CN104841935B - 一种混合料浆3d打印装置及其打印成形方法 - Google Patents

Abstract

一种混合料浆3D打印装置，所述混合浆料3D打印装置包括：控制系统、物料供给系统、混合系统以及三轴运动系统，所述控制系统分别与所述物料供给系统、混合系统和三轴运动系统连接并控制其动作，所述物料供给系统、混合系统、三轴运动系统顺次连接，本发明装置适于将金属粉末、陶瓷粉末以及复合材料粉末，以液态有机物为载体，通过3D打印成形为复杂形状。这将大大拓展应用3D成形的材料领域。并且由于没有激光器等高成本的装置，因此本发明装置成本低，适于大范围推广使用。

Description

一种混合料浆3D打印装置及其打印成形方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种混合料浆3D打印装置以及使用所述3D打印装置的打印成形方法。

背景技术

3D打印技术的出现，为制造形状复杂的零件提供一种有效的方法。与传统制造技术相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造过程中去除大量的材料，也不必通过复杂的工艺就可以得到形状复杂的最终产品，因此，在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等，也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反应工程。因此，3D打印产业受到了国内外越来越广泛的关注，将成为下一个具有广阔发展前景的朝阳产业。

在3D打印中，选区激光烧结（SLS）或电子束选区熔化（EBM）能将金属粉末直接打印烧结成最终零件，对于金属钛和不锈钢已经获得成功应用。但对于陶瓷以及复合材料这些应用广泛的材料体系，SLS或EBM无法实现。熔丝堆积法（FDM）法是一种最为便捷的工艺，能将塑料丝直接打印成产品。随着FDM技术进展，其3D打印成形精度和表面光洁度等指标也都达到了较高的水平。现有的FDM只是成形塑料等有机制品。

在现有技术中，3D打印的材料体系很有限。塑料等有机物种类的3D打印已经较为成熟，其3D打印机的成本较低，打印的产品在模型制造、模具制造等方面有广泛应用。金属类的3D打印需要用到高功率激光器，设备投资大，并且所用的材料体系仅是有限的几种金属合金，像钛合金、不锈钢，成形过程中将材料熔化或烧结。对于陶瓷，由于其本身耐热冲击性的局限，不能使用激光器直接加热烧结。对于复合材料，也不适用于激光烧结。这些材料体系还没有适用的3D打印成形装置。

在普通的办公用的喷墨打印机中，可以将墨水直接打印出来。墨水即为一种混合溶液，其中包括溶剂以及墨粉和其它添加剂。将各种粉末与粘结剂混合成料浆，借助3D打印机成形，经后续加热处理得到最终零件，将使3D打印材料体系明显扩宽。但这种情况下，目前还没有适合的3D打印机。

发明内容

为克服现有的3D打印装备的不足，本发明提供一种将各种粉末与粘结剂混合成料浆，并使用该混合浆料进行3D打印机成形的混合料浆3D打印装置以及使用所述3D打印装置制备零件的方法，大大拓展了应用3D成形的材料领域。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种混合料浆3D打印装置，所述3D打印装置使用液态有机物为载体，将现有3D打印中难以处理的金属粉末、陶瓷粉末或复合材料粉末与液态载体混合成料浆打印固化得到坯体，所述3D打印装置包括：控制系统、物料供给系统、混合系统以及三轴运动系统，所述控制系统分别与所述物料供给系统、混合系统和三轴运动系统连接并控制其动作，所述物料供给系统、混合系统、三轴运动系统顺次连接。

进一步的，所述控制系统包括：显示屏、主机和输出/输入接口，所述显示屏与所述主机连接，所述主机上设有多个输出/输入接口，所述多个输出/输入接口分别连接所述物料供给系统、混合系统和三轴运动系统。

