CN104259391B - 一种制造金属制品的方法、所用设备和系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造金属制品的方法、所用设备和系统及其控制方法。该方法先将要制造的金属制品模型用易熔材料3D打印出来，形成易熔材料阳模，与此同时在易熔材料阳模外围3D打印易熔材料阴模；在易熔材料阳模和易熔材料阴模之间的空腔内注入耐高温材料料浆；使耐高温材料料浆干燥成型同时易熔材料熔化后，形成耐高温材料阴模；在耐高温材料阴模中注入熔化的金属液，金属液冷却后形成金属制品的模型。采用本发明设备和方法实现了任意形状金属制品的生产自动化，生产精度高，生产和设备成本低。

Description

一种制造金属制品的方法、所用设备和系统及其控制方法

技术领域

本发明属于制造技术领域，具体涉及一种制造金属制品的方法、所用设备和系统及其控制方法。

背景技术

在工业制造领域现在多采用3D激光打印技术。用3D激光打印金属，多采用粉末状金属，通过高功率激光/电子束烧结堆积，逐层打印的方式来构造物体。这种方式存在如下缺陷：

1）由于采用逐层打印的方式，打印速度慢；

2）金属粉末在烧结过程中存在微观孔隙，填充率低，打印出来的制品密度低、强度差，有损金属产品的机械性能；

3）金属在烧结成型过程中容易氧化；

4）打印机结构复杂、价格昂贵。

这些严重影响了金属3D 打印生产技术的运用和普及。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种全新的制造金属制品的方法、所用设备和系统、及其控制方法。本发明完全摒弃了传统的金属粉末烧结-逐层打印技术，制品强度高，成本低。

本发明提供的制造金属制品的方法，该方法采用的制造设备包括：3D打印装置、注浆装置、成型熔化装置、金属熔化装置、金属液注入装置、移动定位机构和液体量检测器。该方法包括如下步骤：

步骤1，3D打印装置使用易熔材料将易熔材料阳模A和易熔材料阴模B打印出来，所述易熔材料阳模A与所要制造的金属制品的模型相同；

所述易熔材料阴模B为任意形状，其将易熔材料阳模A包围在内，并在易熔材料阳模A和易熔材料阴模B之间留下空腔C，空腔C任一处的厚度均不为0；在易熔材料阴模B上留出开口、在空腔C内设堵块，作为后序注入耐高温材料的开口和注入金属液的开口；

步骤2，移动定位机构调整注浆装置的耐高温材料料浆出口和注入耐高温材料的开口相对位置，注浆装置将耐高温材料料浆从开口注入，并恰好填满空腔C；

步骤3，移动定位机构调整模型和成型熔化装置相对位置，通过成型熔化装置加热使耐高温材料料浆干燥成型，堵块熔化，留下注入金属液的开口，易熔材料熔化流出，留下耐高温材料阴模C’；

步骤4，金属熔化装置将金属熔化，移动定位机构调整金属液出口和注入金属液的开口相对位置，金属液注入装置将熔化的金属液从开口注入，并恰好填满耐高温材料阴模C’的内部空腔；

步骤5，将金属液冷却成型后，采用物理或化学方法除去耐高温材料阴模C’，得金属制品的模型；

所述3D打印装置包括升降平台，升降平台能够上下移动定位，易熔材料模型、耐高温材料模型和金属制品模型均在升降平台上形成；所述液体量检测器用于检测注入的耐高温材料料浆和熔化的金属液的量。

本发明提供的制造金属制品的设备，该设备用于先将要制造的金属制品模型用易熔材料打印出来，形成易熔材料阳模，与此同时在易熔材料阳模外围打印易熔材料阴模；在易熔材料阳模和易熔材料阴模之间的空腔内注入耐高温材料料浆；使耐高温材料料浆干燥成型同时易熔材料熔化后，形成耐高温材料阴模；在耐高温材料阴模中注入熔化的金属液，金属液冷却后形成金属制品的模型。该制造设备包括机架1和用于打印易熔材料模型的3D打印装置，所述3D打印装置包括升降平台3，升降平台3能够上下移动定位，该制造设备还包括：

