CN108247043A - 可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3d打印方法与设备 - Google Patents

可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3d打印方法与设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印方法及设备，特点是方法包括的步骤为准备、前处理、预热、冷喷涂沉积打印底垫、冷喷涂沉积打印工件及后处理；其设备包括机箱、打印托盘底板、电热式打印托盘安装座、打印托盘、打印喷头、水平面运动组件、Z向运动组件、第一逆止阀、第二逆止阀、第一送粉器、第一加热套、支撑金属粉末储存罐、第二送粉器、第二加热套、零件金属粉末储存罐、气体加热装置、第一至第三减压阀、第一气动球阀、第二气动球阀、第三气动球阀、供气装置、温度传感器及金属粉末收集装置；在机箱的开口处设有密封门。其具有实现容易、成型速度快、效果好、制造、维护成本低，适用于各种金属材料的3D打印成型等优点。

Description

可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印方法与设备
技术领域
本发明涉及一种可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印方法与设备。
背景技术
金属3D打印技术是3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。目前，金属3D打印成型方法主要有：选区激光熔化（Selective LaserMelting，SLM）、 电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting， EBSM）、激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等。
尽管企业对金属３Ｄ打印技术有强烈需求，但目前的金属３Ｄ打印技术存在打印效率低、打印设备昂贵、打印件表面质量差等缺点，且在打印具有复杂曲面的零部件时，支撑材料难以去除，这些问题严重阻碍了金属３Ｄ打印技术在企业的推广应用。
近年来金属冷喷涂沉积成型方法的出现和发展，为解决现有金属３Ｄ打印技术所面临的困难提供了新的办法。
金属冷喷涂沉积成型方法起源自冷喷涂技术 ( Cold Gas DynamicSpray，CGDS)，该技术最早由前苏联科学院西伯利亚分院理论与应用力学研究所的研究人员A.N.Papyrin及其同事在1990 年提出，它是将高压气体( 氮气、氦气、空气或混合气体等) 直接或经过气体加热器进入缩放的拉瓦尔喷嘴，形成超音速气流，从而带动粉末粒子( 5～50μm)在低温(一般低于600℃) 下进入拉瓦尔喷嘴，经拉瓦尔喷嘴加速后以极高的速度(300～1200m/s) 碰撞基板，使颗粒发生强烈的塑性变形，其动能转变成为热能, 从而形成一层近似非渗透性结合的涂层沉积在基体表面。由于冷喷涂时颗粒加热温度低，喷涂过程颗粒始终保持固态，固态颗粒在极高应力、应变和应变速率条件下通过绝热剪切失稳引起的塑性流变或者通过剧烈变形等机械过程，实现了在工件表面的沉积。因此，冷喷涂技术具有沉积层的化学成分以及显微组织结构与颗粒原材料保持一致，沉积层致密，孔隙率低，沉积速度快等多个优点。
虽然冷喷涂在保持沉积层材料原始成分、减少热影响等方面具有独特的优势，但由于其沉积完全依靠喷涂颗粒的塑性变形，因此早期的冷喷涂涂层以低硬度材料为主，若要用冷喷涂技术沉积硬度较高的涂层材料，就必须以氦气为工作气体，这样不但成本较高，而且沉积层的结合强度也较低。2004年A.Hamid、M. Gurjieie等人的进一步研究表明，冷喷涂沉积效率和结合强度随金属粉末颗粒的喷射速度、金属粉末颗粒的温度以及基板的温度的增加而增加。基于这一规律，2008年英国剑桥大学William O′Neill 课题组提出了超音速激光沉积技术(SLD)，将激光束同步引入冷喷涂加工过程，利用激光辐照对喷涂颗粒、基材或两者同时加热软化，瞬间调节和改善材料的力学性能和碰撞沉积状态，从而提高低压冷喷涂层的厚度、沉积效率、致密度和结合强度，进而提高涂层的性能。此外，由于激光加热对喷涂颗粒和基材的软化作用，喷涂颗粒的临界沉积速度降至原来的一半，因此可用价格低廉的氮气替代昂贵的氦气，实现高硬度材料的沉积，在降低成本的同时也拓宽了冷喷涂沉积材料的范围。剑桥大学利用超音速激光沉积技术实现了Ti、Cu、Al等金属材料的沉积，并对沉积涂层的组织成分、致密度、耐磨性等进行了研究，证明了该技术的可行性和良好的应用潜力。
随着冷喷涂技术的不断发展，研究人员开始将该技术用于金属零件的3D打印制造。在目前的 3D打印设备中，打印喷头通过箱体内的X向组件及Y相组件从而能在箱体内水平移动，该X向运动组件由导柱、导套、齿形带、同步齿轮、步进电机、喷头安装座、导柱安装座组成，其导柱通过两端的导柱安装座安装在Y向运动组件的移动座上；该Y向运动组件由导柱、导套、齿形带、同步齿轮、步进电机、Y向移动座、导柱安装座组成，其导柱通过两端的导柱安装座安装在机箱上；打印喷头安装在喷头安装座上，打印托盘座设在Z向运动组件上， Z向运动组件由导柱、导套、滚珠丝杆、螺母、步进电机、导柱安装座组成。
