专利摘要

本发明公开了一种基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法,该方法结合超声焊接增材和电火花成形两项高新技术：将高精超薄金属片分层超声焊接；每层焊接后根据构件CAD模型截面的需要，利用电火花加工技术使该层截面空缺部分成形，逐层成形直到最终成型。本发明具有超声焊接压力小、温度低、固结牢等优势又结合电火花成形电极振动小、电极尺寸小、成形精度高等特点；克服了普通3D打印精度不高、结合不牢，内部中空和悬空部位需要支承等缺点；克服了其他3D打印中刀具圆角，刀具尺寸不能小，刀具振动大，顶层“天花板”无法保证精度等困难；能实现带3D内腔构件整体精密成形，为简化构件结构、减小构件尺寸、提高制品精度提供突破。

权利要求

1.一种基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法， 其特征在于3D打印方法，方法如下：

A，送料：将高精度超薄金属带料送至焊接位置，分割，定位；

B，超声焊接：将分割后的整张料焊接；焊接时，采用滚柱焊头轻压向被焊层，焊头在被焊层上滚动，并同时在滚柱焊头轴线方向施加超声振动；

C，在每层固结后，根据需要再利用电火花成形技术使内部带有3D型腔的构件在该层的截面形状成形，加工出该层截面上的空缺，在电加工时辅助超声；

D，电加工后排去放电液并进行吹烘,使用热压空气吹去并烘干残存的放电液；

E，重复A-D的步骤，直到构件最终成型。

2.根据权利要求1所述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，其特征在于：所述步骤A中的金属带料表面粗糙度达到或超过3D型腔要求，免去3D型腔顶层“天花板”加工；若带料厚度小于3D型腔高度公差，使3D型腔顶层高度无须是带料厚度的整数倍，若带料厚度略大于3D型腔高度公差则可压缩3D型腔定位尺寸公差，使3D型腔顶层高度是带料厚度的整数倍。

3.根据权利要求1所述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，其特征在于：所述步骤B中分层整张料超声焊接，免去普通3D打印增材时中空或悬空时需要的支撑。

4.根据权利要求1所述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，其特征在于：所述步骤B中紧跟在3D型腔顶层的若干层则根据需要密封构件外围，使放电液充满3D型腔，以增加超声焊接中的中空部位支撑力度。

5.根据权利要求1所述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，其特征在于：所述步骤B中，滚柱焊头均匀滚过被焊层，且采用刚性大的滚柱焊头；滚柱焊头压向被焊层的压力可以调整。

6.根据权利要求1所述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，其特征在于：所述步骤C中的电加工电极型式多样，适用单电极、成形电极和轮廓电极。

7.根据权利要求1所述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，其特征在于：所述步骤C中的放电方法：单电极和成形电极先在3D型腔层深方向放电，再利用摇动功能来进行拓展；若采用轮廓电极侧向放电，则放电路径由CAD模型截面决定，并根据电加工结果确定轮廓补偿量，补偿量可为常数，也可区别补偿。

8.根据权利要求1所述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，其特征在于：所述步骤C中放电时辅助超声，提高放电效率和精度。

说明书

技术领域

本发明属于3D打印制造新技术领域，具体涉及一种基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，是一种内部带有3D型腔的构件超声焊接增材及电火花加工的复合3D打印方法。

背景技术

由于3D打印制造技术可整体成形那些传统方法无法实现的复杂/超复杂结构件，加上无需准备模具，生产周期短等，3D打印制造技术具有广阔的发展前景，是近年来制造业技术发展的热点。

尽管这类增材制造能使3D构件整体成型,但也有一些问题，例如形状、尺寸和精度难达到构件要求,内部中空和悬空部分需要讨厌的物理支撑等。

目前国内尚不能很好解决这些问题，超声增材与EDM（电火花加工）集成制造的研究国内外还未见报道,近年来国外发展出分层超声焊接增材与NC铣削相结合的方式试图消除这些问题。如美国Solidica公司；再如美国Fabfication 公司。但这种组合一般都应用在尺寸较大的构件加工场合。由于难于消除刀具圆角、工艺系统振动以及刀具尺寸太大等带来的影响，分层超声焊接增材与NC铣削相结合这一模式仍难于应用在内部带有高精度微小3D型腔的构件，况且3D型腔顶层“天花板”无法铣削。

