CN103909268B - 金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机及打印方法，包括在线模具的打印装置、金属浆料泵给填充的打印装置、层粘结剂喷洒装置及大型多自由度的工业机器人手臂的运动驱动机构。这是一种基于塑料熔融挤压的方式打印在线模具作为金属浆料的包络轮廓，泵车进给的方式打印填充的金属浆料，快速增材打印出所需要的湿态金属浆料模型，凝固烘干后用物理或化学的方法去除打印的包络模具层，快速制作所需大尺寸金属部件的自由成型打印机。本发明能够快速打印大型钛合金，钴镁合金，不锈钢粉末模型，特别适用于航空航天领域大型产品设计研发阶段的验证，同时，具有使用方便，占地面积小，浆料配方简单,制作速度快的特点。

Description

金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机及打印方法

技术领域

本发明涉及了一种金属粉末浆料类材料的固态快速成型增材打印领域，特别是快速制作大型复杂的金属模型的自由成型打印机。

背景技术

在传统制造业中，金属粉末的成型是通过制作金属模具经过浇铸或压铸注射而成。这种制作方法存在着一些局限性，例如：模具费用和压铸设备的投入非常大，对于小批量的生产或个性化的制作非常不便，特别是复杂的网格状结构件的制作非常困难。最近十几年，3D打印技术在制造业领域中正在迅速成长为一项新兴技术，这种打印技术通常称作“3D打印”，“快速成型”，“快速制造”，或“增材加工”。这种制造方法不需要原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过层打印叠加材料的方法生成所需要的部件，比较常见的3DSystems公司的塑料FMD熔融挤压3D打印机。近几年，随着科学技术的发展，出现了钛合金粉末，镁合金粉末，镍基合金，钴基合金粉末，不锈钢粉末的快速成型3D金属打印机。这类金属打印机采用激光或电子束局部选择性融化SLS的方式逐层打印出所需的部件，如瑞典ARCAM公司的电子束熔融金属3D打印机，英国Renishaw的激光熔融金属3D打印机，但是可以注意到这些3D打印设备，价格昂贵，运行成本高，又由于打印过程是在真空腔内完成，可打印的部件尺寸普遍偏小，对大型的部件基本上无法打印，通常需要采用先打印出小部件然后再通过焊接或组装的方式构成所需要的部件，然而这种方式对制作大尺寸的部件仍然不是非常有效的。最近，国内的大学使用不锈钢金属粉末通过激光熔覆LENS技术打印制作飞机的某些零部件。这种打印方法不需要在真空密封条件下进行，只需要局部保护气体进行隔离防止氧化就可以打印出大尺寸的工件，但是目前这种设备价格昂贵，对一些反射率较高或易燃易氧化的金属粉末仍然无法实现激光熔覆打印，同时也注意到这类金属打印机都是在干态金属粉末状态完成的，对操作者和环境都有一定的影响。

因此，从上述的背景中，可以发现非常有必要发明一种新颖的打印机和打印方法，可实现在湿态金属粉末浆料的大尺寸固态立体自由成型打印机和打印方法，降低制品的制造成本和设备的投入成本，减少干态金属粉末对操作者和环境的影响和破坏，同时，实现不需要任何真正的模具和手板，不需要焊接，不需要电子束或激光器，方便移动和运输，占地面积小，浆料配方简单,能够快速制作所需要的大尺寸制品的打印机。

发明内容

本发明提供了一种金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机及打印方法。该打印机主要解决金属粉末浆料类材料的大尺寸固态自由成型，金属浆料类材料无法打印大型复杂的几何结构件，以及浆料层打印堆积后出现塌陷或倒塌的问题。这种打印机不需要任何真正的模具和手板，不需要焊接，不需要电子束或激光器，同时方便移动和运输，占地面积小，浆料配方简单,制作速度快，可用于航空航天领域快速定制大型钛合金，钴镁合金，不锈钢粉末模型，特别是可用于大型产品设计阶段的验证。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：

一种基于塑料熔融挤压的方式打印在线模具作为金属浆料的包络轮廓，泵车进给的方式打印填充的金属浆料，快速增材打印出所需要的湿态金属浆料模型，凝固烘干后用物理或化学的方法去除打印的包络模具层，快速制作所需大尺寸金属部件的自由成型打印机。

