CN106180709B - 一种金属三维打印方法及其设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属三维打印方法及其设备,其核心方法为:将熔化或软化且可流动的金属放置到三维打印设备所使用的成型区,熔化或软化且可流动的金属不具备流动性之后转变为已打印成型的金属,熔化或软化且可流动的金属在已打印成型的金属的基础上累积、直至所要打印的物体成型,由累积的已打印成型的金属构成所要打印的物体;其特征在于:在成型区的部分区域累积熔化或软化且可流动的金属和已打印成型的金属;在成型区的部分区域累积粉末;所累积的粉末作为辅助性支撑体,对所要打印的物体提供支持。可制造形状和结构复杂的金属零件,产生的金属零件强度高且密度高、成型精度高、可打印大型金属部件、设备结构简单、成本低廉。

Description

一种金属三维打印方法及其设备
技术领域
本发明涉及三维打印技术,尤其是涉及一种金属三维打印方法及其设备,属于增材制造技术领域。
背景技术
三维打印技术最早起源于19世纪末的美国,直到20世纪七八十年代在日本和美国得到完善并商业化。现在常见的主流三维打印技术,例如立体光固化成型法(StereoLithography Apparatus,SLA)、熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling,FDM)、选择性激光烧结(Selecting Laser Sintering,SLS)、三维粉末粘接(Three DimensionalPrinting and Gluing,3DP),于20世纪八九十年代在美国获得商业化。目前已经商业化的用于金属材料三维打印的技术,主要有选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)和电子束熔融技术(Electron Beam Melting,EBM),但SLM和EBM技术也有不少缺点,例如:制造成本高昂、维护成本高、打印出来的零件机械强度不高(需要在打印后进行增强处理)、打印的幅面小。为了提高SLM和EBM技术打印产生的金属零件的材料密度,还出现了不少技术,例如申请号为201410289871.X、名称为“一种提高3D打印金属件性能的处理方法”的中国专利申请。针对上述SLM和EBM技术的缺点,也出现了不少采用其它成型方法的低成本金属三维打印技术,例如申请号为201510789205.7、名称为“一种利用液态金属直接进行3D打印制造的方法和装置”的中国专利申请,又如申请号为201410206527.X、名称为“挤出式金属流3D打印机”的中国专利申请,但这些技术无法制造内部存在复杂空腔结构的零件,并且这些技术存在成型精度低或打印成型的金属层的层间结合力低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本、可生成内部存在复杂空腔结构的金属零件的金属三维打印方法及其设备。
本发明的另一个目的在于提供一种打印精度高、层间结合力强的金属三维打印方法及其设备。
本发明的再一个目的在于提供一种用于三维打印的简易铺粉方法,该方法有别于现有的SLM和EBM金属三维打印技术中使用的铺粉方法。
为了实现上述的发明目的,本发明采用的技术方案是:一种金属三维打印方法,其主要过程为:将熔化或软化且可流动的金属放置到三维打印设备所使用的成型区,熔化或软化且可流动的金属不具备流动性之后转变为已打印成型的金属,熔化或软化且可流动的金属在已打印成型的金属的基础上累积、直至所要打印的物体成型,由累积的已打印成型的金属构成所要打印的物体;其中:在累积熔化或软化且可流动的金属的过程中,熔化或软化且可流动的金属所被放置的位置由所要打印的物体的形状和结构决定;所述的三维打印设备所使用的成型区,是指三维打印设备在打印物体时所使用的空间;所述的熔化或软化且可流动的金属即金属甲,所述的已打印成型的金属即金属乙;其特征在于:
在所述的成型区的部分区域累积金属甲和金属乙;在所述的成型区的部分区域累积粉末;所累积的粉末作为辅助性支撑体,对所要打印的物体提供支持,或者对所要打印的物体的局部提供支持。
进一步地,上述技术方案中:
在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,通过电阻发热的方式将金属乙与金属甲相接触的部位熔化;
或者,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,通过电阻发热的方式将金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化;
或者,在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位熔化;在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化;
或者,在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位熔化;在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化;在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间不施加电流;
或者,在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位熔化;在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间不施加电流;
或者,在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化;在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间不施加电流;
所述的在金属甲与金属乙之间施加电流受到计算机的控制;
所述的部分打印区域,是指在打印物体的过程中金属甲和金属乙所要占据的空间当中的一部分;所述的部分打印区域,也可以被理解为:所要打印的物体被映射到三维打印设备所使用的成型区形成的映射空间当中的一部分;
所述的部分打印区域,也可以被理解为:所要打印的物体在未来占据的空间被提前划分出来,形成与所要打印的物体呈映射关系的虚拟物体,将该虚拟物体逐步转变成最终打印成型的真实物体;由虚拟物体转变成真实物体的过程就是三维打印成型的过程;将该虚拟物体划分成多个区域,其中的部分区域就是所述的部分打印区域。
进一步地,上述技术方案中:上述的部分打印区域,主要由所要打印的零件的形状决定和/或由使用者设定,或者由计算机优化的算法决定,例如:在打印第一层时,为了便于将所打印的零件固定在支撑层上、但又为了便于将打印好的零件从支撑层上拆卸下来,在某些打印区域内(例如第一层的轮廓线的四个等分点)需要在金属甲与支撑层之间施加电流以增强两者之间的连接,而在第一层的其它打印区域内不需要在金属甲与支撑层之间施加电流以免导致所打印的零件与支撑层之间的结合力过强而难以拆卸。
进一步地,上述技术方案中:上述的部分打印区域,主要分为高成型强度的区域和低成型强度的区域。例如:把目标零件的所有层设定为高成型强度的区域,高成型强度的区域以熔融的方式连接成型(即电阻发热的强度足以融化金属乙与金属甲的接触部位);把支架体这类辅助性结构的所有层设定为低成型强度的区域,低成型强度的区域的成型过程不需施加电流。
进一步地,上述技术方案中:上述的部分打印区域,主要分为高成型强度的区域、中成型强度的区域和低成型强度的区域。例如:把目标零件的所有层所对应的需要高成型强度的区域设定为高成型强度区域,把目标零件的所有层所对应的需要中成型强度的区域设定为中成型强度区域,把支架体这类辅助性结构的所有层设定为低成型强度的区域,并且每类打印区域所需施加的电流强度可设定;其中,不需要施加电流的情况可以认为电流强度为零。
进一步地,上述技术方案中:上述的在金属甲与金属乙之间施加电流,是在监测到金属甲与金属乙相互接触之后才施加电流。
进一步地,上述技术方案中:
金属甲与金属乙相互接触的位置受到计算机控制;
所要打印的物体采用层叠加的方式产生,即所要打印的物体以层的形式进行叠加产生,层的数量至少为一层;每一层由像素点组成,层的厚度由像素点的高度决定;
所述的金属甲是可流动的,并且金属甲是否流动受到计算机的控制;在打印过程中,金属甲以金属流的形式存在;金属流的前部在与金属乙接触并连接之后,金属流的前部的温度降低而自动转变为金属乙,形成像素点;金属流的数量至少为一路;金属流的前部的温度降低,是由于金属流的前部的热量被媒介导走,例如:之前所累积的金属乙、三维打印设备的打印支撑平台,如果在非真空环境下打印成型,环境中的气体也会导走一部分热量;
所述的累积粉末,以层的形式累积,即:将粉末铺成粉末层,并以层的形式进行累积。
进一步地,上述技术方案中:
所述的所要打印的物体包括围栏和目标零件,其中:围栏围绕在目标零件的周围;围栏是辅助性打印体,在打印结束后被拆除;
所述的以层的形式累积粉末,其累积方法为:在每累积产生所要打印的物体的一层之后,在围栏所包围的区域内填充粉末,然后将粉末抹平,使粉末体的上平面与围栏的上平面共面;粉末体的最终的上平面与围栏的最终的上平面共面。
进一步地,上述技术方案中:
所述的金属甲,其熔化程度或软化程度可调,通过调节金属甲的温度高低来实现,并受计算机的控制;金属甲的流动速度以及在单位时间内的流量可调,通过调节金属甲受到的挤出压力大小来实现,并受计算机的控制。
进一步地,上述技术方案中:在金属甲与金属乙接触之前,金属乙的即将与金属甲接触的区域被预热;预热方式有多种,例如:高温等离子体加热、电弧加热、高频电磁感应加热、热辐射、激光加热。
进一步地,本发明提供了一种运用上述的金属三维打印方法打印金属零件的金属三维打印设备,其技术方案为:一种金属三维打印设备,主要由用于产生熔化或软化且可流动的金属的加热单元、用于控制熔化或软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间的相互接触位置的成型位置驱动机构、金属原料输送单元、以计算机为核心的控制单元组成;其中:所述的加热单元、成型位置驱动机构、金属原料输送单元分别与控制单元连接,并受到控制单元的控制;控制单元接受使用者输入三维打印所需的文件、参数及控制指令;所述的金属原料输送单元将三维打印所需的金属原料输送到所述的加热单元内;
所述的已打印成型的金属即金属乙;从加热单元产生的熔化或软化且可流动的金属即金属甲;
其特征在于:设置有铺粉单元,用于在打印成型的过程中进行铺粉,所铺的粉末体作为辅助性支撑体,辅助性支撑体可被清除;铺粉单元受到控制单元的控制。
进一步地,上述技术方案中:
所述的加热单元设置有出口,金属原料在加热单元中被加热后从加热单元的出口输出形成金属甲;加热单元的数量至少为一个;
所述的成型位置驱动机构为多轴驱动机构,例如:XYZ三轴(三维)运动机构、五轴机械臂;
所述的控制单元主要由计算机、驱动电路、传感电路组成,其中:计算机为通用计算机,或嵌入式计算机,或工控机,或通用计算机与嵌入式计算机构成的复合计算机系统,或工控机与嵌入式计算机构成的复合计算机系统,或通用计算机、工控机、嵌入式计算机构成的复合计算机系统;驱动电路驱动包括加热单元、成型位置驱动机构、金属原料输送单元在内的执行机构,为执行机构提供驱动电流和/或驱动信号;计算机通过传感电路获取三维打印所需的状态信息。
进一步地,上述技术方案中:
还包括用于在金属甲与金属乙之间施加电流以实现电阻发热的发热电流发生电路;可通过电阻发热的方式改变金属甲与金属乙之间相互接触的部位的温度;
所述的发热电流发生电路与金属甲、金属乙连接;金属甲、金属乙与发热电流发生电路的连接状态受到控制单元的控制,和/或发热电流发生电路的工作状态受到控制单元的控制。
进一步地,上述技术方案中:
所述的铺粉单元主要由粉料仓、粉料输送管路、粉料输出装置、刮板、铺粉位置驱动机构组成,其中:粉料仓内的粉料经粉料输送管路被输送到粉料输出装置,粉料输出装置和刮板的位置受到铺粉位置驱动机构及控制单元的控制;粉料输出装置可以边移动边铺粉,刮板用于抹平粉料输出装置所铺的粉层并刮掉多余的粉末;粉料输出装置输出粉料的状态受到控制单元的控制;粉料输出装置内部的通路与粉料输送管路内部的通路相连通,粉料输出装置的出口处设置有阀门,阀门控制粉料的输出,阀门的宽度和/或长度可调节或者不可调节;
所述的粉料输出装置与刮板之间存在共有结构,或者两者之间不存在共有结构;
所述的铺粉位置驱动机构是一维、或两维、或多维驱动机构,例如:五轴机械臂;
前述的用于控制金属甲与金属乙之间的相互接触位置的成型位置驱动机构与所述的铺粉位置驱动机构之间存在共有结构,或者两者之间不存在共有结构。
进一步地,上述技术方案中:
还包括保护气体输送单元,其所输送的保护气体主要用于保护被加热的金属和/或推动金属甲的流动;保护气体输送单元受到控制单元的控制;保护气体来源于其它系统(例如从惰性气体生产厂获得),和/或由保护气体输送单元制造产生(例如使用分子筛将空气中的氧气虑除,将剩下的气体作为保护气体,用于某些与氮气不发生反应的金属的打印);
还包括冷却单元,用于对受到高温影响但不能承受高温和/或不需要被加热的部位进行冷却;冷却单元受到控制单元的控制。
进一步地,上述技术方案中:
上述的保护气体输送单元,主要由保护气体源、输送管路、电磁阀、压力传感模块组成;在输送管路上设置电磁阀、压力传感模块;电磁阀控制保护气体源往输送管路输出的气体量及持续时间;压力传感模块监测输送管路内的电磁阀两侧的气压;输送管路将保护气体源提供的气体引导至三维打印成型所发生的空间(即成型区)以形成保护气氛,以及引导至加热单元以推动金属甲的流动;
上述的冷却单元主要采用液冷和/或风冷方式。
进一步地,上述技术方案中:
所述的加热单元主要由加热腔体、电磁感应线圈、盖帽组成,其中:加热腔体内设置有空腔,加热腔体的下方设置有出口,加热腔体的上端与盖帽连接;盖帽设置有冷却结构,冷却结构用于对盖帽进行冷却或散热;盖帽设置有与金属原料输送单元连接的通孔,金属原料输送单元经过该通孔将金属原料送入加热腔体内;在加热腔体外围设置电磁感应线圈,电磁感应线圈与控制单元连接,通过电磁感应线圈耦合作用而在加热腔体和/或加热腔体内的金属原料产生感应电流并发热。
进一步地,上述技术方案中:
所述的金属原料输送单元主要由金属原料仓、金属原料输送驱动机构、金属原料输送管路组成,其中:金属原料输送管路将金属原料仓、金属原料输送驱动机构、加热单元连接在一起,金属原料仓存储金属原料,金属原料在金属原料输送驱动机构的作用下在金属原料输送管路中穿行并到达加热单元内。金属原料可以采用金属粉或金属线的形式;如果采用金属线作为原料,可以采用送丝轮作为金属原料输送驱动机构的核心。
进一步地,上述技术方案中:所述的加热单元的数量为多个,每个加热单元的出口的口径可以不相同。例如:加热单元的数量为两个,两个加热单元共用部分结构,但被分别独立控制;一个加热单元的出口的内径为50微米,另一个加热单元的出口的内径为1毫米,出口内径为1毫米的加热单元用于粗打印,出口内径为50微米的加热单元用于精细打印;两个加热单元在打印过程中协同工作,可以实现高速打印。
本发明的有益效果如下:
(1)本发明使用熔化或软化且可流动的金属(即前述的金属甲)累积并生成金属零件,使用粉末(尤其是金属粉末)作为填充材料在金属零件的成型过程中起到支撑作用,在三维打印结束后可以将粉末移除,这样可以打印形状和结构复杂的金属零件(尤其是打印内部存在复杂腔体结构的金属零件),并且打印成本低廉(相对于现有的SLM和EBM等金属三维打印技术而言)。
(2)进一步地,本发明可以通过在像素点成型的过程中施加电流,利用电阻发热的原理(有别于现有的一些金属三维打印技术使用的电弧放热、高温等离子体加热原理),以单个像素点的空间解析度将已成型金属体与当前正在成型像素点的交界面熔化或者提高交界面的温度,提高打印产生的金属体的层间结合力;尤其是在当前正在成型像素点仍处于熔化的状态下(该熔化状态维持时间极短),使用电流将该交界面的已成型金属体的一侧瞬间熔化,在已成型金属体一侧产生紧贴该交界面的微型“熔池”,可以实现将两者以“熔融”的方式连接,该连接的过程类似于“电阻焊”,相当于每个像素点都是被精确焊接到已成型金属体上;因此,使用本发明的技术打印产生的零件强度高。