例如，广泛应用于天体物理、大气探测、安全检测等领域的外差型阵列接收机上的波导孔构件就是内部带有高精度微3D型腔（沟槽）的典型小构件。随着科学技术的发展，波导孔尺寸要求越来越小，精度要求越来越高（波导孔沿波导方向垂直截面矩形断面的尺寸要求达到0.508×0.254mm级别，甚至0.254×0.127mm；接收信号孔与参考信号孔的耦合部分尺寸要求更小；而且误差要在10μm之内，表面粗糙度在Ra0.4μm之内）。由于刀具尺寸及刀具半径原因,这种复杂的高精度3D网络微小孔系就难于NC铣削；又由于刀具振动原因，即使使用超声分层焊接增材与NC铣削相结合成形方法仍然达不到波导孔在精度、光顺性、均匀性、可靠性和尖锐角等方面的要求；况且水平布置的参考信号孔道顶面“天花板”层无法铣削。廹切需要在波导孔构件成形方法上有新的突破。

超声焊接增材的突出优点是压力小，温度不高，固接牢，焊接均匀。若采用薄片焊接，对构件已成形部分影响就更小；况且若分层整张焊接，有中空和悬空部位也不需要支承；再加上电火花加工突出优势是可突破尺寸禁区，电极尺寸可做的较小，而且电加工振动小，精度高等。而这些正是微小3D型腔加工所需要的，尤其是尺寸减小和表面光顺有保证。

电火花加工另一突出优势是能形成尖角，有些3D构件内部某些部位需要保持尖角，例如波导小构件上的接收信号孔和参考信号孔以及它们之间的耦合孔是空间网络布置，但它们的截面是矩形，要求保持锐角，这恰恰是电加工的优势。而铣刀半径会形成圆角，难以形成锐角，对垂直布局的接收信号孔要求截面是矩形尤其不利。

目前国内已经可以生产出高精度超薄金属带料（如杭州海铭金属制品有限公司已经可以生产出厚度2μm带宽为0.99mm的带料，陕西汉和新材料有限公司和深圳恒宇金属材料有限公司已经可以生产出厚度6μm铜箔。），这就为超声焊接增材免去微3D型腔顶层加工创造了条件，也由于带料厚度小于微3D型腔的允许误差，可使3D型腔顶层高度必须是带料厚度整数倍这一限制得于消除。

既使选用厚度稍大的带料（如0.01或0.02mm）,也可通过控制工艺尺寸链，即压缩3D型腔的定位尺寸公差（一般来说定位尺寸公差要大于形状尺寸公差），使顶层“天花板”高度是带料厚度的整数倍，而通过对3D型腔的底层放电加工仍可保证3D型腔在高度方向的精度。

另一方面就是薄料超声焊接需要的压力比一般超声焊接更小。若使用刚性好滚柱式焊头，压力作用在整个固接层与圆柱滚筒接触线上，使本来很小的压力得到分摊；在此基础上还控制焊接方向（尽量与中空和悬空的长度方向垂直，即跨距小的方向）减小跨距；再加上每层工艺条件（振幅、频率、压力、作用时间等）是一致的（增材质地均匀）。此外，如果3D型腔尺寸小，则跨距小，薄片本就不易在微3D型腔中空部分发生凹馅。所有这些，都有利于带3D型腔的构件焊接增材。

发明内容

本发明是一种基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，基于分层超声焊接增材及电火花成形两种新技术，提出采用超薄高精度金属带料分层超声焊接，达到增材目的，尽量降低焊头对已成形层的影响，免去顶层“天花板”的加工，免去中空或悬空部位需要的支撑。在每层固结后，根据需要利用电火花加工使内部带有3D型腔的构件在该层的截面形状成形。既利用超声焊接增材压力小、温度低、固结牢等优势又结合电火花成形电极振动小、电极尺寸小、成形精度高等特点。实现内部带有3D型腔(尤其是微小内腔或是有尖角的内腔)的构件整体精密成形，为内部带有3D型腔的构件在简化结构、减小尺寸、提高精度方面提供突破。

