CN107745121A - 金属3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金属3D打印装置，包括基座，以及设置在基座上的喷头机构、成型机构和控制单元，其中，所述喷头机构包括安装在基座上表面的喷头，以及带动喷头运动的移动轴，所述成型机构包括成型平台，用于储存金属原料的储料槽，带动成型平台和储料槽底板运动的升降组件，以及用于处理金属原料的刮刀组件。上述结构的金属3D打印装置，具有结构简洁小巧、成本低、打印精度高等特点。

Description

金属3D打印装置

技术领域

本发明涉及一种金属3D打印装置，属于3D打印领域。

背景技术

目前，市面上常规的金属类3D打印装置一般采用SLM技术，SLM： Selective lasermelting（选择性激光熔化），是一种金属粉末的快速成型技术，可以将金属零件直接成型。但是采用SLM技术会存在以下几个缺陷：

1.SLM设备体积庞大，售价高昂，后期维护费用也很高，很难普及；

2.SLM打印成型效率低，而且成型零件精度低，表面也比较粗糙。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种金属3D打印装置，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属3D打印装置，具有结构简洁小巧、成本低、打印精度高、打印效率高等特点。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

金属3D打印装置，包括基座，以及设置在基座上的喷头机构、成型机构和控制单元，其中，所述喷头机构包括安装在基座上表面的喷头，以及带动喷头运动的移动轴，所述成型机构包括成型平台，用于储存金属原料的储料槽，带动成型平台和储料槽底板运动的升降组件，以及用于处理金属原料的刮刀组件；所述基座上表面设有余料盒，余料盒位于移动轴移动方向的末端，通过余料盒收集打印时多余的金属原料。

作为优选，所述移动轴的两端滑动安装在基座上表面，所述喷头滑动安装在移动轴上，所述移动轴和喷头均通过电机驱动。

作为优选，所述喷头为高精度喷头，与墨盒相连，所述墨盒内装有抑制剂，所述抑制剂用于粘合被打印的金属原料。

作为优选，所述储料槽、成型平台和余料槽沿移动轴移动方向依次设置，移动轴移动时，刮刀组件先经过储料槽，将金属原料推入成型平台，然后将多余的金属原料推入余料槽收集。

所述储料槽底部设有可上下活动的底板，通过底板的上升，保证金属原料上表面高于打印层。

作为优选，所述升降组件包括驱动成型平台运动的第一升降台和驱动储料槽底板运动的第二升降台，其中，所述第一升降台和第二升降台结构相同，均包括与成型平台底部、驱动储料槽底板相连的连杆，所述连杆滑动安装在直线导轨上，所述连杆同时与丝杆联动连接，所述丝杆通过升降电机驱动。通过电机驱动，使连杆沿着直线导轨上下运动，进而实现成型平台和储料槽底板上下运动。

作为优选，所述刮刀组件包括刮刀，所述刮刀安装在移动轴上，刮刀位于移动方向前端，所述喷头位于移动方向后端。

作为优选，所述刮刀组件还包括用于固定刮刀的连接件，以及用于调节刮刀上下高度的调节螺杆，所述调节螺杆顶部安装在连接件安装槽内，底部与刮刀固定连接，通过设置调节螺杆在安装槽内位置，可以精确调节刮刀的高度。

作为优选，所述基座上表面设有与移动轴相配合的移动导槽，所述导槽的两端分别设有初始位置感应器和末端位置感应器，通过初始位置感应器和末端位置感应器可以限定移动轴的移动距离，防止其过度移位。

作为优选，所述控制单元包括主控模块，以及与主控模块相连的通讯模块、喷头控制模块、存储模块、显示模块和电机控制模块，通过控制单元精确实现打印装置的各个动作。

本发明所述的金属3D打印装置，具有如下优点：

1.整个打印装置仅由喷头机构、成型机构和控制单元组成，整体结构简洁而小巧，相对于传统的SLM设备体积大幅度缩小，生产成本和后期维护成本也较低；

2. 打印时，通过高精度喷头逐层喷射抑制剂，初步形成一个完整的立体零件外轮廓，之后通过后序操作预加热使其成为一个高熔点、表面光滑的外轮廓，再通过二次加热熔融，使被封在轮廓内的金属粉末熔融成一个实体，因打印时，分层精确打印，使其具有非常光滑的外轮廓表面，最终实现零件的表面同样光滑，具有打印精度高的特点；

3. 因打印时只需打印零件的外轮廓，从而大大提高了成型的效率。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本实施例的金属3D打印装置立体结构示意图一；