注浆装置，用于将耐高温材料料浆注入易熔材料阳模和易熔材料阴模之间的空腔；

成型熔化装置，用于使耐高温材料料浆干燥成型同时使易熔材料熔化；

金属熔化装置，用于熔化金属；

金属液注入装置，用于将熔化的金属液注入耐高温材料阴模；

移动定位机构，用于将耐高温材料料浆或熔化的金属液的出口分别与所述易熔材料阴模或耐高温材料阴模的开口定位，以便准确注入相应位置；和

液体量检测器，用于检测注入的耐高温材料料浆和熔化的金属液的量；

易熔材料模型、耐高温材料模型和金属制品模型均在升降平台3上形成。

本发明采用了与传统的金属粉末烧结-逐层打印完全不同的思路，先生产出易熔材料模型，再生成耐高温材料阴模，将易熔材料熔掉，最后在耐高温材料阴模中注入金属液，除掉耐高温材料阴模即可。具体来说本发明具有如下优点：

1）采用本发明设备和方法实现了任意形状金属制品的自动化生产，且生产效率高，该设备仍可以打印塑料等易熔材料制品；

2）采用移动定位机构和液体量检测器，生产精度高；

3）采用金属熔化注入的方式，不易被氧化，填充率高，打印出来的制品强度不受影响；

4）可以使用常见金属材料，不需要制成金属粉末，生产成本低，同时不需要价格高昂的激光烧结，设备成本低。

附图说明

附图1为本发明制造金属制品的设备一个具体实施方式正面结构示意图。

附图2为图2背面结构示意图。

附图3为图1 Z-Z方向视图。

附图4为本发明另一个具体实施方式的局部视图。

附图5为一个具体实施例中步骤1中3D打印的易熔材料模型。

附图6为一个具体实施例中步骤3的耐高温材料模型。

附图7为利用电磁感应线圈加热的优选方式。

图中：机架1、第一水平移动定位机构2、升降平台3、第二水平移动定位机构4、冷却气体喷嘴5、储液罐6、隔热板7、高温气体喷嘴8、出气口9、支撑杆10、升降座11、挤压输送滚轮12、传输管13、电磁感应加热线圈14、丝杆15、竖直导轨16、金属熔炼炉17、金属液保温炉18、金属液出口19、耐火平台20、滑动座41、前后导向杆401、左右固定座402、左右导向杆403、易熔材料阳模A、易熔材料阴模B、耐高温材料空腔C、注入耐高温材料的开口D、金属液注入口堵块E、易熔材料出口堵块F、耐高温材料模C’、注入金属的开口E’、易熔材料熔化流出口F’。

具体实施方式

如图1所示，本发明制造金属制品的设备包括机架1和用于打印易熔材料模型的3D打印装置，该制造设备还包括：注浆装置，用于将耐高温材料料浆注入易熔材料阳模和易熔材料阴模之间的空腔；成型熔化装置，用于使耐高温材料料浆干燥成型同时使易熔材料熔化；金属熔化装置，用于熔化金属；金属液注入装置，用于将熔化的金属液注入耐高温材料阴模；移动定位机构，用于将耐高温材料料浆或熔化的金属液的出口分别与所述易熔材料阴模或耐高温材料阴模的开口定位，以便准确注入相应位置；和液体量检测器，用于检测注入的耐高温材料料浆和熔化的金属液的量。

本发明可在现有3D打印机基础上进行改装实现。3D打印装置采用升降机构和升降平台3在垂直方向移动定位。升降机构包括Z轴移动组件和升降驱动组件。如图2，Z轴移动组件包括竖直导轨16和丝杆15。升降驱动组件为Z轴电机。升降平台3与设于机架1上的两条竖直导轨16滑动连接，升降平台3与设于机架1上的丝杆15相连接，丝杆15下端与设于机架1上的Z轴电机的转轴相连接，用于升降平台3的升降。

3D打印装置通过第一水平移动定位机构2在水平方向移动定位。第一水平移动定位机构2可采用现有技术（未在附图详细标明），其上设有滑动座即打印头，打印头上设有易熔材料（如热塑性塑料或紫外线光固化树脂）挤出装置和挤压电机，挤出装置与易熔材料储藏罐连接，挤出装置设有喷头。采用现有的控制方法进行易熔材料的打印。

注浆装置包括用于储存耐高温材料料浆的储液罐6和导液管。注浆装置上设有液体输送装置（包括输液电机），盛放耐高温材料料浆的储液罐6通过导液管与液体输送装置连通，液体输送装置下设出液口。储液罐6开口可设有距离传感器，监测储液罐6内剩余液体量。

成型熔化装置，例如使用热风枪，产生高温气体，在机架1上设置高温气体喷嘴8。

金属熔化装置可以采用多种加热方式使金属熔化，如电磁感应加热、等离子加热等。可以另外设置惰性气体保护系统，通入惰性气体保护，更好的防止金属氧化。

作为一个优选的实施方式，如图1，金属熔化装置包括电磁感应加热线圈14。金属液注入装置包括支撑杆10、升降座11、挤压输送滚轮12和传输管13；支撑杆10固定在机架1上，升降座11能够沿支撑杆10上下移动，两个挤压输送滚轮12设置在升降座11上，用于挤压输送金属丝，传输管13穿过电磁感应加热线圈14，用于输送金属丝和熔化的金属液。更优选的，如图7所示，在升降平台3上设置耐火平台20，模型放置在耐火平台20上，注入金属液时，使模型处于电磁感应加热线圈14中间位置。

