CN106313501B - 一种直流电脉冲控制的熔滴沉积3d打印装置及打印方法 - Google Patents
一种直流电脉冲控制的熔滴沉积3d打印装置及打印方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置及打印方法,通过直流高压脉冲发生器产生矩形脉冲高压,通过上下电极的连接,瞬时激发熔体喷射液滴,配合成形基板三维移动,熔滴逐点逐层地堆积形成三维制件。此装置结构简单,易于操控,熔体液滴形成响应频率高,打印速度快,可用来制造任意复杂形状制件,进行多样化打印。另外,通过加热坩埚将材料熔化,温度适用范围高,对材料种类要求低,选择材料适用性广泛,如各种高分子材料,金属铝,锡等合金材料都可以通过本装置进行可靠地3D打印,打印效率高、质量高。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域,涉及一种直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置及使用该装置进行3D打印的方法。
背景技术
熔滴沉积制造技术作为一种新型3D打印成形技术,是利用零件CAD信息,通过计算机控制系统控制均匀熔滴的产生,逐点、逐层控制沉积到基板上制造出三维微小零件的一种增材制造技术。该技术可直接成形复杂三维结构,可实现多种材料同时成形,完成不同材料结合的零件打印。特点是无需价格昂贵的激光系统,运行费用很低,可靠性高,材料选择广泛。减少了传统工艺在零件设计、制造过程中的约束条件,已成为无约束成形技术的一个新发展方向。
根据熔滴沉积技术中均匀液滴产生原理和控制方式的不同,金属液滴喷射技术可以分为连续式喷射(continu-ous-ink-jet,CIJ)和按需式喷射(drop-on-demand,DOD)两大类。其中,按需式喷射技术是通过驱动器产生脉冲压力挤压熔体流出喷嘴形成微滴.根据脉冲压力产生的方式不同,按需式喷射主要有气压驱动式、压电驱动式、机械振动式、应力波式等.文献1“Duthaler G M.,Design of a Drop-on-demand Delivery System forMolten Solder Microdrops.Dissertation for Master Degree.Cambridge:Massachusetts Institute of Technology,1995”中美国麻省理工学院(MIT)开发了压电驱动式按需喷射装置,通过压电陶瓷产生位移挤压摸片形成微滴通过喷嘴喷射。文献2“Sohn H,Yang D Y.,Drop-on-demand deposition of superheated metal droplets forselective infiltration manufacturing.Mater Sci Eng A,2005,392:415–421”中采用机械振动式原理通过振动杆位移产生液滴喷射。文献3“Amirzadeh G A.,Producing SmallDroplets of Aqueous Solutions and Molten Metals Using a Pneumatic DropletGenerator.Dissertation for Ph.D.Degree.Toronto:University of Toronto,2010”中加拿大多伦多大学开发了气压驱动式按需喷射装置,实现了锡铅合金液滴喷射。
但以上的液滴喷射方式存在的技术缺陷主要有:装置复杂、液滴受外界因素影响大,沉积件表面精度不够;熔体液滴形成过程响应速度慢,喷射频率低,难以提高打印速度和效率。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置及打印方法,提高喷射频率、液滴可控性能和打印效率。
技术方案
一种直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置,其特征在于包括高压直流脉冲发生器9、加热炉2、加热元件3、活塞状导电阳极1、环状金属阴极6、漏斗状绝缘喷嘴5和用于放置成型基底的成型工作台8;加热炉2的上端设有活塞状导电阳极1,下端设有漏斗状绝缘喷嘴5,漏斗状绝缘喷嘴5的下端为环状金属阴极6,高压直流脉冲发生器9的正负极分别连接环状金属阴极6和活塞状导电阳极1;坩埚2上设有为加热炉2内熔体加热的加热元件3,成型工作台8置于漏斗状绝缘喷嘴5的正下方;所述活塞状导电阳极1置于加热炉内并与熔体接触;所述环状金属阴极位置低于喷嘴口所在平面1.0~10.0mm,且内环直径比喷嘴直径大2.0~10.0mm。
所述脉冲高压发生器接在220V(±10%)/50Hz辅助电源上,输出电压波形1.2/50μs±20%,输出电压范围2.0~50.0kV±5%,电压极性为正,为矩形脉冲电压。
所述漏斗状绝缘喷嘴尺寸为内径Φ1.5~6.0mm、长度10.0~100.0mm。
