CN105364073B - 基于磁场调控的3d金属打印系统及其打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁场调控的3D金属打印系统，主要解决现有3D打印机精度低，速度慢和成本高的问题。其包括：原材料送出加热装置(1)、打印定位装置(2)、模型放置装置(3)和控制驱动电路(4)，原材料送出加热装置将金属丝(5)升温带电变成带电金属微滴(6)再穿过打印定位装置的偏转磁场；打印定位装置实时调节偏转磁场强度，改变带电金属微滴的运动轨迹，使其准确堆积在模型放置装置的平台上；模型放置装置承接和放置待打印的模型；控制驱动电路给各个电器装置提供控制信号和驱动电力，使其协同工作。本发明利用洛伦兹力偏转带电金属微滴原理，对比传统激光或者电子束打印技术形成熔池，提高了打印精度和速度，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于电子设备技术领域，特别涉及一种3D金属打印系统及其打印方法，可用于模型制造、钛合金零件加工或者定制性产品制造领域。
技术背景
3D打印是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被英国《经济学人》杂志称为“具有工业革命意义的制造技术”，它通过增加材料的方法生成任何形状的物体，可以有效地缩短产品研发周期、提高产品质量并减少生产成本。
针对3D金属打印领域而言，现在主流的3D金属打印技术主要有五种：选择性激光烧结SLS、选择性激光熔化技术SLM、直接金属烧结技术DMLS、电子束熔炼EBM和电子束直接制造EBMD。其中前三种的技术原理和加工方法基本相同，都是将快速原型制造技术和激光熔覆表面强化技术相结合，利用高能束在金属基本体上形成熔池，将通过送粉装置输送到熔池的金属粉末熔化，快速凝固于基本体形成模型；后两种利用电子束进行加热。
但是，这些3D金属打印技术都不能直接形成符合要求的零件，因为这五种熔炼技术都要在金属粉末表面形成熔池，熔池会粘连不需要的粉末降低精度，目前3D金属打印产生的零件精度都在0.1mm到5mm之间，无法再提高；打印速度最快的电子束直接制造EBMD的速度只有20kg/h，要实现规模化生产这个速度是远远不够的；这些技术利用的热源是激光和电子束，而这两种热源都比较昂贵，提高了系统价格。
总而言之，上述3D金属打印技术主要问题有：第一：激光器和电子束热源昂贵；第二：制造精度不能达到直接使用的标准；第三：打印速度慢，无法适应大规模生产应用；第四，只能利用微米级的超微金属粉末作为打印原材料，成本高。
除了通用的激光和电子束3D金属打印机之外，还有两种利用到磁场的3D金属打印机专利申请。
第一种：“基于磁流变材料的3D打印快速成型装置及方法”，专利申请号是：201310120868.0。此专利申请根据磁流变原理，首先利用机械装置将原材料挤出到模型对应的位置上，然后利用磁场使常温液态原材料直接固化成固体。该专利申请的缺点是不能对钛合金和铁合金等常温是固体的金属材料进行打印，因而极大限制了该技术的应用。
第二种：“一种金属零件在磁场作用下3D打印成形方法装置”，专利申请号是：201410420932.1。该专利申请利用高能束熔化金属粉末形成熔池，然后利用磁场吸引金属的原理，调节磁场的大小和方向，使液态金属得到搅拌，达到使打印成形的金属模型更加致密的效果。该专利申请虽然使用了磁场，但是磁场的作用是达到搅拌熔池内金属液体的目的，只是对于传统3D金属打印机的部分改进，具有传统3D打印机的缺点：利用了高能束和金属粉末，成本高；仍然会形成熔池，降低精度；打印速度慢。
发明内容
本发明的目的在于针对现有3D金属打印技术存在的问题，提出一种基于磁场调控的3D金属打印系统及其打印方法，以提高打印精度，降低成本，加快打印速度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明利用洛伦兹力，通过磁场控制熔融带电金属微滴的飞行轨迹，使得原材料到达指定的位置完成打印，其技术方案如下：
1.一种基于磁场调控的3D金属打印系统，包括