作为另外一个优选的实施方式，如图4，金属熔化装置包括金属熔炼炉17。金属液注入装置包括金属液保温炉18，其设金属液出口19。熔化的金属从金属熔炼炉17流入金属液保温炉18，金属液出口19处可设置电磁阀（高温阀芯），控制开闭和金属液流量。

金属熔化装置还可以采用马弗炉加热，马弗炉底部可开启，供将升降平台3送入。

移动定位机构可以直接设置在升降平台3上，使升降平台3不仅能够沿竖直方向的Z轴移动定位，而且能够沿水平方向的X轴和Y轴方向移动定位。

移动定位机构还可以分开设置。例如，通过升降平台3在垂直方向移动定位，通过设置第二水平移动定位机构4使得注浆装置的出液口能够沿水平方向更精确、更自由的移动定位。如图1和3，此时，注浆装置的出液口在滑动座41上，滑动座41设置在第二水平移动定位机构4上，第二水平移动定位机构4包括X轴移动组件、Y轴移动组件及水平驱动组件。

第二水平移动定位机构4可以与第一水平移动定位机构2采用相同结构。下面以一个优选实施例进行详细的说明。X轴移动组件包括前后导向杆401和传动链条。Y轴移动组件包括左右导向杆403、左右固定座402和左右传动带。水平驱动组件包括X轴电机和Y轴电机。

通过皮带和链条传动可带动固定座402横向及纵向移动，左右传动带上分别设有左右固定座402，固定座402与设于机架1上的纵向延伸的左右导向杆403滑动连接，左、右固定座402之间设有前后导向杆401和传动链条，滑动座41与前后导向杆401滑动连接。第二水平移动定位机构4上设有X轴电机和Y轴电机，驱动滑动座41在前后导向杆401和左右导向杆403上沿X轴和Y轴移动。

移动定位机构（包括各电机）、液体量检测器（如距离传感器）和电磁阀分别与控制单元连接。控制单元用于：控制3D打印装置进行3D打印；控制移动定位机构，使相应部件在水平和/或垂直方向移动及定位；接收液体量检测器的信号，当液体量达到预定值时，控制注浆装置或金属液注入装置由开启状态进入关闭状态，以便定量注入耐高温材料料浆或熔化的金属液。

本发明的制造金属制品的方法，易熔材料模型、耐高温材料模型和金属制品模型均在升降平台3上形成，包括如下步骤：

步骤1，3D打印装置使用易熔材料将易熔材料阳模A和易熔材料阴模B打印出来，易熔材料阳模A与所要制造的金属制品的模型相同；易熔材料阴模B为任意形状，其将易熔材料阳模A包围在内，并在易熔材料阳模A和易熔材料阴模B之间留下空腔C，空腔C任一处的厚度均不为0；在易熔材料阴模B上留出开口、在空腔C内设堵块，作为后序注入耐高温材料的开口、注入金属液的开口和易熔材料熔化流出口；

以打印一个金属球为例，如图5所示，易熔材料阳模A与此球相同，易熔材料阴模B采用正方体形状；在易熔材料阴模B顶部留开口D贯通空腔C用于注入耐高温材料；在空腔C顶部设一空心管状堵块E用于之后注入金属液，意即开一与开口D相同的开口，用空心管状堵块E堵上，使堵块E与易熔材料阳模A相交，以便后序隔离耐高温材料料浆形成开口E’；在空腔C底部设一实心堵块F用于后序易熔材料熔化流出；（堵块E和F用易熔材料打印）；

步骤2，移动定位机构调整注浆装置的耐高温材料料浆出口和注入耐高温材料的开口（开口D）相对位置，注浆装置将耐高温材料料浆从开口注入，并恰好填满空腔C；

步骤3，移动定位机构调整模型和成型熔化装置相对位置，通过成型熔化装置加热使耐高温材料料浆干燥成型，易熔材料熔化从易熔材料熔化流出口流出，留下耐高温材料阴模C’；

如图6所示，此时堵块E和堵块F都熔化，留下开口E’和F’，开口E’用于注入金属液，将开口F’用一防漏堵块堵上，防止后序金属液漏出；

步骤4，金属熔化装置将金属熔化，移动定位机构调整金属液出口和注入金属液的开口E’相对位置，金属液注入装置将熔化的金属液从注入金属液的开口注入，并恰好填满耐高温材料阴模C’的内部空腔；

