CN104399979B - 一种以雾化金属为耗材的金属3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用雾化金属作为打印材料的金属3D打印机，包括：3D打印单元、金属雾化控制单元、控制单元、冷却系统、湿气洗涤器、成品工件自动导出单元；3D打印单元包括工作台、伺服电机、转动结构、雾化金属喷头、喷头与雾化室相连的输液管、加热器和冷却器；金属雾化控制单元包括熔炼炉、雾化炉、热电偶传感器、熔炼炉与雾化室相连的输液管、熔体阀门；成品工件自动导出单元包括自动电门和工件成品箱，用于自动导出成品工件。本发明不需要金属超微粉末，可选用金属种类多，并且保证打印的金属器件的外形精确度，并进行简单改进即可实现多元金属材料任意分布同时打印，另外使用工件自动导出结构，实现无人控制打印机能连续打印多模型的功能。

Description

一种以雾化金属为耗材的金属3D打印机

技术领域

本发明涉及一种以雾化金属为耗材的金属3D打印机，属于3D打印设备。

背景技术

3D打印（3DPrinting）最早由美国麻省理工学院的JimBred和TimAnderson提出，他们基于一台普通的喷墨打印机设计出一台可粘接粉末的设备，该设备也成为最早的3D打印机。2009年3月在美国华盛顿举行的叠层制造发展研讨会（RoadmapforAdditiveManufacturing(RAM)Workshop）上，正式确定使用层叠制造（AdditiveManufacturing,缩略词为AM）一词来称呼3D打印技术，并就未来10年快速成型技术的发展做出了规划。目前主要的层叠制造技术包括选择性激光烧结技术（Selectivelasersintering,缩略词为SLS）,立体光刻成型技术（Stereolithography,SLA）,熔融沉积成型技术（FusedDepositionModeling,FDM）等。其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。

3D打印是一个迅速扩大的新兴市场，但金属的3D打印存在明显的壁垒，阻碍其快速增长。目前的3D金属打印主要是利用激光快速成型技术，该技术需要用高功率的激光照射试件表面，融化金属粉末，形成液态的熔池，然后移动激光束，熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固。这种技术存在很多缺陷，首先，金属耗材问题，目前主要使用金属粉末，不但种类少，而且3D打印对金属粉末的粒径有很高的要求，材料主要是依赖进口，价格昂贵。其次，融化金属粉末，涉及到了金属的固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程。高温引起的热变形会导致3D打印金属部件的几何形貌偏离预期的设计。需要考虑的问题还包括，生成的晶体组织是否良好、整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小等等。再者，激光头价格昂贵，而且只能打印单一金属粉末，不能实现多元金属任意分布同时打印。

目前使金属雾化的技术已经较为成熟，而且使用的金属种类多，特别是中国专利95195231.5提出了一种喷镀雾化金属成型方法可使得喷镀金属固化和冷却时产生的体积收缩与其中发生的反应或相变引起的体积膨胀相抵消，故如果使用雾化金属作为3D金属打印机的耗材，则可解决金属打印的耗材问题及金属部件几何形貌问题，如果采用多喷头则可实现多元金属材料任意分布同时打印。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对3D金属打印的技术缺陷，提供一种采用雾化金属作为耗材的低成本、高精度的3D金属打印机。

本发明的技术方案在于：

一种以雾化金属为耗材的金属3D打印机，其特征在于：包括：3D打印单元、金属雾化控制单元、控制单元、冷却系统、湿气洗涤器、成品工件自动导出单元；

所述3D打印单元包括工作台、伺服电机、转动结构、雾化金属喷射头、喷射头与雾化室相连的输液管、加热器和冷却器，其中伺服电机与转动结构相连，转动结构与工作台相连，伺服电机与转动结构共同控制工作台，使工作台升降、移动、转动，雾化金属喷头与传导雾化金属的输液管相连，在输液管上有加热器和冷却器，用于对金属熔体加热或冷却，以控制金属熔体的供液或停止供液，伺服电机、转动机构、加热器和冷却器均与控制单元相连；

