CN105397251B - 一种熔融金属3d打印装置及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种熔融金属3D打印装置及打印方法，属于3D打印技术领域，装置包括壳体、第一喷嘴、熔化极焊接电极和非熔化极焊接电极，第一喷嘴与壳体一端相连，壳体中部中空形成空腔，壳体内设有第一密封板和第二密封板，熔化极焊接电极和非熔化极焊接电极位于壳体空腔内，熔化极焊接电极和非熔化极焊接电极贯穿两个密封板设置，第一密封板设有气体入口，第二密封板设有气体出口，气体入口、气体出口用以流通惰性气体。本发明创造性地结合丝材挤出热熔成型以及基于熔焊的熔化成型，通过焊接电弧产生的高温促使高熔点金属丝材熔化成熔融液态金属再通过壳体、喷嘴的内部压力的挤压作用使金属液稳定、快速地流出从而实现3D打印。

Description

一种熔融金属3D打印装置及打印方法

技术领域

本发明涉及一种熔融金属3D打印装置及打印方法，属于3D打印技术领域。

背景技术

目前国内外3D打印技术主要包括粉末或丝状材料高能束烧结、熔化成型，丝材挤出热熔成型，液态树脂光固化成型，液体喷印成型，片/板/块粘接或焊接成型等五种形式。

金属是3D打印最为广阔的市场。目前对金属材料进行3D打印通常采用的现有方法有：直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化烧结(EBM)、选择性激光熔化成型(SLM)、选择性激光烧结(SLS)以及尚未成熟的基于熔焊方法的金属3D打印。但在用现有技术对金属材料打印时，仅支持十多种金属进行加工，如特定的几种铝硅合金、钛合金、镍合金和不锈钢，且需要预先制成专用的金属粉末；打印出的金属制品致密度低，最高能达到铸件的98％，远低于锻造件的力学性能；打印制品表面精度差，需要后续处理；而且通过激光或是电子束进行3D打印，生产效率极低，但成本却很高，若是通过基于熔焊方法的3D打印，效率虽然变高了，也不用制成金属粉末，但打印时金属熔滴一滴滴的滴落不仅使打印过程变得极不稳定，而且打印出来的制品精度极差。目前金属材料打印产品极少能作为零部件直接组装应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种熔融金属3D打印装置。

本发明还提供一种利用该装置的打印方法。

本发明的技术方案如下：

一种熔融金属3D打印装置，包括壳体、第一喷嘴、熔化极焊接电极和非熔化极焊接电极，第一喷嘴与壳体一端相连，壳体中部中空形成空腔，壳体内设有第一密封板和第二密封板，熔化极焊接电极和非熔化极焊接电极位于壳体空腔内，熔化极焊接电极和非熔化极焊接电极贯穿两个密封板设置，所述第一密封板设有气体入口，所述第二密封板设有气体出口，气体入口、气体出口用以流通惰性气体。第一密封板、第二密封板的表面积与壳体横截面积一致，两个密封板配合两个电极形成一个密封舱，通过气体入口、气体开口通入惰性气体，一来通入惰性气体用以保护熔化极焊接电极产生的液态熔滴，二来通过调节气压及气体流速使熔化极焊接电极产生的液态熔滴流出第一喷嘴。

根据本发明优选的，所述惰性气体为氩气。为了防止液态熔滴在打印过程中发生氧化，产生有害组织，一般均要采用惰性气体进行保护。在所有的惰性气体中，一般用于保护气的气体主要是氦气以及氩气。就保护性能而言，氩气比氦气更好，电弧燃烧更稳定，但氦气做保护气时，电弧温度高，焊接速度快。就成本而言，氦气的价格是氩气的好几倍。所以从各方面综合考虑，选用氩气做保护气。

进一步优选的，所述氩气纯度为99.999％。氩气采用实验室常用的99.999％纯度的即可。

根据本发明优选的，所述熔化极焊接电极为MIG焊枪。

根据本发明优选的，所述非熔化极焊接电极为TIG焊枪，TIG焊枪为直柄焊枪，TIG焊枪内设有循环水冷装置。

根据本发明优选的，所述第一喷嘴为铜喷嘴。因为铜的加工性能好，简单易得；还有就是铜喷嘴导热性能好，塑性较好，不易发裂。

进一步优选的，铜喷嘴外部设有水冷装置。以防止铜喷嘴过热。

根据本发明优选的，所述第一喷嘴一端设有内螺纹，所述壳体一端设有外螺纹，第一喷嘴与壳体螺纹连接。由于在3D打印中，喷嘴将长时间处于高温高压的工作状态，喷嘴的性能及使用寿命最先受到影响，将喷嘴与壳体通过内外螺纹匹配连接，便于更换喷嘴，降低维护成本。

