CN105312573B - 一种利用液态金属直接进行3d打印制造的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用液态金属直接进行3D打印制造的方法和装置，属于金属材料加工及制造技术领域。该装置包括熔融金属供应系统和液态金属打印运动及控制系统，熔融金属供应系统包括高温液态金属容器、液态金属导管、液态金属喷嘴等；液态金属通过陶瓷导管由高温液态金属容器引出至液态金属喷嘴，液态金属喷嘴固定，被打印构件置于液态金属打印运动及控制系统的可沿X、Y、Z三轴运动的平台上，逐层打印成型。液态金属打印头和一个流态石膏打印头相配合，对于金属材料需要空间横向延展的打印，利用打印石膏作为支撑。该装置能够提高复杂金属构件的加工效率，优化产品设计，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料加工及制造技术领域，特别是指一种利用液态金属直接进行3D打印制造的方法和装置。
背景技术
复杂构件近终型成型是提高生产效率，降低成本的重要途径，尤其是对于产品加工难度大、设计生产周期要求紧迫的领域、如汽车、航空、模具、工程机械等领域，新的生产工艺正在不断发展。随着智能控制技术的不断发展，其在制造领域的应用越来越普及，作用也越来越重要。智能制造使得产品加工制造过程更快捷、质量更稳定以及升级换代更方便。3D打印制造技术是智能制造发展的代表性新技术之一，其主要方法是通过材料堆积的方式将产品的数字模型或部件直接加工成型，3D打印技术已在医学、航空、建筑等领域取得了应用。但目前3D打印的原料中，金属材料主要为粉末，并通过激光烧结技术将其成型，因此具有效率慢、致密性不足及力学性能低等缺点，对于大批量或大尺寸构件的应用需求难以满足。随着3D打印技术的不断发展、相关冶金及控制技术的进步，利用液态金属进行直接打印加工将成为金属材料加工、生产的一种重要方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用液态金属直接进行3D打印制造的方法和装置。
该装置包括熔融金属供应系统和液态金属打印运动及控制系统，熔融金属供应系统包括高温液态金属容器、液态金属导管、中间液态金属包、加热线圈、温度测量热电偶、液态金属流量调节阀、液态金属集流器、气体冷却器、液态金属喷嘴和液态冷却器，液态金属打印运动及控制系统包括水平横向移动平台、水平纵向移动平台和竖向移动装置；液态金属导管安装于高温液态金属容器下方，中间液态金属包通过液态金属导管与高温液态金属容器相连，中间液态金属包下方为液态金属流量调节阀，液态金属流量调节阀通过液态金属导管与中间液态金属包连接，液态金属流量调节阀下方为液态金属喷嘴，液态金属喷嘴外侧为液态金属集流器，液态金属喷嘴下方设置气体冷却器和液态冷却器，液态金属导管和中间液态金属包外侧设置加热线圈，打印运动及控制系统位于熔融金属供应系统下方。
其中，打印运动及控制系统最上层为水平横向移动平台或水平纵向移动平台，中间层为水平纵向移动平台或水平横向移动平台，下方为竖向移动装置，能够实现3向3自由度控制运动；液态金属导管为陶瓷导管；液态金属流量调节阀为电磁节流阀。
利用该装置进行工作时，熔融金属供应系统不动，将熔融金属置于可进行温度控制的高温液态金属容器中，液态金属通过液态金属导管由高温液态金属容器引出至中间液态金属包，液态金属导管及中间液态金属包内的液态金属温度由加热线圈(感应加热或电阻加热)和温度测量热电偶组成的温度测量控制系统调节。经温度调节后的液态金属由液态金属导管传至液态金属流量调节阀，液态金属流量调节阀自动控制液态金属流速，适当的液态金属流至液态金属喷嘴。