(3)本发明通过使用熔化或软化的金属(尤其是使用熔化的金属)与已成型的金属体接触,并且该接触过程存在机械作用力,像素点之间以及正在成型的层与之前已成型的层之间的气体被驱赶走、缝隙被填充,像素点之间以及层间的“缝隙网络”少(“缝隙网络”结构在现有的使用铺金属粉层方式的SLM选区激光熔化技术和EBM电子束熔融技术中普遍存在,需要在打印后进行高温热处理来提高材料密度和强度);因此,使用本发明的技术打印产生的金属零件密度高。
(4)本发明将金属原料加热熔化或软化后(尤其是熔化),在挤出压力的作用下从加热单元的喷嘴(或出口)输出,可以通过使用小口径的喷嘴(例如50微米内径)产生小直径的像素点;由于喷嘴的位置是被精确控制的,所挤出的液态金属的位置也被精确控制(有别于现有的一些使用“喷金属粉”方式的金属三维打印技术),并且使用“电阻发热”的方式来连接像素点与已成型的金属体,“电阻发热”的能量作用范围小且可控性高(有别于现有的一些金属三维打印技术使用的电弧放热、高温等离子体加热方式);因此,本发明的成型精度高。
(5)本发明采用简单的运动驱动机构控制微型金属液化单元(即加热单元)的位置和采用电阻发热方式增强层间结合力,打印的幅面取决于运动驱动机构的运动控制范围,如果采用大型多轴驱动机构,例如:大型XYZ三轴运动控制机构,就可以打印大型金属结构件,而SLM和EBM技术的打印幅面小。
(6)本发明采用简单的运动驱动机构,采用微型加热单元产生液态或软化金属、仅有微型加热单元保持高温状态,采用简单的金属原料输送方式,设备结构可以做得简单;使用纯电流加热成型的方式,不需要大功率激光系统(大功率激光系统价格昂贵,并且激光器的使用寿命普遍在一万小时以内),也可以在非真空环境下打印成型(电子束熔融技术EBM需要在真空环境下成型);因此,本发明的实施成本低廉,即生产成本和使用成本低。
综上所述,本发明的有益效果:可以制造形状和结构复杂的金属零件,产生的金属零件强度高且密度高、成型精度高、可打印大型金属零件、设备结构简单、成本低廉,可推动金属三维打印技术在工业生产、原型设计、创意设计等领域普及。本发明具有实质性进步。
附图说明
图1是三维立体透视图,用于说明本发明的一种金属三维打印设备的第一个较佳具体实施例的整体结构;
图2是示意图,用于说明图1所示的本发明的一种金属三维打印设备的第一个较佳具体实施例的组成原理;
图3是示意图,用于说明本发明的一种金属三维打印方法的第一个较佳具体实施例的打印成型原理,其中的箭头D1表示移动方向;
图4是示意图,用于说明本发明的一种金属三维打印方法的第一个较佳具体实施例的打印成型原理,其中的箭头D2表示移动方向;
图5是示意图,是图4中虚线圆圈所包围的局部的放大图,用于说明本发明的一种金属三维打印方法的第一个较佳具体实施例的成型原理;
图6是示意图,用于说明本发明的一种金属三维打印方法的第一个较佳具体实施例所打印的一个内部存在复杂腔道的零件;
图7至图10是示意图,用于说明本发明的一种金属三维打印方法的第一个较佳具体实施例打印图6所示的零件的原理,其中的箭头D3和D4表示移动方向;
图11和图12是流程图,用于说明本发明的一种金属三维打印方法的第一个较佳具体实施例的打印金属物体的过程(不包含铺粉的过程),其中图11的标号S101至S110和图12的标号S201至S210用于标示流程的具体步骤;
图13是示意图,用于说明金属零件完全被金属粉体支撑起来的情况;
图14是示意图,用于说明本发明的一种金属三维打印设备的铺粉单元的一种结构;
其中的标号:1-用于产生熔化可流动金属的金属液化单元,2-XY导轨系统,3-打印支撑平台,4-成型腔,5-金属原料输送管路,6-保护气体源,7-壳体,8-发热电流发生电路,9-导通探测电路,10-支撑层,11-金属原料仓,12-金属原料输送驱动机构,13-电磁阀和压力传感模块一,14-加热腔体,15-盖帽,16-电磁感应线圈,17-保温层,18-加热腔的喷嘴,19-冷却模块一,20-电磁感应加热驱动模块,21-冷却模块二,22-电磁阀和压力传感模块二,23-熔化的金属原料,24-从加热腔体流出的熔化的金属,25-已打印成型的金属二,26-已打印成型的金属一,29-零件二,30–围栏二,31-金属粉体二,34-零件一,35-围栏,36-金属粉体,53-粉料仓,54-粉料输送管路,55-粉料输出装置,56-刮板,57-刮板位置驱动机构,60–刮板二,61–送料螺杆,62–阀芯模块,63-粉料输出口。
具体实施方式
下面列举本发明的一种金属三维打印方法的一个较佳具体实施例和本发明的一种金属三维打印设备的一个较佳具体实施例,并结合附图对本发明进行详细描述。
如图3至图10所示的本发明的一种金属三维打印方法的第一个较佳具体实施例:一种金属三维打印方法,其主要过程为:将熔化且可流动的金属放置到三维打印设备所使用的成型区,熔化且可流动的金属不具备流动性之后转变为已打印成型的金属,熔化且可流动的金属在已打印成型的金属的基础上累积、直至所要打印的物体成型,由累积的已打印成型的金属构成所要打印的物体;其中:在累积熔化且可流动的金属的过程中,熔化且可流动的金属所被放置的位置由所要打印的物体的形状和结构决定;所述的三维打印设备所使用的成型区,是指三维打印设备在打印物体时所使用的空间(对应图1和图2中所示的成型腔4);所述的熔化且可流动的金属即金属甲,所述的已打印成型的金属即金属乙;
在所述的成型区的部分区域累积金属甲和金属乙;在所述的成型区的部分区域累积金属粉末;所累积的金属粉末作为辅助性支撑体(对应图6至图10中的金属粉体36),对所要打印的物体的局部(对应图6至图10中的零件一34)提供支持。
本具体实施例中,在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位熔化,从而使金属甲与金属乙之间通过熔融的方式实现连接;在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间不施加电流。所述的在金属甲与金属乙之间施加电流受到计算机的控制。所述的部分打印区域,是指在打印物体的过程中金属甲和金属乙所要占据的空间当中的一部分。所述的部分打印区域,也可以被理解为:所要打印的物体被映射到三维打印设备所使用的成型区形成的映射空间当中的一部分。所述的部分打印区域,也可以被理解为:所要打印的物体在未来占据的空间被提前划分出来,形成与所要打印的物体呈映射关系的虚拟物体,将该虚拟物体逐步转变成最终打印成型的真实物体;由虚拟物体转变成真实物体的过程就是三维打印成型的过程;将该虚拟物体划分成多个区域,其中的部分区域就是所述的部分打印区域。
本具体实施例中,金属甲与金属乙相互接触的位置受到计算机控制。所要打印的物体采用层叠加的方式产生,即所要打印的物体以层的形式进行叠加产生,并且层的数量为多层;每一层由像素点组成,像素点之间互相连接;层的厚度由像素点的高度决定,层的厚度是单层像素点的高度。所述的金属甲是可流动的,并且金属甲是否流动受到计算机的控制。在打印过程中,金属甲以金属流的形式存在;金属流的前部在与金属乙接触并连接之后,金属流的前部的温度降低而自动转变为金属乙,形成像素点。金属流的前部的温度降低,是由于金属流的前部的热量被媒介导走,例如:之前所累积的金属乙、三维打印设备的打印支撑平台,在非真空环境下打印成型,环境中的气体也会导走一部分热量。金属流的数量为一路。所述的累积粉末,以层的形式累积,即:将粉末铺成层,并以层的形式进行累积。
本具体实施例中,所述的所要打印的物体包括围栏35和目标零件(对应图6至图10中的零件一34),围栏35包围在目标零件的周围。所述的以层的形式累积粉末,其累积方法为:在每产生所要打印的物体的一层之后,在围栏35所包围的区域内填充粉末,然后将粉末抹平,使粉末的上平面与围栏35的上平面共面;粉末体(对应图6至图10中的金属粉体36)的最终的上平面与围栏35的最终的上平面共面。目标零件是使用者进行金属三维打印的目的所在;围栏35是辅助性打印体,在打印结束后被拆除。