所述漏斗状绝缘喷嘴采用耐高温绝缘材料制成。
所述加热炉采用坩埚。
所述加热元件采用电加热丝。
一种利用所述直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置进行3D打印的方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:将需要打印的三维零件模型的各分层面的轮廓数据及填充数据输入成型工作台三维运动装置;
步骤2:将打印的原材料置于加热炉中,启动加热元件升高温度使得原材料熔化成均匀熔体;
步骤3:打开喷嘴头,脉冲高压发生器接220V电源后调整输出电压,使电压极性为正,产生矩形脉冲电压,并将接收平台接地;所述输出电压根据原材料进行选择;
步骤4:将成型工作台置于漏斗状绝缘喷嘴下方,液滴形成后开始以一定频率落下,进入沉积阶段,保持喷嘴与接收平台相对运动速度为3mm/s,按照事先设计一层一层沉积成型;所述喷嘴与工作台距离为2cm;
步骤5:打印成型后,进行退火、打磨、抛光等后处理工艺,以保证形状尺寸精度要求。
有益效果
本发明提出的一种直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置及打印方法,通过直流高压脉冲发生器产生矩形脉冲高压,通过上下电极的连接,瞬时激发熔体喷射液滴,配合成形基板三维移动,熔滴逐点逐层地堆积形成三维制件。此装置结构简单,易于操控,熔体液滴形成响应频率高,打印速度快,可用来制造任意复杂形状制件,进行多样化打印。另外,通过加热坩埚将材料熔化,温度适用范围高,对材料种类要求低,选择材料适用性广泛,如各种高分子材料,金属铝,锡等合金材料都可以通过本装置进行可靠地3D打印,打印效率高、质量高。
附图说明
图1:直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置结构示意图
其中,1为活塞状金属阳极,2为加热炉,3为加热元件,4为熔体,5为绝缘喷嘴,6为环状金属阴极,7为喷出的微滴,8为成型工作台,9为直流高压脉冲发生器。
图2:漏斗型绝缘喷嘴
图3:活塞状金属阳极示意图
图4:环状金属阴极示意图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
本实施例的直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置,加热炉2采用坩埚,加热元件3采用电加热元件镍铬电加热丝。漏斗状绝缘喷嘴采用耐高温绝缘材料制成,尺寸为内径Φ1.6~6.0mm、长度10.0~100.0mm。
加热炉2的上端设有活塞状导电阳极1,下端设有漏斗状绝缘喷嘴5,漏斗状绝缘喷嘴5的下端为环状金属阴极6,高压直流脉冲发生器9的正负极分别连接环状金属阴极6和活塞状导电阳极1;坩埚2上设有为加热炉2内熔体加热的加热元件3,成型工作台8置于漏斗状绝缘喷嘴5的正下方;所述活塞状导电阳极1置于加热炉内并与熔体接触;所述环状金属阴极位置低于喷嘴口所在平面1.0~10.0mm,且内环直径比喷嘴直径大2.0~10.0mm。
所述脉冲高压发生器接在220V(±10%)/50Hz辅助电源上,输出电压波形1.2/50μs±20%,输出电压范围2.0~50.0kV±5%,电压极性为正,为矩形脉冲电压。
实施例1:
以铝合金材料为例,具体步骤如下:
步骤一,利用计算机辅助软件设计要打印的三维零件模型,然后对该零件模型进行分层处理,从而得到各分层面的轮廓数据及填充数据;
步骤二,称量ZL102铝合金原材料50.0g装入坩埚中,通过镍铬电加热丝加热,控制温度升至650℃,使样品充分熔化成均匀熔体;
步骤三,打开喷嘴头,脉冲高压发生器接220V电源后调整输出电压5.6kV,使电压极性为正,产生矩形脉冲电压,并将接收平台接地。
步骤四,打开成型工作台三维运动装置,调整控制喷嘴与工作台距离为2cm,液滴形成后开始以一定频率落下,进入沉积阶段,保持喷嘴与接收平台相对运动速度为3mm/s,按照事先设计一层一层沉积成型。
步骤五,样品打印成型后,进行退火、打磨、抛光等后处理工艺,以保证形状尺寸精度要求。
实施例2:
以等规聚丙烯材料为例,具体步骤如下:
步骤一,利用计算机辅助软件设计要打印的三维零件模型,然后对该零件模型进行分层处理,从而得到各分层面的轮廓数据及填充数据;
步骤二,称量原材料100g等规聚丙烯颗粒装入感应炉中的坩埚中,通过加热炉控制温度加热至290℃,使样品充分熔化成均匀液态;
步骤三,打开喷嘴头,脉冲高压发生器接220V电源后调整输出电压5.1kV,使电压极性为正,产生矩形脉冲电压,并将接收平台接地。
步骤四,打开成型工作台三维运动装置,调整控制喷嘴与工作台距离为2cm,液滴形成后开始以一定频率落下,进入沉积阶段,保持喷嘴与接收平台相对运动速度为3mm/s,按照事先设计一层一层沉积成型。