进一步的，所述物料供给系统包括料浆供给组件和固化剂供给组件，所述料浆供给组件包括：第一电机、第一压力计、料浆罐、料浆搅拌器、料浆输送泵、第二电机、料浆输送管、第一压缩空气入口、料浆罐密封盖、料浆罐出口、料浆旁路阀和料浆旁路管，所述料浆罐密封盖设置于所述料浆罐顶部，所述料浆罐密封盖上设有所述第一电机、第一压力计和第一压缩空气入口，所述第一电机一端与所述输出/输入接口连接，另一端与所述料浆搅拌器连接，所述料浆搅拌器置于所述料浆罐内部，所述料浆罐底部设有所述料浆罐出口，所述料浆罐出口通过第一管路与所述料浆输送泵一端连接，所述料浆输送泵另一端与所述料浆输送管一端连接，所述料浆输送管一端与所述混合系统连接，所述料浆输送泵与所述第二电机一端连接，所述第二电机另一端与所述输出/输入接口连接，所述料浆旁路管连接所述第一管路与所述料浆输送管，所述料浆旁路管上设有料浆旁路阀。

进一步的，所述固化剂供给组件包括：第二压力计、固化剂罐、固化剂罐出口、固化剂旁路阀、固化剂旁路管、固化剂输送管、第二压缩空气入口、固化剂罐密封盖、固化剂输送泵、第三电机，所述固化剂罐密封盖设置于所述固化剂罐顶端，所述固化剂罐密封盖上设置有所述第二压力计和所述第二压缩空气入口，所述固化剂罐底部设有所述固化剂罐出口，所述固化剂罐出口通过第二管路与所述固化剂输送泵一端连接，所述固化剂输送泵另一端与所述固化剂输送管一端连接，所述固化剂输送管另一端与所述混合系统连接，所述固化剂输送泵与所述第三电机一端连接，所述第三电机另一端与所述输出/输入接口连接，所述固化剂旁路管连接所述第二管路与所述固化剂输送管，所述固化剂旁路管上设有所述固化剂旁路阀。

进一步的，所述混合系统包括：第四电机、混合罐、螺旋搅拌器、混合料输送管、固化剂入口、料浆入口，所述螺旋搅拌器置于所述混合罐内部，所述螺旋搅拌器与所述第四电机一端连接，所述第四电机另一端与所述输出/输入接口连接，所述固化剂入口与所述固化剂输送管连接，所述料浆入口与所述料浆输送管连接，所述固化剂入口和所述料浆入口分别接入混合罐，所述料浆和固化剂分别通过料浆入口和固化剂入口输入混合罐，所述混合罐底部与混合料输送管一端连接，所述混合料输送管另一端与所述三轴运动系统连接。

进一步的，所述三轴运动系统包括：混合料导管、框架、打印头、零件平台、Z轴运动机构、Y轴运动机构和X轴运动机构和底座，所述框架、零件平台设置于所述底座上，所述零件平台连接所述X轴运动机构，所述Z轴运动机构设置于所述框架上，所述Y轴运动机构设置于所述Z轴运动机构上，所述打印头设置于所述Y轴运动机构上，所述打印头与所述混合料导管连接，所述混合料导管与所述混合料输送管连接。

一种混合料浆3D打印成形方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将粉末原料与树脂液混合均匀装入所述的3D打印装置的料浆罐中，启动料浆搅拌器，借助压缩空气压力或通过料浆输送泵将料浆定量输送到混合罐；

（2）将固化剂装入所述的3D打印装置的固化剂罐中，借助压缩空气压力或通过固化剂输送泵将固化剂定量输送到混合罐；

（3）启动螺旋搅拌器303，将料浆和固化剂混合均匀并输送到打印头；

（4）根据零件图纸由所述的3D打印装置的控制系统控制三轴运动系统打印成形得到零件坯体；

（5）将零件坯体加热脱除树脂，并继续加热烧结得到最终零件。

与现有3D打印装置相比，本发明装置适于将金属粉末、陶瓷粉末以及复合材料粉末，以液态有机物为载体，通过3D打印成形为复杂形状。这将大大拓展应用3D成形的材料领域。并且由于没有激光器等高成本的装置，因此本发明装置成本低，适于大范围推广使用。同时，本发明方法适于金属、陶瓷或者是金属与陶瓷的复合材料。例如，不锈钢、钛合金、铝合金等金属材料，氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等陶瓷材料，以及TiC－Ni/Mo、SiC－Al等金属陶瓷复合材料，可以采用本发明方法方便地制造这些形状复杂的、难加工的材料。

