CN106180558B - 一种基于钛及钛合金铸件石墨型的3d打印系统及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，包括控制组件和打印设备，所述控制组件与打印设备连接并控制器完成打印动作；所述打印设备包括打印底座、打印平台、行位支架、打印喷头和打印材料，所述打印底座上设有四轴运动机构，打印平台通过四轴运动机构设置在打印底座上；所述行位支架固定安装在打印底座上；所述打印喷头设置在行位支架上，并可相对行位支架移动；其结构简单易于操作，通过利用3D打印制备铸件石墨型，大大的节约了石墨型的制备时间，提高了生产效率的同时大大的节约了劳动成本。

Description

一种基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统及打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其是一种基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统。

背景技术

由于钛及钛合金材料具有低密度、高强比、耐腐蚀强、线胀系数小等特点，从20世纪50年代开始，在航空航天技术的迫切需要下，钛工业得到了迅速的发展。现在，钛及钛合金不仅是航空航天工业中不可缺少的结构材料，在造船、化工、冶金、医疗等方面也获得了广泛的应用。

在钛及钛合金的铸造工艺中，由于其化学活性高，在高温下易与常规铸造造型材料均发生较为剧烈的化学反应，影响成型铸件的使用性能，而石墨具有耐高温（熔点3850℃，沸点4250℃），其导电、润滑、化学性质稳定、疏水性、可塑性好等特点，是铸造钛及钛合金铸件相对适合是铸型材料，因此钛及钛合金铸造工艺均采用加工石墨型、捣实石墨型及熔模精密铸造工艺，机加工石墨型具有表面光滑、空隙度小、强度较高、硬度低、易于切削加工成型、比重小、易于搬运操作等特点。

石墨型具有较高的导热系数和热容量使得液体太和钛合金在石墨型中冷却较快，致使合金组织变细，从而提高了钛铸件的致密性和力学性能；较高的熔化温度不会受熔融金属的侵蚀，具有较好的抗热冲击性，在高温的钛液中表现出良好的高温稳定性，能抵抗液体钛液的侵蚀；石墨型线膨胀系数低，抗变形能力强，可保证铸件具有较高的精度和表面光洁度。然而石墨由于其可塑性比较强且结合钛及钛合金铸件的结构复杂性，为了保证钛及钛合金铸件的铸型尺寸和生产成本可控，捣实石墨型为常用的铸型手段。捣实石墨型主要是根据石墨型图纸通过人工全手工捣实，然后通过对其进行烘烤或真空除气处理，再组装用于浇铸铸件成型，上述铸型的制备虽然能相对的保证铸件的尺寸精确度和材料的节约，从而控制生产成本，但该过程中人工劳动成本较高且使得生产效率低。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，其结构简单易于操作，通过利用3D打印制备铸件石墨型，大大的节约了石墨型的制备时间，提高了生产效率的同时大大的节约了劳动成本。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，包括控制组件和打印设备，所述控制组件与打印设备连接并控制其完成打印动作；所述打印设备包括打印底座、打印平台、行位支架、打印喷头和打印材料；所述打印底座上设有四轴运动机构，打印平台通过四轴运动机构设置在打印底座上；所述行位支架固定安装在打印底座上；所述打印喷头设置在行位支架上，并可相对行位支架移动。

由于采用上述结构，该3D打印系统通过打印喷头和活动的打印底座相互配合动作，大大的节约了打印设备的走位时间，提高了打印效率。

本发明的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，所述打印平台为输送结构平台，其输送行程通往打印系统外。

又或者，所述打印平台为水平摆动平台，包括工作平台和转动轴；所述工作平台为矩形平台，该矩形平台内为通槽结构，其上下内壁上均设有啮合齿；所述转动轴上设有传动齿，与矩形平台内壁啮合齿相配合。

由于采用上述结构，当石墨型打印成型后，控制组件控制打印平台启动输送动作，将成型后的石墨型送出打印系统外，然后打印平台返回打印工作位置进行后续打印动作，保证了打印工作的连续性的同时节约了打印时间。

本发明的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，所述传动齿包裹在转动轴表面，传动齿包裹范围为传动轴截面圆圆弧总弧长的1/4至1/3。

由于采用上述结构，使得矩形平台可在转动轴的同向转动下实现打印平台来回水平移动，降低转动轴对电机的转动要求，提高了打印平台的回位时间，有效的加快了打印效率。

本发明的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，所述打印喷头的内侧壁上部分设有矩形凸条或者螺旋状凸条，打印喷头内侧壁下部分为光滑曲面；所述凸条端面截面为弧形；所述矩形凸条沿打印喷头出料方向竖直或倾斜设置。