进一步优选的，所述第一喷嘴一端还设有第二喷嘴。

进一步优选的，所述第二喷嘴为氧化铝陶瓷喷嘴。由于氧化铝陶瓷喷嘴的熔点高达1700℃，而铜喷嘴无法承受如此高温，所以必须在铜喷嘴的内部加设一个可以承受如此高温的氧化铝陶瓷喷嘴。由于氧化铝陶瓷加工性能不好，所以只能是与铜喷嘴一起配合作为该枪体的喷嘴。同时氧化铝陶瓷喷嘴内部为漏斗状，用于3D打印过程中储存一定量的液态金属，使过渡过程更加平缓，通过控制气压使液态金属缓慢过渡，实现3D打印。

焊丝可以为不锈钢丝，此处不锈钢丝仅作为一种实验材料，并不是所有的3D打印都必须使用不锈钢丝，不锈钢丝成本不高，简单易得。

一种利用上述装置进行3D打印的方法，即液态金属在打印装置中挤出的方法，包括步骤如下：

(1)、预热：将第一喷嘴预先加热；3D打印前给将要承受高温熔融金属的部位加热到一定的初始温度，用以防止高温液滴对装置产生过大的热冲击而使装置发裂；由于氧化铝陶瓷较脆，在很大的热冲击作用下易出现发裂的现象。

(2)、将打印装置与焊接机器人相连，设定工作参数，所述工作参数包括电压参数、电流参数、气流量、送丝速度；根据要打印的3D作品对焊接机器人进行离线编程；焊接机器人选取日产MotoMan UP6。

(3)、接通电源，通入惰性气体，在两个电极之间接触引弧，通过焊接机器人利用本打印装置进行3D打印。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中，在第一喷嘴外部设置高频感应线圈，使第一喷嘴发热。进而也可以使第二喷嘴一起预热。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中，加热到400～500摄氏度。

本发明中，通过两个电极之间接触引弧熔化不锈钢焊丝，产生液态不锈钢熔滴滴入第二喷嘴中，随着熔滴不断下落，在第二喷嘴中会积累一定量的液态不锈钢，再往密封的焊枪中通入氩气，将熔融不锈钢液体挤出喷嘴，通过控制电源参数以及气流量等，使熔融的液态不锈钢稳定的过渡到工作台上，并通过焊接机器人离线编程，完成制品的3D打印过程。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的技术方案创造性地结合丝材挤出热熔成型以及基于熔焊的熔化成型，通过焊接电弧产生的高温促使高熔点金属丝材熔化成熔融液态金属再通过壳体、喷嘴的内部压力的挤压作用使金属液稳定、快速地流出从而实现3D打印。

2、本发明的技术方案中，两个电极分别采用的是惰性气体保护焊焊枪做阳极，钨极氩弧焊焊枪做阴极，由于阳极吸收电子发热量大，阴极发射电子发热量小，以此既增加了阳极不锈钢焊丝的熔化速度，同时也防止钨极过热；两电极之间形成回路，通过焊丝的送进接触引弧。

3、利用本发明的技术方案，焊接过程稳定，熔敷率高，可产生射流过渡，避免了金属熔滴滴落带来的焊接过程不稳定，防止3D打印制品的不连续，精度差，表面粗糙度过大等缺陷。

4、利用本发明的技术方案，可平稳的进行多种金属材料的3D打印，尤其适用于3D打印航空、航天、核电等重大工程领域中各类形状较复杂、精密元件，可打印材料包括钛合金、不锈钢、铜合金等，应用广泛。

附图说明

图1为本发明打印装置的结构示意图；

其中，1、壳体，2、第一喷嘴，3、第二喷嘴，4、熔化极焊接电极，5、非熔化极焊接电极，6、第一密封板，7、第二密封板，8、气体入口，9、气体出口。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

如图1所示：

实施例1：

一种熔融金属3D打印装置，包括壳体、第一喷嘴、熔化极焊接电极和非熔化极焊接电极，第一喷嘴与壳体一端相连，壳体中部中空形成空腔，壳体内设有第一密封板和第二密封板，熔化极焊接电极和非熔化极焊接电极位于壳体空腔内，熔化极焊接电极和非熔化极焊接电极贯穿两个密封板设置，所述第一密封板设有气体入口，所述第二密封板设有气体出口，气体入口、气体出口用以流通惰性气体。第一密封板、第二密封板的表面积与壳体空腔的横截面积一致，两个密封板配合两个电极形成一个密封舱，通过气体入口、气体开口通入惰性气体，一来通入惰性气体用以保护熔化极焊接电极产生的液态熔滴，二来通过调节气压及气体流速使熔化极焊接电极产生的液态熔滴流出第二喷嘴。