本具体实施例中,金属甲与金属乙之间的接触方式为拖拽;所述的拖拽,在打印过程中金属甲以液态实体金属流的形式存在(不是粉末态的松散金属流),金属流在需要打印的区域内作相对于金属乙的移动的同时保持与金属乙接触,金属流的前部在与金属乙接触并连接之后自动转变为金属乙,然后形成像素点,后续的金属流与待打印的像素点所对应的位置接触并且不断转变为金属乙,直至打印结束或打印暂停。使用拖拽方式可以实现高速打印,且设备系统的控制难度更低、使用寿命更长。
金属乙被支撑层10支撑,即在打印过程中打印成型的金属被支撑层10固定住,以支撑层10作为打印第一层的基础;支撑层10是被固定在打印支撑平台3上的金属板,该金属板与打印使用的金属原料是同种材料,也可以使用材料不同但能与目标零件相互焊接在一起的金属板;如图5所示的从加热腔体流出的熔化的金属24属于金属甲,图5中的已打印成型的金属二25和已打印成型的金属一26都属于金属乙。
本具体实施例中,在开始三维打印成型之前,需要先做准备性工作,例如:在打印支撑平台3上固定一块金属板作为支撑层10,导入STL格式的CAD数据文件、设定实际打印零件与三维图形的缩放比例、打印精度,产生保护气氛,产生预设温度的熔化的金属原料23。
在准备性工作就绪之后,从第一层至最后一层的打印成型步骤如下:
步骤S1,开始打印第一层,在计算机的控制下,金属甲与支撑层10上表面的与计算机产生的第一层待打印像素队列当中的第一个像素点所对应的位置进行接触;支撑层10的上表面与第一层的底面共面;进入步骤S2。本具体实施例中,在确保金属甲的发生装置的出口(对应图3至图5中的加热腔的喷嘴18)与支撑层10之间的距离以及金属甲的流出速度都可控的情况下,通过监测金属甲与支撑层10之间是否建立电气连接以及电阻值来判断金属甲与支撑层10是否接触,即:将金属甲与支撑层10都引入一个探测电路里(对应图2中的导通探测电路9),探测电路的一极与金属甲连接,探测电路的另一极与支撑层10连接,如果金属甲与支撑层10相互接触,该探测电路就形成一个回路;同时还监测金属甲与支撑层10之间的电阻值。本具体实施例中,该步骤的待打印像素队列包括围栏35和目标零件(对应图6至图10中的零件一34)的像素点。
步骤S2,计算机根据用户设定和计算产生的参数,在金属甲与支撑层10之间施加电流或者不施加电流;如果需要在金属甲与支撑层10之间施加电流,电流的强度受到计算机控制;本具体实施例中,在打印生成围栏35和目标零件(对应图6至图10中的零件一34)的时候,如果正在打印的像素点是作为该零件与支撑层10之间的强化连接点,则需要施加电流,并且电流的强度足以在设定的单个像素点生成时间内(例如五万分之一秒)熔化支撑层10与金属甲的接触面,其它像素点的成型则不需要施加电流;进入步骤S3。该步骤中,所施加的电流强度是经验值,经过多次测试获得。
步骤S3,计算机判断第一层的打印是否完成,如果没完成,金属甲与支撑层10相接触的位置被设置为与下一个像素点相对应的位置,金属甲与支撑层10相接触,然后重复步骤S2至步骤S3;如果已完成第一层的打印,并且需要打印下一层,就进入步骤S4;如果不需要打印下一层,打印就结束。本具体实施例中,打印一个物体(对应图6至图10中的零件一34和围栏35),需要打印多层,并且每层由多个像素点组成。
步骤S4,在围栏35所包围的区域内填充粉末,然后将粉末抹平,使粉末体(对应图6至图10中的金属粉体36)的上平面与围栏35的上平面共面;由围栏35和目标零件的第一层上平面及粉末体的上平面共同构成新的基础平面;进入步骤S5。
步骤S5,开始打印新的一层,在计算机的控制下,金属甲与最新产生的基础平面上的与计算机产生的当前层待打印像素队列当中的第一个像素点所对应的位置进行接触;最新产生的基础平面与正在打印的当前层的底面共面。本具体实施例中,金属乙通过支撑层10接入探测电路(对应图2中的导通探测电路9),即通过该探测电路监测金属甲与之前已打印成型的那一层之间是否接触;进入步骤S6。本具体实施例中,该步骤的当前层待打印像素队列包括围栏35和目标零件(对应图6至图10中的零件一34)的像素点。
步骤S6,计算机根据用户设定和计算产生的参数,控制是否在金属甲与金属乙之间施加电流;如果施加电流,电流的强度受到计算机的控制;本具体实施例中,在打印生成围栏35和目标零件的时候需要施加电流,并且电流的强度足以在设定的单个像素点生成时间内(例如五万分之一秒)熔化金属乙与金属甲的接触面;进入步骤S7。所施加的电流强度是经验值,经过多次测试获得。
步骤S7,计算机判断当前层的打印是否完成,如果没完成,金属甲与金属乙相接触的位置被设置为与下一个像素点相对应的位置,金属甲与金属乙接触,然后重复步骤S6至步骤S7;如果已完成,就进入步骤S8。
步骤S8,在围栏35所包围的区域内填充粉末,然后将粉末抹平,使粉末体(对应图6至图10中的金属粉体36)的上平面与围栏35的上平面共面;由围栏35和目标零件的该层上平面及粉末体的上平面共同构成新的基础平面;进入步骤S9。
步骤S9,计算机判断围栏35的打印是否已完成,如果还未完成,就重复步骤S5至步骤S8;如果已完成,就进入步骤S10。围栏35的最终层的上平面的高度至少与目标零件的需要被支撑的最高点相同,并且围栏35的最终高度不能高于目标零件的最高点。
步骤S10,计算机判断目标零件的打印是否已经完成,如果已完成,打印就结束;如果未完成,就进入步骤S11。
步骤S11,开始打印目标零件的新一层,在计算机的控制下,金属甲与最新产生的基础平面上的与计算机产生的当前层待打印像素队列当中的第一个像素点所对应的位置进行接触;最新产生的基础平面与正在打印的当前层的底面共面;进入步骤S12。本具体实施例中,该步骤的待打印像素队列只包含目标零件(对应图6至图10中的零件一34)的像素点。
步骤S12,计算机根据用户设定和计算产生的参数,控制是否在金属甲与金属乙之间施加电流;如果施加电流,电流的强度受到计算机的控制;本具体实施例中,在打印生成目标零件的时候需要施加电流,并且电流的强度足以在设定的单个像素点生成时间内(例如五万分之一秒)熔化金属乙与金属甲的接触面;进入步骤S13。所施加的电流强度是经验值,经过多次测试获得。
步骤S13,计算机判断当前层的打印是否已完成,如果没完成,金属甲与金属乙相接触的位置被设置为与下一个像素点相对应的位置,金属甲与金属乙接触,然后重复步骤S12至步骤S13;如果已完成,且需要打印目标零件的下一层,就进入步骤S14,如果不需要打印目标零件的下一层,打印就结束。
步骤S14,重复步骤S11至步骤S13,直至打印结束。
本具体实施例中,上述的从第一层至最后一层的三维成型步骤当中的步骤S2、步骤S6和步骤S12,所述的计算产生的参数,由计算机生成,分两种情况:情况一,计算机根据目标零件(即将要打印的零件)的形状、结构,自动生成可拆卸的辅助性打印体(例如与目标零件同步生成的围栏35),为了方便拆卸,可拆卸的辅助性打印体的部分像素点的成型过程可以不需要通过电阻发热来增强其结构强度;可拆卸的辅助性打印体的所有不需要通过电阻发热来增强其结构强度的像素点都被标记上不需要施加电流的参数;情况二,目标零件的实体区的所有像素点的成型过程需要通过电阻发热来增强其结构强度,目标零件的实体区的所有像素点都被标记上需要施加电流的参数。
本具体实施例中,所述的部分打印区域,主要由所要打印的零件(包括围栏和目标零件)的形状决定,以及由计算机优化的算法决定。在打印第一层时,为了便于将所打印的零件固定在支撑层10上、但又为了便于将打印好的零件从支撑层10上拆卸,只选择在所打印的零件第一层的轮廓线上的四个等分点与支撑层10接触的部位、以及第一层的轮廓中心点与支撑层10接触的部位施加电流以增强这些部位的连接,而在第一层的其它区域不需要在金属甲与支撑层10之间施加电流以免导致所打印的零件与支撑层10之间的结合力过强而难以拆卸。