由于采用上述结构，将打印喷头分为两个不同结构的部分，对喷头内大材料具有搅拌作用，喷头设有加热装置时，使得材料受热均匀，保证了材料的性能，同时采用上述结构，能有效的提高喷头的出料压力值，避免了喷头堵塞，益于了打印效果。

本发明的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，所述打印材料为石墨粉末和粘结剂，所述石墨粉末粒度为50-120目；所述粘结剂为无机粘结剂。

进一步地，所述粘结剂为硅酸钠粘结剂。

由于采用上述结构，石墨型粘结剂一般分为有机粘结剂和无机粘结剂，有机粘结剂主要是树脂类粘结剂，缺点是铸型在烧结过程中会生产大量的有毒有害气体。无机粘结剂主要是硅酸化合物，选用硅酸钠（水玻璃）作为石墨型粘结剂，保证了后续铸造钛及钛合金铸件的成本和工艺的稳定性。

一种上述基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统的打印方法，包括以下步骤：

步骤1、三维建模：根据所要铸造的钛及钛合金铸件的形状和尺寸，设计石墨型形状、分型面和浇铸口；在计算机中作出设计好的石墨型的三维模型图，并将该三维模型图进行二维切片处理；

步骤2、制备打印材料：将石墨粉末或石墨粉末与超细粉高炉渣和/或高钛渣粉末按照10:1制备成粉末石墨型材料；将石英砂和氧化钠按照比例配制得到模数为1.5-3.0的硅酸钠粘结剂；

步骤3、将步骤1中建模图形按格式输入3D打印系统中设置打印程序，步骤2中的制备的打印材料送入打印设备中，打印设备中打印喷头与打印平台相互配合动作将步骤2中制备的石墨型材料和粘结剂交替打印堆叠成型；

步骤4、控制组件启动打印平台的输送动作，打印平台将步骤3中打印成型的铸件石墨型输送出打印系统外，打印完成。

进一步，步骤3粘结剂与石墨型材料的交替打印堆叠过程中，所述粘结剂的用量占石墨型材料用量的3%-5%。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、采用3D打印系统代替传统的人工捣实石墨型，大大的节约了制型时间和劳动成本；

2、该打印系统结构简单，打印效率高，节约了制型耗材，降低了生产成本；

3、基于该3D打印系统，对于结构复杂的钛或钛合金铸件也能快速完成铸件石墨型制作，操作方便，实用性强。

说明书附图

图1是本发明的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统简图；

图2是打印平台为水平摆动结构的结构示意简图；

图3是打印喷头内侧壁设有矩形凸条的结构局部示意图；

图4是打印喷头内侧壁设有矩形凸条的截面示意图；

图5是打印喷头内侧壁设有螺旋状凸条的结构局部示意图；

图中标记：1-打印平台，2-啮合齿，3-转动轴，4-传动齿，5-打印喷头，6-矩形凸条，7-光滑曲面，8-螺旋状凸条。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细的说明。

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如说明书各附图所示，一种基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，包括控制组件和打印设备，所述控制组件与打印设备连接并控制其完成打印动作；所述打印设备包括打印底座、打印平台1、行位支架、打印喷头5和打印材料，所述打印底座上设有四轴运动机构，打印平台1通过四轴运动机构设置在打印底座上，通过四轴运动机构实现了打印平台在平面上各个方向的移动，配合打印喷头5动作，提高了该打印系统的打印速度；所述行位支架固定安装在打印底座上；所述打印喷头5设置在行位支架上，并可相对行位支架移动。所述打印平台1为输送结构平台，其输送行程通往打印系统外，当打印完成时，控制组件启动打印平台1的输送动作，将石墨型送出打印系统外。

该基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，所述打印喷头5的内侧壁上部分设有矩形凸条6或者螺旋状凸条8，打印喷头5内侧壁下部分为光滑曲面7；所述凸条端面截面为弧形；所述矩形凸条6沿打印喷头5出料方向竖直或倾斜设置。

该基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，所述打印材料为石墨粉末和粘结剂，所述石墨粉末粒度为50-120目；所述粘结剂为无机粘结剂。所述粘结剂为硅酸钠粘结剂。

实施例2

如说明书各附图所示，一种基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，包括控制组件和打印设备，所述控制组件与打印设备连接并控制其完成打印动作；所述打印设备包括打印底座、打印平台1、行位支架、打印喷头5和打印材料，其特征在于：所述打印底座上设有四轴运动机构，打印平台1通过四轴运动机构设置在打印底座上；所述行位支架固定安装在打印底座上；所述打印喷头设置在行位支架上，并可相对行位支架移动。

该基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，所述打印平台1为水平摆动平台，如图2所示，它包括工作平台和转动轴3；所述工作平台为矩形平台，该矩形平台内为通槽结构，其上下内壁上均设有啮合齿2；所述转动轴3上设有传动齿4，与矩形平台内壁啮合齿2相配合。所述传动齿4包裹在转动轴3表面，传动齿4包裹范围为传动轴3截面圆圆弧总弧长的1/4至1/3，该转动轴3在驱动装置的固定转向作用下，能实现打印平台1水平来回动作，降低了对驱动装置的要求，提高了工作效率减低了使用成本。