2017年澳大利亚SPEE3D公司Kennedy和Camilleri开发出基于冷喷涂技术的金属3D打印机，该设备用喷嘴将空气加速至声速的三倍后将注入的粉末沉积在基板上，通过机器臂的运动可以在悬垂角度不超过45度的情况下进行3D打印而无需支撑结构以及冷却通道。该技术打印成型速度非常快，制造成本低，缺点是气体消耗量大，金属粉末沉积效率低。浙江工业大学姚建华团队与剑桥大学课题组对超音速冷喷涂沉积与激光技术相结合实现金属3D打印的技术展开研究，2012年提出了超音速激光沉积3D打印技术，利用激光束加热来辅助金属粉末冷喷涂沉积成型，该技术沉积效率高、气体加热温度低、沉积层机械性能较高，但设备昂贵。
由于金属冷喷涂沉积成型过程中基材与喷射的金属颗粒均保持固态，因此基于冷喷涂沉积成型的金属3D打印技术实际上具有一个很重要的优点，就是较容易实现两种以上的不同金属材料的沉积成型，只需设置多套送粉机构及对打印喷头等进行相应改造即可，这是其他金属3D打印方法如相对选区激光熔化、电子束选区熔化、激光近净成形等很难做到的，因此，利用这一特点，可以解决目前金属3D打印技术中普遍存在的多金属材料打印及支撑去除困难的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种通过冷喷涂沉积不同熔点的金属粉末及通过熔化去除低熔点支撑金属，实现容易、成型速度快、效果好的可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印方法；本发明的第二目的是提供一种制造、维护成本低，适用于各种金属材料的3D打印成型的冷喷涂沉积金属3D打印方法所采用的设备。
为了达到上述第一目的，本发明是这样实现的，其是一种通过熔化去除支撑的金属3D打印方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一 准备
① 将零件金属粉末放入零件金属粉末储存罐中，将支撑金属粉末放入支撑金属粉末储存罐中，将瓶装压缩工作气体装入供气装置中；
②将打印托盘放入机箱中的电热式打印托盘安装座上并锁好，关上并锁紧机箱密封门；
③ 调入需要打印零件的3D模型数据，对模型进行分层切片处理；
步骤二 前处理
① 将单向阀开启, 单向阀的压力值设置为0.1～0.15MPa，第三减压
阀的压力值设置为0.6～2.0MPa，打开第三气动球阀，供气装置中的气体依次通过第三气动球阀、第三减压阀及气体加热装置后往机箱内通入工作气体；
②将第一减压阀的压力值设置为0.6～2.0MPa，该压力值设置根据支撑金属粉末材料种类而定，使支撑金属粉末颗粒经打印喷头的加速后的速度为该种支撑金属粉末的喷涂沉积临界速度值的0.4～0.8倍；通过Z向运动组件控制打印托盘的位置使打印喷头的下端面至打印托盘的上表面距离为15～25 mm；
③待单向阀开启后，先让气体排出2～3分钟，使机箱内原有的氧气不断被稀释和排出；然后打开第一送粉器及第一气动球阀，供气装置中的气体依次通过第一气动球阀、第一减压阀及第一送粉器，从而使打印喷头以20～40 mm/s的扫描速度往打印托盘表面成型区域喷涂支撑金属粉末，喷涂速度是该种支撑金属粉末喷涂沉积临界速度值的0.4～0.8倍，从而对打印托盘的成型区域进行喷丸清洁；
步骤三 预热
①打开电热式打印托盘安装座的电源，对打印托盘进行加热，用温度传感器检测喷射沉积成型区域的温度，当温度达到界面预热温度上限即Tp+15℃时停止加热，当温度低于预热温度下限即Tp-15℃时则启动加热，Tp=（0.4-0.7）Tm，Tm为该支撑金属粉末的熔点，界面预热温度上限≤500℃；
① 启动气体加热装置，气体加热装置将工作气体加热至200～500℃；
启动第一加热套，使第一送粉器中的支撑金属粉末加热至150～500℃；启动第二加热套（17），使第二送粉器中的零件金属粉末加热至200～500℃；
步骤四 冷喷涂沉积打印底垫
① 将第一减压阀、第二减压阀和第三减压阀的压力设置为1.0～3.5MPa，该压力值设置根据支撑金属粉末或零件金属粉末材料种类而定，使支撑金属粉末或零件金属粉末颗粒经打印喷头加速后的速度大于其喷涂沉积临界速度值；
②打开第一送粉器及第一气动球阀，使打印喷头以20～40 mm/s的扫描速度往打印托盘表面成型区域喷涂支撑金属粉末，此时喷涂速度高于喷涂沉积临界速度值，直至打印出厚度为0.1～0.25mm的底垫；
步骤五 冷喷涂沉积打印工件
在已打印好的底垫上按分层数据逐层打印工件，当打印工件实体区域时打开第二气动球阀及第二送粉器并关闭第一气动球阀，供气装置中的气体依次通过第二气动球阀、第二减压阀及第二送粉器从而使打印喷头以20～40 mm/s的扫描速度往打印托盘的工件实体区域喷涂零件金属粉末；当打印支撑区域时第一气动球阀打开，第二气动球阀关闭从而喷涂支撑金属粉末，扫描速度按v1=k2÷k1×v2，v1为支撑区域扫描速度，v2为零件实体区域扫描速度，k1为支撑金属粉末沉积率，k2为零件金属粉末沉积率；每打印完一层，打印托盘下降一个层距，从而使打印过程中喷涂距离保持不变；