附图说明

图1是本发明3D打印装置的示意图；

图2是本发明3D打印装置的控制系统的示意图；

图3是本发明3D打印装置的料浆供给组件的示意图；

图4是本发明3D打印装置的固化剂供给组件的示意图；

图5是本发明3D打印装置的混合系统的示意图；

图6是本发明3D打印装置的三轴运动系统的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。

如图1所示，一种混合料浆3D打印装置，所述3D打印装置使用液态有机物为载体，将现有3D打印中难以处理的金属粉末、陶瓷粉末或复合材料粉末与液态载体混合成料浆打印固化得到坯体，再经过烧结脱除有机物成分并最终烧结成所需的材料，大大拓展了应用3D成形的材料领域，所述液态有机物包括树脂液，例如环氧树脂，也可使用其他类似有机液。所述金属粉末可以是现有SLS技术难以处理的钨、钼等难熔金属，也适应于SLS技术能够实现的钛合金、不锈钢、高温合金等金属材料；所述陶瓷粉末可以是氧化锆、氧化铝等氧化物陶瓷，碳化硅之类的碳化物陶瓷、氮化硅之类的氮化物陶瓷以及硼化钛之类的硼化物陶瓷；所述复合材料可以是金属基复合材料、陶瓷基复合材料和高分子基复合材料，例如碳化钨-钴硬质合金、碳化钛-镍/钼金属陶瓷、碳化钛钢结合金、氧化锆-氧化铝复相陶瓷、石英-环氧树脂复合材料。所述混合浆料3D打印装置包括：控制系统1、物料供给系统2、混合系统3以及三轴运动系统4，所述控制系统1分别与所述物料供给系统2、混合系统3和三轴运动系统4连接并控制其动作，所述物料供给系统2、混合系统3、三轴运动系统4顺次连接。

如图2所示，所述控制系统1包括：显示屏101、主机102和输出/输入接口103，所述显示屏101与所述主机102连接，所述显示屏101用于显示各种信息以及控制程序，所述主机102上设有多个输出/输入接口103，所述主机102通过控制程序控制其它各个部分的动作，所述多个输出/输入接口103分别连接所述物料供给系统2、混合系统3和三轴运动系统4。

如图1、图3所示，所述物料供给系统2包括料浆供给组件21和固化剂供给组件22，所述料浆供给组件21包括：第一电机201、第一压力计202、料浆罐203、料浆搅拌器204、料浆输送泵205、第二电机206、料浆输送管207、第一压缩空气入口208、料浆罐密封盖209、料浆罐出口210、料浆旁路阀211和料浆旁路管212。所述料浆罐密封盖209设置于所述料浆罐203顶部，所述料浆罐密封盖209上设有所述第一电机201、第一压力计202和第一压缩空气入口208，所述第一电机201一端与所述输出/输入接口103连接，另一端与所述料浆搅拌器204连接，所述料浆搅拌器204置于所述料浆罐203内部，所述料浆罐203底部设有所述料浆罐出口210，所述料浆罐出口210通过第一管路与所述料浆输送泵205一端连接，所述料浆输送泵205另一端与所述料浆输送管207一端连接，所述料浆输送管207另一端与所述混合系统3连接，所述料浆输送泵205与所述第二电机206一端连接，所述第二电机206另一端与所述输出/输入接口103连接，所述料浆旁路管212连接所述第一管路与所述料浆输送管207，所述料浆旁路管212上设有料浆旁路阀211。

