三维多孔微小金属件熔滴精准打印成形机理及工艺方法

A novel idea of combining the metal droplet deposition printing and rapid layered manufacturing technology to directly form three-dimensional porous micro metal structures is proposed, in order to solve the existing problems ,such as the process flexibility is poor, the porosity gradient is restricted and the hole shape and connectivity is more difficult to control, etc.By analyzing the dynamics and thermodynamic characteristics of droplet deposition process, the forming mechanism and effective control theoretical model of three-dimensional porous structure are established, the impact of multi-field coupling parameters to the internal forming qiality, temperature field and thermal stress distribution is revealed, and the key technique of droplets printing three-dimensional porous and fine structure is broken. Based on the above research, the new method of three-dimensional porous micro-metal structure by droplrts precision printing is established The project is expected to provide a new method to flexible manufacture micro complex porous metal components for meeting the personalized functional requirements. In addition, the research will promote the forming technology to develop with the direction of short process, low cost and high efficiency.

针对目前多孔微小金属构件制备工艺柔性差、孔隙度渐变受限、孔形及连通性较难控制等现存问题，提出将均匀金属熔滴定点定向沉积与快速分层制造技术相结合直接成形三维孔隙结构可自由定制的复杂多孔微小金属构件的新思路。通过分析熔滴沉积过程中的动力学和热力学特性，建立三维孔隙结构成形机制及有效控制理论模型，揭示多场耦合参数交互作用对制件内部成形质量、温度场和热应力分布的影响规律，突破熔滴打印成形三维孔隙及微细结构的关键技术，确立多孔微小金属件三维孔隙结构熔滴精准打印直接成形新方法。本项目研究有望为满足个性化功能需求的微小复杂多孔金属构件柔性制备提供一种新途径，对复杂多孔微小金属构件制备技术向短流程、低成本、高效率方向发展起到积极的促进作用。

随着“中国制造2025”和“工业4.0”对智能制造技术发展的需求，面向功能结构金属件的3D打印机技术迅猛发展，各种先进系统提出了智能化、微型化、轻量化、功能高度集成化的发展要求，使得具有复杂孔隙变化的多孔微小金属构件的应用需求越来越多。基于此，本项目提出将熔滴定点定向沉积和快速分层制造技术相结合，直接打印成形微小复杂多孔金属构件的新工艺。. 本项目通过设计开发三维多孔微小金属微滴打印沉积成形控制试验平台和分层处理软件系统，实现了打印成形过程的控制、关键特征参数的检测、熔滴喷射指令和沉积路径信息数控代码的自动生成；通过建立熔滴沉积铺展及凝固过程的分析模型，实现了对熔滴重熔结合状态的有效控制；通过研究分析熔滴喷射沉积距离对熔滴沉积位置精度的影响机理，实现了熔滴打印沉积位置精度的有效控制；通过建立多孔微小金属构件熔滴打印沉积成形温度场和热应力场的耦合分析模型，探明了沉积成形温度场和热应力场的作用机制；通过研究分析分层厚度、扫描沉积步距和成形轨迹等工艺参数，对成形尺寸精度、成形致密度和成型效率的影响规律，确立了多孔微小金属构件三维孔隙的成形机制及其控制方法；在此基础上，初步实现了三维多孔微小金属构件原型件打印成形，为解决微型散热系统、微流控系统、超轻优化微结构、生物植入器件、微传感系统中的复杂多孔零件制备工艺柔性差、孔隙度渐变受限、孔形及连通性较难控制等现存的技术难题，提供了一种快速柔性制备提供新方法。. 本项目在国内外（含会议）发表学术论文7篇（SCI收录2篇，EI收录4篇），申请国家发明专利5项（授权1项），获地市级项目1项。