步骤六 后处理
① 印完成后，将打印工件连同打印托盘一起取出，按打印托盘在上打
印工件在下的方向放入筛漏槽上，将筛漏槽、打印工件、打印托盘放入热处理炉内加热，热处理炉内的温度高于支撑金属粉末熔点30～50℃以上，保温1～2小时待支撑金属全部熔化并流落到筛漏槽内后，将工件、打印托盘、筛漏槽从热处理炉中取出；
②工件缓慢冷却后，用锉刀和砂纸对工件表面进行修整。
在本技术方案中，所述用于喷涂沉积的支撑金属粉末及零件金属粉末颗粒要求粒径为5～50μm，外形为球状；所述零件金属粉末和支撑金属粉末熔点相差150～300℃；所述供气装置的工作气体为氮气或氦气。
为了达到上述第二目的，本发明是这样实现的，其是一种可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印设备，其特征在于包括：
机箱、打印托盘底板、电热式打印托盘安装座、打印托盘、打印喷头、水平面运动组件、Z向运动组件；其中在所述机箱的开口处设有密封门，所述Z向运动组件设在机箱内，所述水平面运动组件设在机箱内，所述打印喷头设在水平面运动组件上从而使打印喷头能够在机箱中沿X、Y方向水平移动；所述打印托盘底板设在Z向运动组件上，所述电热式打印托盘安装座位于打印托盘底板上并随打印托盘底板沿Z向移动，所述打印托盘可拆卸的设在电热式打印托盘安装座上，打印托盘位于打印喷头的下方；
第一逆止阀、第二逆止阀、第一送粉器、第一加热套、支撑金属粉末储存罐、第二送粉器、第二加热套、零件金属粉末储存罐、气体加热装置、第一减压阀、第一气动球阀、第二减压阀、第二气动球阀、第三减压阀、第三气动球阀及供气装置；所述零件金属粉末储存罐的出料口与第二送粉器的进料口连通，所述支撑金属粉末储存罐的出料口与第一送粉器的进料口连通；所述供气装置的出口分别与第一气动球阀的进口、第二气动球阀的进口及第三气动球阀的进口连通，第一气动球阀的出口通过第一减压阀与第一送粉器的进气口连通，第二气动球阀的出口通过第二减压阀与第二送粉器的进气口连通，第三气动球阀的出口通过第三减压阀与气体加热装置的进气口连通，第一送粉器的出口通过第一逆止阀与机箱内的打印喷头的第一进料口连通，第二送粉器的出口通过第二逆止阀与机箱内的打印喷头的第二进料口连通，气体加热装置的出气口与打印喷头的进气口连通；所述第一加热套设在第一送粉器上从而对第一送粉器中的支撑金属粉末加热，所述第二加热套设在第二送粉器上从而对第二送粉器中的零件金属粉末加热；以及
温度传感器及金属粉末收集装置；所述金属粉末收集装置与机箱的排气口连通从而收集未沉积的金属粉末；所述温度传感器位于机箱内，用于检测喷射沉积成型区域的温度。
在本技术方案中，所述水平面运动组件包括X向运动组件及Y向运动组件，所述打印喷头设在X向运动组件上从而使X向运动组件带动打印喷头沿X方向移动，所述Y向运动组件设在机箱内，Y向运动组件的输出端与X向运动组件连接从而带动X向运动组件能沿着Y方向移动。
在本技术方案中，所述金属粉末收集装置包括机壳、滤袋、筛孔板、粉末斗、底盖及单向阀；其中所述筛孔板设在机壳中，筛孔板与机壳内壁配合形成粉末过滤区，所述粉末过滤区与机壳的出气口连通，所述滤袋设在粉末过滤区中从而使流经粉末过滤区的气体得到过滤，所述机壳的进气口通过单向阀与机箱的排气口连通，所述粉末斗设在机壳的底部从而收集滤袋上的金属粉末，所述底盖可拆卸的设在粉末斗的出口处从而封闭或打开粉末斗的出口。
在本技术方案中，还包括隔热板设在打印托盘底板上，所述电热式打印托盘安装座设在隔热板上。
在本技术方案中，所述打印喷头的喷嘴孔采用圆角过渡的方形截面。
在本技术方案中，所述打印喷头具有多个进料口，通过在进料口对应的管道处分别设置逆止阀来防止成型过程中由于打印喷头内压力的变化而导致进料管道内的金属粉末误喷出。
本发明与现有技术相比的优点为：能实现同时打印多种金属材料的目标，突破目前金属3D打印技术中多种金属材料同时打印困难的限制；支撑去除简便、效果好，较好地解决了目前金属3D打印普遍存在的支撑去除困难的问题；工件从打印托盘取下时无须采用线切割，可在去除支撑材料时一起处理，减少后处理时间，并使打印托盘可以重复使用；打印喷头的喷嘴孔采用圆角过渡的方形截面，相对常规的圆形喷嘴而言，不但可以使喷涂厚度均匀，也提高了喷涂的效率和工件内部实体的致密性；利用同一个打印喷头通过气动球阀的切换来喷射不同种类的金属材料，比常规双喷头型的设备更容易保证打印位置的精确，操作也更简便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视放大图；
图3是金属工件、底垫、支撑位置示意图；
图4 是金属工件放在筛漏槽上的位置示意图；
图5 是打印喷头示意图；
图6 是打印喷头方孔喷嘴与圆孔喷嘴打印效果对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
一、关于可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印方法的实施例
实施例一
如图1至图6所示，其是一种可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印方法，包括如下步骤：