原材料送出加热装置，用于将原材料送入打印机并使之升温变成熔融液态金属，输送给打印定位装置；
打印定位装置,用于将熔融液态金属液滴堆叠到模型放置装置的对应位置上；
模型放置装置,用于承接和放置待打印的模型；
控制驱动电路，用于给各个装置提供控制信号，使其协同工作；
其特征在于：
原材料送出加热装置，由步进电机、定滑轮、陶瓷导引管、高频加温线圈、钨质挤出头和感应加速极板组成；金属丝经过定滑轮和步进电机的摩擦送入陶瓷导引管，通过吸收高频线圈的热量变成熔融金属液体，通过感应加速极板电场的感应作用使其带上电荷，再通过电场的吸引力使金属液体飞离挤出头形成带电金属微滴，该金属微滴穿过打印定位装置的磁场，滴到模型放置装置上；
打印定位装置，由偏转磁场线圈和偏转磁场铁芯组成，偏转磁场铁芯用来增强偏转磁场的强度；通过控制偏转磁场线圈的电流强度，改变带电金属微滴射在模型放置装置上的位置；
模型放置装置,由平台和挡板组成，平台通过校准导线连接到送丝定滑轮的金属轴上；挡板用于在带电金属微滴射到平台之前为控制驱动电路提供校准触发信号；
控制驱动电路，用于给该系统中的各个电器装置提供控制信号和驱动电力，使其协同工作。
2.一种基于磁场调控的3D金属打印系统的打印方法，包括如下步骤：
1)设计待打印模型，送入打印系统：
在计算机上利用3D软件设计出所需打印的模型结构，并生成描述模型结构参数文件，下载到系统控制芯片中；
系统控制芯片根据模型文件描述的结构参数进行计算，得出模型所需的带电微滴数量以及每个带电微滴对应的偏转距离；
2)将金属丝熔化成金属液体：
启动3D打印机的电源，将金属丝的一端放入步进电机轮和定滑轮形成的夹缝中，通过旋转步进电机，使金属丝被送入陶瓷导引管中；
再给高频线圈通入高频电流使其产生热量以对金属丝进行加温，使金属丝变成熔融金属液体；
继续旋转步进电机使熔融金属液体从挤出头中挤出；
3)给金属液体带上电荷，使其变为带电金属微滴：
给感应加速极板加载上感应电压，使之产生电场，利用电场的感应作用使挤出的熔融金属液体带上电荷；
继续增大感应加速极板电压到达加速电压，使带电的金属液体所受到的吸引力增加并飞离挤出头，形成带电金属微滴；
保持感应加速极板的电压为加速电压，使带电金属微滴穿过感应加速极板上的孔，射入偏转磁场；
降低感应加速极板的电压到感应电压，等待下一个金属微滴落下，再次执行上述感应和加速步骤，循环此过程，可以使所需的带电金属微滴依次落下；
4)调节偏转磁场的电流强度，进行打印：
系统控制芯片结合偏转磁场电流与偏转距离的比例系数，以及每个带电微滴对应的偏转距离，不断改变偏转磁场的电流强度，使依次落下的带电金属微滴在平台上堆叠到达各自对应的三维坐标上，形成所需的模型，完成打印。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明通过使用带电金属微滴作为打印的单元，只熔化需要打印的原材料，相对于激光和电子束3D打印技术形成熔池而言，精度高；
2.本发明通过使用带电金属微滴作为打印的单元，可以使用金属丝作为打印原材料，不必使用微米级别的金属粉末作为原材料，成本低。
3.本发明通过使用带电金属微滴作为打印的单元，可获得带电金属微滴质量大小可调的特性，在打印模型内部实体时，可使用质量大的带电金属微滴以加快打印速度；在打印模型 外表面时，使用质量小的带电金属微滴以提高打印精度；相对于激光和电子束3D打印技术使用固定质量的金属粉末，本发明可以兼有打印速度快和打印精度高的优点。
4.本发明通过使用洛伦兹力作为改变带电金属微滴运动轨迹的控制力，相对于激光和电子束3D打印技术而言，本发明使用高频磁场作为热源，降低了成本。
附图说明
图1是本发明3D金属打印系统的组成示意图；
图2是本发明系统中的控制驱动电路框图；
图3本发明利用图1打印系统进行3D金属打印的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细描述：
参照图1，本发明的3D金属打印系统，包括：原材料送出加热装置1、打印定位装置2、模型放置装置3、控制驱动电路4、金属丝5、带电金属微滴6、校准导线7和模拟电流放大电路8。其中