图2为本实施例的金属3D打印装置立体结构示意图二；

图3为本实施例的金属3D打印装置俯视图；

图4为本实施例的控制单元框图。

具体实施方式

如图1-3所示，一种金属3D打印装置，包括基座1，以及设置在基座1上的喷头机构2、成型机构3和控制单元4。

所述喷头机构2包括安装在基座上表面11的喷头21，以及带动喷头21运动的移动轴22，所述移动轴22的两端滑动安装在基座上表面11。所述基座上表面11设有2条导槽23，移动轴22的两端设有与导槽23相匹配的滑条24，所述基座上表面11底部设有一滑轨28，移动轴22通过滑块29与滑轨28相连，通过移动电机25驱动滑块29沿着滑轨28移动，从而使移动轴22沿导槽23（Y向）来回自由运动。为防止移动超出界限，所述导槽23两端分别设有初始位置感应器26和末端位置感应器27，通过初始位置感应器26和末端位置感应器27可以限定移动轴的移动距离。所述喷头21滑动安装在移动轴22上，并通过喷头电机20驱动，使喷头21可以在移动轴22上来回自由移动。所述喷头21为高精度喷头，与墨盒相连，所述墨盒内装有抑制剂，所述抑制剂用于粘合被打印的金属原料，具体可以采用申请号为2016102943409所述的抑制剂，包括下列质量份数的组份组成：硝酸镁35-45 份，氯化镁0-15份，水 55-65份。

所述成型机构3包括成型平台31、储料槽32、升降组件33和刮刀组件34，所述基座上表面11开设有与成型平台31、储料槽32相对应地通孔。所述储料槽32和成型平台31沿移动轴22移动方向依次设置，移动轴22移动时，先经过储料槽32，然后到达成型平台31。所述储料槽32用于储存金属原料，本实施例的金属原料为铜粉。储料槽32包括一可上下活动的底板321，以及设置在底板321四周的侧壁，底板321和侧壁组成密封容器。通过底板321的上升，使金属原料上表面高于打印层，从而保证刮刀可以顺利将铜粉推入成型平台，形成粉状的打印层。

所述升级组件33包括驱动成型平台31运动的第一升降台和驱动储料槽底板321运动的第二升降台，在本实施例中，所述第一升降台和第二升降台结构基本相同，相同的结构，可以使控制单元4控制更精确。以下以第二升降台为例，进行具体描述：所述第二升降台包括与驱动储料槽底板321底部相连接的连杆331，与连杆331固定连接的L型支架332，所述L型支架332的一端与垂直固定在基座1上的直线导轨333滑动连接，所述L型支架332同时与丝杆334相连，所述丝杆334通过升降电机335驱动，所述升降电机335通过电机支架336固定，升降电机335可以使丝杆334转动，从而带动L型支架332沿着直线导轨333上下移动，最终实现储料槽底板321自动升降。所述成型平台31也是通过上述原理驱动。

所述刮刀组件34包括刮刀341，所述刮刀341安装在移动轴22上，刮刀341位于移动方向（图1中所示的Y向）前端，所述喷头21位于移动方向后端。所述刮刀组件34还包括用于固定刮刀341的连接件342，以及用于调节刮刀341上下高度的调节螺杆343，所述调节螺杆343顶部安装在连接件342安装槽内，底部与刮刀341固定连接，通过设置调节螺杆343在安装槽内位置，可以精确调节刮刀341的高度。

所述基座上表面11设有余料盒5，余料盒5位于移动轴22移动方向的末端，刮刀341经过成型平台31后，将多余的铜粉扫入余料盒5，通过余料盒收集打印时多余的金属原料，防止其污染打印装置的同时，还可以节省原料。

如图4所示，所述控制单元4包括主控模块41，以及与主控模块41相连的通讯模块42、喷头控制模块43、存储模块44、显示模块45和电机控制模块46，通过控制单元4实现打印装置的各个动作。在本实施例中，所述主控模块41、通讯模块42、存储模块44、显示模块45和电机控制模块46安装在总控制板47上，所述喷头控制模块43安装在分控制板48上。

所述主控模块41采用单片机控制，具体可以采用型号为STM32F103RET6的单片机。所述通讯模块42用于上位机通讯，具体可以采用型号为FT232RL的通讯芯片。所述喷头控制模块43用于控制喷头21的滑动以及喷液（本发明所述的喷头喷液过程同打印机喷头喷墨工作原理相似），所述存储模块44用于存储各项打印数据，所述显示模块45用于显示相关参数，所述电机控制模块46用于控制升降组件的2个升降电机，以及移动组件的移动电机25。