步骤一 准备
①将零件金属粉末即黄铜金属粉末放入零件金属粉末储存罐18中，将
支撑金属粉末即铝金属粉末放入支撑金属粉末储存罐15中，将瓶装压缩工作气体装入供气装置26中；
② 将打印托盘5放入机箱1内的电热式打印托盘安装座4上并锁好，关上并锁紧机箱1的密封门29；
③ 调入需要打印零件的3D模型数据，对模型进行分层切片处理；
步骤二 前处理
① 将单向阀276开启，单向阀276压力值设置为0.1MPa，第三减压阀24的压力值设置为1.4MPa，打开第三气动球阀25，供气装置26中的气体依次通过第三气动球阀25、第三减压阀24及气体加热装置19后往机箱1内通入工作气体；
②将第一减压阀13的压力值设置为1.4MPa，该压力值设置根据铝金属粉末而定，使铝金属粉末颗粒经打印喷头9的加速后的速度为铝金属粉末喷涂沉积临界速度值的0.6倍，通过Z向运动组件28控制打印托盘5的位置使打印喷头9的下端面至打印托盘5的上表面距离为20 mm；
③待单向阀276开启后先让气体排出2分钟，使机箱1内原有的氧气不断被稀释和排出；然后打开第一送粉器13及第一气动球阀21，供气装置26中的气体依次通过第一气动球阀21、第一减压阀20及第一送粉器13，从而使打印喷头9以20 mm/s的扫描速度往打印托盘5表面成型区域喷涂铝金属粉末，喷涂速度是铝金属粉末喷涂沉积临界速度值的0.6倍，从而对打印托盘5的成型区域进行喷丸清洁；
步骤三 预热
① 打开电热式打印托盘安装座4的电源，对打印托盘5进行加热，用温度传感器10检测喷射沉积成型区域的温度，当温度达到界面预热温度上限即315℃时停止加热，当温度低于预热温度下限即285℃时则启动加热；
② 启动气体加热装置19，加热装置将工作气体加热至430℃；启动第一
加热套14，使第一送粉器13中的铝金属粉末加热至300℃；启动第二加热套17，使第二送粉器16中的黄铜金属粉末加热至430℃；
步骤四 冷喷涂沉积打印底垫
①将第一减压阀20、第二减压阀22和第三减压阀24的压力设置为
2.8MPa，使铝金属粉末或黄铜金属粉末颗粒经打印喷头加速后的速度大于其喷涂沉积临界速度值；
② 打开第一送粉器13及第一气动球阀21，使打印喷头9以20 mm/s的扫描速度往打印托盘5表面成型区域喷涂铝金属粉末，此时喷涂速度高于喷涂沉积临界速度值，直至打印出厚度为0.1mm的底垫；
步骤五 冷喷涂沉积打印工件
在已打印好的底垫上按分层数据逐层打印工件，当打印工件实体区域时打开第二气动球阀23及第二送粉器16并关闭第一气动球阀21，供气装置26中的气体依次通过第二气动球阀23、第二减压阀22及第二送粉器16从而使打印喷头9以20 mm/s的扫描速度往打印托盘5的工件实体区域喷涂黄铜金属粉末；当打印支撑区域时第一气动球阀21打开，第二气动球阀23关闭从而喷涂铝金属粉末，扫描速度按v1=k2÷k1×v2，v1为支撑区域扫描速度，v2为零件实体区域扫描速度，k1为支撑金属粉末沉积率，k2为零件金属粉末沉积率；每打印完一层，打印托盘5下降一个层距，从而使打印过程中喷涂距离保持不变；
步骤六 后处理
② 印完成后，将打印工件连同打印托盘5一起取出，按打印托盘5在上
打印工件在下的方向放入筛漏槽30上，将筛漏槽30、打印工件、打印托盘5放入热处理炉内加热，热处理炉内温度加热至700℃，保温2小时待铝金属粉末中铝全部熔化并流落到筛漏槽30内后，将黄铜工件、打印托盘5、筛漏槽30从热处理炉中取出。
③ 工件缓慢冷却后，用锉刀和砂纸对工件表面进行修整。
在本实施例中，所述用于喷涂沉积的黄铜金属粉末及铝金属粉末颗粒要求粒径为5～20μm，外形为球状；所述黄铜金属粉末与铝金属粉末熔点相差290℃；所述供气装置26的工作气体为氮气。
实施例二
如图1至图6所示，其是一种可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印方法，包括如下步骤：
步骤一 准备
①将零件金属粉末即铝金属粉末放入零件金属粉末储存罐18中，将支
撑金属粉末即锌金属粉末放入支撑金属粉末储存罐15中，将瓶装压缩工作气体装入供气装置26中；
② 将打印托盘5放入机箱1内的电热式打印托盘安装座4上并锁好，关上并锁紧机箱1的密封门29；
③ 调入需要打印零件的3D模型数据，对模型进行分层切片处理；
步骤二 前处理
①将单向阀276开启，单向阀276的压力值设置为0.125MPa，第三减
压阀24的压力值设置为1.1MPa，打开第三气动球阀25，供气装置26中的气体依次通过第三气动球阀25、第三减压阀24及气体加热装置19后往机箱1内通入工作气体；
② 将第一减压阀13的压力值设置为1.1MPa，该压力值设置根据锌金属粉末材料种类而定，使锌金属粉末颗粒经打印喷头9的加速后的速度为锌金属粉末喷涂沉积临界速度值的0.5倍，通过Z向运动组件28控制打印托盘5的位置使打印喷头9的下端面至打印托盘5的上表面距离为19 mm；
③待单向阀276开启后，先让气体排出2.5分钟，使机箱1内原有的氧
气不断被稀释和排出；然后打开第一送粉器13及第一气动球阀21，供气装置26中的气体依次通过第一气动球阀21、第一减压阀20及第一送粉器13，从而使打印喷头9以30 mm/s的扫描速度往打印托盘5表面成型区域喷涂锌金属粉末，喷涂速度是锌金属粉末喷涂沉积临界速度值的0.5倍，从而对打印托盘5的成型区域进行喷丸清洁；