所述料浆罐203用于储存粉末与液体树脂的混合料浆，混合料浆可以在其它装置中混合均匀，在开始3D打印成形之前倒入其中。所述料浆罐密封盖209料浆搅拌器204用于搅拌储存在料浆罐203中的料浆，防止其沉降分离，从而使输送的料浆成分均匀。所述料浆输送泵205用于将料浆由料浆罐出口210经过料浆输送管207输送到混合系统3。料浆输送泵205由第二电机206驱动，所述第二电机206可以是交流或直流伺服电机或者步进电机。控制系统1通过输入输出接口103与第一、第二电机201、206连接，控制其旋转速度达到精确控制料浆输送速率和输送数量。所述料浆输送泵205可以是齿轮泵、柱塞泵、旋片泵、蠕动泵中的一种，这些种类的输送泵能够精确控制输送流量，并且输送压力较大，满足粘稠料浆的输送。所述料浆输送泵205装在料浆罐出口210下面，能保证料浆注入输送泵205入口，所述第一压缩空气入口208和第一压力计202的作用是，当料浆自身流动性不好时，可以通过第一压缩空气入口208向料浆罐203通入压缩空气，借助压缩空气的压力推动料浆进入料浆输送泵205，料浆旁路阀211和料浆旁路管212根据料浆的粘稠度以及所需要成形的粉末材料种类、粉末颗粒大小以及形状等因素，通过控制系统1控制料浆旁路阀211打开，停止料浆输送泵205运转，将料浆直接由料浆旁路管212输送到料浆输送管207。通过控制压缩空气压力并由第一压力计202监测压力，达到控制料浆输送流量。

如图4所示，所述固化剂供给组件22包括：第二压力计221、固化剂罐222、固化剂罐出口223、固化剂旁路阀224、固化剂旁路管225、固化剂输送管226、第二压缩空气入口227、固化剂罐密封盖228、固化剂输送泵229、第三电机230。所述固化剂罐密封盖228设置于所述固化剂罐222顶端，所述固化剂罐密封盖228上设置有所述第二压力计221和所述第二压缩空气入口227，所述固化剂罐222底部设有所述固化剂罐出口223，所述固化剂罐出口223通过第二管路与所述固化剂输送泵229一端连接，所述固化剂输送泵229另一端与所述固化剂输送管226一端连接，所述固化剂输送管226另一端与所述混合系统连接，所述固化剂输送泵229与所述第三电机230一端连接，所述第三电机另一端与所述输出/输入接口103连接，所述固化剂旁路管225连接所述第二管路与所述固化剂输送管226，所述固化剂旁路管225上设有所述固化剂旁路阀224。

所述固化剂罐222用于储存固化剂，用固化剂罐密封盖228密封后防止固化剂挥发和外界灰尘落入。固化剂输送泵229用于将固化剂由固化剂罐出口223经过料浆输送管226输送到混合系统3。固化剂输送泵229由第三电机230驱动，第三电机230可以是交流或直流伺服电机或者步进电机。控制系统1通过输入输出接口103与第三电机230连接，控制其旋转速度达到精确控制固化剂输送速率和输送数量。所述固化剂输送泵229可以是齿轮泵、柱塞泵、旋片泵、蠕动泵中的一种。这些种类的输送泵能够精确控制输送流量。固化剂输送泵229装在固化剂罐出口223下面，能保证固化剂注入固化剂输送泵229入口。通过控制系统1控制固化剂旁路阀224打开，停止固化剂输送泵225运转，将固化剂直接由固化剂旁路管224输送到固化剂输送管226。通过控制压缩空气压力并由压力计221监测压力，达到控制固化剂输送流量。

