CN104985813B - 一种基于冷喷涂的3d打印方法及系统 - Google Patents

一种基于冷喷涂的3d打印方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种基于冷喷涂的3D打印方法及系统。使经过低温预热的高压气体携带所需打印的粉末颗粒材料，经过缩放型拉瓦尔喷管之后，产生超音速气固双向流，高速粒子流在固态情况下从喷管喷出，撞击基体的同时发生塑性变形冷焊粘结在基体上；与此过程配合的是在打印平台所在的真空密封室内，该打印平台可由计算机控制，根据需要进行高度方向的伸缩、围绕三个转轴的旋转；根据实际所需打印的三维模型的特点，计算机自动计算与分析沿着哪一个截面设置打印截面效果更好，此时可自由旋转升降的打印平台调整自身高度与所需角度，与打印喷头形成有利于最佳打印截面的相对工作位置，并且实时调整自身位置，实现快速高效的打印过程。

Description

一种基于冷喷涂的3D打印方法及系统
技术领域
本发明涉及3D实物成型领域。
背景技术
3D打印是一种新兴的成型技术，主要是以3D模型为基础，将其处理成二维截面组合(即切片)，再采用粉末状金属或塑料等可粘合材料。通过逐层沉积材料、并使层与层之间相互粘结的方式，最终构造出所需的三维实体。目前3D打印材料的累积主要采用的方式有激光固化、激光烧结、熔丝制造和熔融沉积成型等。
打印原理及其所需的结构等因素，现有技术存在一些问题。
首先，3D打印属于增材制造的范畴，尤其在金属材料成型方面，存在制造效率不高的问题。
第二，目前的3D打印技术存在打印材料单一的问题，对要求多种打印材料甚至复合材料的打印件有一定的应用局限；专利号为201410007083.7的中国发明专利“用于三维打印系统的粉末混合装置和三维打印系统”需要多个粉末供给装置，以及粉末接收箱、储存箱、驱动件等，略显繁琐。
第三，传统的3D打印方式不可避免地存在残余应力以及孔隙率的问题，造成打印件的强度差强人意，加之3D打印的分层制造原理存在“台阶效应”，若各打印层之间的结合力达不到一定程度，也必定会影响打印件整体性能，专利号为201410289871.X的中国发明专利“一种提高3D打印金属件性能的处理方法”需要对打印件进行回火、深冷、二次回火等处理才能使金属件内部组织发生收缩，空隙减小，使产品致密度提高。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，公开一种基于冷喷涂的3D打印方法及系统，将冷喷涂技术与3D打印结合，可提高3D打印效率，减少打印件的残余应力、孔隙率，提高各打印层之间结合力。
本发明给出的技术方案为：
一种3D打印方法，基于冷喷涂技术，所使用的材料累积方式是利用冷喷涂的原理，使经过低温预热的高压气体携带所需打印的粉末颗粒材料，经过缩放型拉瓦尔喷管之后，产生超音速气固双向流，高速粒子流在固态情况下从喷管喷出，撞击基体的同时发生塑性变形冷焊粘结在基体上。与此过程配合的是在打印平台所在的真空密封室内，该打印平台可由计算机控制，根据需要进行高度方向的伸缩、围绕三个转轴的旋转。根据实际所需打印的三维模型的特点，计算机自动计算与分析沿着哪一个截面设置打印截面效果更好，此时可自由旋转升降的打印平台调整自身高度与所需角度，与打印喷头形成有利于最佳打印截面的相对工作位置，并且实时调整自身位置，实现快速高效的打印过程。
实现上述3D方法的3D打印系统，其结构为：
包括压缩气源1，用于提供高压气体，通常为He、N2或者它们的混合气体；
包括加热器2，打印过程是先利用加热器2对高压气体进行预热；
包括送粉器3，供应不同种类的打印粉末，由预热过的高压气体携带送粉器供应出一种或多种打印粉末；
包括缩放型拉瓦尔喷管5、可多角度旋转的打印工作平台8，缩放型拉瓦尔喷管5接收从送粉器供应出的打印粉末，粉末经过缩放型拉瓦尔喷管5并产生的超音速气流携带粉末形成高速粒子流，在完全固态的情况下由缩放型拉瓦尔喷管5的喷嘴撞向可多角度旋转的打印工作平台8；
包括密封室6，所述密封室6内设置有粉末回收装置7、多角度旋转工作平台8和可升降平台9，多角度旋转工作平台8的高度由可升降平台9控制；缩放型拉瓦尔喷管5的后端也置于密封室6内，其喷嘴与多角度旋转工作平台8的距离保持在10～15mm的范围之内；
所述多角度旋转工作平台8的结构为：
包括与升降平台固定的基座85；
包括可在竖直方向转动的第一转轴83，由控制器(未图示)控制第一马达进行驱动，第一转轴83与基座85垂直，且基座85支撑着第一转轴83；
包括具有第二轴线87的第二轴82，由控制器(未图示)控制第二马达进行驱动，第二轴线87与基座85平行；
包括具有第三轴线86的第三轴81，由控制器(未图示)控制第三马达进行驱动；
包括打印平台84，打印平台84连接于第三轴81上，且打印平台84垂直于第三轴线86；
3D打印的过程中，第一轴、第二轴、第三轴的旋转控制着打印平台的运动。
包括第一计算机4‐1，所述缩放型拉瓦尔喷管5是由第一计算机4‐1控制；
包括第二计算机4‐2，所述可旋转打印工作平台8是由第二计算机4‐2控制，通过第二计算机4‐2对实际的三维模型进行分析，自动计算与判断最优的打印截面，此时调整打印平台的相应高度以及角度，并且实时适应动态变化的最佳打印截面。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果：
本发明基于冷喷涂的3D打印方法由于送粉速度较快，加之与喷嘴配合的可自由升降旋转的打印平台，可在选取最佳打印截面的相对工作位置的同时，提升制造效率。
本发明采用基于冷喷涂的材料累积原理，可实现金属、合金、塑料和复合材料等的应用，当两种及以上的粉末进行同时喷涂时，只需要将粉末的速度同时超过各粉末的临界速度即可。
本发明基于冷喷涂原理的3D打印方法由于冷喷涂过程引发的残余应力小、打印层具有较高的结合力、打印层具有高致密性等特征，能克服现有技术的缺点。
附图说明
图1为本发明系统的组成示意图。
图2为可自由旋转工作平台的示意图。
具体实施方式
本发明技术方案中涉及的拉瓦尔喷管装置属于现有技术。喷管的前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉。窄喉之后又由小变大向外扩张至箭底。箭体中的气体受高压流入喷嘴的前半部，穿过窄喉后由后半部逸出。这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速。所以，人们把这种喇叭形喷管叫跨音速喷管。由于它是瑞典人拉瓦尔发明的，因此也称为"拉瓦尔喷管"。
本3D打印系统主要包括9个部分，如图1所示为系统的组成示意图，如图2所示为可自由旋转工作平台的示意图。
图1中:
1表示压缩气体，通常为He、N2或者它们的混合气体；
2表示加热器，打印过程是先利用加热器2对高压气体进行预热；
3表示的是送粉器，此处送粉器可以供应不同种类的打印粉末，由预热过的高压气体携带送粉器供应的一种或多种打印粉末，经过图1中5所示的缩放型拉瓦尔喷管，产生的超音速气流携带粉末形成高速粒子流，在完全固态的情况下由喷嘴撞向图1中8所示的可多角度旋转的打印工作平台。此时，粒子将发生塑形变形并冷焊于基体上，后续的高动能粒子将重复这一过程，逐层打印。
4‐1所示的计算机对喷嘴进行控制。
4‐2所示的计算机对可旋转打印工作平台进行控制，通过对实际的三维模型进行分析，自动计算与判断最优的打印截面，此时调整打印工作台的相应高度以及角度，并且实时适应动态变化的最佳打印截面。
6所示的是密封室，其中包括7粉末回收装置、8多角度旋转工作平台和9可升降平台。5所示喷嘴与8所示的多角度旋转工作平台的距离保持在10～15mm的范围之内，其中多角度旋转工作平台8的示意图如图2所示。
图2中：
84表示打印平台，
85表示与升降平台固定的基座，
83代表可在竖直方向转动的第一转轴，由未图示的控制器控制第一马达进行驱动，
82代表具有第二轴线87的轴，由未图示的控制器控制第二马达进行驱动，
81代表具有第三轴线86的轴，由未图示的控制器控制第三马达进行驱动，
所述的第一、第二、第三马达为本领域内任何已知的适当马达。
所述第一转轴83、第二轴线87、第三轴线86分别处于不同的三维面上。
如前所述，3D打印的过程中，可旋转打印工作平台的第一、第二、第三轴线的旋转以及升降平台的配合可以使打印平台与喷嘴形成最佳打印截面需要的工作位置，从而实现快速高效的3D打印。