步骤三 预热
① 打开电热式打印托盘安装座4的电源，对打印托盘5进行加热，用温度传感器10检测喷射沉积成型区域的温度，当温度达到界面预热温度上限即235℃时停止加热，当温度低于预热温度下限即205℃时则启动加热；
②启动气体加热装置19，加热装置19将工作气体加热至300℃；启动
第一加热套14，使第一送粉器13中的锌金属粉末加热至220℃；启动第二加热套17，使第二送粉器16中的铝金属粉末加热至300℃；
步骤四 冷喷涂沉积打印底垫
①将第一减压阀20、第二减压阀22和第三减压阀24的压力设置为
2.5MPa，该压力值设置根据铝金属粉末或锌金属粉末材料而定，使铝金属粉末或锌金属粉末颗粒经打印喷头加速后的速度大于其喷涂沉积临界速度值；
②打开第一送粉器13及第一气动球阀21，使打印喷头9以30 mm/s
的扫描速度往打印托盘5表面成型区域喷涂锌金属粉末，此时喷涂速度高于喷涂沉积临界速度值，直至打印出厚度为0.15mm的底垫。
步骤五 冷喷涂沉积打印工件
在已打印好的底垫上按分层数据逐层打印工件，当打印工件实体区域时打开第二气动球阀23及第二送粉器16并关闭第一气动球阀21，供气装置26中的气体依次通过第二气动球阀23、第二减压阀22及第二送粉器16从而使打印喷头9以30 mm/s的扫描速度往打印托盘5的工件实体区域喷涂铝金属粉末；当打印支撑区域时第一气动球阀21打开，第二气动球阀23关闭从而喷涂锌金属粉末，扫描速度按v1=k2÷k1×v2，v1为支撑区域扫描速度，v2为零件实体区域扫描速度，k1为锌金属粉末沉积率，k2为铝金属粉末沉积率；每打印完一层，打印托盘5下降一个层距，从而使打印过程中喷涂距离保持不变。
步骤六 后处理
① 印完成后，将打印工件连同打印托盘5一起取出，按打印托盘5在
上打印工件在下的方向放入筛漏槽30上，将筛漏槽30、打印工件、打印托盘5放入热处理炉内加热，热处理炉内温度加热至420℃，保温1.5小时待支撑金属锌全部熔化并流落到筛漏槽30内后，将铝工件、打印托盘5、筛漏槽30从热处理炉中取出；
② 工件缓慢冷却后，用锉刀和砂纸对工件表面进行修整。
在本实施例中，所述用于喷涂沉积的铝金属粉末及锌金属粉末颗粒要求粒径为5～25μm，外形为球状；所述铝金属粉末和锌金属粉末熔点相差280℃；所述供气装置26的工作气体为氮气。
实施例三
如图1至图6所示，其是一种可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印方法，包括如下步骤：
步骤一 准备
①将零件金属粉末即锌金属粉末放入零件金属粉末储存罐18中，将支
撑金属粉末即锡金属粉末放入支撑金属粉末储存罐15中，将瓶装压缩工作气体装入供气装置26中；
② 将打印托盘5放入机箱1内的电热式打印托盘安装座4上并锁好，关上并锁紧机箱1的密封门29；
③ 调入需要打印零件的3D模型数据，对模型进行分层切片处理；
步骤二 前处理
①将单向阀276开启，单向阀276压力值设置为0.15MPa，第三减压
阀24的压力值设置为1.2MPa，打开第三气动球阀25，供气装置26中的气体依次通过第三气动球阀25、第三减压阀24及气体加热装置19后往机箱1内通入工作气体；
②将第一减压阀13的压力值设置为1.2MPa，使锡金属粉末颗粒经打
印喷头9的加速后的速度为锡金属粉末喷涂沉积临界速度值的0.7倍，通过Z向运动组件28控制打印托盘5的位置使打印喷头9的下端面至打印托盘5的上表面距离为21 mm；
③待单向阀276开启后，先让气体排出3分钟，使机箱1内原有的氧
气不断被稀释和排出；然后打开第一送粉器13及第一气动球阀21，供气装置26中的气体依次通过第一气动球阀21、第一减压阀20及第一送粉器13，从而使打印喷头9以35 mm/s的扫描速度往打印托盘5表面成型区域喷涂锡金属粉末，喷涂速度是锡金属粉末喷涂沉积临界速度值的0.7倍，从而对打印托盘5的成型区域进行喷丸清洁；
步骤三 预热
① 打开电热式打印托盘安装座4的电源，对打印托盘5进行加热，用温度传感器10检测喷射沉积成型区域的温度，当温度达到界面预热温度上限即165℃时停止加热，当温度低于预热温度下限即135℃时则启动加热；
②启动气体加热装置19，加热装置19将工作气体加热至200℃；启动
第一加热套14，使第一送粉器13中的锡金属粉末加热至150℃，启动第二加热套17，使第二送粉器16中的锌金属粉末加热至200℃；
步骤四 冷喷涂沉积打印底垫
① 将第一减压阀20、第二减压阀22和第三减压阀24的压力设置为
2.3MPa，使锌金属粉末或锡金属粉末颗粒经打印喷头加速后的速度大于其喷涂沉积临界速度值；
②打开第一送粉器13及第一气动球阀21，使打印喷头9以35 mm/s
的扫描速度往打印托盘5表面成型区域喷涂锡金属粉末，此时喷涂速度高于喷涂沉积临界速度值，直至打印出厚度为0.2mm的底垫；
步骤五 冷喷涂沉积打印工件
