CN105537591A - 一种金属3d打印装置及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属3D打印装置及打印方法，其打印装置包括机架系统、加热打印系统、冷却成型系统以及气氛控制系统；所述机架系统包括用于支撑设置另外三个系统的工作台以及驱动加热打印系统的空间三轴移动组件；所述加热打印系统，包括一电加热的耐火容器，所述耐火容器的底部与一竖直的石英管连通，所述石英管底端设有一直径小于0.1mm的滴液孔，所述耐火容器内腔与一气压组件连通；所述冷却成型系统位于所述石英管下方；所述加热打印系统以及冷却成型系统设置在气氛控制系统的气氛保护室内。本发明设备结构简单、操作方便，可适用普通金属粉末或块状金属，耗材适用性高，能免去高难度耗材制作成本，打印成本低。

Description

一种金属3D打印装置及打印方法
技术领域
本发明涉及一种新型金属3D打印装置及打印方法，属于金属材料快速成型技术领域。
背景技术
3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用逐层堆积等方法实现快速成型的技术。3D打印技术作为一种新兴材料快速成型技术，近年来得到了飞速的发展。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程以及其他领域都有所应用。
最常见的3D打印耗材为塑料(PLA、ABS等)，金属3D打印技术近年来也得到了发展。而工业中，大多是使用金属作为耗材的3D打印技术。目前工业上的3D打印一般选用粉末金属利用熔融沉积式(FDM)、电子束自由成形制造(EBF)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化成型(EBM)、选择性激光熔化成型(SLM)、选择性激光烧结(SLS)等方法来实现。采用上述方法能对粉末金属或极细线状金属实现瞬间熔化，如申请号为201310634598.5的中国专利公开了“一种以金属粉末为原料的3D打印机”，其主要以金属粉末为成型原料进行3D打印，又如申请号为201410792373.7的中国专利公开的“一种金属3D打印机喷头”，其是以加热的喷头结合金属线材为打印耗材。
目前的技术一般只能使用特定种类及粒径的金属粉末或特定直径的线材，不适用块状金属，金属耗材在打印前还需要进行加工生产，因此用以上方法设计加工的打印机一般对金属制粉或线材生产工艺要求高、成本高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有的应用金属耗材进行3D打印存在的缺陷，提供一种新型的金属3D打印装置及打印方法，能够使用粒径不均的金属粉末甚至是块状金属作为打印耗材，使打印耗材适用性高，能大幅度降低耗材生产成本、简化设备。
本发明采用如下技术方案实现：
一种金属3D打印装置，包括机架系统、加热打印系统、冷却成型系统以及气氛控制系统；
所述机架系统包括用于支撑设置另外三个系统的工作台以及驱动加热打印系统的空间三轴移动组件；
所述加热打印系统，包括一电加热的耐火容器41，所述耐火容器41的底部与一竖直的石英管42连通，所述石英管42底端设有一直径小于0.1mm的滴液孔，所述耐火容器41内腔与一气压组件43连通，用于向耐火容器内腔加压；
所述冷却成型系统位于所述石英管42下方；
所述加热打印系统以及冷却成型系统设置在气氛控制系统的气氛保护室31内。
进一步的，所述耐火容器41为漏斗形容器，所述耐火容器41的底端以上位置绕装有感应线圈44。
进一步的，所述耐火容器41内还设有检测实时温度的高温计45。
进一步的，所述气压组件43为一连接气泵的气囊，所述气囊通过管道与耐火容器内腔连通。
进一步的，耐火容器41通过一移动支架12与平面移动组件13和竖直移动组件14连接；所述平面移动组件13设置在水平面内，采用丝杆机构或直线电机沿水平X、Y向驱动；所述竖直移动组件14竖直设置，一端与平面移动组件连接，另一端与移动支架12连接，采用直线电机或液压伸缩杆沿竖直Z向驱动。