本具体实施例中,所述的金属甲,其熔化程度可调,通过调节金属甲的温度高低来实现,并受计算机的控制;计算机通过传感器获取加热腔体14和加热腔体14所处的保护气氛环境的温度来估算出熔化的金属原料23的温度,也可以在加热腔体14内部腔体放置超高温热电偶来探测金属原料23的温度;通过调节熔化的金属原料23的温度和控制金属甲的喷出速度来控制金属甲温度的高低,这些参数是经验值,通过多次测试获得这些经验值;这些经验值被存储为数据表,计算机在打印过程中根据用户设定的打印模式调用对应的经验值作为控制参数。金属甲的流动速度及单位流量可调,通过调节金属甲受到的挤出压力大小来实现,并受计算机的控制;在加热腔的喷嘴18的内径为固定值的情况下,熔化的金属原料23的温度和挤出压力决定金属甲的流动速度及单位时间内的流量,这也是通过多次测试获得经验值,并形成经验值数据表,计算机在打印过程中根据用户设定的打印模式调用对应的经验值作为控制参数。
本具体实施例中,在金属甲与金属乙接触之前,金属乙的即将与金属甲接触的区域被预热,使用热辐射的方式预热:加热腔的喷嘴18在高温状态下辐射热量,对金属乙进行预热,加热腔的喷嘴18与金属乙之间的距离越小、预热作用越明显。同时使用电磁感应加热的方式预热:在加热腔体14的外围设置一个电磁感应线圈16,电磁感应线圈16的最下端与加热腔的喷嘴18的最下端齐平,并且在加热腔体14被移动的过程中确保电磁感应线圈16的最下端不碰到已打印成型的金属(即金属乙);电磁感应线圈16在加热金属原料的同时,电磁感应线圈16的下端的磁力线会使其正下方的金属乙感生涡流而发热,但由于电磁感应线圈16的下端的磁力线弱于电磁感应线圈16的螺旋中心中段、且金属乙的体积较大(相对于金属甲)以及金属乙的热量被导走(例如保护气氛和支撑层10、打印支撑平台3都会将金属乙的热量导走)、电磁感应线圈16始终跟随加热腔体14移动导致金属乙被加热时间短,因此,电磁感应线圈16对金属乙仅起到预热作用而无法达到能熔化金属乙的温度。当金属甲与金属乙之间被施加电流的时候,电磁感应线圈16的电源被切断,以避免金属甲被安倍力推动或扰动,但金属甲与金属乙之间的电流的方向与电磁感应线圈16内部的磁力线平行,产生的安倍力在正常情况下可以忽略。
本具体实施例中,所述的在金属甲与金属乙之间施加电流,是在监测到金属甲与金属乙相互接触之后才施加电流的,即发热电流发生电路8在金属甲与金属乙相互接触之后才输出电压;如果在金属甲与金属乙相互接触之前,发热电流发生电路8处于输出电压的状态,在金属甲与金属乙相互接触的瞬间会产生电火花。
具体应用方案:
如图3至图5所示的累积金属甲的过程。附图中的箭头D1和D2代表加热腔体14的移动方向。加热腔体14内的熔化的金属原料23通过高频电磁感应加热使温度高于金属原料的熔点而获得。加热腔体14的下端是加热腔的喷嘴18,加热腔的喷嘴18设置有50微米内径的通孔。如图3所示,正在累积金属甲并产生第一层金属乙,在挤出压力的作用下,从加热腔体流出的熔化的金属24(属于金属甲,在图5中示出)与支撑层10接触,所接触的位置与正在打印的像素点的位置对应。如图4和图5所示,正在打印第二层。通过控制加热腔体14的位置来实现对从加热腔体流出的熔化的金属24(即金属甲)的位置控制。发热电流发生电路8的输出电极分别与熔化的金属原料23、支撑层10连接;当加热腔体14采用导电材料制造时,发热电流发生电路8也通过加热腔体14与金属甲链接。
如图6至图10所示,打印一个内部有复杂腔体结构的目标零件(即零件一34);在产生目标零件的过程中,同步产生围栏35,围栏35围绕在零件一34的周围,围栏35与零件一34之间不相互接触;围栏35属于辅助性打印体,在打印结束后被拆除、丢弃或回收再利用;其中,打印图6中的零件一34的过程:在支撑层10上累积金属甲并产生围栏35和零件一34的第一层(属于金属乙),然后在围栏35的第一层所包围的区域内填充金属粉,之后移动刮板56,刮板56贴着围栏35第一层的上平面移动(实际上也是贴着零件一34第一层的上平面移动),多余的金属粉被刮到围栏35之外的区域;金属粉被填充到围栏35第一层所包围的且未被占据的所有空间,形成金属粉体36,金属粉体36的上平面与围栏35、零件一34第一层的上平面共面并获得打印金属体(包括围栏35和零件一34)第二层所需的基础平面;如图7所示,累积产生金属体(包括围栏35和零件一34)的第N层,然后铺金属粉(图8所示),之后刮板56贴着围栏35第N层的上平面移动(图9所示),刮平金属粉体,之后获得金属粉体36的第N层(图10所示),围栏35、零件一34第N层的上平面与金属粉体36第N层的上平面共面并获得打印金属体(包括围栏35和零件一34)第N+1层所需的基础平面;N代表一个大于1的数值。
所铺的金属粉体36的最高平面与围栏35的最终平面共面;围栏35的最后一层的上平面与零件一34内部的腔道的最高点等高(该高度是以支撑层10为参照平面的);利用围栏35将金属粉体(对应附图中的金属粉体36)约束在零件一34的周围;零件一34内部的腔道也被金属粉体36填充;在打印过程中,金属粉体36起到支撑体的作用;打印结束后,去除金属粉体36;在打印零件一34和围栏35的过程中,从打印第二层开始,所有实体区的每一个像素点都采用电阻发热及熔融的方式增强连接。
本具体实施例可以打印内部带有复杂空腔结构的金属零件。在零件的设计阶段,需预留排泄金属粉的孔道。在打印过程中,金属粉填充金属零件内部的空腔;打印结束后,零件内部的金属粉被排出。
图11是打印金属物体(包括围栏35和零件一34)第一层的流程:
步骤S101,准备性工作就绪,准备开始打印金属物体的第一层;以支撑层10作为打印第一层的基础;计算机调整加热腔的喷嘴18与支撑层10之间的距离以满足打印第一层的需要;该距离值是经验值,经过多次测试获得,该经验值在后面有阐述。
步骤S102,金属甲在计算机的控制下,加热腔的喷嘴18在需要打印的区域内移动并输送出熔化的可流动的金属(即金属甲,如图3所示),金属甲与支撑层10上表面的与计算机产生的第一层待打印像素队列当中的第一个像素点对应的位置进行接触。上述需要打印的区域包括围栏35和零件一34的第一层在成型区对应的空间;计算机产生的第一层待打印像素队列包括围栏35和零件一34的第一层的所有像素点,并且对所有像素点排序,以打印整层金属所需的时间最少为排序原则(在此原则下,加热腔的喷嘴18移动路径的总长度为最短)。
步骤S103,计算机判断金属甲与支撑层10是否已经接触,如果已经接触,就进入步骤S106;如果未接触,就进入步骤S104。在此步骤,如果金属甲不连续(例如金属甲在生成过程中被气泡阻断),会被监测到。
步骤S104,金属甲与支撑层10之间不被施加电流,即发热电流发生电路8不输出电压。
步骤S105,加热腔的喷嘴18暂停移动,等待金属甲与支撑层10接触,进入步骤S103。
步骤S106,计算机判断当前所在位置的累积成型(即正在打印的像素点)是否需要通过电阻发热来提高连接强度,如果需要提高连接强度,就进入步骤S107;如果不需要提高连接强度,就进入步骤S108。在本具体实施例中,围栏35和零件一34的第一层的轮廓线上的四个等分点与支撑层10接触的部位、以及零件一34第一层的轮廓中心点与支撑层10接触的部位施加电流以增强这些部位的连接,而在第一层的其它区域不需要在金属甲与支撑层10之间施加电流以免导致所打印的金属体与支撑层之间的结合力过强而难以拆卸。
步骤S107,计算机控制发热电流发生电路8输出电压,在金属甲与支撑层10之间产生强电流,在五万分之一秒的时间内使当前位置的金属甲(即正在打印的像素点)与支撑层10交界面的位于支撑层10一侧产生微型熔池(此时的金属甲仍处于熔化状态),之后计算机控制发热电流发生电路8停止输出电压。所施加的电流强度是经验值,经过多次测试获得。金属甲的体积极小,热容量极小,熔融状态的维持时间极短,因为支撑层10和保护气氛等媒介会在极短时间内将金属甲的热量导走。
步骤S108,计算机判断第一层是否已经打印结束,如果还没结束,就进入步骤S109;如果第一层打印结束,就进入S110。
步骤S109,加热腔的喷嘴18移动至下一个像素点对应的位置(加热腔的喷嘴18的移动是以支撑层10为参照物),然后返回步骤S103。
步骤S110,第一层打印结束。
在第一层打印结束后,铺第一层金属粉,具体铺粉方法参见前述内容。
图12是打印金属物体(包括围栏35和零件一34)第二层以及之后的其它层的流程(其中n代表2以及大于2的数):