步骤5，将金属液冷却成型后，采用物理或化学方法除去耐高温材料阴模C’，得金属制品的模型。

如果要制造球体等易滚动的金属制品，可以在步骤3将金属制品固定在升降平台3上，或者采用在步骤1易熔材料阳模A下面、易熔材料阴模B中形成一水平空腔，注入耐高温材料并成型后，生成一平底，就不会在平台上滚落。

在本发明中，所述耐高温材料熔点>金属熔点>易熔材料熔点，耐高温材料和易熔材料均可选用现有的材料，例如耐高温材料可以采用石膏等，易熔材料可以采用塑料等。

使用本发明设备制造金属制品的控制方法包括如下步骤：

步骤S1，为要制造的金属制品3D建模，生成模M1；建模M2，将模M1包围在内，在模M1和模M2之间留下空腔，空腔任一处的厚度均不为0；并在模M2上留一开口贯通空腔，在空腔内顶部和底部设两堵块与模M1外表面相切，作为注入耐高温材料的开口、注入金属液的开口和易熔材料熔化流出口；

步骤S2，计算模M1的体积和模M1和模M2之间的空腔容积；

步骤S3，控制3D打印装置使用易熔材料、3D打印步骤S1中的实心体部分；

步骤S4，控制移动定位机构，使耐高温材料料浆的出口与注入耐高温材料的开口对准；

步骤S5，控制注浆装置，使耐高温材料料浆注入空腔中，并随时接收液体量检测器的信号，根据步骤S2计算的容积大小注入相应的量；

步骤S6，控制移动定位机构，使模型位于成型熔化装置对应处；

步骤S7，控制成型熔化装置进行加热，使耐高温材料料浆干燥成型同时易熔材料熔化；

步骤S8，控制金属熔化的装置使金属熔化；

步骤S9，控制移动定位机构，使熔化的金属液出口与注入金属液的开口对准；

步骤S10，控制金属液注入装置，使金属液注入耐高温材料模型内，并随时接收液体量检测器的信号，根据步骤S2计算的体积大小注入相应的量。

Claims (9)

1.一种制造金属制品的方法，该方法采用的制造设备包括：3D打印装置、注浆装置、成型熔化装置、金属熔化装置、金属液注入装置、移动定位机构和液体量检测器；该方法包括如下步骤：

步骤1，3D打印装置使用易熔材料将易熔材料阳模A和易熔材料阴模B打印出来，所述易熔材料阳模A与所要制造的金属制品的模型相同；

所述易熔材料阴模B为任意形状，其将易熔材料阳模A包围在内，并在易熔材料阳模A和易熔材料阴模B之间留下空腔C，空腔C任一处的厚度均不为0；在易熔材料阴模B顶部留一开口D贯通空腔C作为后序注入耐高温材料的开口，在空腔C顶部、开口D旁设一空心管状堵块E作为后序注入金属液的开口，在空腔C底部设一实心堵块F用于后序易熔材料熔化流出；

步骤2，移动定位机构调整注浆装置的耐高温材料料浆出口和注入耐高温材料的开口相对位置，注浆装置将耐高温材料料浆从开口注入，并恰好填满空腔C；

步骤3，移动定位机构调整模型和成型熔化装置相对位置，通过成型熔化装置加热使耐高温材料料浆干燥成型，堵块E和堵块F都熔化，留下开口E’和F’，开口E’用于注入金属液，易熔材料熔化流出，留下耐高温材料阴模C’；将开口F’用一防漏堵块堵上，防止后序金属液漏出；

步骤4，金属熔化装置将金属熔化，移动定位机构调整金属液出口和注入金属液的开口相对位置，金属液注入装置将熔化的金属液从开口注入，并恰好填满耐高温材料阴模C’的内部空腔；

步骤5，将金属液冷却成型后，采用物理或化学方法除去耐高温材料阴模C’，得金属制品的模型；

所述3D打印装置包括升降平台，升降平台能够上下移动定位，易熔材料模型、耐高温材料模型和金属制品模型均在升降平台上形成；

所述液体量检测器用于检测注入的耐高温材料料浆和熔化的金属液的量。

2.一种制造金属制品的设备，该设备用于先将要制造的金属制品模型用易熔材料打印出来，形成易熔材料阳模，与此同时在易熔材料阳模外围打印易熔材料阴模；在易熔材料阳模和易熔材料阴模之间的空腔内注入耐高温材料料浆；使耐高温材料料浆干燥成型同时易熔材料熔化后，形成耐高温材料阴模；在耐高温材料阴模中注入熔化的金属液，金属液冷却后形成金属制品的模型；