在已打印好的底垫上按分层数据逐层打印工件，当打印工件实体区域时打开第二气动球阀23及第二送粉器16并关闭第一气动球阀21，供气装置26中的气体依次通过第二气动球阀23、第二减压阀22及第二送粉器16，从而使打印喷头9以35 mm/s的扫描速度往打印托盘5工件实体区域喷涂锌金属粉末；当打印支撑区域时第一气动球阀21打开，第二气动球阀23关闭从而喷涂锡金属粉末，扫描速度按v1=k2÷k1×v2，v1为支撑区域扫描速度，v2为零件实体区域扫描速度，k1为锡金属粉末沉积率，k2为锌金属粉末沉积率；每打印完一层，打印托盘5下降一个层距，从而使打印过程中喷涂距离保持不变；
步骤六 后处理
① 印完成后，将打印工件连同打印托盘5一起取出，按打印托盘5在
上打印工件在下的方向放入筛漏槽30上，将筛漏槽30、打印工件、打印托盘5放入热处理炉内加热，热处理炉内加热至锡金属粉末熔点275℃以上，保温1.5小时，待锡金属粉末全部熔化并流落到筛漏槽30内后，将工件、打印托盘5、筛漏槽30从热处理炉中取出；
②待工件缓慢冷却后，用锉刀和砂纸对工件表面进行修整。
在本技术方案中，所述用于喷涂沉积的金属粉末颗粒要求粒径为5～30μm，外形为球状；所述零件金属粉末和支撑金属粉末熔点相差148℃；所述供气装置26的工作气体为氮气。
二、关于可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印设备的实施例
如图1至图6所示，其是一种可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印设备，包括：
机箱1、打印托盘底板2、电热式打印托盘安装座4、打印托盘5、打印喷头9、水平面运动组件、Z向运动组件28；其中在所述机箱1的开口处设有密封门29，所述Z向运动组件28设在机箱1内，所述水平面运动组件设在机箱1内，所述打印喷头9设在水平面运动组件上从而使打印喷头9能够在机箱1中沿X、Y方向移动；所述打印托盘底板2设在Z向运动组件28上，所述电热式打印托盘安装座4位于打印托盘底板2上并随打印盘底板2沿Z向移动，所述打印托盘5可拆卸的设在电热式打印托盘安装座4上，打印托盘5位于打印喷头9的下方，所述电热式打印托盘安装座4内有电阻丝发热板用于加热打印托盘5，所述打印托盘5为矩形板，由金属材料如Q235钢或6063铝合金等制成，上、下表面经磨削加工至平行度误差不超过0.05mm，上表面表面粗糙度数值不超过Ra1.6μm；
第一逆止阀11、第二逆止阀12、第一送粉器13、第一加热套14、支撑金属粉末储存罐15、第二送粉器16、第二加热套17、零件金属粉末储存罐18、气体加热装置19、第一减压阀20、第一气动球阀21、第二减压阀22、第二气动球阀23、第三减压阀24、第三气动球阀25及供气装置26；所述零件金属粉末储存罐18的出料口与第二送粉器16的进料口连通，所述支撑金属粉末储存罐15的出料口与第一送粉器13的进料口连通；所述供气装置26的出口分别与第一气动球阀21的进口、第二气动球阀23的进口及第三气动球阀25的进口连通，第一气动球阀21的出口通过第一减压阀20与第一送粉器13的进气口连通，第二气动球阀23的出口通过第二减压阀22与第二送粉器16的进气口连通，第三气动球阀25的出口通过第三减压阀24与气体加热装置19的进气口连通，第一送粉器13的出口通过第一逆止阀11与机箱1内的打印喷头9的第一进料口连通，第二送粉器16的出口通过第二逆止阀12与机箱1内的打印喷头9的第二进料口连通，气体加热装置19的出气口与打印喷头9的进气口连通；所述第一加热套14设在第一送粉器13上从而对第一送粉器13中的支撑金属粉末加热，所述第二加热套17设在第二送粉器16上从而对第二送粉器16中的零件金属粉末加热；以及
温度传感器10及金属粉末收集装置27；所述金属粉末收集装置27与机箱1的排气口连通从而收集未沉积的金属粉末；所述温度传感器10位于机箱1内，其为红外线温度传感器，用于检测喷射沉积成型区域的温度。
在本实施例中，所述水平面运动组件包括X向运动组件6及Y向运动组件7，所述打印喷头9设在X向运动组件6上从而使X向运动组件6带动打印喷头9沿X方向移动，所述Y向运动组件7设在机箱1内，Y向运动组件7的输出端与X向运动组件6连接从而带动X向运动组件6能沿着Y方向移动。
在本实施例中，所述金属粉末收集装置27包括机壳271、滤袋272、筛孔板273、粉末斗274、底盖275及单向阀276；其中所述筛孔板273设在机壳271中，筛孔板273与机壳271内壁配合形成粉末过滤区，所述粉末过滤区与机壳271的出气口连通，所述滤袋272设在粉末过滤区中从而使流经粉末过滤区的气体得到过滤，所述机壳271的进气口通过单向阀276与机箱1的排气口连通，所述粉末斗274设在机壳271的底部从而收集滤袋272上的金属粉末，所述底盖275可拆卸的设在粉末斗274的出口处从而封闭或打开粉末斗274的出口。工作时，带有金属粉末的气体从机箱1排出后经单向阀276进入机壳271中，再透过筛孔板273后进入粉末过滤区，粉末过滤区内有滤袋272，气体中的金属粉末被滤袋272阻隔，在滤袋272表面形成金属粉末层，当滤袋272受到机械振动作用时，沉积在滤袋272表面的金属粉尘就掉落到粉末斗274中，定期打开底盖275即可进行清理，而经过滤后的工作气体可回收或直接排出。
