利用局部超声波增强的材料流和熔合的增材制造系统和方法技术方案

可用于实现固体(>95％)金属材料的室温3D打印的超声波细丝建模系统和方法。将振动工具应用于金属细丝以形成体素，诱导机械变形以及层间和层内的物质传输。可在体素到体素的基础上建造所期望的结构。此外，通过改变所施加的超声波能量，可以控制所得结构的微结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用局部超声波增强的材料流和熔合的增材制造系统和方法
本公开涉及增材制造，具体涉及利用局部超声增强材料流和熔合的增材制造方法。
技术介绍
目前，增材制造方法具有各种各样的缺点。因此，仍然需求改进的增材制造系统和方法。附图简要说明关于以下说明和附图：图1显示一示例性实施方式的示例性增材制造系统；图2A显示一示例性实施方式的示例性增材制造系统的操作；图2B显示一示例性实施方式的在平行和正交层方法中的示例性增材制造系统的操作；图2C显示一示例性实施方式的在连续缝合方法中的示例性增材制造系统的操作；图3A显示一示例性实施方式的示例性增材制造系统沉积单体素的操作；图3B显示一示例性实施方式的示例性增材制造系统沉积一对相邻的体素的操作；图3C显示一示例性实施方式的示例性增材制造系统沉积两层相邻的体素的操作；图4显示一示例性实施方式的在连续缝合模式中的示例性增材制造系统的操作的结果；图5显示一示例性实施方式的在正交层方法中的示例性增材制造系统的操作的结果；图6A显示一示例性实施方式的作为独立式金属增材制造方法的示例性增材制造系统的操作的结果；图6B显示一示例性实施方式的作为复合型增材－减材制造方法的一部分的示例性增材制造系统的操作的结果；图7A和图7B显示一示例性实施方式的示例性增材制造系统的操作的热学表征；图8A和图8B显示通过一示例性实施方式的示例性增材制造系统的操作形成的材料的微结构特征；具体实施方式以下描述仅仅是各种示例性实施方式，并非意在以任何方式限定本公开的范围、适用性或构造。相反地，以下的描述意在提供用于实施包括最佳模式的各种实施方式的合适的说明。显而易见，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对这些实施方式中描述的元件的功能和布置进行各种改变。为了简洁起见，可以不在此详细描述用于增材制造、引线接合、3-D打印等的常规技术。此外，此处包含的各种图片中所示的连接线旨在表示各种元素之间的示例性功能关系和/或物理耦合或通信耦合(communicativecouplings)。应注意，在实际的增材制造系统和相关的使用方法中可能存在许多替代或附加的功能关系。在过去几十年里，逐层“添加地”建造三维物体的想法已从用于概念可视化的快速原型工具变为目前的能生产终端用户工程部件的生产工具，并且不仅朝着革新制造业的方向发展，还朝着从根本上重新定义如何制造物体的方向发展。这种转变的意义是巨大的：渗透到可想到的人类经验的各个层面：航空航天、汽车、生物医药、军事、电子、消费品、食品和个人产品。目前，具有生产质量的聚合物的增材制造是可负担得起的且易于获得。然而，现有的全致密金属的增材制造的方法远不能负担得起且易于获得。现有的金属增材制造工艺包括：粘合剂喷射工艺、超声固结(UC)和分层实体制造(LOM)等间接方法；以及选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)和激光工程净成形(LENS)等直接方法。间接方法需要后处理以生产全致密部件。在某些处理方法中，金属部件部分地熔化，或者使用低熔点粘合剂将金属部件粘合在一起。因此，当需要高体积密度部件时，需要后处理操作，例如粘合剂去除、烧结或液态金属浸渗。超声固结是复合的增材－减材工艺，其中，金属箔的片(或条)首先通过超声波焊接成堆叠。然后利用切割操作(通常为端铣)将金属堆叠成形为所需的层形状。通过在这些焊接和切割工艺之间交替，来建造三维物体。LOM采用与US相同的交替的增材和切割工艺，但是焊接步骤替换为在片之间施加粘合剂，且可能需要后摩擦烧结工艺。此外，现有的直接金属工艺涉及通过操作熔池使用热能将材料熔化和粘接，上述熔池通过激光或电子束热耦合到金属粉末中而产生。所得的结构、形态和微结构高度依赖于微焊接过程中的热物理和热传递过程。这些直接金属增材制造工艺的另一个独特特征是使用细粉末作为起始材料，平均直径通常为20微米左右，并且该工艺在惰性气体或真空的受控环境下进行以防止氧化、电子束熔化时的光束散射、以及工艺危害。尽管能生产高质量的金属部件，但这些特征对于技术成本的降低和易于获得性而言成为主要障碍。与现有的方法的缺陷相比，本文公开的示例性实施方式允许在室温下在环境条件下增材制造实际上全致密(例如固体金属密度的95％以上)的金属制品。各种示例性实施方式利用超声细丝建模(UFM)工艺。UFM工艺的工作原理可以类比为引线结合法与熔融沉积成型法的结合：使用固体金属丝作为起始材料，通过在路和层之间的冶金结合形成三维物体。现在参考图1，在一个示例性实施方式中，增材制造系统100包括细丝建模组件110和控制组件120。细丝建模组件110构造成在基底上提供和增材堆积细丝(例如，包括铝、钛、银、金、铜、钢合金、金属－聚合物混合物等当中的一种或多种的细丝)。控制组件120控制细丝建模组件110的操作，使得形成复合的3D结构。如图2A和2B所示，在一些实施方式中，UFM的示例性机械和工具配置类似于FDM工艺，其中，被加热的热塑性挤出机直接“书写”构成3D组件的路和层。