CN107900339B - 一种超声振动3d打印装置及打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声振动3D打印装置及打印方法，其装置包括：打印基板，打印基板上安装有加热腔，加热腔内放置有金属板，加热腔内还安装有打印头、超声振动机构和金属板夹持机构。本发明的有益效果：既保证了对所打印零件上层的局部加热，又保证了超声能量的传递，同时金属板外侧的防粘连涂层避免了锻打时与粉料的粘连；可减少或消除目前存在的打印零件尺寸精度差，易出现微裂纹、气孔和疏松、晶粒粗大等缺陷，提高了打印零件的性能；材料适应范围广，不仅适用于热导率较低的TC4、TA15钛合金、高温合金等，而且适用于热导率较高的铜合金和铝合金等材料；打印后的零件成形尺寸精度高，由于超声锻打振幅小，不对目前3D打印近净成形造成影响。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种超声振动3D打印装置及打印方法。
背景技术
3D打印中的选择性激光快速成形技术(Selective Laser Melting，简称SLM)，又称选区激光熔化技术，是快速成型技术中的一种，属于新型快速成型技术。该技术利用高激光能量密度的激光束充分熔化粉末材料，能直接成形结构复杂的零件，且零件机械性能良好、具有高致密度、高精度，成形零件只需要简单的抛光、打磨等就可直接应用。具有所用材料粉末范围广泛、成形零件用途多样化、成形过程直观简单等优点，能够成形复杂结构的零部件是SLM成形优于传统制造的最大优点，无需传统制造的模具、型芯等一系列辅助成形工具能够迅速成形出良好的零件。
选区激光熔化技术(SLM)克服了选区激光熔化烧结技术成形件致密度低、应用受限的缺点，在承接激光熔化烧结技术的优点的基础上能够直接成形高致密度、高性能、高精度的零件，是激光快速成形制造领域最具发展潜力的技术之一。选区激光熔化技术与选区激光烧结技术的基本成形原理相同，都是运用离散叠加原理，激光束按所需的扫描方式逐层扫描充分熔化金属粉末，层层叠加形成所需的高致密度成形件体。
目前技术存在的主要问题
(1)打印时零件由于热应力产生的变形较大，为此需要增加的额外余量，增加了生产成本，降低了生产效率；
(2)零件打印组织和性能需要提高，热导率较低的TC4钛合金为网篮组织并偶尔伴有少量的魏氏组织，容易造成零件成形或使用时开裂，铜合金和铝合金等热导率较高的材料打印时由于热应力的原因存在少量的裂纹缺陷；
(3)有些高温合金零件打印后有融合不良问题，内部有时存在少量微裂纹；
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的之一在于提供一种打印精度高，使用范围广的超声振动3D打印装置。
一种超声振动3D打印装置，包括打印基板，所述打印基板上安装有加热腔，所述加热腔内放置有金属板，所述加热腔内还安装有打印头、超声振动机构和金属板夹持机构。
作为本发明的进一步改进，所述金属板上设有防粘连层。
作为本发明的进一步改进，所述防粘连层为氮化钛涂层。
作为本发明的进一步改进，所述金属板材料为TC4钛合金。
作为本发明的进一步改进，所述超声振动机构上安装有可伸缩振动杆。
作为本发明的进一步改进，所述加热腔内充有保护气体。
作为本发明的进一步改进，所述金属板夹持机构为机械手。
本发明目的之二在于提供一种打印精度高，使用范围广的超声振动3D打印方法，应用上述超声振动3D打印装置，所述方法包括：
所述金属板夹持机构将所述金属板夹持置于所述打印件上，所述超声振动机构通过所述金属板对所述打印零件进行振动锻打；
当所述打印基板上的打印零件在成型若干层后，重复上述步骤。
作为本发明的进一步改进，所述振动锻打振幅为5-20微米。
作为本发明的进一步改进，所述若干层为5-20层。
本发明的有益效果：
(1)既保证了对所打印零件上层的局部加热，又保证了超声能量的传递，同时金属板外侧的防粘连涂层避免了锻打时与粉料的粘连；
(2)可减少或消除目前存在的打印零件尺寸精度差，易出现微裂纹、气孔和疏松、晶粒粗大等缺陷，提高了打印零件的性能；
(3)材料适应范围广，不仅适用于热导率较低的TC4、TA15钛合金、高温合金、不锈钢等，而且适用于热导率较高的铜合金和铝合金等材料；
(4)打印后的零件成形尺寸精度高，由于超声锻打振幅只有5-20微米，锻打后的零件只产生微观变形，不对目前3D打印近净成形造成影响。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例中超声振动3D打印装置的结构示意图。
