CN105082545A - 液粉同轴喷射增材制造 - Google Patents

Abstract

一种增材制造方法，可以成形二元复合材料的3D实体构件。根据物体CAD模型，在计算机控制下，同时分别采用送粉器实时定量输送粉末到喷嘴、采用压射器实时定量压射液体（凝胶）经过与喷嘴同轴的压射头到达喷嘴底部，同轴的液体（凝胶）和粉末在喷嘴底部汇集混合后喷射到工件（基底）表面并固化在工件（基底）表面上，固化的混合物逐层堆积结合成一个3D实体构件。本发明实施后，可以成形各个部位成分与性能、孔隙尺寸与分布按需要变化的二元复合材料的3D实体构件。

Description

液粉同轴喷射增材制造

技术领域

本发明涉及一种成形制造方法，具体地说，是涉及一种新的增材制造方法。

背景技术

增材制造（3D打印）依据物体3D模型，在计算机控制下用塑料或金属等材料先在一个平面上成形物体的一层，然后在其上继续成形后续各层，这些层一层一层地结合起来，通过各层“图形”的累积，最后就形成了一个三维实体。

增材制造并非是新鲜的技术，在20世纪80年代出现。最初工业设计常将此技术用于建造模型，现在正向产品制造的方向发展，形成“直接数字化制造”。在一些高价值应用中(比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件)也已经有增材制造的零部件出现，可以预见，未来增材制造能改变人们的生产和生活方面的诸多事项。

在全球增材制造机行业中，美国占据了四分之三的份额。2012年3月，美国总统奥巴马提议，投资15亿美元建立由15家制造业创新研究所组成的全美制造业创新网络，以带动制造业创新和发展，该计划的第一步于2012年8月已开始实施，在俄亥俄州的杨斯敦建立研发3D打印（增材制造）技术的创新研究所。欧洲增材制造技术紧随其后。德国SLM公司、雷尼绍公司等研制的SLM金属增材制造机在全球处于领先地位。日本正在加速发展增材制造技术，全球申报增材制造专利数量最多的10家企业有7家是日本企业。中国在上世纪90年代初开始增材制造技术研发，并有增材制造机进入市场，目前已经有多家高校和企业研发增材制造技术。

目前，增材制造（3D打印）工艺成形梯度功能制件的能力还不很强，很少能够在制件的任意不同空间部位获得不同的材质和性能。除此之外，目前的增材制造工艺在成形像骨骼一样中空且带有尺寸、数量变化的孔隙的结构实体方面还具有一定难度。所以，这些问题是增材制造工艺进一步推广应用的障碍。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出液粉同轴喷射增材制造新方法。

本发明根据物体CAD模型，在计算机控制下，借鉴同轴送粉和液体（熔体）压射原理，同时分别采用送粉器实时定量输送粉末到喷嘴、采用压射器实时定量压射液体（凝胶）经过与喷嘴同轴的压射头到达喷嘴底部，同轴的液体（凝胶）和粉末在喷嘴底部汇集混合后喷射到工件（基底）表面并固化在工件（基底）表面上，固化的混合物逐层堆积结合成一个实体构件。注射管位于同轴喷嘴中心，同轴的粉末流在喷嘴中呈锥壳形向前流动，汇聚时与从注射管中喷射出来的液体混合，调整粉末流锥角、出口尺寸、注射管口径以及注射管口与粉末流出口相对位置，可以调节液粉混合流横截面的大小和液粉混合状况。在液粉同轴喷射增材制造过程中，实时调节粉末与液体（凝胶）的输送速度与比例，可改变实体各个部位的孔隙尺寸与数量，也可相应改变实体各个部位的材质与性能。液体（凝胶）与粉末的混合物的固化方式取决于液体（凝胶）的性质，主要有两种，一种方式是使加热熔融的液体（凝胶）冷却而使混合物固化，另外一种方式是加热混合物使其中的液体（凝胶）的溶剂挥发而使混合物固化。

附图说明

图1液粉同轴喷射增材制造系统。图1中1为可调速送粉器，2为液粉同轴喷射工作头，3为液体（凝胶）供送器，4为送粉管，5为液体（凝胶）供送管，6为粉末流，7为液体（凝胶）流，8为工件，9为基板，10为工作台，11为计算机控制系统。

图2为液粉同轴喷射工作头。图2中12为液体（凝胶）压射驱动机构，13为液体（凝胶）进料口，14为压射体，15为进粉口，16为压射头，17为喷嘴；图2中6为粉末流，7为液体（凝胶）流，8为工件，与图1中的6、7、8相同。

具体实施方式

计算机控制系统11根据工件CAD模型及结构、材质、性能参数，生成3D打印程序，分别发出指令给可调速送粉器1、液粉同轴喷射工作头2上的液体（凝胶）压射驱动机构12，可调速送粉器1以一定速度经过液粉同轴喷射工作头2上的进粉口15向喷嘴17供料，液体（凝胶）压射驱动机构12驱动压射体14压射液体（凝胶）至压射头16，液体（凝胶）供送器3可适时依次通过液体（凝胶）供送管5、液体（凝胶）进料口13向压射体14补料，粉末和液体（凝胶）分别从压射头16和喷嘴17喷射出去后，形成粉末流6，液体（凝胶）流7，并进行混合。同时，计算机控制系统11向运动机构发出指令，使液粉同轴喷射工作头2与工作台10产生相对运动，首先x,y轴运动形成一层，然后z轴产生一个位移，开始形成新的一层，如此重复形成各层，最后得到一个实体构件。

Claims (4)

1.一种新的增材制造方法，其特征是：根据物体CAD模型，在计算机控制下，同时分别采用送粉器实时定量输送粉末到喷嘴、采用压射器实时定量压射液体（凝胶）经过与喷嘴同轴的压射头到达喷嘴底部，同轴的液体（凝胶）和粉末在喷嘴底部汇集混合后喷射到工件（基底）表面并固化在工件（基底）表面上，固化的混合物逐层堆积结合成一个实体构件。

2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征还有：注射管位于同轴喷嘴中心，同轴的粉末流在喷嘴中呈锥壳形向前流动，汇聚时与从注射管中喷射出来的液体混合，调整粉末流锥角、出口尺寸、注射管口径以及注射管口与粉末流出口相对位置，可以调节液粉混合流横截面的大小和液粉混合状况。

3.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征还有：在液粉同轴喷射增材制造过程中，实时调节粉末与液体（凝胶）的输送速度与比例，可改变实体各个部位的孔隙尺寸与数量，也可相应改变实体各个部位的材质与性能。

4.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征还有：液体（凝胶）与粉末的混合物的固化方式取决于液体（凝胶）的性质，主要有两种，一种方式是使加热熔融的液体（凝胶）冷却而使混合物固化，另外一种方式是加热混合物使其中的液体（凝胶）的溶剂挥发而使混合物固化。