如图5所示，所述混合系统3包括：第四电机301、混合罐302、螺旋搅拌器303、混合料输送管304、固化剂入口305、料浆入口306，所述螺旋搅拌器303置于所述混合罐302内部，所述螺旋搅拌器303与所述第四电机301一端连接，所述第四电机301另一端与所述输出/输入接口103连接，所述固化剂入口305与所述固化剂输送管226连接，所述料浆入口306与所述料浆输送管207连接，所述固化剂入口305和所述料浆入口306分别接入混合罐302，所述料浆和固化剂分别通过料浆入口306和固化剂入口305输入混合罐302，所述混合罐302底部与混合料输送管304一端连接，所述混合料输送管304另一端与所述三轴运动系统4连接，螺旋搅拌器303在第四电机301的驱动下将二者搅拌混合均匀，通过混合料输送管304输送到三轴运动系统4。

如图6所示，所述三轴运动系统4包括：混合料导管401、框架402、打印头403、零件平台404、Z轴运动机构406、Y轴运动机构407和X轴运动机构408和底座409。所述框架402、零件平台404设置于所述底座409上，所述零件平台404连接所述X轴运动机构408，所述Z轴运动机构406设置于所述框架402上，所述Y轴运动机构407设置于所述Z轴运动机构406上，所述打印头403设置于所述Y轴运动机构407上，所述打印头403与所述混合料导管401连接，所述混合料导管401与所述混合料输送管304连接，所述X轴运动机构408驱动零件平台404前后运动，Y轴运动机构407驱动打印头左右运动，Z轴运动机构驱动打印头上下运动。打印成形的零件坯体405在零件平台404上打印成形。框架402和底座409用于支撑X轴运动机构408、Y轴运动机构407、Z轴运动机构406以及打印头403。料浆和固化剂混合后的混合料由混合料导管401输送到打印头403。控制系统1控制X轴运动机构408、Y轴运动机构407、Z轴运动机构406驱动零件平台404和打印头403完成三维运动并实现零件打印成形。

一种混合料浆3D打印成形方法，使用如上所述的混合料浆3D打印装置，所述方法包括如下步骤：

（1）将粉末原料与树脂液混合均匀装入所述的3D打印装置的料浆罐203中，启动料浆搅拌器204，借助压缩空气压力或通过料浆输送泵205将料浆定量输送到混合罐302；

（2）将固化剂装入所述的3D打印装置的固化剂罐222中，借助压缩空气压力或通过固化剂输送泵229将固化剂定量输送到混合罐302；

（3）启动螺旋搅拌器303，将料浆和固化剂混合均匀并输送到打印头403；

（4）根据零件图纸由所述的3D打印装置的控制系统1控制三轴运动系统4打印成形得到零件坯体405；

（5）将零件坯体405加热脱除树脂，并继续加热烧结得到最终零件。

与现有3D打印装置相比，本发明装置适于将金属粉末、陶瓷粉末以及复合材料粉末，以液态有机物为载体，通过3D打印成形为复杂形状。这将大大拓展应用3D成形的材料领域。并且由于没有激光器等高成本的装置，因此本发明装置成本低，适于大范围推广使用。同时，本发明方法适于金属、陶瓷或者是金属与陶瓷的复合材料。例如，钨、钼、不锈钢、钛合金、铝合金等金属材料，氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等陶瓷材料，以及TiC－Ni/Mo、SiC－Al等金属陶瓷复合材料，可以采用本发明方法方便地制造这些形状复杂的、难加工的材料。

Claims (5)

1.一种混合料浆3D打印装置，其特征在于，所述3D打印装置使用液态有机物为载体，将现有3D打印中难以处理的金属粉末、陶瓷粉末或复合材料粉末与液态载体混合成料浆打印固化得到坯体，所述3D打印装置包括：控制系统、物料供给系统、混合系统以及三轴运动系统，所述控制系统分别与所述物料供给系统、混合系统和三轴运动系统连接并控制其动作，所述物料供给系统、混合系统、三轴运动系统顺次连接；

所述控制系统包括：显示屏、主机和输出/输入接口，所述显示屏与所述主机连接，所述主机上设有多个输出/输入接口，所述多个输出/输入接口分别连接所述物料供给系统、混合系统和三轴运动系统；