步骤S201,准备开始打印金属物体的第n层;计算机调整加热腔的喷嘴18与之前已打印完成的第n-1层之间的距离以满足打印第n层的需要;该距离值是经验值,经过多次测试获得,该经验值在后面有阐述。
步骤S202,金属甲在计算机的控制下,加热腔的喷嘴18在需要打印的区域内移动并输送出熔化的可流动的金属(即金属甲,如图5所示的从加热腔体流出的熔化的金属24),金属甲与第n-1层(围栏35、零件一34和金属粉体36的第n-1层)上表面的与计算机产生的第n层待打印像素队列当中的第一个像素点对应的位置进行接触。上述需要打印的区域包括围栏35和零件一34的第n层在成型区对应的空间;计算机产生的第n层待打印像素队列包括围栏35和零件一34的第n层的所有像素点,并且对所有像素点排序,以打印整层金属所需的时间最少为排序原则(在此原则下,加热腔的喷嘴18移动路径的总长度为最短)。
步骤S203,计算机判断金属甲与第n-1层(围栏35、零件一34和金属粉体36的第n-1层)是否已经接触,如果已经接触,就进入步骤S206;如果未接触,就进入步骤S204。在此步骤,如果金属甲不连续(例如金属甲在生成过程中被气泡阻断),会被监测到。
步骤S204,金属甲与金属乙(如图5所示的已打印成型的金属二25、已打印成型的金属一26)、金属粉体36之间不被施加电流,即发热电流发生电路8不输出电压。在此步骤,包括已打印成型的第n-1层金属在内的金属乙实际上是通过支撑层10接入发热电流发生电路8的,也可以理解为在金属甲与支撑层10之间不施加电流,或者金属甲与已打印成型的第n-1层金属之间不被施加电流。
步骤S205,加热腔的喷嘴18暂停移动,等待金属甲与第n-1层金属(包括金属乙和金属粉体36的第n-1层)上表面接触,进入步骤S203。
步骤S206,计算机判断当前所在位置的累积成型(即正在打印的像素点)是否需要通过电阻发热来提高连接强度,如果需要提高连接强度,就进入步骤S207;如果不需要提高连接强度,就进入步骤S208。在累积金属甲的过程中,当金属甲与金属粉体36接触时,金属甲与金属粉体36之间不需要通过电阻发热来提高连接强度;零件一34的第n层的所有像素点都需要通过电阻发热来提高连接强度。
步骤S207,计算机控制发热电流发生电路8输出电压,在金属甲与金属乙之间产生强电流,在五万分之一秒的时间内使当前位置的金属甲(即正在打印的像素点)与金属乙交界面的位于金属乙一侧产生微型熔池(此时的金属甲仍处于熔融状态),之后计算机控制发热电流发生电路8停止输出电压。所施加的电流强度是经验值,经过多次测试获得。在此步骤,包括已打印成型的第n-1层金属在内的金属乙、金属粉体36实际上是通过支撑层10接入发热电流发生电路8的,也可以理解为在金属甲与支撑层10之间施加电流。金属甲的体积极小,热容量极小,熔融状态的维持时间极短,因为已打印成型的金属(即金属乙)和保护气氛等媒介会在极短时间内将金属甲的热量导走,金属甲携带的热量无法将金属甲与金属乙接触面的金属乙一侧熔化;如果不通过电阻发热的方式将金属甲与金属乙交界面的位于金属乙的一侧熔化,金属甲与金属乙的连接强度就不高。
步骤S208,计算机判断第n层是否已经打印结束,如果还没结束,就进入步骤S209;如果第n层打印结束,就进入S210。
步骤S209,加热腔的喷嘴18移动至下一个像素点对应的位置,然后返回步骤S203。
步骤S210,第n层打印结束。
在第n层打印结束后,铺金属粉体36的第n层金属粉,具体铺粉方法参见前述内容。
如果围栏35已打印完成,还需继续打印零件一34,零件一34的后续成型过程与上述的第二层至第n层的成型过程基本相同,区别就是每层的待打印像素队列中只包含的零件一34的像素点、不需要再铺金属粉。
由于在金属原料熔化过程中,金属原料内可能混有气体,并且本具体实施例在非真空环境下实施,导致熔化的金属原料23内可能存在气泡。在挤出压力的作用下,气泡可能会跟随熔化的金属原料23从加热腔的喷嘴18流出,导致从加热腔体流出的熔化的金属24(即金属甲)可能是不连贯的。所以,需要一个实时监测金属甲是否与金属乙或金属粉体36接触的电路,即导通探测电路9(属于控制单元的一部分)。通过实时监测金属甲是否与金属乙或金属粉体36接触来判断当前正在打印的像素点是否有效,即:是否有金属甲填充该像素点所在的位置点。并且,在监测到金属甲与金属乙已经接触之后,才对金属甲和金属乙施加电流,可以避免两者之间产生电火花,进而避免电火花产生的微型爆炸将金属甲推走甚至炸飞。在本具体实施例中,导通探测电路9的响应速度极高,采样频率为100MHz,在五千万分之一秒的时间内做出响应。
如图1和图2所示的本发明的一种金属三维打印设备的第一个较佳具体实施例,该较佳具体实施例是一种应用上述本发明的一种金属三维打印方法第一个较佳具体实施例的设备。该较佳具体实施例,其组成包括:用于产生熔化的金属的加热单元(对应图1中的用于产生熔化可流动金属的金属液化单元1)、用于控制熔化的金属与已打印成型的金属之间的相互接触位置的成型位置驱动机构(对应图1中的XY导轨系统2、打印支撑平台3)、用于在熔化的金属与已打印成型的金属之间施加电流以实现电阻发热的发热电流发生电路8、以计算机为核心的控制单元(未在附图中完整示出)、金属原料输送单元(对应图2中的金属原料仓11、金属原料输送驱动机构12、金属原料输送管路5)、保护气体输送单元(包括保护气体源6、电磁阀和压力传感模块一13、电磁阀和压力传感模块二22及对应的管路)、冷却单元(包括冷却模块一19和冷却模块二21)、铺粉单元、成型腔4;其中:所述的加热单元、成型位置驱动机构、发热电流发生电路8、金属原料输送单元、保护气体输送单元、冷却单元、铺粉单元分别与控制单元连接,并受到控制单元的控制;控制单元接受使用者输入三维打印所需的文件(例如STL格式的CAD数据)、参数及控制指令;加热单元、成型位置驱动机构、发热电流发生电路8、金属原料输送单元、保护气体输送单元、冷却单元、铺粉单元分别设置于或部分设置于壳体7内部空间;壳体7内部的空间作为成型腔4,并被保护气体填充,在成型腔4形成保护气氛。
所述的已打印成型的金属即金属乙;从加热单元流出的熔化的金属即金属甲(对应图5中的从加热腔体流出的熔化的金属24)。
铺粉单元在打印成型的过程中铺粉,所铺的粉末体(对应图6至图10中的金属粉体36)作为辅助性支撑体,尤其是在打印内部有复杂空腔结构的零件时作为填充零件内部空腔的支撑体,在打印完成后清除支撑体,例如打印图6所示的零件一34。
本具体实施例中,加热单元(对应图1中的用于产生熔化可流动金属的金属液化单元1)主要由加热腔体14、电磁感应线圈16、盖帽15组成,其中:加热腔体14内有空腔,加热腔体14的下端是加热腔的喷嘴18并且有出口(内径50微米),加热腔体14的上端与盖帽15连接,盖帽15和电磁感应线圈16都与XY导轨系统2连接;盖帽15内部设置有冷却通路作为冷却结构,冷却通路与外界的冷却模块二21连接,将盖帽15与XY导轨系统2连接处的温度控制在50℃左右;盖帽15上有一个与金属原料输送单元的金属原料输送管路5相互连接的通孔,金属原料输送单元经过该通孔将金属原料送入加热腔体14内;电磁感应线圈16采用金属管制成,金属管内部的通路与外界的冷却模块一19连接,电磁感应线圈16与电磁感应加热驱动模块20连接(电磁感应加热驱动模块20属于控制单元的一部分);通过电磁感应线圈16耦合作用而在加热腔体14和加热腔体14内的金属原料产生感应电流并发热,在加热腔体14内产生熔化的金属原料23;熔化的金属原料23从加热腔的喷嘴18流出产生金属甲(对应图5的从加热腔体流出的熔化的金属24);加热腔体14的下段被保温层17包裹,保温层17介于加热腔体14、电磁感应线圈16之间,但保温层17不接触电磁感应线圈16。加热单元的数量为一个。
本具体实施例中,冷却单元(包括冷却模块一19和冷却模块二21),采用水冷方式,对受到高温影响但不能承受高温和不需要被加热的位置进行冷却,例如对电磁感应线圈16和加热腔体14上端的盖帽15进行冷却。冷却单元通过水泵和管路将热量转移给散热器。
本具体实施例中,成型位置驱动机构为多轴运动机构,采用XYZ三轴(三维)驱动机构;X轴和Y轴驱动加热单元(对应图1中的用于产生熔化可流动金属的金属液化单元1)的移动,Z轴驱动打印支撑平台3的升降(在垂直方向的移动)。