本发明的技术方案是：基于超声焊接增材及电火花成形，提出一种3D打印方法，实现内部带有3D型腔(尤其是微小内腔或是有尖角的内腔)的构件整体精密成形，其方案如下：

A，送料：将高精度超薄金属带料送至焊接位置，分割，定位；

B，超声焊接：将分割后的整张料焊接。焊接时，采用滚柱焊头轻压向被焊层，焊接时焊头在被焊层上滚动，并同时在滚柱焊头轴线方向施加超声振动；

C，在每层固结后，根据需要再利用电火花成形技术使内部带有3D型腔的构件在该层的截面形状成形，加工出该层截面上的空缺。必要时在电加工时辅助超声；

D，电加工后排去放电液并进行吹烘，使用热压空气吹烘残存的放电液；

E,重复A-D的步骤，直到构件最终成型。（如图1）

进一步的，上述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，所述步骤A中的金属带料表面粗糙度达到或超过3D型腔要求，免去3D型腔顶层“天花板”加工；带料厚度小于3D型腔高度公差，使3D型腔顶层高度无须是带料厚度的整数倍，若带料厚度略大于3D型腔高度公差则可压缩3D型腔定位尺寸公差，使3D型腔顶层高度是带料厚度的整数倍。

进一步的，上述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，所述步骤B中的整张料超声焊接，免去普通3D打印增材时中空或悬空是需要的支撑。

进一步的，上述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，所述步骤B中的整张料超声焊接，紧跟在3D型腔顶层的若干层根据需要密封构件外围，使放电液充满3D型腔，以增加超声焊接中的中空或悬空部位支撑力度（如图2）。

进一步的，上述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，所述步骤B中滚柱焊头均匀滚过被焊层，且采用刚性大的滚柱焊头。使本就不大的接触应力分布在滚柱焊头与被焊层的整条接触线上，不易影响已成形部分，且滚柱焊头的结构易于施加超声振动和焊接压力，方便调整焊接工艺参数（频率、振幅、压力和作用时间等）。

进一步的，上述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，所述步骤C中电加工的电极型式多样，可以是单电极、成形电极、轮廓电极。

进一步的，上述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，所述步骤C中的放电方法：单电极和成形电极先在3D型腔层深方向放电，并利用摇动功能来进行拓宽；若采用轮廓电极侧向放电，则放电路经由CAD模型截面决定，并根据电加工结果确定轮廓补偿量，补偿量可为常数，也可区别补偿。

进一步的，上述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，所述步骤C中根据需要辅助超声。

进一步的，上述的基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法，所述步骤D中超声焊接与电加工切换时安排吹烘（热压空气，温度低于放电液燃点）工步。超声焊接装置和吹烘装置均与电加工机床主轴连接，实现焊接装置和吹烘装置的移动。超声焊接装置和吹烘装置本身可以在工作位置和空闲位置切换，并且互不干扰。

本发明的有益效果是：与现有3D打印模式、超声焊接增材与NC铣削制造结合模式相比,有如下优势：

1、高精度薄片料分层整张超声焊接，质地均匀，温度低，压力小，3D型腔顶层无须加工，内部悬中空或空部位无须支撑。

2、电加工振动小，精度高，可形成尖角，表面光顺及尺寸减小有保证。可实现复杂3D型腔整体精密成形。

3、工序简单，实施容易，特别是内部带有高精度微小复杂3D型腔或是需要保持尖角的构件整体精密成形更具优势。

附图说明

图1是本发明技术方案示意图。

图2是放电液辅助支撑示意图。

图3是实施例的应用射电接收机波导孔构件中的波导孔走向及分布三维立体示意图。

图4是实施例的波导孔中耦合孔局部放大示意图。

图5是实施例的波导孔走向及分布前视图和俯视图。

图6是实施例的送料示意图。

图7是实施例的超声焊接示意图。

图8是实施例的参考信号孔和藕合孔电加工示意图。

图9是实施例的接收信号孔电加工示意图。

图10是实施例的接收信号孔弯曲部分放电示意图。

图11是实施例的顶层处理的高度关系示意图。

图12是实施例的轮廓电极补偿方法示意图。

图13是实施例的吹烘示意图。

具体实施方式

以下以射电接收机波导孔构件中的波导孔加工为例具体加以说明。

1，波导孔加工要求

如图3-5所示，为微波、毫米波、亚毫米波等波段的射电接收机波导孔构件的一个关键结构，要求做成整体，并且孔道光顺。接收信号孔和参考信号孔呈空间垂直布局，各有直线部分和弯曲部分，并且还有它们之间的耦合孔。各孔断面均为矩形。矩形断面的尺寸要求达到0.508×0.254mm级别，甚至0.254×0.127mm，耦合孔尺寸要求更小。矩形断面的尺寸误差要求在10μm之内，表面粗糙度在Ra0.8～0.4μm之内。

