CN105383060B - 一种3d打印供料、助熔及助晶整平一体化装置 - Google Patents

Abstract

一种3D打印供料、助熔及助晶整平一体化装置，包括支座、料仓、第一强制送料机构、第二强制送料机构、辅助加热头和辅助结晶整平振动头，料仓、第一强制送料机构、第二强制送料机构、辅助加热头和辅助结晶压平振动头均安装在支座上；料仓、第一强制送料机构和第二强制送料机构依次连接；第二强制送料机构的出料口处连接有喷嘴且在出料口处设置有加热装置；支座的底部位于喷嘴的前方和后方分别设置有辅助加热头和辅助结晶整平振动头。该装置操作简单、稳定可靠、维护方便，提高了3D打印过程中成型工件的致密性，成型工件层间结合好，成本低，且通过对相应部件材料选择、尺寸变化及工艺调整，可以适应不同类型的粉末材料的熔融沉积。

Description

一种3D打印供料、助熔及助晶整平一体化装置

技术领域

本发明涉及一种3D打印技术中用于粉料输送、加热及辅助处理的装置，属于3D打印技术领域。

背景技术

3D打印技术是一种运用粉末状金属、丝状塑料或丝状蜡等可粘合材料，通过逐层叠加的方式来构造物品的技术，将所需成形工件的复杂3D形体通过切片处理转化为简单的2D截面的组合，不必采用传统的加工机床和工模具，依据工件的三维计算机辅助设计模型，在计算机控制的快速成形机上，沿着高度方向逐层沉积材料，成形工件的一系列2D截面薄片层，并使片层与片层之间相互粘接，最终堆积成三维工件。相对于车铣刨磨等传统机加工，金属3D打印作为一种增材制造方式，可以制造各种复杂结构，充分发挥材料的效能比，拓展产品创意创新空间，设计人员不再受传统工艺和制造资源约束，并降低产品研发创新成本，缩短研发周期，增强工艺制造能力，因而在航空航天、生物医疗、工业模具、汽车制造等工业领域都有独具特色的应用前景。

熔融沉积，就是将热熔性材料加热融化，通过一个细微的喷嘴挤喷出来，喷嘴在系统控制下运动，分层将材料沉积完成实体造型。现在应用的热熔性材料大部分是丝状的。丝状的热熔性材料在应用过程具有很大局限性。一般结构工件对材料性能要求苛刻，因此丝状的热熔料材料要求满足两方面要求：一是结构工件对材料性能要求，二是制丝工艺要求。

选区激光熔化技术和电子束熔化成型技术是目前金属零件“3D打印”制造的重要方式。金属零件选区激光熔化快速成型技术是集CAD/CAM、数字控制技术、快速成型于一体的先进制造技术，成为了传统加工成形方法的重要补充。选区激光熔化技术可以根据三维模型来直接生产出各种复杂的金属零件，能使加工成本和时间得到有效的降低，从而大大地缩短了新产品的研发周期。

目前3D打印技术在金属件成型过程中致密性不够，会存在一定的缺陷，如气孔、裂纹、缩孔等，工件精度差，和翘曲变形。这些缺陷都会导致最终成型的金属零件在机械、电气、力学等性能上与真实产品的要求相比还有较大的差距；并且不能保证持续流畅地供料，导致已经加热至软化的打印物料容易硬化在进料管中而堵塞进料管，影响金属件成型质量。

中国专利文献CN103160825A公开了一种利用同步双光束激光提高金属3D打印致密性的方法，包括：a.对打印底座、打印底板进行预处理；b.利用第一道激光和合金粉末在打印底板上按照预设轨迹运行依靠多道搭接、逐层叠加的方式进行3D打印，并在打印过程中对工件面与粉末流场进行惰性气体保护，第一道激光使合金粉末熔融形成打印层；c.利用尾随的第二道激光对3D打印得到的打印层进行重熔，第二道激光的运行轨迹与第一道激光的运行轨迹相同，打印层逐层叠加冷却后形成金属件。该方法利用二道激光对打印层同步重熔，虽然减少了3D打印过程中的孔洞、气穴、热裂纹、交界面开裂等缺陷，但是致密性不均匀，过程复杂，耗时长，没有对成型件后续的致密处理。

CN103640222A公开了一种3D打印设备，包含有进料管、进给元件、加热元件、与进给元件及加热元件相连的处理器以及与处理器相连的控制器；进料管包含有加热段；进给元件设置为进给进料管中的打印物料；加热元件设置为将加热段中的打印物料加热至软化；控制器被操作时，处理器向进给元件发送停止进给信号并向加热元件发送保温信号；进给元件根据停止进给信号停止进给进料管中的打印物料；加热元件根据保温信号对软化的打印物料进行保温。该打印设备没有后续的处理过程，无法对成型工件进行致密性处理。