Claims (1)

1.一种基于冷喷涂的3D打印系统，其特征在于，
包括压缩气源(1)，用于提供高压气体，通常为He、N2或者它们的混合气体；
包括加热器(2)，打印过程是先利用加热器(2)对高压气体进行预热；
包括送粉器(3)，供应不同种类的打印粉末，由预热过的高压气体携带送粉器供应出一种或多种打印粉末；
包括缩放型拉瓦尔喷管(5)、多角度旋转工作平台(8)，缩放型拉瓦尔喷管(5)接收从送粉器供应出的打印粉末，粉末经过缩放型拉瓦尔喷管(5)并产生的超音速气流携带粉末形成高速粒子流，在完全固态的情况下由缩放型拉瓦尔喷管(5)的喷嘴撞向多角度旋转工作平台(8)；
包括密封室(6)，所述密封室(6)内设置有粉末回收装置(7)、多角度旋转工作平台(8)和可升降平台(9)，多角度旋转工作平台(8)的高度由可升降平台(9)控制；缩放型拉瓦尔喷管(5)的后端也置于密封室(6)内，其喷嘴与多角度旋转工作平台(8)的距离保持在10～15mm的范围之内；
所述多角度旋转工作平台(8)的结构为：
包括与升降平台固定的基座(85)；
包括可在竖直方向转动的第一转轴(83)，第一转轴(83)与基座(85)垂直，且基座(85)支撑着第一转轴(83)；
包括具有第二轴线(87)的第二轴(82)，第二轴线(87)与基座(85)平行；
包括具有第三轴线(86)的第三轴(81)；
包括打印平台(84)，所述打印平台(84)连接于第三轴(81)上，且打印平台(84)与所述第三轴线(86)相垂直；
3D打印的过程中，第一轴、第二轴、第三轴的旋转控制着打印平台(84)的运动；
包括第一计算机(4‐1)，所述缩放型拉瓦尔喷管(5)是由第一计算机(4‐1)控制；
包括第二计算机(4‐2)，所述多角度旋转工作平台(8)是由第二计算机(4‐2)控制，通过第二计算机(4‐2)对实际的三维模型进行分析，自动计算与判断最优的打印截面，此时调整打印平台的相应高度以及角度，并且实时适应动态变化的最佳打印截面。
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