2，波导孔超声焊接增材及电加工实施。

本发明在波导孔加工中的实施方案如图6-13所示，但本发明实施不限于此。

2．1送料（图6）

A，选用高精超薄的金属带料，厚度不大于波导孔矩形断面尺寸公差（厚度小于10微米，表面粗糙度Ra0.4微米以下），

B，带料经张紧由电加工机床主轴拖到正确位置，裁剪后落向固定在机床工作台的专用底座上并定位。

2．2,超声焊接增材（图7）

A，滚柱焊头在刚送的料层上滚过，并在滚柱焊头轴线方向上的施加超声振动。

B，滚柱焊头与调压装置连接，压力可调节，使滚柱焊头轻压在焊接层上。要求滚柱刚性好，压力分布在整个焊接层的接触线上。且滚动方向（即焊接方向）尽量与波导方向垂直（使悬空跨距小）。

C，整个超声焊接装置通过机构与电加工机床主轴连接实现焊头移动，并能实现工作位置和空闲位置切换。

D，焊接过程中调节压力、超声振动频率和振幅、及滚动速度，将该层超声焊接，达成增材目的。

E，焊接紧跟在参考信号孔顶层的若干层时，则密封波导构件已焊层外围，使放电液充满3D型腔（只是充满，无压力，后排干），以增加中空部位支撑力度（图2）。

2．3，若该层有波导孔道等空缺部位时切换到电加工模式，电火花去除该层需要去除的部分。

A，采用小能量微细放电规准，在放电时对电极施加高度方向的超声振动，提高电加工效率和精度。

B，电极型式：参考信号孔采用轮廓电极，而接收信号孔和藕合孔做成截面为矩形的单电极，

C，放电方法：如图8是接收信号孔和藕合孔放电方法，矩形电极先放电到层深，再通过摇动拓展达截面形状尺寸要求。注意接收信号孔是垂直布局，因此接收信号孔弯曲部分放电宽度与电极宽度不一致，须先放电到层深，再拓宽，如图9，这样层层放电，使接收信号孔弯曲部分成型。图10是参考信号孔放电方法，小圆电极高速旋转微细放电，沿参考信号孔道两侧轮廓加工。

D，电极制备：先用NC铣削等方法使电极初步成形，再用靠模放电法反靠出小电极尺寸（尤其是耦合孔）。

E，参考信号孔顶层“天花板”的处理方式。

采用高精度带料，顶层无需加工。

若材料带厚度小于矩形断面高度公差，则无需考虑顶层高度是不是材料带厚度的整数倍问题。

若顶层高度不是材料带厚度的整数倍，且材料带厚度略大于矩形断面高度公差，则压缩参考信号孔高度的定位尺寸公差，使顶层“天花板”高度是带料厚度的整数倍，而通过对矩形断面的底层放电加工来保证微孔矩形断面精度。如图11，设矩形断面高度的形状尺寸及公差为h±Δh，而矩形断面的高度定位尺寸及公差为H±ΔH，一般来说ΔH比Δh大的多，可适当压缩H的制造公差，比如做成负偏差H-ΔH，使参考信号孔的顶层高度正好是材料带厚度的整数倍，而通过对断面的底层放电加工来保证断面高度方向的定位尺寸。

E，电极损耗补偿方法： 根据加工结果决定是否补偿：断面为矩形的电极靠摇动或插补进行补偿（如图8）；断面为圆电极（轮廓电极）则对放电路径中的每个数控程序段多个等分，每一等分为一步长，按步长区别补偿（如图12示意是将数控程序段B→A分为3段区别补偿）。

2．4电加工后排去放电液并吹气烘干焊接面上的残存放电液(如图13)

电加工后超声焊接前，须快速吹气烘干焊接面上的残存放电液 (吹气温度低于放电液燃点)，吹气装置连接在电加工机床主轴上，可以相对焊层移动，使焊层吹气均匀，整个吹气装置有吹气和烘干两个工位，但空间布局不和超声焊接装置相干涉。

2．5，送料，(如图6)，重复以上步骤，如此逐层成形，直到波导孔整体成型。

以上所述仅是本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护范围不限以此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

一种基于超声焊接增材及电火花成形的3D打印方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。