进一步的，所述冷却成型系统包括一铜质的打印成型台21，所述打印成型台21内部设有冷却水循环管道22。
进一步的，所述气氛保护室31分别设有进气管33和出气管34，所述气氛保护室31上设有观察窗35，顶部设有可打开的保护性气罩32。
本发明还公开了一种应用上述金属3D打印装置的打印方法，包括如下步骤：
第一步、装料，向耐火容器中放入20-50g的金属耗材，所述金属耗材采用金属粉末或块状金属颗粒；
第二步、抽真空，将气氛保护室密封，然后将内部抽真空至真空度10-15-10-25Pa，并充入惰性保护气体，最终使气氛保护室内压力达到一个大气压；
第三步、熔化金属，通过感应线圈对耐火容器内的金属耗材进行加热至熔化，同时开启下方打印成型台的冷却水循环管道；
第四步、脉冲喷射，通过气压组件向耐火容器内部通入脉冲惰性气体，通过气压控制熔化的金属液滴从石英管喷射到打印成型台上；
第五步、连续打印，按照设置的打印零件程序进行移动打印。
进一步的，在连续打印时，在每次移动喷射前，通过高温计检测耐火容器内部温度是否达到预定熔化温度，若低于预定熔化温度，则停止喷射，同时控制耐火线圈继续加热；若达到或超过预定熔化温度，则在喷射的同时，停止感应线圈加热。
优选的，所述第二步中，所述气氛保护室内部真空度为10-20-10-25Pa，并采用氩气或氩化氢气体作为保护气体；所述打印成型台的冷却水流量为5-10L/min。
本发明采用上述技术方案，可实现普通粉末及小型块状金属作为耗材的桌面级3D打印，弥补金属3D技术在使用耗材方面的不足。其原理如下：
本发明采用耐火容器容纳高温下的金属耗材，用感应线圈对其加热使之熔化。为使支架平稳移动，可选用液压伸缩杆作为竖直方向的移动组件，结合用低功率电机进行支架水平面内的调动。为使金属液滴快速凝固，在打印成型台上采用冷却水循环的方式进行快速冷却。
本发明新型金属打印装置，采用“一打一动，逐滴堆积”打印模式，当第一滴液滴射出后，通过电机带动平面移动组件和竖直移动组件使机架移动0.1mm，再检测温度是否为预定温度。若低于预定温度，则加热，达到预定温度，停止加热，通过气压组件精确控制熔化液滴通过从石英管管底的滴液小孔(小于0.1mm)射出，依次循环，直至打印完成。
本发明主要具有以下优势：
1)设备简单。本发明的新型金属3D打印装置包括四个系统，共十余个部件构成，具有测试设备简单、操作方便的特点。
2)耗材适用性高。本发明的新型金属3D打印装置及方法，可适用普通金属粉末或块状金属。
2)打印成本低。传统金属3D打印技术采用金属耗材为严格粒径均匀的金属粉末或制作难度及工艺要求极高的丝状金属，无论是金属制粉还是制丝都大大提高了生产金属耗材的成本，使金属3D打印成本大幅度提高。本发明的新型金属3D打印装置及方法，可适用普通金属粉末或块状金属，从而替代传统打印耗材，免去高难度耗材制作成本，使金属3D打印成本大大降低。
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为实施例中的金属3D打印装置的结构示意图。
图2为实施例中的打印零件示意图。
图中标号：
11-工作台，12-移动支架，13-平面移动组件，14-竖直移动组件；
21-打印成型台，22-冷却水循环管道；
31-气氛保护室，32-保护性气罩，33-进气管，34-出气管，35-观察窗；
41-耐火容器，42-石英管，43-气压组件，44-感应线圈，45-高温计。
具体实施方式
实施例
参见图1，图示中的新型金属3D打印装置包括机架系统、加热打印系统、冷却成型系统、气氛控制系统四大部分，包括工作台11、移动支架12、平面移动组件13和竖直移动组件14，其中工作台用于支撑设置另外三个系统，移动支架12以及平面移动组件13和竖直移动组件14用于设置并移动加热打印系统移动，可实现加热打印系统的空间任意位置的移动，其中，移动支架12采用奥氏体304不锈钢材质机架，竖直移动组件14采用竖直设置的液压伸缩杆，直径为25mm，采用低功率电机实现支架移动及液压伸缩杆伸缩，平面移动组件13设置在水平面内，可采用丝杆机构结合电机驱动或者采用直线电机沿水平X、Y向驱动；竖直移动组件14一端与平面移动组件连接，另一端与移动支架12连接。本实施例中的机架系统可驱动加热打印系统的耐火容器以及石英管在X、Y、Z三维空间范围各150mm移动，移动精度为0.1mm。
