如下：高壓氣體經氣體加熱后，與高壓氣體輸送的粉末匯合，通過加熱的高壓氣體將粉末送至超音速噴嘴。采用壓縮氣體為加速介質，帶動金屬顆粒在固態(tài)下以超音速(1～4Mach)碰撞基板，導致顆粒發(fā)生強烈的塑性變形。同時，結合計算機輔助工程技術CAE，采用專業(yè)CAD工具結合高精度自動機器人持槍實現(xiàn)3D打印，從而使粉末逐層沉積在金屬基板上，疊加形成金屬工件。

其中，通過調整入射角能夠實現(xiàn)復雜部位精確沉積，但沉積效率會隨著入射角度的減小而降低。選用粉末包括Al、Cu粉，Ti、Ni、MCrAlY合金粉以及一些陶瓷粉末，或按一定比例配置的混合粉。制備工件時，基板材料可選用與噴涂粉末一致或物性參數相近的材料以實現(xiàn)初期良好沉積。粉末粒徑分布為5～50μm，以及團聚至微米級的納米顆粒。

本發(fā)明中，冷噴涂設備請參見中國發(fā)明專利(專利號：01128130.8，授權公告號：CN1161188C)提到的一種冷氣動力噴涂裝置。

為使本發(fā)明的技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合具體實施例進行詳細描述。

實施例1

噴涂粒度為400～500目純Al粉，操作壓力為1.5MPa，氣體加熱溫度380℃，入射角60°～90°。噴射方向根據CAD文件程序控制，噴射距離配合生長方向移動，實現(xiàn)純鋁異形件3D打印成型。本實施例中，制備的工件制備的工件的結合強度達到40～200MPa，孔隙率0.1％～0.5％，表面粗糙度Ra40μm～160μm。如圖2所示，從采用冷氣動力噴涂3D打印技術制備鋁材可以看出，冷氣動力噴涂增材制造技術能夠制造一定程度形狀復雜的工件。

實施例2

噴涂粒度為325～600目的純Cu粉，操作壓力為2.5MPa，氣體加熱溫度500℃，入射角60°～90°，打印噴頭隨異性導體表面轉動。銅粉逐層沉積在原有基體表面，經測定增項部分導電性良好，實現(xiàn)易氧化材料的增材制造。本實施例中，制備的工件的結合強度達到65～200MPa，孔隙率0.2％～1.2％，電導率接近純銅。

實施例3

噴涂粒度為450～500目非晶態(tài)Al粉，操作壓力為1.8MPa，氣體加熱溫度250℃，入射角90°。打印噴頭垂直于基板方向進行噴射，噴射距離配合生長方向移動，實現(xiàn)非晶態(tài)純鋁增材制造。本實施例中，制備的塊體材料組織具備非晶態(tài)組織特征。

實施例4

噴涂粒度為325～600目Al12Si粉末，操作壓力為2.0MPa，氣體加熱溫度400℃，入射角90°。打印噴頭垂直于基板方向進行噴射，噴射距離配合生長方向移動，實現(xiàn)制備鋁硅合金增材制造。本實施例中，制備的塊體材料具有良好的耐磨及耐腐蝕性能。如圖3所示，從采用冷氣動力噴涂3D打印技術制備Al12Si工件的截面組織形貌。

實施例結果表明，本發(fā)明采用冷氣動力噴涂工藝結合計算機輔助制造實現(xiàn)3D打印技術，區(qū)別于其他傳統(tǒng)熱3D打印技術，所述技術為非熱3D打印技術。該技術基于冷氣動力噴涂工藝，能夠使顆粒在固態(tài)狀態(tài)下高速撞擊工件表面，通過顆粒強烈的塑性變形進行沉積實現(xiàn)3D打印增材制造。同時，結合先進計算機輔助制造技術可以制備具有較高精度的復雜工件。而在此過程中粉末不易發(fā)生氧化、燒損、相變、組織變化等現(xiàn)象，解決了高溫易相變、易揮發(fā)合金及非晶、準晶、納米晶等材料無法應用傳統(tǒng)熱3D打印技術制備工件的難題。