步骤五,样品打印成型后,进行退火后处理工艺,以保证形状尺寸精度要求。
实施例3:
以ABS塑料为例,具体步骤如下:
步骤一,利用计算机辅助软件设计要打印的三维零件模型,然后对该零件模型进行分层处理,从而得到各分层面的轮廓数据及填充数据;
步骤二,称量原材料150克ABS塑料装入感应炉中的坩埚中,通过加热炉控制温度加热至220℃,使样品充分熔化成均匀液态;
步骤三,打开喷嘴头,脉冲高压发生器接220V电源后调整输出电压6kV,使电压极性为正,产生矩形脉冲电压,并将接收平台接地。
步骤四,打开成型工作台三维运动装置,调整控制喷嘴与工作台距离为2cm,液滴形成后开始以一定频率落下,进入沉积阶段,保持喷嘴与接收平台相对运动速度为3mm/s,按照事先设计一层一层沉积成型。
步骤五,样品打印成型后,进行退火后处理工艺,以保证形状尺寸精度要求。
实施例4:
以锡合金材料Sn-38Pb为例,具体步骤如下:
步骤一,利用计算机辅助软件设计要打印的三维零件模型,然后对该零件模型进行分层处理,从而得到各分层面的轮廓数据及填充数据;
步骤二,称量锡合金Sn-38Pb原材料150g装入感应炉中的坩埚中,通过加热炉控制温度加热至210℃,使样品充分熔化成均匀液态;
步骤三,打开喷嘴头,脉冲高压发生器接220V电源后调整输出电压9.0kV,使电压极性为正,产生矩形脉冲电压,并将接收平台接地。
步骤四,打开成型工作台三维运动装置,调整控制喷嘴与工作台距离为2cm,液滴形成后开始以一定频率落下,进入沉积阶段,保持喷嘴与接收平台相对运动速度为3mm/s,按照事先设计一层一层沉积成型。
步骤五,样品打印成型后,进行退火、打磨、抛光等后处理工艺,以保证形状尺寸精度要求。
Claims (7)
1.一种直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置,其特征在于包括高压直流脉冲发生器(9)、加热炉(2)、加热元件(3)、活塞状导电阳极(1)、环状金属阴极(6)、漏斗状绝缘喷嘴(5)和用于放置成型基底的成型工作台(8);加热炉(2)的上端设有活塞状导电阳极(1),下端设有漏斗状绝缘喷嘴(5),漏斗状绝缘喷嘴(5)的下端为环状金属阴极(6),高压直流脉冲发生器(9)的正负极分别连接环状金属阴极(6)和活塞状导电阳极(1);加热炉(2)上设有为加热炉(2)内熔体加热的加热元件(3),成型工作台(8)置于漏斗状绝缘喷嘴(5)的正下方;所述活塞状导电阳极(1)置于加热炉内并与熔体接触;所述环状金属阴极位置低于喷嘴口所在平面1.0~10.0mm,且内环直径比喷嘴直径大2.0~10.0mm。
2.根据权利要求1所述直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置,其特征在于:所述脉冲高压发生器接在220V±10%/50Hz辅助电源上,输出电压波形1.2/50μs±20%,输出电压范围2.0~50.0kV±5%,电压极性为正,为矩形脉冲电压。
3.根据权利要求1所述直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置,其特征在于:所述漏斗状绝缘喷嘴尺寸为内径Φ1.5~6.0mm、长度10.0~100.0mm。
4.根据权利要求1所述直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置,其特征在于:所述漏斗状绝缘喷嘴采用耐高温绝缘材料制成。
5.根据权利要求1所述直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置,其特征在于:所述加热炉采用加热炉。
6.根据权利要求1所述直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置,其特征在于:所述加热元件采用电加热丝。
7.一种利用权利要求1~6所述任一项直流电脉冲控制的熔滴沉积3D打印装置进行3D打印的方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:将需要打印的三维零件模型的各分层面的轮廓数据及填充数据输入成型工作台三维运动装置;
步骤2:将打印的原材料置于加热炉中,启动加热元件升高温度使得原材料熔化成均匀熔体;
步骤3:打开喷嘴头,脉冲高压发生器接220V电源后调整输出电压,使电压极性为正,产生矩形脉冲电压,并将接收平台接地;所述输出电压根据原材料进行选择;
步骤4:将成型工作台置于漏斗状绝缘喷嘴下方,液滴形成后开始以一定频率落下,进入沉积阶段,保持喷嘴与接收平台相对运动速度为3mm/s,按照事先设计一层一层沉积成型;所述喷嘴与工作台距离为2cm;
步骤5:打印成型后,进行退火、打磨、抛光的后处理工艺,以保证形状尺寸精度要求。
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