在本实施例中，还包括隔热板3设在打印托盘底板2上，所述电热式打印托盘安装座4设在隔热板3上，所述隔热板3用耐热温度不低于600℃的非金属材料如陶瓷制成。
在本实施例中，所述打印喷头9的喷嘴孔采用圆角过渡的方形截面，所述打印喷头9为拉瓦尔缩放喷管，打印喷头9的方孔的圆角R=（0.2~0.3）a，a为方孔边长，方孔边长a与出口部位锥度需使距离喷管出口处端面19~25mm处喷射区域边长为0.4~0.6mm。
在本实施例中，所述打印喷头9具有多个进料口，通过在进料口对应的管道处分别设置逆止阀来防止成型过程中由于打印喷头9内压力的变化而导致进料管道内的金属粉末误喷出。
以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换及变形仍落入在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一 准备
将零件金属粉末放入零件金属粉末储存罐（18）中，将支撑金属粉
末放入支撑金属粉末储存罐（15）中，将瓶装压缩工作气体装入供气装置（26）中；
② 将打印托盘（5）放入机箱（1）内的电热式打印托盘安装座（4）上并锁好，关上并锁紧机箱（1）的密封门（29）；
③ 调入需要打印零件的3D模型数据，对模型进行分层切片处理；
步骤二 前处理
将单向阀（276）开启, 单向阀（276）的压力值设置为0.1～0.15MPa，
第三减压阀（24）的压力值设置为0.6～2.0MPa，打开第三气动球阀（25），供气装置（26）中的气体依次通过第三气动球阀（25）、第三减压阀（24）及气体加热装置（19）后往机箱（1）内通入工作气体；
②将第一减压阀（20）的压力值设置为0.6～2.0MPa，该压力值设置根据支撑金属粉末材料种类而定，使支撑金属粉末颗粒经打印喷头（9）的加速后的速度为该种支撑金属粉末的喷涂沉积临界速度值的0.4～0.8倍；通过Z向运动组件（28）控制打印托盘（5）的位置使打印喷头（9）的下端面至打印托盘（5）的上表面距离为15～25 mm；
③待单向阀（276）开启后，先让气体排出2～3分钟，使机箱（1）内
原有的氧气不断被稀释和排出；然后打开第一送粉器（13）及第一气动球阀（21），供气装置（26）中的气体依次通过第一气动球阀（21）、第一减压阀（20）及第一送粉器（13），从而使打印喷头（9）以20～40 mm/s的扫描速度往打印托盘（5）表面成型区域喷涂支撑金属粉末，喷涂速度是该种支撑金属粉末喷涂沉积临界速度值的0.4～0.8倍，从而对打印托盘（5）的成型区域进行喷丸清洁；
步骤三 预热
① 打开电热式打印托盘安装座（4）的电源，对打印托盘（5）进行加热，用温度传感器（10）检测喷射沉积成型区域的温度，当温度达到界面预热温度上限即Tp+15℃时停止加热，当温度低于预热温度下限即Tp-15℃时则启动加热，Tp=（0.4-0.7）Tm，Tm为该支撑金属粉末的熔点，界面预热温度上限≤500℃；
启动气体加热装置（19），气体加热装置（19）将工作气体加热至200～
500℃；启动第一加热套（14），使第一送粉器（13）中的支撑金属粉末加热至150～500℃；启动第二加热套（17），使第二送粉器（16）中的零件金属粉末加热至200～500℃；
步骤四 冷喷涂沉积打印底垫
① 将第一减压阀（20）、第二减压阀（22）和第三减压阀（24）的压力设置为1.0～3.5MPa，该压力值设置根据支撑金属粉末或零件金属粉末材料种类而定，使支撑金属粉末或零件金属粉末颗粒经打印喷头加速后的速度大于其喷涂沉积临界速度值；
② 打开第一送粉器（13）及第一气动球阀（21），使打印喷头（9）以20～40 mm/s的扫描速度往打印托盘（5）表面成型区域喷涂支撑金属粉末，此时喷涂速度高于喷涂沉积临界速度值，直至打印出厚度为0.1～0.25mm的底垫；
步骤五 冷喷涂沉积打印工件
在已打印好的底垫上按分层数据逐层打印工件，当打印工件实体区域时打开第二气动球阀（23）及第二送粉器（16）并关闭第一气动球阀（21），供气装置（26）中的气体依次通过第二气动球阀（23）、第二减压阀（22）及第二送粉器（16）从而使打印喷头（9）以20～40 mm/s的扫描速度往打印托盘（5）的工件实体区域喷涂零件金属粉末；当打印支撑区域时第一气动球阀（21）打开，第二气动球阀（23）关闭从而喷涂支撑金属粉末，扫描速度按v1=k2÷k1×v2，v1为支撑区域扫描速度，v2为零件实体区域扫描速度，k1为支撑金属粉末沉积率，k2为零件金属粉末沉积率；每打印完一层，打印托盘（5）下降一个层距，从而使打印过程中喷涂距离保持不变；
步骤六 后处理
打印完成后，将打印工件连同打印托盘（5）一起取出，按打印托盘
（5）在上打印工件在下的方向放入筛漏槽（30）上，将筛漏槽（30）、打印工件、打印托盘（5）放入热处理炉内加热，热处理炉内的温度高于支撑金属粉末熔点30～50℃以上，保温1～2小时待支撑金属全部熔化并流落到筛漏槽（30）内后，将工件、打印托盘（5）、筛漏槽（30）从热处理炉中取出；
②待工件缓慢冷却后，用锉刀和砂纸对工件表面进行修整。