发明内容

本发明针对现有3D打印技术存在的不足，提供一种效率高、成型件致密性好的3D打印供料、助熔及助晶整平一体化装置。

本发明的3D打印供料、助熔及助晶整平一体化装置，采用以下技术方案：

该装置，包括支座、料仓、第一强制送料机构、第二强制送料机构、辅助加热头和辅助结晶整平振动头，料仓、第一强制送料机构、第二强制送料机构、辅助加热头和辅助结晶压平振动头均安装在支座上；料仓、第一强制送料机构和第二强制送料机构依次连接；第二强制送料机构的出料口处连接有喷嘴且在出料口处设置有加热装置；支座的底部位于喷嘴的前方和后方分别设置有辅助加热头和辅助结晶整平振动头。

所述第一强制送料机构水平设置，可以采用螺旋送料机。

所述第二强制送料机构竖直设置，可以采用螺杆挤压机。

所述料仓和第二强制送料机构上均设置有振动器，所述输料振动器采用超声波振动装置。

所述加热装置和辅助加热头可以采用电加热、火焰加热等各种加热方式。

所述辅助结晶压平振动头，包括超声波发生器、换能器、变幅杆和压头，变幅杆与换能器连接，压头连接在变幅杆上。

所述辅助结晶整平振动头与支座之间设置有压力机构，压力机构可以采用弹簧、液压缸等。

置于料仓中的粉料，首先进入第一强制送料机构，由螺旋送料机将粉料初步密实后进入螺杆挤压机，被挤压至螺杆挤压机的前端出口处，前端出口处的加热装置对粉料加热熔化，呈软化胶态状的凝胶料以恒压状态进入喷嘴喷出，按设定的轨迹移动逐层沉积。在逐层沉积过程中，通过辅助加热头对下层凝固的沉积物料加热，使得先凝固的下层物料微熔，保证与新喷出来的胶态物料相融并相互扩散。通过辅助结晶整平振动头对喷嘴喷出的物料振动，促进晶体固化和细化晶粒，使物料产生塑性流动，提高物料固化效率、密实度和表面平整度。

本发明操作简单、稳定可靠、维护方便，提高了3D打印过程中成型工件的致密性，成型工件层间结合好；不需要激光发生器，避免了物料溅射，保证了沉积物料初始相对形状，与期望值偏离误差减少；同时可以减少相对于激光发生器熔化而必须的相应附件，成本大大降低，且通过对相应部件材料选择、尺寸变化及工艺调整，可以适应不同类型的粉末材料的熔融沉积。

附图说明

图1是本发明3D打印供料、助熔及助晶整平一体化装置的结构示意图。

图中：1、料仓，2、落料振动器，3、支座，4、螺旋送料机，5、输料管，6、螺杆挤压机，7、电机，8、输料振动器，9、喷嘴，10、阀门，11、加热装置，12、辅助加热头，13、辅助结晶整平振动头，14、压力机构。

具体实施方式

如图1所示，本发明的3D打印供料、助熔及助晶整平一体化装置，包括料仓1、螺旋送料机4、螺杆挤压机6、加热装置11、喷嘴9、辅助加热头12和辅助结晶整平振动头13，料仓1、螺旋送料机4、螺杆挤压机6、辅助加热头12和辅助结晶压平振动头13可以安装在支座3上。料仓1的出口与螺旋送料机4的进料口连接，料仓1上设置有落料振动器2，通过落料振动器2的振动使物料连续不断地进入螺旋送料机4，防止出现供料中断或断续供料现象。落料振动器2可以采用超声波振动装置。螺旋送料机4作为第一强制进料机构，螺杆挤压机6作为第二强制进料机构，螺旋送料机4水平设置，螺杆挤压机6竖直设置。螺旋送料机4的出料口与螺杆挤压机6的进料口通过输料管5连接。螺杆挤压机6的驱动电机7可以采用步进电机或伺服电机，改变驱动电机的转速可以控制粉料挤出量。螺杆挤压机6的出料口处连接有喷嘴9，且在出料口处设置有加热装置11。螺杆挤压机6上还设置有输料振动器8。输料振动器8也可以采用超声波振动装置。加热装置11可以采用电加热、火焰加热等各种加热方式，使螺杆挤压机6的挤出料加热，成为软化胶态状的凝胶料，然后在上方粉料的挤压下由喷嘴9喷出，沿工件所需的成型线路落在基板上。