加热打印系统包括耐火容器41、石英管42、气压组件43、感应线圈44、高温计45；加热打印系统采用大端直径为80mm的漏斗形耐火容器41来容纳打印耗材，耐火容器4采用直径上(80mm)大下(40mm)小螺旋绕装的感应线圈44来加热并熔化打印耗材，采用气压组件43来推动熔化耗材液滴射出，并控制液滴流量，耐火容器41的底部与竖直设置的石英管42连通，石英管42的长度根据耗材加热的温度以及凝固时间来确定，避免石英管过长使耗材凝固在石英管中堵塞，石英管42底端设有一直径小于0.1mm的滴液孔。在本实施例中，气压组件43采用一连接气泵的气囊，气囊一端与气泵连接，另一端通过管道与耐火容器内腔连通。
冷却成型系统包括打印成型台21、冷却水循环管道22；冷却成型系统中，打印成型台21为紫铜材质，呈边长为400mm的正方形平台，位于石英管的正下方，打印成型台21内部设置冷却水循环管路，在打印过程中采用冷却水循环冷却打印成型台以及打印产品。
气氛控制系统包括气氛保护室31、保护性气罩32、进气管33、排气管34。气氛控制系统中，气氛保护室31分别设有进气管33和出气管34，用于对气氛保护室内进行惰性保护气氛的建立和消除，为了便于观察，在气氛保护室31上布置了观察窗35，采用石英玻璃材质，直径为150mm，气氛保护室31顶部设有可打开的保护性气罩32，可用于耗材以及产品的取放。气氛保护室31以及顶部的保护性气罩32采用不锈钢材质，内径为750mm的圆柱形结构，保护性气体采用氩气或氩化氢气体。
采用本实施例的金属3D打印装置进行打印时，其实施方案为：
将金属耗材预先放置在耐火容器的底部，耐火容器下方为石英管，石英管位于气氛保护室的中部，调节好里面的保护性气氛，通电对试样开始加热。同时，开启冷却水，为成型台冷却耗材做好准备。
当达到预定温度，停止加热，通过气压组件精确控制熔化液滴通过从管底一个小孔(小于0.1mm)射出，射出的微量耗材在冷却成型台上迅速凝固。
当第一滴液滴射出后，通过电机带动液压伸缩杆使机架移动0.1mm，再用高温计检测温度是否为预定温度。若低于预定温度，则加热，达到预定温度，停止加热，通过气压组件精确控制熔化液滴通过从石英管底部的小孔(小于0.1mm)射出，依次循环，直至打印完成。
在本实施例的打印方法中，机架系统中的竖直移动组件以及平面移动组件可实现快速伸缩来控制机架移动，伸缩速度为0-50cm/s，优选为10-45cm/s，进一步优选为20-40cm/s。
为了熔化打印耗材，可控制感应线圈的功率，一般功率为2-3kw，最大可达5kw。冷却成型系统的冷却水流量为2.5-15L/min，优选为5-10L/min，进一步优选为7.5-10L/min。
气氛控制系统在抽真空时，气氛保护室内的真空度为10-15-10-25Pa，优选为10-20-10-25Pa，进一步优选为10-25Pa。
为了配合石英管尺寸，若采用金属打印耗材为碳钢，则碳钢耗材大约为20-50g，优选为30-40g，进一步优选为30g。
以下以图2中的零件为例对本发明的加工方法进行具体实例说明。
(1)装料：将带有密封圈的保护性气罩盖打开，放入30g钢样在石英管的底部，将保护性气罩盖关闭。
(2)抽真空：对整套装置保护性气罩以内的部分抽真空至真空度10-25Pa，并充入惰性保护气体Ar，最终使其压力达到一个大气压。
(3)熔化金属：感应线圈通电对石英管底部的试样进行加热，设定目标温度为1550℃，并用高温计对试样温度实时监测，当达到预定温度时停止加热，在熔化金属及液滴脉冲喷射之前打开冷却水循环系统的阀门，调节冷却水流量为7.5L/min。
