CN105798297B - 一种电烧结金属材料3d打印装置及其打印工艺 - Google Patents

一种电烧结金属材料3d打印装置及其打印工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电烧结金属材料3D打印装置及其打印工艺，所述3D打印装置包括：送粉系统、成形系统、电源系统、真空系统、循环水冷却系统及CAM控制系统，送粉系统和成形系统设置于所述真空系统内，所述电源系统与所述成形系统连接，所述循环水冷却系统与所述真空系统连接，所述CAM控制系统与所述送粉系统连接。上电极板可以对粉末材料施加压力并释放高频脉冲电流实现3D打印过程中一层金属粉末的烧结；通过现有自动化控制软件及装置逐层累加，实现金属零件的3D打印成形。此新型金属3D打印机成形精度高，设备投资少，可避免粉体的污染，能够提高材料利用率，真正意义上做到了绿色环保、快速高效的增材制造。

Description

一种电烧结金属材料3D打印装置及其打印工艺
技术领域
本发明涉及金属材料增材制造技术，具体为一种电烧结金属材料3D打印装置及其打印工艺，是一种高精度金属零件的快速成形新方法和新技术。
背景技术
随着工业4.0概念及中国制造2025计划的提出，3D打印这一新型技术逐渐走入人们的视野。它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体。目前3D打印技术的应用领域已经迅速扩展到医疗、电子、航空航天、汽车制造等行业以及创意产业甚至消费领域，其优势在于能够以较低的成本和较高的效率生产小批量、个性化定制部件，完成复杂而精细的成形。
现有金属3D打印设备的主要技术特点是粉床高能束选区烧结，即在粉床上铺设一层金属粉末，然后采用精密聚焦的激光束或电子束等高能束在事先设定好的路径上进行选择性扫描烧结，通过重复的逐层铺粉、逐层选择性烧结，最终实现零件成形。存在温度梯度较大和热应力容易导致变性、开裂等成形困难问题以及金属粉末用量大、设备昂贵等成本问题。
发明内容
本发明针对现有金属3D打印技术的不足，提出一种有利于金属粉末成形、设备相对经济并且可以打印出高精度或者复杂结构金属零件的装置，它同时具有使用安全可靠，节约材料资源且绿色无公害等诸多优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电烧结金属材料3D打印装置，所述3D打印装置包括：送粉系统、成形系统、电源系统、真空系统、循环水冷却系统及CAM控制系统，所述送粉系统和成形系统设置于所述真空系统内，所述电源系统与所述成形系统连接，所述循环水冷却系统与所述真空系统连接，所述CAM控制系统与所述送粉系统连接。
进一步的， 所述送粉系统包括：送粉导管、机械臂和送粉枪，所述送粉导管与所述送粉枪连接，所述送粉枪设置于所述机械臂上。
进一步的，所述送粉枪为双喷嘴结构。
进一步的，所述成形系统包括：压力导柱、上电极板、成形室、支撑粉体和下电极板，所述成形室内设置所述下电极板作为底部支撑，所述支撑粉体设置于所述成形室内，并形成成形工具的型腔，所述上电极板的上端、下电极板的下端均设有压力导柱。
进一步的，所述电源系统包括一直流脉冲电源，所述直流脉冲电源分别连接所述上电极板和下电极板。
一种电烧结金属材料3D打印工艺，采用上述的电烧结金属材料3D打印装置，所述工艺步骤如下：
步骤1：送粉导管将金属粉末和不导电支撑粉末送入送粉枪中，送粉枪由机械臂带动沿直线选择性送出金属粉末以及不导电支撑粉末，逐行叠加，从而实现每一层3D打印切片形状的控制；
步骤2：当一层粉体预置完毕，机械臂带动送粉枪从侧面撤出，上极板降下，在压力导柱施加压力同时，电源通电，实现一层粉体的选择性快速烧结；
步骤3：单层粉体成形后，上极板升起，下极板下降一层粉体的预置厚度，机械臂带动送粉枪进入，开始下一层粉末的预置；
步骤4：重复上述步骤1、2、3；
步骤5：最后一层粉末烧结完毕，保持上极板压下状态，对成形室内的整体施加压力和脉冲电流，保持一段时间再将工件取出，以提高工件的致密度。