打印制造时，液态金属喷嘴固定，打印构件置于液态金属打印运动及控制系统的运动平台上。运动平台可进行电脑程序控制的X、Y、Z三个自由度运动。构件逐层打印，每层打印宽度及高度由被打印构件的厚度及液态金属喷嘴的选型控制。打印过程中液态金属在液态金属喷嘴前的形态由液态金属喷嘴形状及液态金属集流器控制，液态金属集流器可分为电磁液态金属集流器与气体金属集流器控制，其作用是使液态金属喷嘴流出的液态金属聚集而不发生飞溅，电磁液态金属集流器的工作原理是利用电磁场使具有磁性的液态金属聚集成束，气体金属集流器是利用集流器中的惰性气体在液态金属打印喷嘴四周进行喷射加载使液态金属聚集成束。液态金属及成型后金属采用气体冷却器中的氮气及液态冷却器中的水进行冷却，避免金属的氧化及反复过热，以保证材质的性能。
熔融金属供应系统还与一台流态石膏打印头相配合，且流态石膏打印头与熔融金属供应系统共用同一液态金属打印运动及控制系统，对于金属材料需要空间大角度(大于45度)横向延展的打印，先进行石膏支撑体的打印，再在支撑体上进行液态金属的打印。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
该装置将液态金属直接加工成符合结构尺寸及性能的金属构件，能够提高复杂金属构件的加工效率，优化产品设计，降低生产成本。由于不需要在真空箱环境下进行加工，因此被加工工件尺寸相对较大，可以达到数米范围。与粉体烧结3D打印相比较，工艺成本较低，生产过程更安全环保。
附图说明
图1为本发明的利用液态金属直接进行3D打印制造的装置结构示意图。
其中：1-高温液态金属容器；2-液态金属导管；3-中间液态金属包；4-加热线圈；5-温度测量热电偶；6-液态金属流量调节阀；7-液态金属集流器；8-气体冷却器；9-液态金属喷嘴；10-液态冷却器；11-水平横向移动平台；12-水平纵向移动平台；13-竖向移动装置。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的3D打印装置不能够对液体进行有效打印的问题，提供一种利用液态金属直接进行3D打印制造的方法和装置。
如图1所示，为该装置的结构示意图。液态金属导管2安装于高温液态金属容器1下方，中间液态金属包3通过液态金属导管2与高温液态金属容器1相连，中间液态金属包3下方为液态金属流量调节阀6，液态金属流量调节阀6通过液态金属导管2与中间液态金属包3连接，液态金属流量调节阀6下方为液态金属喷嘴9，液态金属喷嘴9外侧为液态金属集流器7，液态金属喷嘴9下方设置气体冷却器8和液态冷却器10，液态金属导管2和中间液态金属包3外侧设置加热线圈4，打印运动及控制系统位于熔融金属供应系统下方。且打印运动及控制系统最上层为水平横向移动平台11或水平纵向移动平台12，中间层为水平纵向移动平台12或水平横向移动平台11，下方为竖向移动装置13，能够实现3向3自由度控制运动。
在实际工作中，液态金属3D打印装置安装调试完毕后，开启液态金属导管2及中间液态金属包3的加热线圈4，使液态金属导管2及中间液态金属包3达到设定温度。向高温液态金属容器1充入符合成分要求的液态金属，并进行表面惰性气体保护。调节液态金属流量调节阀6，使液态金属导管2及中间液态金属包3中充满液态金属。在打印运动平台上安装便于构件与平台分离的涂层，调整打印运动系统至适当高度，开启液态金属流量调节阀6，使液态金属流至液态金属喷嘴9，同时调整液态金属集流器7及气体冷却器8和羊液态冷却器10流量，适应液态金属流量的需要。打印运动平台按设定轨迹运动，打印出所需尺寸构件。
实施例1