所述打印机包括在线模具的打印装置、金属浆料泵给填充的打印装置、层粘结剂喷洒装置及大型多自由度的工业机器人手臂的运动驱动机构。

所述在线模具打印装置包括打印模具主体材料部分和支撑材料部分，可打印任何复杂的在线模具的型腔。

所述金属浆料泵给填充打印装置包括浆料电磁振打喷头，浆料真空过滤器，浆料旁路保护装置，浆料压力泵车。

所述金属浆料包括金属粉末，添加粘结剂，润滑剂及相应的溶液，在压力泵车内进行搅拌形成均匀分布的金属粉末浆料，通过泵送进料管道，经过浆料真空过滤器去除浆料中的多余水分和气孔后，进入电磁墩实振打喷头，打印出相应的浆料层。

当第一层在线模具轮廓打印好后，金属浆料喷头开始进行打印填充，填充完毕后，程序自动切断喷头电磁开关，浆料旁路装置开始循环，完成第一层的模具和浆料打印后，层粘结剂喷洒装置开始快速喷洒所需要的粘结剂，自动开始第二层与第一层相似的打印过程，周而复始，直到湿态金属浆料模型打印完成。

通过自然或加热的方式迫使其中的溶剂蒸发，凝固烘干后通过物理或化学的方法去除模具包络体得到所需的固态部件。

固体金属部件通过烧结或高频淬火的方式提高其强度。

本发明具有积极有益的效果：

1.该打印机主要解决金属粉末浆料类材料的固态自由成型问题，不需要借助昂贵的金属注射模具。

2.该打印解决浆料类材料无法打印复杂的几何构造，层打印堆积后出现塌陷或倒塌的问题。

3.该打印机实现了在线模具的打印，不需要任何真正的模具和手板，

4.该打印机可打印大尺寸复杂的结构件，可一次成型，不需要采用目前的小部件打印焊接成大部件的方式。

5.该打印机在湿态浆料条件下工作，不需要借助于昂贵的电子束或激光器进行选择性的融化，人机操作安全方便。

6.该打印机配有机器手臂，占地面积小，移动方便，浆料配方简单,制作速度快，极大地降低制造成本和设备的投入成本，减少制作时间。

7.该打印机金属粉末是湿态浆料状态，极大地减少对环境的破坏和大大减少了对操作者的危害。

8.该打印机用途广泛，可用于航空航天领域快速定制大型钛合金，钴镁合金，不锈钢粉末模型，特别是可用于大型产品设计阶段的验证。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图及工作原理。

图2为本发明的在线模具打印装置示意图。

图3为本发明的层粘结剂喷洒装置示意图。

图4为本发明的金属粉末浆料泵给填充打印装置示意图。

图5为本发明的样件打印工序示意图。

图中，各序号名称如下：

图中，101为多自由度的机器人手臂，102为机器手夹紧装置，103在线模具打印装置，104为浆料进给填充打印装置，105为真空泵接口，106为粘结剂喷洒打印装置，107为所打印的样品举例，108为可移动托板，109为金属粉末浆料泵车，110为浆料反馈管道，111为浆料输出管道，201为在线模具打印喷头，202为进料加热熔化器，203为可控进给装置，204为在线模具料库，301为粘结剂喷头，302为电磁控制阀，303为粘结剂装置固定夹具，304为粘结剂加热环，305为粘结剂存储漏斗，401为浆料进给填充打印喷头，402为浆料三通开关电磁阀，403为圆环状PZT超声波发生器下，404为真空腔，405为电磁振动振打器，406为圆环状PZT超声波发生器下，407为真空泵接口，501为在线模具打印部分，502为金属粉末部件，503为电子校平显示器，504为校平调节装置，505可移动滑轮。