所述金属雾化控制单元包括熔炼炉、雾化炉、热电偶传感器、压力传感器、熔炼炉与雾化室相连的输液管、熔体阀门，其中热电偶传感器设置在熔炼炉内，用于实时监测熔体温度变化，熔炼炉与雾化炉用输液管相连，在输液管上安装熔体阀门，控制金属熔体是否进入雾化炉进行雾化，雾化金属通过3D打印单元所提到的输液管与3D打印单元中的雾化金属喷头相连，熔体阀门、热电偶传感器和压力传感器均与控制单元相连；

所述冷却系统位于3D打印单元的一侧，用于对打印模型进行及时冷却，与湿式气体洗涤器相连，将机体内的湿式气体导入湿式气体洗涤器内，冷却系统与控制单元相连；

所述成品工件自动导出单元包括自动电门和工件成品箱，其中自动电门与控制单元相连，工件成品箱用于存放被导出的打印成品；

所述控制单元包括显示模块、处理模块、A/D模块、数据接口模块和驱动机构；其中显示模块用于人机交互，显示3D打印的状态信息；A/D模块用于实现热电偶传感器的模拟信号到处理模块的数字信号的转换；数据接口用于与计算机进行通信，导入计算机的3D模型到处理器；驱动机构为打印机中受控于控制中心的机构；显示模块、A/D模块、数据接口模块和驱动机构均与处理模块相连。

其中，所述雾化金属喷射头包括喷嘴本体，主体喷射口处为锥形，喷嘴主体设有介质通孔，介质通孔的喷射口形状为圆形。

所述雾化金属为Sn、Pb、Bi、Sb、Ag、Cu、In、Zn、Al、Si、Ga、Ge、B、C、P、Ni、Ti、Cr、Mn、稀土元素的一种或其合金。

所述雾化金属喷头和熔炼炉为一个或多个，实现多元金属同时打印；所述传感器为位移传感器、红外线传感器或可感应移动物体移出机体的传感器。

本发明的优点在于：

本发明采用雾化金属作为金属3D打印机的材料，不需要金属超微粉末，而且可选用金属种类多，并且保证打印的金属器件的外形精确度，并进行简单改进即可实现多元金属材料任意分布同时打印。另外使用工件自动导出结构，实现无人控制打印机能连续打印多模型的功能。

附图说明

图1为本发明一种使用雾化金属的3D打印机结构示意图；

图2为本发明控制单元模块图；

图3为本发明控制系统结构框图；

图4为本发明打印过程实现原理；

图5为本发明自动导出工件结构；

图6为现有雾化器喷嘴（平嘴）的主视图；

图7为本发明的喷嘴主视图。

图中：1-打印单元；2-金属雾化控制单元；3-工作台；4-X向伺服电机；5-Y向伺服电机；6-Z向伺服电机；7-转动结构；8-雾化金属喷头；9-加热器；10-冷却器；11-熔炼炉；12-雾化炉；13-连接熔炼炉和雾化炉的输液管；14-连接雾化炉和雾化金属喷头的输液管；15-热电偶传感器；16-熔体阀门；17-冷却系统；18-湿式气体洗涤器；19-自动电门；20-工件成品箱；21-控制单元。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，结合附图作详细说明如下。

参照图1，本发明一种以雾化金属为耗材的金属3D打印机，包括：3D打印单元、金属雾化控制单元、控制单元、冷却系统、湿气洗涤器、成品工件自动导出单元。

所述打印单元1包括工作台3、控制工作台3运动的伺服电机、转动结构7、雾化金属喷射头8、加热器9和冷却器10；其中伺服电机包括X向伺服电机4，Y向伺服电机5，Z向伺服电机6，分别控制工作台3的X、Y、Z方向的运动；X向伺服电机4上安装转动结构7，转动结构7上安装工作台3，控制工作台3的转动，实现按所需方式接受雾化金属，控制打印层结构。本领域技术人员可知打印层结构对整个层叠物的性质影响很大，这种结构给操作人员在决定打印层结构上提供了更多的余地；雾化金属喷头8固定在打印单元1的顶部，通过输液管14与雾化炉12相连，由雾化炉12提供打印所需雾化金属，在输液管14上安装有加热器9和冷却器10，供液时通过加热器将输液管14加热到高于金属熔点30~200℃，停止供液时，通过冷却器冷却输液管到低于金属熔点20~150℃，将雾化金属凝固在输液管中，起到封闭作用；伺服电机、转动结构7、加热器9和冷却器10都与控制单元相连。