本具体实施例中,控制单元主要由计算机、驱动电路、传感电路组成,其中:计算机为通用计算机与嵌入式计算机构成的复合计算机系统,通用计算机作为上位机,嵌入式计算机(例如以高速FPGA为处理器的主控板)作为下位机;驱动电路驱动包括加热单元、成型位置驱动机构、发热电流发生电路8、金属原料输送单元、保护气体输送单元、冷却单元、铺粉单元在内的执行机构,为执行机构提供驱动电流和驱动信号;计算机通过传感电路获取三维打印所需的各种状态信息,例如位置、压强、温度、电流强度、气体成分、转速、磁场强度、电容、电阻、湿度、红外线、图像等信息。图2中的电磁感应加热驱动模块20和导通探测电路9都属于控制单元的一部分。
本具体实施例中,铺粉单元主要由粉料仓53、粉料输送管路54、粉料输出装置55、刮板56、铺粉位置驱动机构组成,其中:粉料仓53内的粉料经粉料输送管路54被输送到粉料输出装置55,粉料输出装置55和刮板56的位置受到铺粉位置驱动机构及控制单元的控制;粉料输出装置55的内部设置有空腔,该空腔作为粉料输出通路并与粉料输送管路54内部的通路相连通,粉料输出装置55的出口处设置有阀门,该阀门控制粉料的输出,阀门的宽度和长度可调节;粉料输出装置55可以边移动边铺粉,刮板56用于抹平粉料输出装置55所铺的粉层并刮掉多余的粉末;铺粉位置驱动机构与控制金属甲、金属乙之间的相互接触位置的成型位置驱动机构存在共有结构,即:粉料输出装置55与用于产生金属甲的加热单元共用XY导轨系统2。刮板56使用独立的刮板位置驱动机构57(属于一维运动机构)。粉料输出装置55可做扫描式铺粉,即边移动边铺粉,如图8所示。刮板56在刮板位置驱动机构57的驱动下,将不平整的粉末层抹成一个平面,如图9至图10所示。铺粉过程:打印围栏35和零件一34的每一层之后,粉料输出装置55做扫描式铺粉(如箭头D3所示的总体移动方向),刮板56紧贴着围栏35和零件一34的上表面所在的平面作直线移动(在图9和图10中为自左向右移动,如箭头D4所示的方向),在围栏35和零件一34的约束下,多余的金属粉被刮走,新铺的金属粉层、围栏35和零件一34的上表面成为打印新一层结构所需的基础平面。
本具体实施例中,所述的发热电流发生电路8通过熔化的金属原料23与金属甲连接、通过支撑层10与金属乙连接;发热电流发生电路8的工作状态受到控制单元的控制。加热腔体14采用导电材料制造,发热电流发生电路8也通过加热腔体14与金属甲链接。
本具体实施例中,金属原料采用金属丝/金属线的形态;所述的金属原料输送单元主要由金属原料仓11、金属原料输送驱动机构12、金属原料输送管路5组成,其中:金属原料输送管路5将金属原料仓11、金属原料输送驱动机构12、加热单元的盖帽15连接在一起;金属原料仓11存储金属丝,金属丝被缠绕在金属原料仓11内的一个可旋转的线盘上;金属原料输送驱动机构12的核心采用送丝轮结构;金属丝在金属原料输送驱动机构12的拉动/推动下在金属原料输送管路5中穿行并到达加热单元的加热腔体14内部。
本具体实施例中,所述的保护气体输送单元所输送的保护气体为氩气,用于保护被加热的金属,例如:保护熔化的金属原料23、从加热腔体流出的熔化的金属24、被加热的已成型的金属,避免与空气中的成分发生反应。保护气体来源于高压气瓶(对应图中的保护气体源6,由惰性气体生产厂供应);保护气体输送单元主要由保护气体源6、输送管路、电磁阀和压力传感模块一13、电磁阀和压力传感模块二22组成;控制单元根据设定的压强、气体浓度等参数,比对从压力传感器、气体传感器(例如氧气浓度传感器)等传感器获得的实际数据,控制电磁阀的通断及通断频率以实现对成型腔4内的压强、保护气体浓度的调节,以及对加热腔体14内压强的调节;本具体实施例中采用的电磁阀是高速电磁阀。
本具体实施例中,通过对加热腔体14内氩气的压强的调节来实现对施加于熔化的金属原料23的挤出压力的调节。使用气体推动熔化的金属原料23流出以生成金属甲(对应图5中的从加热腔体流出的熔化的金属24),很容易实现高温隔离,具有可实施性。
本具体实施例中,加热腔体14采用耐高温材料制造,例如特种钨合金;与加热腔体14上端连接的盖帽15采用镍基高温合金制造;保温层17采用锆陶瓷制造;金属原料为钛合金。在加热腔体14内的金属原料被加热至2000℃左右,在1个大气压以上的挤出压力推动下产生金属甲(对应图5中的从加热腔体流出的熔化的金属24)。
本具体实施例中,如图3所示,在打印第一层时,加热腔的喷嘴18下端与支撑层10的距离为加热腔的喷嘴18内径的1.1至2倍(即55-100μm);如图4和图5所示,在打印其它层时,加热腔的喷嘴18下端与已打印成型的前一层之间的距离为加热腔的喷嘴18内径的1.1至2倍;在2个标准大气压的挤出压力作用下,以及钛合金液体的温度为2000℃左右或者316不锈钢液体的温度为1800℃左右时,在加热腔的喷嘴18的移动速度为1米每秒的情况下,能确保液态金属与支撑层10或已打印成型的前一层金属层正常接触,并且已成型的像素带(单条)的宽度基本保持在加热腔的喷嘴18内径尺寸。
在上述的打印成型过程中,在打印第二层及之后的其它金属层时,金属甲的体积极小,热容量极小,熔融状态的维持时间极短,因为已打印成型的金属(即金属乙)和保护气氛等媒介会在极短时间内将金属甲的热量导走,金属甲携带的热量无法将金属甲与金属乙接触面的金属乙一侧熔化;如果不通过电阻发热的方式将金属甲与金属乙交界面的位于金属乙的一侧熔化,金属甲与金属乙的连接强度就不高,在外力(如折弯力)作用下容易使层与层之间、像素点与像素点之间发生分离;同样道理,在打印第一层金属时,也面临相同的问题,可以利用这特性,将第一层与支撑层10分离。
本具体实施例中,当金属甲在金属粉体36上累积时,即当前的累积成型所处的基础平面的区域由金属粉体36构成,金属甲的黏度、流动性等参数会影响到金属粉体36的上平面的平整性,因为金属粉在外力的作用下会发生移动(即被金属甲推动或带动)。通过调节金属甲的温度、金属甲的喷出速度、加热腔的喷嘴18的移动速度等参数来避免金属粉体36的上平面被破坏,进而避免打印出来的金属零件部分结构或形状发生形变;这些参数也是经验值,通过多次测试获得。
铺金属粉的方式是可以根据实际应用进行调整的,如图13所示:先打印围栏二30的多层(层数由用户设置),然后铺金属粉,之后才进行零件二29与围栏二30的同步打印;在后续的成型过程中,每打印零件二29、围栏二30的一层之后,就铺一层金属粉;零件二29的第一层与支撑层10之间填充金属粉,零件二29与围栏二30之间填充金属粉,在围栏二30所包围的空间内的所有金属粉构成金属粉体二31。
铺粉单元的粉料输出装置可以与刮板设置在一起,如图14所示:粉料输出装置内部的腔体设置有送料螺杆61,腔体的出口作为粉料输出口63,粉料输出口63与阀芯模块62组成阀门;粉料输出口63的开闭及其宽度和长度都受到阀芯模块62的调节;粉料输出装置内部的腔体与粉料输送管路连通,送料螺杆61将粉料输送管路输送来的粉料传送到粉料输出口63,粉料在粉料输出口63处自动掉落;在铺粉过程中,粉料输出口63在成型区的所处位置及有效长度都与所要打印的金属物体(包括围栏和目标零件)适配;粉料输出装置边输出粉料边移动,刮板二60与粉料输出装置同步移动,并将从粉料输出装置掉落在围栏所包围区域的粉料抹平。
本发明的具体实施例如果采用多个加热单元(用于产生多路金属甲),每个加热单元分别由独立的多轴机械臂(例如五轴机械臂)驱动,并且铺粉位置驱动机构也采用多轴机械臂(例如五轴机械臂),那么三维打印成型的速度及其灵活性将获得提升。
以上所述,仅作为本发明的较佳具体实施例,不能以此限定本发明的实施范围,即依据本发明权利要求书及说明书内容所做的等效变换与修饰,皆仍属于本发明涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种金属三维打印方法,其主要过程为:将熔化或软化且可流动的金属放置到三维打印设备所使用的成型区,熔化或软化且可流动的金属不具备流动性之后转变为已打印成型的金属,熔化或软化且可流动的金属在已打印成型的金属的基础上累积、直至所要打印的物体成型,由累积的已打印成型的金属构成所要打印的物体;其中:在累积熔化或软化且可流动的金属的过程中,熔化或软化且可流动的金属所被放置的位置由所要打印的物体的形状和结构决定;所述的三维打印设备所使用的成型区,是指三维打印设备在打印物体时所使用的空间;所述的熔化或软化且可流动的金属即金属甲,所述的已打印成型的金属即金属乙;