但是，相比之下，在UFM中，使用定位系统上的导向工具逐个体素地将固体金属细丝引导、成形和冶金粘接至基底(或前一层)和相邻的细丝。本领域技术人员知晓UFM工艺的重要方面或特征是：(1)与材料的屈服强度相比，在施加的超声波振荡的存在下，将所述细丝“成形”为所期望的路几何形状所需的机械应力(并且因此机械能量输入)大幅降低(<50％)；(2)在观察到的条件下，观察到的跨纤维间和层间界面形成冶金结合的物质传输量比菲克扩散预测的高10000倍以上；和(3)UFM工艺的温度升高几乎可以忽略不计，这反映了从声能输入到所需的塑性和物质传输的高耦合效率。这些独特的特征使得本文公开的超声细丝建模工艺能够在桌面3D打印环境内以及在高精度、高保真度的工业增材制造环境内实施。此外，UFM在室温下全致密的金属3D打印的独特性质使得可以同时打印聚合物和金属，这种材料组合在基于金属熔融的金属增材制造工艺中是不可完成的。现在参考图2A和图2B，在一个示例性实施方式中，增材制造系统100(例如增材制造系统200)包括声能源212、X轴马达216、y轴马达217、至少一个z轴马达218、打印机控制板222和电源224。增材制造系统200还可以包括用于在其上沉积3D打印的物体的构建板219；构建板219可以固定在适当位置或者可以在x、y和z维度上平移和/或可旋转。在一个示例性实施方式中，增材制造系统200在声能源212中利用超声振动源。此外，声能源212可以进一步包括用于引导细丝并将声能传递到其上的打印工具213。声能源212还可进一步包括连接到以60kHz的频率振荡的压电晶体的不锈钢喇叭(stainlesssteelhorn)。声能源212可以提供期望量的超声波能量，例如5瓦、10瓦、15瓦以及/或者其他。提供给铝体素的超声波能量是例如通过振幅和时间进行调制的。在不锈钢喇叭的末端是引导并形成来自细丝的体素(例如，300μm直径的99.99％Al)的打印工具213(例如，由碳化钨或其他合适的耐用材料形成)。除了超声波能量输入调制以外，还可以控制金属细丝被压到基底/现有层上的力。打印工具213可包括刀片状、针状、圆柱体、矩形状、平板状或其他合适的形状。打印工具213可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于3D打印具有纯金属密度的至少95％的密度的金属物体的方法，所述方法包括：形成一系列的包含所述金属物体的层，每个层由金属细丝形成，其中形成每个层包括：通过将超声波能量施加到与所述金属细丝接触的打印工具上，由所述金属细丝形成一系列的体素，其中与所述金属细丝接触的所述打印工具的一部分响应超声波能量以0.9微米至1.1微米的振幅振动，其中所述一系列体素中的每个体素通过物质传输与所述层中的相邻体素及前一层的相邻体素连接，其中，在体素的形成期间，所述金属细丝的温度升高小于6摄氏度，其中每个体素通过施加超声波能量200毫秒至400毫秒之间的时间来形成，并且其中一系列体素的形成在室温下和环境大气中进行。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.26 US 62/210,0411.一种用于3D打印具有纯金属密度的至少95％的密度的金属物体的方法，所述方法包括：形成一系列的包含所述金属物体的层，每个层由金属细丝形成，其中形成每个层包括：通过将超声波能量施加到与所述金属细丝接触的打印工具上，由所述金属细丝形成一系列的体素，其中与所述金属细丝接触的所述打印工具的一部分响应超声波能量以0.9微米至1.1微米的振幅振动，其中所述一系列体素中的每个体素通过物质传输与所述层中的相邻体素及前一层的相邻体素连接，其中，在体素的形成期间，所述金属细丝的温度升高小于6摄氏度，其中每个体素通过施加超声波能量200毫秒至400毫秒之间的时间来形成，并且其中一系列体素的形成在室温下和环境大气中进行。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属细丝包括铝、钛、金、银、铜或钢合金中的至少一种。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在体素的形成之间改变施加的超声波能量的强度以改变所述金属的微结构。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打印工具包括碳化钨棒，其中所述打印工具与在40kHz和200kHz之间操作的压电晶体耦合。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打印工具包括碳化钨棒。6.一种用于增材制造的方法，所述方法包括：使得金属线的第一长度与金属基底接触；通过施加超声波能量，在第一目标区域中的所述金属线的第一长度中诱发材料流和固态扩散，将所述第一目标区域的一部分结合至所述金属基底；以及通过施加超声波能量，在与所述第一目标区域至少部分重叠的第二目标区域中的所述金属线的第一长度中诱发材料流和固态扩散，将所述第二目标区域的一部分结合至所述金属基底。7.如权利要求6所述的方法，所述方法还包括：使得金属线的第二长度与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·许，A·德什潘德，
申请(专利权)人：代表亚利桑那州立大学的亚利桑那校董会，
类型：发明
国别省市：美国,US