原材料送出加热装置1，由步进电机101、定滑轮102、陶瓷导引管103、高频加温线圈104、钨质挤出头105和感应加速极板106组成，该定滑轮102通过金属轴固定在支架上，步进电机101轮与定滑轮102相互靠近形成狭缝，陶瓷导引管103放置在该狭缝下方；导引管103外部缠绕有高频加温线圈104，导引管103下方通过螺纹与钨质挤出头105连接；感应加速极板106由上极板和下极板两块金属极板组成，上极板穿过导引管103放置在高频加温线圈104下方，下极板固定在挤出头105下方，下极板上预留有孔，该孔在挤出头105的正下方。
打印定位装置2，包括偏转磁场线圈201和偏转磁场铁芯202，该偏转磁场线圈201由四个线圈组成，每两个线圈为一组，这两组线圈垂直放置，且靠近挤出头105的一组放置方向为X轴方向，另一组放置方向为Y轴方向；这四个线圈螺旋环绕在四个对应的偏转磁场铁芯202上；同一组的两个铁芯之间留有间隙，间隙中有线圈通电后产生的磁场。
模型放置装置3,由平台301和挡板302组成。该平台301位于打印定位装置2的下方，挡板302放置在平台301上方的一侧，平台301通过校准导线7连接到定滑轮102的金属轴上。
控制驱动电路4，给该系统中的各个电器装置提供控制信号和驱动电力，使其协同工作。其结构如图2所示，它包括由X轴方向偏转磁场驱动电路401、Y轴方向偏转磁场驱动电路402、高频加温线圈驱动电路403、感应加速极板驱动电路404、光电耦合芯片405、数据下载芯片406、系统控制芯片407和模拟/数字采样芯片408。各个芯片用于完成不同功能，其中：
系统控制芯片407，根据待打印模型的结构，给各个驱动芯片提供的控制信号；
X轴方向偏转磁场驱动电路401，用于根据系统控制芯片407的控制信号，为X方向偏转线圈提供驱动电力；
Y轴方向偏转磁场驱动电路402，用于根据系统控制芯片407的控制信号，为Y方向偏转线圈提供驱动电力；
高频加温线圈驱动电路403，用于给高频加温线圈104提供驱动电力，使其产生热量加温原材料；
感应加速极板驱动电路404，用于给感应加速极板106提供电压，
光电耦合芯片405，用于隔离低压控制电路和高压驱动电路，防止人员触电；
数据下载芯片406，用于连接电脑和系统控制芯片407，下载待打印模型的文件；
模拟/数字采样芯片408，用于对校准导线7的电流进行采样。
金属丝5穿过步进电机101轮与定滑轮102形成的狭缝中，系统控制芯片407驱动步进电机101旋转时通过摩擦力带动金属丝5进入导引管103；同时系统控制芯片407利用高频加温线圈驱动电路403给高频加温线圈104通入高频电流产生交变磁场，该交变磁场使导引管103中的金属丝5产生涡电流发出热量，其热量使金属丝5熔化成熔融金属液体，通过挤出头105将熔化的金属液体挤出；系统控制芯片407再通过感应加速极板驱动电路404给感应加速极板106通入感应电压，其产生的感应电场会使挤出的金属液体感应带电；系统控制芯片407通过感应加速极板驱动电路404，给感应加速极板106通入加速电压，使其产生的电场吸引带电的金属液体飞离挤出头105，形成带电金属微滴6；该带电金属微滴6穿过感应加速极板106下极板上的孔，然后经过打印定位装置2的偏转磁场，最后落到模型放置装置3上；
所述金属丝5，采用熔点高于一千摄氏度的金属，比如，铁和钛等。
参照图3,本发明利用上述系统，进行3D金属打印，其流程如下：
步骤1，设计待打印模型，送入打印系统。
在计算机上利用3D软件设计出所需打印的模型结构，并生成描述模型结构的文件，下载到系统控制芯片407中。
步骤2，计算每个带电金属微滴对应的三维坐标和偏转距离。
2.1)系统控制芯片407根据模型文件描述的结构参数将模型分解成带电微滴6的组合，并计算得出每个带电微滴对应的三维坐标和偏转距离；
2.2)校准，计算偏转磁场电流与偏转距离的比例系数:
2.2a)记录偏转磁场的电流强度：
系统控制芯片407使偏转磁场线圈201的电流强度从零逐渐增加，使依次射出的带电金属微滴6受到洛伦兹力不断增大，从而使其偏转距离增加；控制驱动电路4监测校准导线7的电流，当其电流骤减到零时，即挡板302挡住落下的带电金属微滴6时，此时挡板发出校准触发信号，系统控制芯片407记录下偏转磁场线圈201的电流强度；