参照图6所示为雾化金属喷头8的主视图，为了能更精确的进行3D金属打印，本发明对目前常用的雾化金属喷头，参照图5进行了改进，将主体喷射口处为改为锥形，使得从喷射口喷出的液体介质分布变窄，提高了喷射液体的准直度。

所述金属雾化控制单元2包括熔炼炉11、雾化炉12、热电偶传感器15、压力传感器16、连接熔炼炉和雾化炉的输液管13、熔体阀门16；连接雾化炉和雾化金属喷头的输液管14；其中热电偶传感器15和压力传感器16都安装在熔炼炉11中，以便实时采集熔炼炉金属熔体的温度和熔炉的压力传送到控制单元，将其与预设值进行比对，控制熔炼炉的温度和压力；熔体阀门16安装在输液管14上，在打印开始时阀门16开启，金属熔体进入雾化炉12为3D打印提供基材，打印结束时阀门16关闭，停止供应金属熔体；热电偶传感器15、压力传感器16和熔体阀门16均与控制单元相连。

所述冷却系统17位于3D打印单元的一侧，与湿式气体洗涤器18相连，雾化炉通常以氮气或空气冲击液态金属流，但并不限于这两种气体，该领域技术人员可试情况而定，相应的湿式气体洗涤器要视所用气体而定，该领域技术人员可用现有技术和设备完成以上所述两部分的机械结构安装。

参照图4，工件自动导出单元包括自动电门19和工件成品箱20组成；其中自动电门19其转动轴在底部，与控制单元相连，自动电门底部的安装高度与打印平台最低高度相同，工件成品箱安装在打印机底层，打印开始时手动拉出。

在一种优选的方案中可设置控制单元21作为设备的控制中心，整个设备在控制单元21的控制下，实现对熔炼炉11的温度、自动打印、冷却系统及自动导出成品工件的控制。

参照图2，控制单元包括显示模块、处理模块、A/D模块、数据接口模块和驱动机构；其中显示模块具备人机交互功能，可以是触摸屏，也可以是普通显示屏加上输入设备，显示模块接收操作人员指令，传递给处理模块，处理模块做相应处理并将结果及3D打印的状态反馈到显示模块显示给操作人员，A/D模块用于转换电热偶传感器15的模拟信号为处理模块可处理的数字信号，数据接口模块与外部设备连接，例如计算机，接收3D模型数据，传给处理模块，处理模块将模型数据进行逐层切片，发出命令给驱动结构，完成3D打印。

使用雾化金属的3D打印机使用方法，包括以下步骤：

1）设计人员通过3D建模软件建立要打印工件的3D模型，输入计算机，计算机与使用雾化金属的3D打印机相连；

2）拉出工件成品箱，向热熔炉中放入要用的金属基材，启动打印机，接收3D模型数据，设定热熔炉11的温度值，热熔炉11开始加热并溶解金属基材，热熔炉内的热电偶传感器15实时采集熔炼炉金属熔体的温度传送到控制单元；

3）处理模块按层分解3D立体图，对其进行从下到上逐层切片，保存每层的切片数据；

4）当电热偶传感器才集到的熔体温度与预设值相同时，控制单元向驱动机构发送控制信号，伺服电机运动到指定位置，转动机构转动指定角度，到开启熔体阀门，使熔体进入雾化炉进行雾化，开启加热器，对连接雾化炉与喷嘴的输液管进行加热，保证输液管畅通，开启冷却系统；

5）控制单元将模型从底层到顶层切片数据转化为控制命令，控制伺服电机和转动机构的运动，喷头持续喷出雾化金属，逐层打印，直到整个3D立体图打印完毕，打印过程中冷却系统对打印模型进行及时冷却，并将导出湿式气体到湿式气体洗涤器；