该基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，所述打印喷头5的内侧壁上部分设有矩形凸条6或者螺旋状凸条8，打印喷头5内侧壁下部分为光滑曲面7；所述凸条端面截面为弧形；所述矩形凸条6沿打印喷头5出料方向竖直或倾斜设置。

该基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，所述打印材料为石墨粉末和粘结剂，所述石墨粉末粒度为50-120目；所述粘结剂为无机粘结剂。所述粘结剂为硅酸钠粘结剂。

实施例3

一种基于上述实施例1和实施例2所述的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统的打印方法，包括以下步骤：

步骤1、三维建模：根据所要铸造的钛及钛合金铸件的形状和尺寸，设计石墨型形状、分型面和浇铸口等；在计算机中作出设计好的石墨型的三维模型图，并将该三维模型图进行二维切片处理；

步骤2、制备打印材料：将石墨粉末或石墨粉末与超细粉高炉渣和/或高钛渣粉末按照10:1制备成粉末石墨型材料，该材料的选择降低了铸型的用材成本；将石英砂和氧化钠按照比例配制得到模数为1.5-3.0的硅酸钠粘结剂；

步骤3、将步骤1中建模图形按格式输入3D打印系统中设置打印程序，步骤2中的制备的打印材料送入打印设备中，打印设备中打印喷头与打印平台相互配合动作将步骤2中制备的石墨型材料和粘结剂交替打印堆叠成型；

步骤4、控制组件启动打印平台的输送动作，打印平台将步骤3中打印成型的铸件石墨型输送出打印系统外，打印完成。

该基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统的打印方法，在步骤3粘结剂与石墨型材料的交替打印堆叠过程中，所述粘结剂的用量占石墨型材料用量的3%-5%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，包括控制组件和打印设备，所述控制组件与打印设备连接并控制其完成打印动作；所述打印设备包括打印底座、打印平台、行位支架、打印喷头和打印材料，其特征在于：所述打印底座上设有四轴运动机构，打印平台通过四轴运动机构设置在打印底座上；所述行位支架固定安装在打印底座上；所述打印喷头设置在行位支架上，并可相对行位支架移动；所述打印平台为水平摆动平台，包括工作平台和转动轴；所述工作平台为矩形平台，该矩形平台内为通槽结构，其上下内壁上均设有啮合齿；所述转动轴上设有传动齿，与矩形平台内壁啮合齿相配合；所述打印喷头的内侧壁上部分设有矩形凸条或者螺旋状凸条，打印喷头内侧壁下部分为光滑曲面；所述凸条端面截面为弧形；所述矩形凸条沿打印喷头出料方向竖直或倾斜设置。

2.根据权利要求1所述的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，其特征在于：所述打印平台为输送结构平台，其输送行程通往打印系统外。

3.根据权利要求1所述的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，其特征在于：所述传动齿包裹在转动轴表面，传动齿包裹范围为传动轴截面圆圆弧总弧长的1/4至1/3。

4.根据权利要求1-3所述之一的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，其特征在于：所述打印材料为石墨粉末和粘结剂，所述石墨粉末粒度为50-120目；所述粘结剂为无机粘结剂。

5.根据权利要求4所述的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统，其特征在于：所述粘结剂为硅酸钠粘结剂。

6.一种如权利要求1-5其中之一所述的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统的打印方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤1、三维建模：根据所要铸造的钛及钛合金铸件的形状和尺寸，设计石墨型形状、分型面和浇铸口；在计算机中作出设计好的石墨型的三维模型图，并将该三维模型图进行二维切片处理；

步骤2、制备打印材料：将石墨粉末或石墨粉末与超细粉高炉渣和/或高钛渣粉末按照10:1制备成粉末石墨型材料；将石英砂和氧化钠按照比例配制得到模数为1.5-3.0的硅酸钠粘结剂；

步骤3、将步骤1中建模图形按格式输入3D打印系统中设置打印程序，步骤2中的制备的打印材料送入打印设备中，打印设备中打印喷头与打印平台相互配合动作将步骤2中制备的石墨型材料和粘结剂交替打印堆叠成型；

步骤4、控制组件启动打印平台的输送动作，打印平台将步骤3中打印成型的铸件石墨型输送出打印系统外，打印完成。

7.根据权利要求6所述的基于钛及钛合金铸件石墨型的3D打印系统的打印方法，其特征在于：步骤3粘结剂与石墨型材料的交替打印堆叠过程中，所述粘结剂的用量占石墨型材料用量的3%-5%。