所述物料供给系统包括料浆供给组件和固化剂供给组件，所述料浆供给组件包括：第一电机、第一压力计、料浆罐、料浆搅拌器、料浆输送泵、第二电机、料浆输送管、第一压缩空气入口、料浆罐密封盖、料浆罐出口、料浆旁路阀和料浆旁路管，所述料浆罐密封盖设置于所述料浆罐顶部，所述料浆罐密封盖上设有所述第一电机、第一压力计和第一压缩空气入口，所述第一电机一端与所述输出/输入接口连接，另一端与所述料浆搅拌器连接，所述料浆搅拌器置于所述料浆罐内部，所述料浆罐底部设有所述料浆罐出口，所述料浆罐出口通过第一管路与所述料浆输送泵一端连接，所述料浆输送泵另一端与所述料浆输送管一端连接，所述料浆输送管一端与所述混合系统连接，所述料浆输送泵与所述第二电机一端连接，所述第二电机另一端与所述输出/输入接口连接，所述料浆旁路管连接所述第一管路与所述料浆输送管，所述料浆旁路管上设有料浆旁路阀。

2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述固化剂供给组件包括：第二压力计、固化剂罐、固化剂罐出口、固化剂旁路阀、固化剂旁路管、固化剂输送管、第二压缩空气入口、固化剂罐密封盖、固化剂输送泵、第三电机，所述固化剂罐密封盖设置于所述固化剂罐顶端，所述固化剂罐密封盖上设置有所述第二压力计和所述第二压缩空气入口，所述固化剂罐底部设有所述固化剂罐出口，所述固化剂罐出口通过第二管路与所述固化剂输送泵一端连接，所述固化剂输送泵另一端与所述固化剂输送管一端连接，所述固化剂输送管另一端与所述混合系统连接，所述固化剂输送泵与所述第三电机一端连接，所述第三电机另一端与所述输出/输入接口连接，所述固化剂旁路管连接所述第二管路与所述固化剂输送管，所述固化剂旁路管上设有所述固化剂旁路阀。

3.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，所述混合系统包括：第四电机、混合罐、螺旋搅拌器、混合料输送管、固化剂入口、料浆入口，所述螺旋搅拌器置于所述混合罐内部，所述螺旋搅拌器与所述第四电机一端连接，所述第四电机另一端与所述输出/输入接口连接，所述固化剂入口与所述固化剂输送管连接，所述料浆入口与所述料浆输送管连接，所述固化剂入口和所述料浆入口分别接入混合罐，所述料浆和固化剂分别通过料浆入口和固化剂入口输入混合罐，所述混合罐底部与混合料输送管一端连接，所述混合料输送管另一端与所述三轴运动系统连接。

4.根据权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于，所述三轴运动系统包括：混合料导管、框架、打印头、零件平台、Z轴运动机构、Y轴运动机构和X轴运动机构和底座，所述框架、零件平台设置于所述底座上，所述零件平台连接所述X轴运动机构，所述Z轴运动机构设置于所述框架上，所述Y轴运动机构设置于所述Z轴运动机构上，所述打印头设置于所述Y轴运动机构上，所述打印头与所述混合料导管连接，所述混合料导管与所述混合料输送管连接。

5.利用权利要求1-4中任一所述的混合料浆3D打印装置的3D打印成形方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将粉末原料与树脂液混合均匀装入所述的3D打印装置的料浆罐中，启动料浆搅拌器，借助压缩空气压力或通过料浆输送泵将料浆定量输送到混合罐；

(2)将固化剂装入所述的3D打印装置的固化剂罐中，借助压缩空气压力或通过固化剂输送泵将固化剂定量输送到混合罐；

(3)启动螺旋搅拌器，将料浆和固化剂混合均匀并输送到打印头；

(4)根据零件图纸由所述的3D打印装置的控制系统控制三轴运动系统打印成形得到零件坯体；

(5)将零件坯体加热脱除树脂，并继续加热烧结得到最终零件。