6）3D立体图打印完毕，控制单元发出命令，关闭熔体阀，关闭加热器，打开冷却器，伺服电机停止运动，转动机构停止转动，冷却系统继续工作，知道3D打印成品冷却。

7）控制单元发出命令，停止冷却系统工作，启动成品工件自动导出单元，即伺服电机载着转动机构和工作台，运动到自动电门处，与电门保持一定距离，工作台高于自动电门底部（以上提到的距离和高度要根据打印机的自动电门形成的滑道的角度而定），自动电门向外打开，直到其顶部与工件成品箱相接触，转动机构以保证在转动过程中工件不滑落的速度转向自动电门，最终工作台和自动电门形成畅通通道，在重力作用下，成品工件滑入在打印开始就拉出的工件成品箱；

8）成品导出后，控制单元关闭自动电门，伺服电机载着转动机构和工作台回到未打印时的初始位置；

9）进行下一次打印成型。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种以雾化金属为耗材的金属3D打印机，其特征在于：包括：3D打印单元、金属雾化控制单元、控制单元、冷却系统、湿气洗涤器、成品工件自动导出单元；

所述3D打印单元包括工作台、伺服电机、转动结构、雾化金属喷射头、喷射头与雾化室相连的输液管、加热器和冷却器，其中伺服电机与转动结构相连，转动结构与工作台相连，伺服电机与转动结构共同控制工作台，使工作台升降、移动、转动，雾化金属喷头与传导雾化金属的输液管相连，在输液管上有加热器和冷却器，用于对金属熔体加热或冷却，以控制金属熔体的供液或停止供液，伺服电机、转动机构、加热器和冷却器均与控制单元相连；

所述金属雾化控制单元包括熔炼炉、雾化炉、热电偶传感器、压力传感器、熔炼炉与雾化室相连的输液管、熔体阀门，其中热电偶传感器设置在熔炼炉内，用于实时监测熔体温度变化，熔炼炉与雾化炉用输液管相连，在输液管上安装熔体阀门，控制金属熔体是否进入雾化炉进行雾化，雾化金属通过3D打印单元所提到的输液管与3D打印单元中的雾化金属喷头相连，熔体阀门、热电偶传感器和压力传感器均与控制单元相连；

所述冷却系统位于3D打印单元的一侧，用于对打印模型进行及时冷却，与湿式气体洗涤器相连，将机体内的湿式气体导入湿式气体洗涤器内，冷却系统与控制单元相连；

所述成品工件自动导出单元包括自动电门和工件成品箱，其中自动电门与控制单元相连，工件成品箱用于存放被导出的打印成品；

所述控制单元包括显示模块、处理模块、A/D模块、数据接口模块和驱动机构；其中显示模块用于人机交互，显示3D打印的状态信息；A/D模块用于实现热电偶传感器的模拟信号到处理模块的数字信号的转换；数据接口用于与计算机进行通信，导入计算机的3D模型到处理器；驱动机构为打印机中受控于控制中心的机构；显示模块、A/D模块、数据接口模块和驱动机构均与处理模块相连。

2.根据权利要求1所述的一种以雾化金属为耗材的金属3D打印机，其特征在于：所述雾化金属喷射头包括喷嘴本体，主体喷射口处为锥形，喷嘴主体设有介质通孔，介质通孔的喷射口形状为圆形。

3.根据权利要求1所述的一种以雾化金属为耗材的金属3D打印机，其特征在于：所述雾化金属为Sn、Pb、Bi、Sb、Ag、Cu、In、Zn、Al、Si、Ga、Ge、B、C、P、Ni、Ti、Cr、Mn、稀土元素的一种或其合金。

4.根据权利要求1所述的一种以雾化金属为耗材的金属3D打印机，其特征在于：所述雾化金属喷头和熔炼炉为一个或多个，实现多元金属同时打印；传感器为位移传感器、红外线传感器或可感应移动物体移出机体的传感器。