2.2b)记录偏转距离：
手动测量挡板302边缘的位置，即偏转距离，将偏转距离记录到系统控制芯片407的程序中；
2.2c)计算比例系数：
系统控制芯片407用记录的偏转距离除以偏转磁场电流强度，求出比例系数。
步骤3，将金属丝熔化成金属液体。
3.1)用一个密封外罩将3D金属打印机密封，启动3D打印机的电源，然后给该外罩内充入惰性气体，防止原材料高温氧化；
3.2)将金属丝5的一端放入步进电机101轮和定滑轮102的夹缝中，控制驱动电路4发出控制命令旋转步进电机101，使金属丝5被送入陶瓷导引管103中；
3.3)控制驱动电路4给高频线圈104通入高频电流使其产生热量以对金属丝5进行加温，使金属丝5变成熔融金属液体；
3.4)控制驱动电路4驱动步进电机101继续旋转，使熔融金属液体从挤出头105中挤出；
步骤4，给金属液体带上电荷，使其变为带电金属微滴。
4.1)通过控制驱动电路4给感应加速极板106加载感应电压，使之产生电场，利用电场的感应作用使挤出的熔融金属液体带上电荷；
4.2)通过控制驱动电路4给感应加速极板106通入加速电压，使其产生的电场吸引带电的金属液体飞离挤出头105，形成带电金属微滴6；
4.3)控制驱动电路4保持感应加速极板106的电压为加速电压，使带电金属微滴6穿过感应加速极板下极板上的孔，通过偏转磁场改变运动轨迹后，堆叠在平台301上；
4.4)若打印未完成，控制驱动电路4重新给感应加速极板106通入感应电压，等待下一个金属微滴落下。
步骤5，调节偏转磁场的电流强度，进行打印。
控制驱动电路4根据偏转磁场电流与偏转距离的比例系数，以及每个带电微滴对应的偏转距离，不断改变偏转磁场的电流强度，使依次落下的带电金属微滴6在平台301上堆叠到 各自对应的三维坐标上；
每个带电金属微滴堆叠到平台6上后，判断所需微滴是否全部落下，若还有微滴未落下，循环执行步骤3.3-3.4和步骤4.1-4.5，直到打印完成，等待模型冷却，取下模型即可。
以上描述仅是本发明的一个具体事例，不构成对本发明的任何限制。显然对应本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍然在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于磁场调控的3D金属打印系统，包括
原材料送出加热装置(1)，用于将原材料送入打印机并使之升温变成熔融液态金属，输送给打印定位装置；
打印定位装置(2),用于将熔融液态金属微滴堆叠到模型放置装置的对应位置上；
模型放置装置(3),用于承接和放置待打印的模型；
控制驱动电路(4)，用于给各个装置提供控制信号，使其协同工作；
其特征在于：
原材料送出加热装置(1)，由步进电机(101)、定滑轮(102)、陶瓷导引管(103)、高频加温线圈(104)、钨质挤出头(105)和感应加速极板(106)组成；金属丝(5)经过定滑轮(102)和步进电机(101)的摩擦送入陶瓷导引管(103)，通过吸收高频加温线圈(104)的热量变成熔融金属液体，通过感应加速极板(106)电场的感应作用使其带上电荷，再通过电场的吸引力使金属液体飞离钨质挤出头(105)形成带电金属微滴(6)，该金属微滴(6)穿过打印定位装置(2)的磁场，滴到模型放置装置(3)上；
打印定位装置(2)，由偏转磁场线圈(201)和偏转磁场铁芯(202)组成，偏转磁场铁芯(202)用来增强偏转磁场的强度；通过控制偏转磁场线圈(201)的电流强度，改变带电金属微滴(6)射在模型放置装置(3)上的位置；
模型放置装置(3),由平台(301)和挡板(302)组成，平台(301)通过校准导线(7)连接到定滑轮(102)的金属轴上；挡板(302)用于在带电金属微滴(6)射到平台(301)之前为控制驱动电路(4)提供校准触发信号；
控制驱动电路(4)，用于给该系统中的各个电器装置提供控制信号和驱动电力，使其协同工作。
2.根据权利要求1所述的打印系统，其特征在于：控制驱动电路(4)包括：
X轴方向偏转磁场驱动电路(401)，用于根据系统控制芯片(407)的控制信号，为X轴方向偏转线圈提供驱动电力；