本发明的有益效果在于：采用了选择性送粉和电烧结的打印方法，可实现多层金属结构的零件制造；没有了铺粉滚轮或者铺粉刷结构，代之以机械臂送粉器，有效防止了周边金属粉末的污染，提高了金属粉的利用率；在成形过程中通过上电极板的压粉作用，可以得到精度更高、质量更好的金属3D打印零件；可实现多通道、多工位同步逐层布料，高通量制备块体金属材料；另外，传统的金属3D打印普遍都需要一台高质量的激光器，目前基本依赖进口，价格昂贵，给3D打印民用化进程造成了阻碍。本发明的制作成本相比传统3D打印机大大降低，对3D打印技术的推广普及具有重要意义。
附图说明
附图1是本发明电烧结金属3D打印机结构示意图。
其中，1——压力导柱，2——上电极板，3——送粉导管，4——机械臂，5——送粉枪，6——成形工件，7——成形室，8——支撑粉体，9——下电极板，10——真空系统，11——直流脉冲电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
如图1所示，一种电烧结金属材料3D打印装置，所述3D打印装置包括：送粉系统、成形系统、电源系统、真空系统、循环水冷却系统及CAM控制系统，所述送粉系统和成形系统设置于所述真空系统内，所述电源系统与所述成形系统连接，所述循环水冷却系统与所述真空系统连接，用于冷却真空系统，所述CAM控制系统与所述送粉系统连接，控制送粉系统的运动，所述真空系统采用已有装置，分为机械泵和真空泵两部分，由循环水冷却，以减少烧结过程当中电极材料烧损以及打印过程中打印材料的氧化等影响。
所述送粉系统包括：送粉导管3、机械臂4和送粉枪5，所述送粉导管3与所述送粉枪5连接，所述送粉枪设置于所述机械臂4上.，所述送粉枪5为双喷嘴结构，可以同时送出成形用金属粉末以及不导电陶瓷粉末并采用市面已有机械臂驱动。
所述成形系统包括：压力导柱1、上电极板2、成形室7、支撑粉体8和下电极板9，所述成形室7内设置所述下电极板9作为底部支撑，所述支撑粉体8设置于所述成形室7内，并形成成形工具6的型腔，所述上电极板2的上端、下电极板9的下端均设有压力导柱1，所述压力导柱1可对上、下电极板施加压力，所述上、下电极板采用低表面能导电石墨材料制造，可承受一定高温和压力，成形室外壁采用绝缘耐热的橡胶材料，在压力作用下使不导电粉体在四周利用自重落出，实现中间成形金属粉末的部分体积补偿。
所述电源系统包括一直流脉冲电源11，所述直流脉冲电源11分别连接所述上电极板2和下电极板9，采用直流脉冲电流对粉末进行快速成型。
一种电烧结金属材料3D打印工艺，所述工艺步骤如下：
步骤1：送粉导管将金属粉末和不导电支撑粉末送入送粉枪中，送粉枪由机械臂带动沿直线选择性送出金属粉末以及不导电支撑粉末，逐行叠加，从而实现每一层3D打印切片形状的控制；
步骤2：当一层粉体预置完毕，机械臂带动送粉枪从侧面撤出，上极板降下，在压力导柱施加压力同时，电源通电，实现一层粉体的选择性快速烧结；
步骤3：单层粉体成形后，上极板升起，下极板下降一层粉体的预置厚度，机械臂带动送粉枪进入，开始下一层粉末的预置；
步骤4：重复上述步骤1、2、3；
步骤5：最后一层粉末烧结完毕，保持上极板压下状态，对成形室内的整体施加压力和脉冲电流，保持一段时间再将工件取出，以提高工件的致密度。
在本发明的整个过程中，三维模型由CAD制图软件制作并且做切片处理，送粉机械臂由计算机自动化软件控制，送粉枪需要双喷嘴并且也由计算机控制不同粉体的分别送出。但对粉体的流动性有一定要求，以方便在送粉枪中由于重力作用顺利送出。
本发明采用预设路径的逐层选择性铺粉方式铺设金属粉末，金属粉末周围较小区域采用上述铺粉方式填充不导电的陶瓷粉末；引入带有金属压下电极板的电烧结方法对所铺设金属粉末进行逐层一次性加压固化烧结，最终实现金属零件的整体成形。意在克服现有3D打印技术中因较大温度梯度和热应力导致的变性、开裂等成形困难问题以及金属粉末用量大、设备昂贵等成本问题。还可实现多通道送粉，多工位同步逐层布料及样品制备。另外，新的成形方式铺粉灵活、适应性强，可以实现目前金属3D打印较难做到的“三明治”金属结构，甚至更加复杂的多层金属结构。