对碳钢及合金钢液态金属，选择高温液态金属容器1、液态金属导管2及中间液态金属包3中的控制温度为1520-1540℃，控制金属流量为1ml/s，气体冷却器8流量为100ml/s，液态冷却器10流量为50ml/s。水平横向移动平台11移动速率为200mm/s，竖向移动装置13每次垂直移动距离为2mm。可实现厚度为2.5mm板材的打印制造。
实施例2
对铝合金液态金属，选择液态金属容器1、液态金属导管2及中间液态金属包3中的控制温度为690-720℃，控制金属流量为10ml/s，气体冷却器8流量为200ml/s，液体冷却器10流量为50ml/s。水平横向移动平台11移动速率为100mm/s，竖向移动装置13每次垂直移动距离为5mm。可实现厚度为20mm铝合金型材的打印制造。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种利用液态金属直接进行3D打印制造的装置，其特征在于：包括熔融金属供应系统和液态金属打印运动及控制系统，熔融金属供应系统包括高温液态金属容器(1)、液态金属导管(2)、中间液态金属包(3)、加热线圈(4)、温度测量热电偶(5)、液态金属流量调节阀(6)、液态金属集流器(7)、气体冷却器(8)、液态金属喷嘴(9)和液态冷却器(10)，液态金属打印运动及控制系统包括水平横向移动平台(11)、水平纵向移动平台(12)和竖向移动装置(13)；液态金属导管(2)安装于高温液态金属容器(1)下方，中间液态金属包(3)通过液态金属导管(2)与高温液态金属容器(1)相连，中间液态金属包(3)下方为液态金属流量调节阀(6)，液态金属流量调节阀(6)通过液态金属导管(2)与中间液态金属包(3)连接，液态金属流量调节阀(6)下方为液态金属喷嘴(9)，液态金属喷嘴(9)外侧为液态金属集流器(7)，液态金属喷嘴(9)下方设置气体冷却器(8)和液态冷却器(10)，液态金属导管(2)和中间液态金属包(3)外侧设置加热线圈(4)，打印运动及控制系统位于熔融金属供应系统下方。
2.根据权利要求1所述的一种利用液态金属直接进行3D打印制造的装置，其特征在于：所述打印运动及控制系统最上层为水平横向移动平台(11)或水平纵向移动平台(12)，中间层为水平纵向移动平台(12)或水平横向移动平台(11)，下方为竖向移动装置(13)，实现3向3自由度控制运动。
3.根据权利要求1所述的一种利用液态金属直接进行3D打印制造的装置，其特征在于：所述液态金属导管(2)为陶瓷导管。
4.根据权利要求1所述的一种利用液态金属直接进行3D打印制造的装置，其特征在于：所述液态金属流量调节阀(6)为电磁节流阀。
5.根据权利要求1所述的一种利用液态金属直接进行3D打印制造的装置，其特征在于：所述熔融金属供应系统与一台流态石膏打印头相配合，流态石膏打印头与熔融金属供应系统共用同一液态金属打印运动及控制系统。
6.根据权利要求1所述的一种利用液态金属直接进行3D打印制造的装置进行3D打印的方法，其特征在于：熔融金属供应系统不动，将熔融金属置于高温液态金属容器(1)中，液态金属通过液态金属导管(2)由高温液态金属容器(1)引出至中间液态金属包(3)，液态金属导管(2)及中间液态金属包(3)内的液态金属温度由加热线圈(4)和温度测量热电偶(5)调节；经温度调节后的液态金属由液态金属导管(2)传至液态金属流量调节阀(6)，液态金属经液态金属流量调节阀(6)自动流至液态金属喷嘴(9)；
打印制造时，液态金属喷嘴(9)固定，打印构件置于液态金属打印运动及控制系统上，由电脑程序控制构件逐层打印，打印过程中液态金属在液态金属喷嘴(9)前的形态由液态金属喷嘴(9)的形状及液态金属集流器(7)控制，液态金属及成型后金属采用气体冷却器(8)中的氮气及液态冷却器(10)中的水进行冷却。
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