(4)脉冲喷射：通过石英管上端耐火容器接入的进气管通入惰性气体，通过气压组件进行精确控制对熔化的金属液滴实现喷射。
(5)连续打印：按照设置的打印零件程序进行移动打印，通过移动支架使耐火容器及石英管根据设定的打印路线移动0.1mm，再次喷射之前，检测耐火容器内部温度是否为预定温度。在每次脉冲喷射前，若高温计检测到的实时温度低于预定熔化温度，则需控制感应线圈进行加热，达到或超过预定熔化温度时，停止加热，通过气压组件精确控制熔化液滴通过从管底一个小孔(小于0.1mm)射出，依次循环，直至打印完成。
以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种金属3D打印装置，其特征在于：包括机架系统、加热打印系统、冷却成型系统以及气氛控制系统；
所述机架系统包括用于支撑设置另外三个系统的工作台以及驱动加热打印系统的空间三轴移动组件；
所述加热打印系统，包括一电加热的耐火容器(41)，所述耐火容器(41)的底部与一竖直的石英管(42)连通，所述石英管(42)底端设有一直径小于0.1mm的滴液孔，所述耐火容器(41)内腔与一气压组件(43)连通，用于向耐火容器内腔加压；
所述冷却成型系统位于所述石英管(42)下方；
所述加热打印系统以及冷却成型系统设置在气氛控制系统的气氛保护室(31)内。
2.根据权利要求1所述的一种金属3D打印装置，所述耐火容器(41)为漏斗形容器，所述耐火容器(41)的底端以上位置绕装有感应线圈(44)。
3.根据权利要求1所述的一种金属3D打印装置，所述耐火容器(41)内还设有检测实时温度的高温计(45)。
4.根据权利要求1所述的一种金属3D打印装置，所述气压组件(43)为一连接气泵的气囊，所述气囊通过管道与耐火容器内腔连通。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种金属3D打印装置，耐火容器(41)通过一移动支架(12)与平面移动组件(13)和竖直移动组件(14)连接；
所述平面移动组件(13)设置在水平面内，采用丝杆机构或直线电机沿水平X、Y向驱动；
所述竖直移动组件(14)竖直设置，一端与平面移动组件连接，另一端与移动支架(12)连接，采用直线电机或液压伸缩杆沿竖直Z向驱动。
6.根据权利要求1所述的一种金属3D打印装置，所述冷却成型系统包括一铜质的打印成型台(21)，所述打印成型台(21)内部设有冷却水循环管道(22)。
7.根据权利要求1所述的一种金属3D打印装置，所述气氛保护室(31)分别设有进气管(33)和出气管(34)，所述气氛保护室(31)上设有观察窗(35)，顶部设有可打开的保护性气罩(32)。
8.一种应用权利要求1-7中金属3D打印装置的打印方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步、装料，向耐火容器中放入20-50g的金属耗材，所述金属耗材采用金属粉末或块状金属；
第二步、抽真空，将气氛保护室密封，然后将内部抽真空至真空度10-15-10-25Pa，并充入惰性保护气体，最终使气氛保护室内压力达到一个大气压；
第三步、熔化金属，通过感应线圈对耐火容器内的金属耗材进行加热至熔化，同时开启下方打印成型台的冷却水循环管道；
第四步、脉冲喷射，通过气压组件向耐火容器内部通入脉冲惰性气体，通过气压控制熔化的金属液滴从石英管喷射到打印成型台上；
第五步、连续打印，按照设置的打印零件程序进行移动打印。
9.根据权利要求8所述的一种金属3D打印方法，在连续打印时，在每次移动喷射前，通过高温计检测耐火容器内部温度是否达到预定熔化温度，若低于预定熔化温度，则停止喷射，同时控制耐火线圈继续加热；若达到或超过预定熔化温度，则在喷射的同时，停止感应线圈加热。
10.根据权利要求9所述的一种金属3D打印方法，所述第二步中，所述气氛保护室内部采用氩气或氩化氢气体作为保护气体；所述打印成型台的冷却水流量为2.5-15L/min。
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