Claims (7)

1.一种电烧结金属材料3D打印装置，其特征在于，所述3D打印装置包括：送粉系统、成形系统、电源系统、真空系统、循环水冷却系统及CAM控制系统，所述送粉系统和成形系统设置于所述真空系统内，所述电源系统与所述成形系统连接，所述循环水冷却系统与所述真空系统连接，所述CAM控制系统与所述送粉系统连接；
所述CAM控制系统控制送粉系统的运动及选择性送出金属粉末以及不导电支撑粉末，逐行叠加，从而实现每一层3D打印切片形状的控制。
2.根据权利要求1所述的电烧结金属材料3D打印装置，其特征在于， 所述送粉系统包括：送粉导管、机械臂和送粉枪，所述送粉导管与所述送粉枪连接，所述送粉枪设置于所述机械臂上。
3.根据权利要求2所述的电烧结金属材料3D打印装置，其特征在于，所述送粉枪为双喷嘴结构，所述双喷嘴结构中的不同喷嘴分别送出金属粉末和不导电支撑粉末。
4.根据权利要求1所述的电烧结金属材料3D打印装置，其特征在于，所述成形系统包括：压力导柱、上电极板、成形室、支撑粉体和下电极板，所述成形室内设置所述下电极板作为底部支撑，所述支撑粉体设置于所述成形室内，并形成成形工具的型腔，所述上电极板的上端、下电极板的下端均设有压力导柱。
5.根据权利要求4所述的电烧结金属材料3D打印装置，其特征在于，所述电源系统包括一直流脉冲电源，所述直流脉冲电源分别连接所述上电极板和下电极板。
6.一种电烧结金属材料3D打印工艺，采用权利要求1-5任一所述的电烧结金属材料3D打印装置，其特征在于，所述工艺步骤如下： 步骤1：送粉导管将金属粉末和不导电支撑粉末送入送粉枪中，送粉枪由机械臂带动沿直线选择性送出金属粉末以及不导电支撑粉末，逐行叠加，从而实现每一层3D打印切片形状的控制； 步骤2：当一层粉体预置完毕，机械臂带动送粉枪从侧面撤出，上极板降下，在压力导柱施加压力同时，电源通电，实现一层粉体的选择性快速烧结； 步骤3：单层粉体成形后，上极板升起，下极板下降一层粉体的预置厚度，机械臂带动送粉枪进入，开始下一层粉末的预置； 步骤4：重复上述步骤1、2、3； 步骤5：最后一层粉末烧结完毕，保持上极板压下状态，对成形室内的整体施加压力和脉冲电流，保持一段时间再将工件取出，以提高工件的致密度。
7.如权利要求6所述一种电烧结金属材料3D打印工艺，其特征在于， 可实现多通道送粉，多工位同步逐层布料及样品制备。
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