标记说明：10、打印基板；20、加热腔；21、打印头；30、金属板；40、超声振动机构；41、伸缩杆；50、机械手；60、打印件；70、送粉机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明超声振动3D打印装置，其包括打印基板10和送粉机构70，打印基板10上安装有加热腔20，加热腔20内放置有金属板30，加热腔20内还安装有打印头21、超声振动机构40和机械手50，金属板30上气相沉积有氮化钛涂层，用于防止粘连，金属板30材料为TC4钛合金或其他合金材料，加热腔20中还充有保护气体，送粉机构70为打印头21提供打印原料，超声振动机构40上安装有伸缩杆41，打印基板10上有打印件60。
当打印件60在激光成型5-20层后，暂停打印，通过机械手50将金属板30夹持置于打印件60上，超声振动机构40的伸缩杆向下伸出至与金属板30抵接，超声振动机构40开始振动对打印件60进行振动锻打，振动锻打振幅为5-20微米。
实施例一，当3D打印制备6061铝合金零件时；
加热腔20温度恒定为500-520℃，金属板30为TC4钛合金板，边长300mm，氮化钛涂层厚度20微米，超声振动机构40的超声振动头直径30mm，频率17kHz，打印件60在激光成型6层后，暂停打印，超声振动机构40对打印件60进行振动锻打，振幅6微米。
实施例二，3D打印制备TA15钛合金零件时；
加热腔20温度恒定为900-920℃，金属板30为TC4钛合金板，边长500mm，氮化钛涂层厚度60微米，超声振动机构40的超声振动头直径50mm，频率19kHz，打印件60在激光成型15层后，暂停打印，超声振动机构40对打印件60进行振动锻打，振幅16微米。
实施例三，3D打印制备GH4169高温合金零件；
加热腔20温度恒定为750-770℃，金属板30为TC4钛合金板，边长400mm，氮化钛涂层厚度50微米，超声振动机构40的超声振动头直径40mm，频率18kHz，打印件60在激光成型10层后，暂停打印，超声振动机构40对打印件60进行振动锻打，振幅10微米。
本发明还提供了一种超声振动3D打印方法，应用上述超声振动3D打印装置，该方法包括以下步骤：
金属板夹持机构将所述金属板夹持置于打印件上，超声振动机构通过金属板对打印零件进行振动锻打；
当所述打印基板上的打印零件在成型若干层后，重复上述步骤。
具体的，金属板夹持机构为机械手，振动锻打振幅为5-20微米，若干层为5-20层。
本发明的有益效果：
(1)既保证了对所打印零件上层的局部加热，又保证了超声能量的传递，同时金属板外侧的防粘连涂层避免了锻打时与粉料的粘连；
(2)可减少或消除目前存在的打印零件尺寸精度差，易出现微裂纹、气孔和疏松、晶粒粗大等缺陷，提高了打印零件的性能；
(3)材料适应范围广，不仅适用于热导率较低的TC4、TA15钛合金、高温合金、不锈钢等，而且适用于热导率较高的铜合金和铝合金等材料；
(4)打印后的零件成形尺寸精度高，由于超声锻打振幅只有5-20微米，锻打后的零件只产生微观变形，不对目前3D打印近净成形造成影响。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (7)
1.一种超声振动3D打印装置，其特征在于，包括打印基板，所述打印基板上安装有加热腔，所述加热腔内放置有金属板，所述加热腔内还安装有打印头、超声振动机构和金属板夹持机构，所述金属板上气相沉积有氮化钛涂层，所述超声振动机构上安装有伸缩杆，当打印件在激光成型5-20层后，暂停打印，通过机械手将金属板夹持置于打印件上，所述超声振动机构的伸缩杆用于向下伸出至与所述金属板抵接，所述超声振动机构开始振动对所述打印基板上的打印件进行振动锻打。
2.如权利要求1的超声振动3D打印装置，其特征在于，所述金属板材料为TC4钛合金。
3.如权利要求1的超声振动3D打印装置，其特征在于，所述加热腔内充有保护气体。
4.如权利要求1的超声振动3D打印装置，其特征在于，所述金属板夹持机构为机械手。
5.一种超声振动3D打印方法，其特征在于，应用权利要求1至4任一所述的超声振动3D打印装置，所述方法包括：
所述金属板夹持机构将所述金属板夹持置于所述打印件上，所述超声振动机构通过所述金属板对所述打印零件进行振动锻打；
当所述打印基板上的打印零件在成型若干层后，重复上述步骤。
6.如权利要求5的超声振动3D打印方法，其特征在于，所述振动锻打振幅为5-20微米。
7.如权利要求5的超声振动3D打印方法，其特征在于，所述若干层为5-20层。
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