熔化极焊接电极为MIG焊枪，非熔化极焊接电极为TIG焊枪，使用焊机为奥太PluseMIG-500；TIG焊枪为直柄焊枪，TIG焊枪内设有循环水冷装置；惰性气体为氩气，氩气纯度为99.999％，第一喷嘴为铜喷嘴，第一喷嘴一端还设有第二喷嘴，第二喷嘴为氧化铝陶瓷喷嘴。由于氧化铝陶瓷喷嘴的熔点高达1700℃，而铜喷嘴无法承受如此高温，所以必须在铜喷嘴的内部加设一个可以承受如此高温的氧化铝陶瓷喷嘴。由于氧化铝陶瓷加工性能不好，所以只能是与铜喷嘴一起配合作为该枪体的喷嘴。同时氧化铝陶瓷喷嘴内部为漏斗状，开口小，用于3D打印过程中储存一定量的液态金属，当液态金属过渡速度比从氧化铝喷嘴流出速度快时，在氧化铝喷嘴内就能储存一定量的液态金属了，以使过渡过程更加平缓，通过控制气流量使壳体、铜喷嘴处形成气压，使液态金属缓慢持续过渡，实现3D打印。

实施例2：

一种熔融金属3D打印装置，其结构如实施例1所述，其区别在于，铜喷嘴外部设有水冷装置，以防止铜喷嘴过热。

实施例3：

一种熔融金属3D打印装置，其结构如实施例1所述，其区别在于，第一喷嘴一端设有内螺纹，所述壳体一端设有外螺纹，第一喷嘴与壳体螺纹连接。由于在3D打印中，喷嘴将长时间处于高温高压的工作状态，喷嘴的性能及使用寿命最先受到影响，将喷嘴与壳体通过内外螺纹匹配连接，便于更换喷嘴，降低维护成本。

实施例4：

一种利用实施例1所述的打印装置的打印方法，包括步骤如下：

(1)、预热：在第一喷嘴外部设置高频感应线圈，使第一喷嘴发热。将第一喷嘴预先加热到400摄氏度；3D打印前给将要承受高温熔融金属的部位加热到一定的初始温度，用以防止高温液滴对装置产生过大的热冲击而使装置发裂；第一喷嘴的预热也可以进而使第二喷嘴一起预热，这是由于氧化铝陶瓷较脆，在很大的热冲击作用下易出现发裂的现象。

(2)、将打印装置与焊接机器人相连，设定工作参数，所述工作参数包括电压参数、电流参数、气流量；根据要打印的3D作品对焊接机器人进行离线编程；焊接机器人选取日产MotoMan UP6。

(3)、接通电源，通入惰性气体氩气，气流量为10L/min，在两个电极之间接触引弧，通过焊接机器人利用本打印装置进行3D打印。

电流电压为100A/17.5V时，电弧稳定，熔滴过渡较慢；电流电压为100A/20V时，电弧不稳定，短路过渡；电流电压为120A/17.8V时，电弧稳定，熔滴过渡略有变快；电流电压为150A/18.3V时，电弧稳定，熔滴过渡再次变快；电流电压为180A/19.4V时，电弧稳定，熔滴过渡继续变快；电流电压为200A/20.6V时，电弧稳定，变成射流过渡。

实施例5：

一种如实施例4所述的打印方法，区别在于，步骤(1)中，预热时，将第一喷嘴预先加热到500摄氏度。

Claims (6)

1.一种熔融金属3D打印装置，其特征在于，包括壳体、第一喷嘴、熔化极焊接电极和非熔化极焊接电极，第一喷嘴与壳体一端相连，壳体中部中空形成空腔，壳体内设有第一密封板和第二密封板，熔化极焊接电极和非熔化极焊接电极位于壳体空腔内，熔化极焊接电极和非熔化极焊接电极贯穿两个密封板设置，所述第一密封板设有气体入口，所述第二密封板设有气体出口，气体入口、气体出口用以流通惰性气体；所述熔化极焊接电极为MIG焊枪；所述非熔化极焊接电极为TIG焊枪，TIG焊枪为直柄焊枪，TIG焊枪内设有循环水冷装置；所述第一喷嘴为铜喷嘴；铜喷嘴外部设有水冷装置；所述第一喷嘴一端还设有第二喷嘴；第二喷嘴为氧化铝陶瓷喷嘴。

2.根据权利要求1所述的熔融金属3D打印装置，其特征在于，所述惰性气体为氩气，氩气纯度为99.999％。

3.根据权利要求1所述的熔融金属3D打印装置，其特征在于，所述第一喷嘴一端设有内螺纹，所述壳体一端设有外螺纹，第一喷嘴与壳体螺纹连接。

4.一种利用权利要求1所述的熔融金属3D打印装置的打印方法，其包括步骤如下：

(1)、预热：将第一喷嘴预先加热；

(2)、将打印装置与焊接机器人相连，设定工作参数，所述工作参数包括电压参数、电流参数、气流量、送丝速度；根据要打印的3D作品对焊接机器人进行离线编程；

(3)、接通电源，通入惰性气体氩气，气流量为10L/min，在两个电极之间接触引弧，通过焊接机器人利用本打印装置进行3D打印。

5.根据权利要求4所述的打印方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在第一喷嘴外部设置高频感应线圈，使第一喷嘴发热。

6.根据权利要求4所述的打印方法，其特征在于，所述步骤(1)中，加热到400～500摄氏度。