Y轴方向偏转磁场驱动电路(402)，用于根据系统控制芯片(407)的控制信号，为Y轴方向偏转线圈提供驱动电力；
高频加温线圈驱动电路(403)，用于给高频加温线圈(104)提供驱动电力，使其产生热量加温原材料；
感应加速极板驱动电路(404)，用于给感应加速极板(106)提供电压，使原材料感应带电产生电场吸引带电金属微滴(6)射到模型放置装置(3)上；
光电耦合芯片(405)，用于隔离低压控制电路和高压驱动电路，防止人员触电；
数据下载芯片(406)，用于连接电脑和系统控制芯片(407)，下载待打印模型文件；
系统控制芯片(407)，根据待打印模型的结构，给各个驱动电路提供的控制信号，使带电金属微滴(6)到达正确的落点；
模拟/数字采样芯片(408)，对校准导线(7)的电流进行采样，配合挡板(302)为系统控制芯片(407)提供校准偏转磁场电流强度比例系数的触发信号，以确定后续射出的带电微滴(6)在平台(301)上的偏转距离。
3.根据权利要求1所述的打印系统，其特征在于：校准导线(7)上串联有模拟电流放大电路(8)，用于放大校准导线(7)中的电流，放大后的电流传输给控制驱动电路(4)的模拟/数字采样芯片(408)进行采样。
4.根据权利要求1所述的打印系统，其特征在于：感应加速极板(106)由上极板和下极板组成，下极板上预留有一个孔；该孔用于使带电金属微滴(6)穿过感应加速极板后到达打印定位装置(2)的偏转磁场中。
5.一种基于权利要求1打印系统的打印方法，包括如下步骤：
1)设计待打印模型，送入打印系统
在计算机上利用3D软件设计出所需的打印模型结构，并生成描述模型结构参数文件，通过数据下载芯片(406)下载到系统控制芯片(407)中；
系统控制芯片(407)根据模型文件描述的结构参数进行计算，得出模型所需的带电微滴数量以及每个带电微滴对应的偏转距离；
2)将金属丝熔化成金属液体：
启动3D打印机的电源，将金属丝(5)的一端放入步进电机(101)轮和定滑轮(102)形成的夹缝中，通过旋转步进电机(101)，使金属丝(5)被送入陶瓷导引管(103)中；再给高频加温线圈(104)通入高频电流使其产生热量以对金属丝(5)进行加温，使金属丝变成熔融金属液体；
继续旋转步进电机(101)使熔融金属液体从钨质挤出头(105)中挤出；
3)给金属液体带上电荷，使其变为带电金属微滴：
给感应加速极板(106)加载上感应电压，使之产生电场，利用电场的感应作用使挤出的熔融金属液体带上电荷；
给感应加速极板（106）通入加速电压，使带电的金属液体所受到的吸引力增加并飞离挤出头，形成带电金属微滴(6)；
保持感应加速极板(106)的电压为加速电压，使带电金属微滴(6)穿过感应加速极板上的孔，通过偏转磁场改变运动轨迹后，堆叠在平台(301)上；
给感应加速极板(106)通入感应电压，等待下一个金属微滴落下，再次执行上述感应和加速步骤，循环此过程，使所需的带电金属微滴依次落下；
4)调节偏转磁场的电流强度，进行打印：
系统控制芯片(407)结合偏转磁场电流与偏转距离的比例系数，以及每个带电微滴(6)对应的偏转距离，不断改变偏转磁场的电流强度，使依次落下的带电金属微滴(6)在平台(301)上堆叠到达各自对应的三维坐标上，形成所需的模型，完成打印。
6.根据权利要求5所述的打印方法，其特征在于：步骤4)中的比例系数，即校准过程，按如下步骤计算：
4.1)记录偏转磁场的电流强度
将偏转磁场线圈(201)的电流强度从零逐渐增加，使依次射出的带电金属微滴(6)受到的洛伦兹力不断增大，从而使其偏转距离增加；通过系统控制芯片(407)监测校准导线(7)的电流，当其电流骤减到零时，即挡板(302)挡住落下的带电金属微滴(6)时，此时挡板发出校准触发信号，系统控制芯片记录下偏转磁场的电流强度；
4.2)记录偏转距离：
手动测量挡板(302)边缘的位置，即偏转距离，将偏转距离记录到系统控制芯片(407)的程序中；
4.3)计算比例系数：
系统控制芯片(407)用记录的偏转距离除以偏转磁场电流强度，求出比例系数。
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