2.根据权利要求1所述的可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印方法，其特征在于所述用于喷涂沉积的零件金属粉末及支撑金属粉末颗粒要求粒径为5～50μm，外形为球状；所述零件金属粉末和支撑金属粉末熔点相差150～300℃；所述供气装置（26）的工作气体为氮气或氦气。
3.一种可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印设备，其特征在于包括：
机箱（1）、打印托盘底板（2）、电热式打印托盘安装座（4）、打印托盘（5）、打印喷头（9）、水平面运动组件、Z向运动组件（28）；其中在所述机箱（1）的开口处设有密封门（29），所述Z向运动组件（28）设在机箱（1）内，所述水平面运动组件设在机箱（1）内，所述打印喷头（9）设在水平面运动组件上从而使打印喷头（9）能够在机箱（1）中沿X、Y方向水平移动；所述打印托盘底板（2）设在Z向运动组件（28）上，所述电热式安装座（4）位于打印托盘底板（2）上并随打印托盘底板（2）沿Z向移动，所述打印托盘（5）可拆卸的设在电热式打印托盘安装座（4）上，打印托盘（5）位于打印喷头（9）的下方；
第一逆止阀（11）、第二逆止阀（12）、第一送粉器（13）、第一加热套（14）、支撑金属粉末储存罐（15）、第二送粉器（16）、第二加热套（17）、零件金属粉末储存罐（18）、气体加热装置（19）、第一减压阀（20）、第一气动球阀（21）、第二减压阀（22）、第二气动球阀（23）、第三减压阀（24）、第三气动球阀（25）及供气装置（26）；所述零件金属粉末储存罐（18）的出料口与第二送粉器（16）的进料口连通，所述支撑金属粉末储存罐（15）的出料口与第一送粉器（13）的进料口连通；所述供气装置（26）的出口分别与第一气动球阀（21）的进口、第二气动球阀（23）的进口及第三气动球阀（25）的进口连通，第一气动球阀（21）的出口通过第一减压阀（20）与第一送粉器（13）的进气口连通，第二气动球阀（23）的出口通过第二减压阀（22）与第二送粉器（16）的进气口连通，第三气动球阀（25）的出口通过第三减压阀（24）与气体加热装置（19）的进气口连通，第一送粉器（13）的出口通过第一逆止阀（11）与机箱（1）内的打印喷头（9）的第一进料口连通，第二送粉器（16）的出口通过第二逆止阀（12）与机箱（1）内的打印喷头（9）的第二进料口连通，气体加热装置（19）的出气口与打印喷头（9）的进气口连通；所述第一加热套（14）设在第一送粉器（13）上从而对第一送粉器（13）中的支撑金属粉末加热，所述第二加热套（17）设在第二送粉器（16）上从而对第二送粉器（16）中的零件金属粉末加热；以及
温度传感器（10）及金属粉末收集装置（27）；所述金属粉末收集装置（27）与机箱（1）的排气口连通从而收集未沉积的金属粉末；所述温度传感器（10）位于机箱（1）内，用于检测喷射沉积成型区域的温度。
4.根据权利要求3所述的可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印设备，其特征在于所述水平面运动组件包括X向运动组件（6）及Y向运动组件（7），所述打印喷头（9）设在X向运动组件（6）上从而使X向运动组件（6）带动打印喷头（9）沿X方向移动，所述Y向运动组件（7）设在机箱（1）内，Y向运动组件（7）的输出端与X向运动组件（6）连接从而带动X向运动组件（6）能沿着Y方向移动。
5.根据权利要求3所述的可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印设备，其特征在于所述金属粉末收集装置（27）包括机壳（271）、滤袋（272）、筛孔板（273）、粉末斗（274）、底盖（275）及单向阀（276）；其中所述筛孔板（273）设在机壳（271）中，筛孔板（273）与机壳（271）内壁配合形成粉末过滤区，所述粉末过滤区与机壳（271）的出气口连通，所述滤袋（272）设在粉末过滤区中从而使流经粉末过滤区的气体得到过滤，所述机壳（271）的进气口通过单向阀（276）与机箱（1）的排气口连通，所述粉末斗（274）设在机壳（271）的底部从而收集滤袋（272）上的金属粉末，所述底盖（275）可拆卸的设在粉末斗（274）的出口处从而封闭或打开粉末斗（274）的出口。
6.根据权利要求3所述的可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印设备，其特征在于还包括隔热板（3）设在打印托盘底板（2）上，所述电热式打印托盘安装座（4）设在隔热板（3）上。
7.根据权利要求3所述的可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印设备，其特征在于所述打印喷头（9）的喷嘴孔采用圆角过渡的方形截面。
8.根据权利要求3所述的可熔化去除支撑的冷喷涂沉积金属3D打印设备，其特征在于所述打印喷头（9）具有多个进料口，通过在进料口对应的管道处分别设置逆止阀来防止成型过程中由于打印喷头（9）内压力的变化而导致进料管道内的金属粉末误喷出。
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