具体实施方式

本发明是一种针对金属粉末浆料的大尺寸固态快速成型打印机及打印方法。在图1中，该打印机包括一个多自由度的大型工业机器人手臂的运动驱动机构101，机器手夹紧装置102，在线模具的打印装置103、金属浆料泵给填充的打印装置104、层粘结剂喷洒装置106及浆料泵车109，其中在浆料泵车109上连接浆料输出管道111和浆料反馈管道110，金属浆料泵给填充的打印装置104预留真空泵接口105去除浆料中的多余溶液，打印的样品107沉积在可移动托板108上。在图2中，在线模具打印装置103主要由201为在线模具打印喷头201，进料加热熔化器202，可控进给装置203和在线模具料库104组成，用于打印模具主体材料部分和支撑材料部分包括打印任何复杂的在线模具的型腔。在图3中，层粘结剂喷洒装置106包括粘结剂喷头301，电磁控制阀302控制粘结剂的开关，粘结剂装置固定夹具303，粘结剂加热环304和粘结剂存储漏斗305，可喷洒层与层之间的粘结剂，增加在线模具和浆料部件的剪切强度。在图4中，金属浆料泵给填充打印装置104包括浆料进给填充打印喷头104，浆料三通开关电磁阀402，圆环状PZT超声波发生器403，真空腔404，电磁振动振打器405，圆环状PZT超声波发生器下406和外接真空泵接口407组成。金属浆料包括金属粉末，添加粘结剂，润滑剂及相应的溶液，在压力泵车109内进行搅拌形成均匀分布的金属粉末浆料，通过泵送进料管道111，经过浆料真空过滤器去除浆料中的多余水分和气孔后，进入电磁墩实振打喷头407，打印出相应的浆料层。在图5所示实施例中，所示的样件打印501包括在线模具打印部分501，金属粉末部件502，电子校平显示器503，校平调节装置504和可移动滑轮505。开始打印前，通过调节校平调节装置504，读出电子校平显示器503数值，当三点显示倾角数值接近零时，表明打印底托108基本处于水平状态，锁紧校平装置，准备打印。当第一层在线模具轮廓打印好后501，金属浆料喷头开始进行打印填充502，填充完毕后，程序自动切断喷头电磁开关402，浆料旁路装置开始循环110，完成第一层的模具和浆料打印后，层粘结剂喷洒装置106开始快速喷洒所需要的粘结剂，自动开始第二层与第一层相似的打印过程，周而复始，直到湿态金属浆料模型107打印完成。通过自然或加热的方式迫使其中的溶剂蒸发，凝固烘干后通过物理或化学的方法去除模具501包络体得到所需的固态部件502，这种固体金属部件可通过烧结或高频淬火的方式提高其强度。

本发明的自由成型打印机工作过程及打印方法如下：

这是一种基于塑料熔融挤压的方式打印在线模具作为金属浆料的包络轮廓，泵车进给的方式打印填充的金属浆料，快速增材打印出所需要的湿态金属浆料模型，凝固烘干后用物理或化学的方法去除打印的包络模具层，快速制作所需大尺寸金属部件的自由成型打印机。打印方法首先用三维绘图软件绘制所实际要求的3D模型，根据金属粉末浆料的收缩率，三维比例放大得到所要打印的3D模型，通过布尔运算产生所要求的在线模具3D包络模型。根据打印精度的要求，设置层高，产生机器手可识别的运动轨迹和控制代码。根据所打印部件的要求，层与层之间增加粘结剂喷洒控制指令，完成程序制作，上传至机器手存储器。校平打印托板108，准备打印。该金属粉末浆料的大尺寸固态快速成型打印机包括在线模具的打印装置103、金属浆料泵给填充的打印装置104、层粘结剂喷洒装置105及大型多自由度的工业机器人手臂的运动驱动机构101。在线模具打印装置103包括打印模具主体材料部分和支撑材料部分，可打印任何复杂的在线模具的型腔。金属浆料泵给填充打印装置104湿态金属粉末浆料。这种浆料包括金属粉末，添加粘结剂，润滑剂及相应的溶液，在压力泵车109内进行搅拌形成均匀分布的金属粉末浆料，通过泵送进料管道111，经过浆料真空过滤器去除浆料中的多余水分和气孔后，进入电磁墩实振打喷头401，打印出相应的浆料层。当第一层在线模具轮廓打印好后，金属浆料喷头开始进行打印填充，填充完毕后，程序自动切断喷头电磁开关，浆料旁路反馈装置110开始循环，完成第一层的模具和浆料打印后，层粘结剂喷洒装置106开始快速喷洒所需要的粘结剂，自动开始第二层与第一层相似的打印过程，周而复始，直到湿态金属浆料模型打印完成。通过自然或加热的方式迫使其中的溶剂蒸发，凝固烘干后通过物理或化学的方法去除模具包络体得到所需的固态部件。