其特征在于:
在所述的成型区的部分区域累积金属甲和金属乙;在所述的成型区的部分区域累积粉末;所累积的粉末作为辅助性支撑体,对所要打印的物体提供支持,或者对所要打印的物体的局部提供支持;所述的累积粉末,以层的形式累积,即:将粉末铺成粉末层,并以层的形式进行累积;
所述的以层的形式累积粉末,其累积方法为:在每累积产生所要打印的物体的一层之后,在围栏(35)所包围的区域内填充粉末,然后将粉末抹平,使粉末体的上平面与围栏(35)的上平面共面。
2.根据权利要求1所述的金属三维打印方法,其特征在于:
在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,通过电阻发热的方式将金属乙与金属甲相接触的部位熔化;
或者,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,通过电阻发热的方式将金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化;
或者,在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位熔化;在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化;
或者,在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位熔化;在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化;在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间不施加电流;
或者,在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位熔化;在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间不施加电流;
或者,在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间施加电流,采用电阻发热的方式,使金属乙与金属甲相接触的部位的温度升高、但不熔化;在部分打印区域,在累积金属甲的过程中,在金属甲与金属乙之间不施加电流;
所述的部分打印区域,是指在打印物体的过程中金属甲和金属乙所要占据的空间当中的一部分;
所述的在金属甲与金属乙之间施加电流受到计算机的控制。
3.根据权利要求1所述的金属三维打印方法,其特征在于:
金属甲与金属乙相互接触的位置受到计算机控制;
所要打印的物体采用层叠加的方式产生,即所要打印的物体以层的形式进行叠加产生,层的数量至少为一层;每一层由像素点组成,层的厚度由像素点的高度决定;
所述的金属甲是可流动的,并且金属甲是否流动受到计算机的控制;在打印过程中,金属甲以金属流的形式存在;金属流的前部在与金属乙接触并连接之后,金属流的前部的温度降低而自动转变为金属乙,形成像素点;金属流的数量至少为一路。
4.根据权利要求3所述的金属三维打印方法,其特征在于:
所述的所要打印的物体包括围栏(35)和目标零件,其中:围栏(35)围绕在目标零件的周围,打印结束后拆除所述围栏(35)。
5.一种金属三维打印设备,其采用权利要求1至4任一项所述的金属三维打印方法进行三维打印,主要由用于产生熔化或软化且可流动的金属的加热单元、用于控制熔化或软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间的相互接触位置的成型位置驱动机构、金属原料输送单元、以计算机为核心的控制单元组成;其中:所述的加热单元、成型位置驱动机构、金属原料输送单元分别与控制单元连接,并受到控制单元的控制;控制单元接受使用者输入三维打印所需的文件、参数及控制指令;所述的金属原料输送单元将三维打印所需的金属原料输送到所述的加热单元内;
所述的已打印成型的金属即金属乙;从加热单元产生的熔化或软化且可流动的金属即金属甲;
其特征在于:设置有铺粉单元,用于在打印成型的过程中进行铺粉,所铺的粉末体作为辅助性支撑体,辅助性支撑体可被清除;铺粉单元受到控制单元的控制。
6.根据权利要求5所述的金属三维打印设备,其特征在于:
所述的加热单元设置有出口,金属原料在加热单元中被加热后从加热单元的出口输出形成金属甲;加热单元的数量至少为一个;
所述的成型位置驱动机构为多轴驱动机构;
所述的控制单元主要由计算机、驱动电路、传感电路组成,其中:计算机为通用计算机,或嵌入式计算机,或工控机,或通用计算机与嵌入式计算机构成的复合计算机系统,或工控机与嵌入式计算机构成的复合计算机系统,或通用计算机、工控机、嵌入式计算机构成的复合计算机系统;驱动电路驱动包括加热单元、成型位置驱动机构、金属原料输送单元在内的执行机构,为执行机构提供驱动电流和/或驱动信号;计算机通过传感电路获取三维打印所需的状态信息。
7.根据权利要求5所述的金属三维打印设备,其特征在于:还包括用于在金属甲与金属乙之间施加电流以实现电阻发热的发热电流发生电路(8);可通过电阻发热的方式改变金属甲与金属乙之间相互接触的部位的温度;
发热电流发生电路(8)与金属甲、金属乙连接;金属甲、金属乙与发热电流发生电路(8)的连接状态受到控制单元的控制,和/或发热电流发生电路(8)的工作状态受到控制单元的控制。
8.根据权利要求5所述的金属三维打印设备,其特征在于:
所述的铺粉单元主要由粉料仓(53)、粉料输送管路(54)、粉料输出装置(55)、刮板(56)、铺粉位置驱动机构组成,其中:粉料仓(53)内的粉料经粉料输送管路(54)被输送到粉料输出装置(55),粉料输出装置(55)和刮板(56)的位置受到铺粉位置驱动机构及控制单元的控制;粉料输出装置(55)可边移动边铺粉,刮板(56)用于抹平粉料输出装置(55)所铺的粉层并刮掉多余的粉末;粉料输出装置(55)输出粉末的状态受到控制单元的控制;粉料输出装置(55)内部的通路与粉料输送管路(54)内部的通路相连通,粉料输出装置(55)的出口处设置有阀门,阀门控制粉料的输出,阀门的宽度和/或长度可调节或者不可调节;
所述的粉料输出装置(55)与刮板(56)之间存在共有结构,或者这两者之间不存在共有结构;
所述的铺粉位置驱动机构是一维、或两维、或多维驱动机构;
前述的用于控制金属甲与金属乙之间的相互接触位置的成型位置驱动机构与所述的铺粉位置驱动机构之间存在共有结构,或者这两者之间不存在共有结构。
9.根据权利要求5所述的金属三维打印设备,其特征在于:
还包括保护气体输送单元,其所输送的保护气体主要用于保护被加热的金属和/或推动金属甲的流动;保护气体输送单元受到控制单元的控制;保护气体来源于其它系统和/或由保护气体输送单元制造产生;
还包括冷却单元,用于对受到高温影响但不能承受高温和/或不需要被加热的部位进行冷却;冷却单元受到控制单元的控制。
10.根据权利要求5所述的金属三维打印设备,其特征在于:所述的加热单元主要由加热腔体(14)、电磁感应线圈(16)、盖帽(15)组成,其中:加热腔体(14)内设置有空腔,加热腔体(14)的下方设置有出口,加热腔体(14)的上端与盖帽(15)连接;盖帽(15)设置有冷却结构,冷却结构用于对盖帽(15)进行冷却或散热;盖帽(15)设置有与金属原料输送单元连接的通孔,金属原料输送单元经过该通孔将金属原料送入加热腔体(14)内;在加热腔体(14)外围设置电磁感应线圈(16),电磁感应线圈(16)与控制单元连接,通过电磁感应线圈(16)耦合作用而在加热腔体(14)和/或加热腔体(14)内的金属原料产生感应电流并发热。
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