输料振动器8有两个主要作用，一是对粉料振动密实；二是软化的胶态凝胶料处于一种固态和液态混合状态，超声波振动的空化作用，使得凝胶料液体在涡流等物理作用，使某些地方形成局部的暂时负压区，从而引起液体或液-固界面的断裂，形成微小的空泡或气泡。这些微小的空泡或气泡处于非稳定状态，有初生、发育和随后的迅速闭合的过程，当它们迅速闭合破灭时，产生一微激波，使局部有很大的压强。空化现象产生气泡的非线性振动，以及破灭产生的爆破压力，伴随产生许多物理或化学效应，加速粉末材料的熔解，降低物料黏度，改善物料的流动性，防止物料在喷嘴9处的黏结。

在支座3的底部位于喷嘴9的前方设置有辅助加热头12，辅助加热头12可以采用电加热、火焰加热等各种加热方式。熔融沉积一个工件是分层实现的，为了减少从喷嘴9喷出来的软化胶态物料的溅射，通过温度控制使其处于一种固态和液态混合状态，喷出后很短时间便可固化。沉积上层物料时，要求与下层物料紧密结合，但是新喷出的胶态物料具有的能量难以保证两层物料通过相融、扩散来紧密结合，因此本发明提供一个辅助能量来满足要求。通过辅助加热头12对下层凝固的沉积物料加热，通过辅助能量使得先凝固的下层物料微熔，保证与新喷出来的胶态物料相融并相互扩散。

在支座3的底部位于喷嘴9的后方设置有辅助结晶整平振动头13。该辅助结晶整平振动头13采用超声波振动装置，包括换能器、变幅杆和整平头，变幅杆与换能器连接，整平头连接在变幅杆上。换能器与外部的超声波发生器连接。为了使辅助结晶整平振动头13给作用的基板一个压力，在辅助结晶整平振动头13与支座3之间设置有压力机构14，压力机构14可以采用弹簧、液压缸等。

新喷出来的物料完全固化需要一段时间，自然固化不但密度低并且表面平整度差，因此本发明提供一个辅助结晶整平振动头13，以提高物料固化效率、密实度和表面平整度。通过超声波促进晶体固化和细化晶粒。强超声能够加速过饱和溶液晶核的形成过程，抑制晶体生长得到更细更均匀的晶粒，通过超声空化使晶团、树枝状晶破碎和分散，使每个晶体形成许多新的晶核。刚喷出来的物料处于固液双相态，通过超声波对有悬浮粒子的流体媒质作用时，初时悬浮粒子的流体媒质一起振动，但二者的振幅和相位均不相同。大小不同的粒子具有不同的相对振动速度，粒子相互碰撞与粘合，粒子团的体积和重量增大。变大的粒子团不能跟随声振动运动，而作无规则运动，继续碰撞、粘合及长大，最后沉降下来。

辅助结晶整平振动头13还有辅助整平作用。在一定的压力下，对用于工件成型的基板进行振动，使物料表面振动，产生塑性流动，结果使工件表面原有的微观波峰熨平，添入波谷，使表面质量得到提高。

置于料仓1中的均匀混合的粉料，首先进入螺旋送料机4，由螺旋送料机4将粉料初步密实后进入螺杆挤压机6，粉料在螺杆挤压机6的作用下进一步压实，被挤入螺杆挤压机6的下端出料口处。两道送料机构保证了不会出现断料现象。出料口处的加热装置11对粉料加热熔化，呈软化胶态状的凝胶料以恒压状态进入喷嘴9喷出。在螺杆旋转压力和超声波振动共同作用下，粉料源源不断被挤出，按设定的轨迹移动而快速完成造型。在逐层沉积过程中，通过辅助加热头12对下层凝固的沉积物料加热，使得先凝固的下层物料微熔，保证与新喷出来的胶态物料相融并相互扩散。通过辅助结晶整平振动头13对喷嘴9喷出的物料振动，提高物料固化效率、密实度和表面平整度。

本发明不需要激光发生器，避免了物料溅射，保证了涂覆材料初始相对形状，同时可以减少相对于激光发生器熔化而必须的相应附件，成本大大降低。通过对相应部件材料选择、尺寸变化及其工艺调整，可以适应不同类型的粉末材料的熔融沉积。

Claims (1)

1.一种3D打印供料、助熔及助晶整平一体化装置，其特征是，包括支座、料仓、第一强制送料机构、第二强制送料机构、辅助加热头和辅助结晶整平振动头，料仓、第一强制送料机构、第二强制送料机构、辅助加热头和辅助结晶整平振动头均安装在支座上；料仓、第一强制送料机构和第二强制送料机构依次连接；第二强制送料机构的出料口处连接有喷嘴且在出料口处设置有加热装置；支座的底部位于喷嘴的前方和后方分别设置有辅助加热头和辅助结晶整平振动头；

所述料仓和第二强制送料机构上均设置有振动器；

所述辅助结晶整平振动头，包括超声波发生器、换能器、变幅杆和压头，变幅杆与换能器连接，压头连接在变幅杆上。