虽然，上文中已用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明工作和制作过程的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机，其特征在于：一种基于塑料熔融挤压的方式打印在线模具作为金属浆料的包络轮廓，泵车进给的方式打印填充的金属浆料，快速增材打印出所需要的湿态金属浆料模型，凝固烘干后用物理或化学的方法去除打印的包络模具层，快速制作所需大尺寸金属部件的自由成型打印机，所述的打印机包括在线模具的打印装置、金属浆料泵给填充的打印装置、层粘结剂喷洒装置及大型多自由度的工业机器人手臂的运动驱动机构。

2.根据权利要求1所述的一种金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机，其特征在于：所述的在线模具打印装置包括打印模具主体材料部分和支撑材料部分，可打印任何复杂的在线模具的型腔。

3.根据权利要求1所述的一种金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机，其特征在于：所述的金属浆料泵给填充打印装置包括浆料电磁振打喷头，浆料真空过滤器，浆料旁路保护装置，浆料压力泵车。

4.根据权利要求1所述的一种金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机，其特征在于：所述的金属粉末浆料包括金属粉末，添加粘结剂，润滑剂及相应的溶液，在压力泵车内进行搅拌形成均匀分布的金属粉末浆料，通过泵送进料管道，经过浆料真空过滤器去除浆料中的多余水分和气孔后，进入电磁墩实振打喷头，打印出相应的浆料层。

5.根据权利要求1所述的一种金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机，其特征在于：当第一层在线模具轮廓打印好后，金属浆料喷头开始进行打印填充，填充完毕后，程序自动切断喷头电磁开关，浆料旁路装置开始循环，完成第一层的模具和浆料打印后，层粘结剂喷洒装置开始快速喷洒所需要的粘结剂，自动开始第二层与第一层相似的打印过程，周而复始，直到湿态金属浆料模型打印完成。

6.根据权利要求1所述的一种金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机，其特征在于：通过自然或加热的方式迫使其中的溶剂蒸发，凝固烘干后通过物理或化学的方法去除模具包络体得到所需的固态部件。

7.根据权利要求1所述的一种金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机，其特征在于：固体金属部件是通过烧结或高频淬火的方式提高其强度。

8.根据权利要求1所述的一种金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机，其特征在于：所述的打印机的运动机构采用了工业机器手臂，手臂末端配有刚性联接的喷头夹紧机构。

9.金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机的打印方法，其特征在于：所述的金属粉末浆料的大尺寸固态自由成型打印机的打印方法，是一种基于塑料熔融挤压的方式打印在线模具作为金属浆料的包络轮廓，泵车进给的方式打印填充的金属浆料，快速增材打印出所需要的湿态金属浆料模型，凝固烘干后用物理或化学的方法去除打印的包络模具层，快速制作所需大尺寸金属部件的自由成型打印机；所述的打印方法首先用三维绘图软件绘制所实际要求的3D模型，根据金属粉末浆料的收缩率，三维比例放大得到所要打印的3D模型，通过布尔运算产生所要求的在线模具3D包络模型；根据打印精度的要求，设置层高，产生机器手可识别的运动轨迹和控制代码，根据所打印部件的要求，层与层之间增加粘结剂喷洒控制指令，完成程序制作，上传至机器手存储器，校平打印托板准备打印，所述的打印方法使用的打印机包括在线模具的打印装置、金属浆料泵给填充的打印装置、层粘结剂喷洒装置及大型多自由度的工业机器人手臂的运动驱动机构，在线模具打印装置包括打印模具主体材料部分和支撑材料部分，可打印任何复杂的在线模具的型腔；金属浆料泵给填充打印装置包括浆料电磁振打喷头，浆料真空过滤器，浆料旁路保护装置，浆料压力泵车；金属浆料包括金属粉末，添加粘结剂，润滑剂及相应的溶液，在压力泵车内进行搅拌形成均匀分布的金属粉末浆料，通过泵送进料管道，经过浆料真空过滤器去除浆料中的多余水分和气孔后，进入电磁墩实振打喷头，打印出相应的浆料层；当第一层在线模具轮廓打印好后，金属浆料喷头开始进行打印填充，填充完毕后，程序自动切断喷头电磁开关，浆料旁路装置开始循环，完成第一层的模具和浆料打印后，层粘结剂喷洒装置开始快速喷洒所需要的粘结剂，自动开始第二层与第一层相似的打印过程，周而复始，直到湿态金属浆料模型打印完成，通过自然或加热的方式迫使其中的溶剂蒸发，凝固烘干后通过物理或化学的方法去除模具包络体得到所需的固态部件。