该制造设备包括机架（1）和用于打印易熔材料模型的3D打印装置，所述3D打印装置包括升降平台（3），升降平台（3）能够上下移动定位，制造设备还包括：

注浆装置，用于将耐高温材料料浆注入易熔材料阳模和易熔材料阴模之间的空腔；

成型熔化装置，用于使耐高温材料料浆干燥成型同时使易熔材料熔化；

金属熔化装置，用于熔化金属；

金属液注入装置，用于将熔化的金属液注入耐高温材料阴模；

移动定位机构，用于将耐高温材料料浆或熔化的金属液的出口分别与所述易熔材料阴模或耐高温材料阴模的开口定位，以便准确注入相应位置；和

液体量检测器，用于检测注入的耐高温材料料浆和熔化的金属液的量；

易熔材料模型、耐高温材料模型和金属制品模型均在升降平台（3）上形成。

3.根据权利要求2所述的制造金属制品的设备，其特征在于所述移动定位机构设置在升降平台（3）上，使升降平台（3）不仅能够沿竖直方向的Z轴移动定位，而且能够沿水平方向的X轴和Y轴方向移动定位。

4.根据权利要求2所述的制造金属制品的设备，其特征在于：

所述注浆装置包括用于储存耐高温材料料浆的储液罐（6）和导液管，导液管末端设出液口；

所述出液口在滑动座（41）上，滑动座（41）设置在第二水平移动定位机构（4）上，第二水平移动定位机构（4）包括X轴移动组件、Y轴移动组件及水平驱动组件。

5.根据权利要求2所述的制造金属制品的设备，其特征在于所述成型熔化装置产生高温气体，在机架（1）上设置高温气体喷嘴（8）。

6.根据权利要求2~5之一所述的制造金属制品的设备，其特征在于：

所述金属熔化装置包括电磁感应加热线圈（14）；

所述金属液注入装置包括支撑杆（10）、升降座（11）、挤压输送滚轮（12）和传输管（13）；

支撑杆（10）固定在机架（1）上，升降座（11）能够沿支撑杆（10）上下移动，两个挤压输送滚轮（12）设置在升降座（11）上，用于挤压输送金属丝，传输管（13）穿过电磁感应加热线圈（14），用于输送金属丝和熔化的金属液。

7.根据权利要求2~5之一所述的制造金属制品的设备，其特征在于：

所述金属熔化装置包括金属熔炼炉（17）；

所述金属液注入装置包括金属液保温炉（18），其设金属液出口（19）。

8.一种制造金属制品的系统，包括权利要求2~7之一所述的金属制品的制造设备和控制单元，所述移动定位机构和液体量检测器与控制单元连接，控制单元用于：控制3D打印装置进行3D打印；控制移动定位机构，使相应部件在水平和/或垂直方向移动及定位；接收液体量检测器的信号，当液体量达到预定值时，控制注浆装置或金属液注入装置由开启状态进入关闭状态，以便定量注入耐高温材料料浆或熔化的金属液。

9.一种采用权利要求2所述设备来制造金属制品的控制方法，

步骤S1，为要制造的金属制品3D建模，生成模M1；建任意形状的模M2，将模M1包围在内，在模M1和模M2之间留下空腔，空腔任一处的厚度均不为0；并在模M2上留一开口贯通空腔，在空腔内设堵块与模M1外表面相切，作为注入耐高温材料的开口和之后注入金属液的开口；

步骤S2，计算模M1的体积和模M1和模M2之间的空腔容积；

步骤S3，控制3D打印装置使用易熔材料、3D打印步骤S1中的实心体部分；

步骤S4，控制移动定位机构，使耐高温材料料浆的出口与注入耐高温材料的开口对准；

步骤S5，控制注浆装置，使耐高温材料料浆注入空腔中，并随时接收液体量检测器的信号，根据步骤S2计算的容积大小注入相应的量；

步骤S6，控制移动定位机构，使模型位于成型熔化装置对应处；

步骤S7，控制成型熔化装置进行加热，使耐高温材料料浆干燥成型同时易熔材料熔化；

步骤S8，控制金属熔化的装置使金属熔化；

步骤S9，控制移动定位机构，使熔化的金属液出口与注入金属液的开口对准；

步骤S10，控制金属液注入装置，使金属液注入耐高温材料模型内，并随时接收液体量检测器的信号，根据步骤S2计算的体积大小注入相应的量。