本实施例所述的金属3D打印装置，整体结构简洁而小巧，相对于传统的SLM设备体积大幅度缩小，而且生产成本和后期维护成本也较低。

上述金属3D打印装置的打印方法，包括如下步骤：

1、首先，移动轴22、喷头21复位到初始位置，成型平台31上升到最高处，同时通过控制单元4调节储料槽底板321，使储料槽32内的金属原料-铜粉高于成型平台31；

2、移动轴22带动刮刀341和喷头21移向成型平台31，刮刀341下底面低于储料槽32内的铜粉表面，从而将位于上层的铜粉推向成型平台31，刮刀341下底面同时又高于成型平台31，且与成型平台31的间距为一个打印层厚度；

3、刮刀341将铜粉推入成型平台31，形成一个粉状打印层（未凝固），喷头21进入成型平台31后，根据控制单元4的打印数据，开始进行局部喷液打印，在粉状打印层需要凝固的位置喷射打印溶液，不需要凝固的位置仍旧为粉末状，喷头21在成型平台31内，既沿着移动轴22纵向（Y向）移动，又随着移动轴22横向（X向）移动，从而实现平面打印，随着喷头21的运动直至整个打印层打印完成；

4、移动轴22、喷头21再次移动到初始位置，控制单元4控制成型平台31下降一个打印层高度，储料槽的底板321至少上升一个打印层高度（一般为略大于一个打印层的高度）；

5、重复上述步骤2-4，直至打印结束。

本实施例所述的金属3D打印装置打印时，高精度喷头21逐层喷射抑制剂，初步形成一个完整的立体零件外轮廓，之后通过后序操作预加热使其成为一个高熔点、表面光滑的外轮廓，再通过二次加热熔融，使被封在轮廓内的铜粉熔融成一个实体，因外轮廓表面的光滑最终使零件的表面同样光滑，实现精度高打印；此外，因打印时只需打印零件的外轮廓，从而大大提高了成型的效率。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.金属3D打印装置，其特征在于：包括基座，以及设置在基座上的喷头机构、成型机构和控制单元，其中，所述喷头机构包括安装在基座上表面的喷头，以及带动喷头运动的移动轴，所述成型机构包括成型平台，用于储存金属原料的储料槽，带动成型平台和储料槽底板运动的升降组件，以及用于处理金属原料的刮刀组件；所述基座上表面设有余料盒，余料盒位于移动轴移动方向的末端。

2.如权利要求1所述的金属3D打印装置，其特征在于：所述移动轴的两端滑动安装在基座上表面，所述喷头滑动安装在移动轴上，所述移动轴和喷头均通过电机驱动。

3.如权利要求1所述的金属3D打印装置，其特征在于：所述喷头为高精度喷头，与墨盒相连，所述墨盒内装有抑制剂，所述抑制剂用于粘合被打印的金属原料。

4.如权利要求1所述的金属3D打印装置，其特征在于：所述储料槽、成型平台和余料槽沿移动轴移动方向依次设置，移动轴移动时，刮刀组件先经过储料槽，将金属原料推入成型平台，然后将多余的金属原料推入余料槽收集。

5.如权利要求1所述的金属3D打印装置，其特征在于：所述储料槽底部设有可上下活动的底板。

6.如权利要求1所述的金属3D打印装置，其特征在于：所述升降组件包括驱动成型平台运动的第一升降台和驱动储料槽底板运动的第二升降台，其中，所述第一升降台和第二升降台结构相同，均包括与成型平台底部、驱动储料槽底板相连的连杆，所述连杆滑动安装在直线导轨上，所述连杆同时与丝杆联动连接，所述丝杆通过升降电机驱动。

7.如权利要求1所述的金属3D打印装置，其特征在于：所述刮刀组件包括刮刀，所述刮刀安装在移动轴上，刮刀位于移动方向前端，所述喷头位于移动方向后端。

8.如权利要求7所述的金属3D打印装置，其特征在于：所述刮刀组件还包括用于固定刮刀的连接件，以及用于调节刮刀上下高度的调节螺杆，所述调节螺杆顶部安装在连接件安装槽内，底部与刮刀固定连接。

9.如权利要求1所述的金属3D打印装置，其特征在于：所述基座上表面设有与移动轴相配合的移动导槽，所述导槽的两端分别设有初始位置感应器和末端位置感应器。

10.如权利要求1所述的金属3D打印装置，其特征在于：所述控制单元包括主控模块，以及与主控模块相连的通讯模块、喷头控制模块、存储模块、显示模块和电机控制模块，通过控制单元精确实现打印装置的各个动作。