CN108380881B - 一种复合加热的3d打印机及3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属零件成型的技术领域，公开了一种复合加热的3D打印机及3D打印方法。该3D打印机包括用于加热金属丝材的第一加热机构和第二加热机构，金属丝材先后被第一加热机构和第二加热机构加热，第一加热机构为电磁感应加热机构，第二加热机构为激光器、电子发射器或等离子体发生器。本发明通过先利用电磁感应热源对金属丝材加热，起到了预热和保温的效果，使得挤出的金属丝材与未被挤出的金属丝材的温度差较小，提升了金属丝材的层间结合性能；再利用激光束和电子束等高能量密度热源对金属丝材进一步加热，保证了金属丝材具有更好的层间结合效果，从而有效解决了现有采用单一热源打印机制备的成型件的层间结合效果不好的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属零件成型的技术领域，尤其涉及一种复合加热的3D打印机及3D打印方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacture)，俗称3D打印，以自由成形复杂结构物件、缩短产品开发周期占优，在汽车行业、航空航天工业、个性化消费品行业和电子电路等行业的影响力日渐增强。尤其是在航空航天结构部件的生产和修复领域，其中金属直接能量沉积技术(Direct Energy Deposition)的应用已十分广泛。
目前直接能量沉积3D打印机主要使用激光、电子束和等离子体电弧等热源加热融化打印原料，形成固液共存态的金属，这几种加热方式需要高功率、高成本的发生器(如激光器)，所需电能成本和设备成本均很高。而且常见的直接能量沉积技术多使用粉末状原料，其制备成本高，且易燃易爆，不利于存储和运输。
同时，在单纯采用一种热源的情况下，新成型的一层固液共存态金属直接铺敷在已经冷却的前一层金属的表面上，两层金属间由于温差较大而无法有效地结合，从而导致成型件质量较差。
因此，亟待需要一种新型复合加热的3D打印机及3D打印方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合加热的3D打印机及3D打印方法，以解决现有采用单一热源打印机制备的成型件的层间结合效果不好的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种复合加热的3D打印机，包括用于加热金属丝材的第一加热机构和第二加热机构，金属丝材先后被第一加热机构和第二加热机构加热，第一加热机构为电磁感应加热机构，第二加热机构为激光器、电子发射器或等离子体发生器。
作为优选，还包括用于矫直金属丝材的矫直器，矫直器包括用于矫直金属丝材在第一方向上形变的第一矫直器和用于矫直金属丝材在第二方向上形变的第二矫直器，第一方向和第二方向垂直。
作为优选，第一矫直器包括多个具有第一方向的转轴的第一滚轮，第二矫直器包括多个具有第二方向的转轴的第二滚轮，多个第一滚轮交错设置于金属丝材的两侧，多个第二滚轮交错设置于金属丝材的两侧。
作为优选，还包括用于收纳金属丝材的线卷和用于带动金属丝材由线卷经过矫直器的送丝机。
作为优选，送丝机下方依次设有打印头和打印平台，送丝机将金属丝材送入打印头内。
作为优选，电磁感应加热机构包括电磁感应线圈，电磁感应线圈位于打印头的端部。
作为优选，当第二加热机构为激光器时，激光器设于送丝机的底部，激光器发射出的激光束照射到位于电磁感应线圈下方的金属丝材上。
作为优选，还包括用于带动打印平台水平移动和竖直移动的驱动机构。
一种3D打印方法，包括以下步骤：
通过交变磁场对金属丝材加热，形成固液共存态金属；
通过激光束、电子束或等离子体电弧对固液共存态金属再加热；
利用固液共存态金属进行堆积成型。
作为优选，在通过交变磁场对金属丝材加热之前，还包括对金属丝材进行矫直。
本发明的有益效果：
本发明通过先利用电磁感应热源对金属丝材加热，起到了预热和保温的效果，使得挤出的金属丝材与未被挤出的金属丝材的温度差较小，提升了金属丝材的层间结合性能；再利用激光束和电子束等高能量密度热源对金属丝材进一步加热，保证了金属丝材具有更好的层间结合效果，从而有效解决了现有采用单一热源打印机制备的成型件的层间结合效果不好的问题。
附图说明
图1是本发明提供的复合加热的3D打印机的结构示意图；
图2是图1中第一支撑架的结构示意图；
图3是图1中驱动机构的结构示意图；
图4是本发明的复合加热的3D打印机的局部示意图；
图5是图4的局部剖视图。
图中：
100、光学平台；200、驱动机构；
1、第一支撑架；2、第二支撑架；21、角件；
11、金属丝材；12、电磁感应加热机构；13、激光器；14、线卷；15、矫直器；16、送丝机；17、打印平台；18、打印平台支架；19、滑动平台；121、电磁感应线圈；131、激光束；161、打印头；151、第一矫直器；152、第二矫直器；
311、X向直线电机；312、第一X向滑台；313、第二X向滑台；321、Y向直线电机；322、Y向滑台；331、Z向直线电机；332、Z向滑台；34、丝杠；35、直线导轨。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明提供的一种复合加热的3D打印机，该3D打印机包括第一支撑架1、第二支撑架2、光学平台100和驱动机构200，其中：
第一支撑架1上固设有用于加热金属丝材11的第一加热机构和第二加热机构，金属丝材11先后被第一加热机构和第二加热机构加热，在本具体实施方式中，第一加热机构优选为电磁感应加热机构12，第二加热机构优选为激光器13。本发明通过先利用电磁感应热源对金属丝材11加热，起到了预热和保温的效果，使得挤出的金属丝材11与未被挤出的金属丝材11的温度差较小，提升了金属丝材11的层间结合性能；再利用激光束对金属丝材11进一步加热，保证了金属丝材11具有更好的层间结合效果，从而有效解决了现有采用单一热源打印机制备的成型件的层间结合效果不好的问题。可以理解的是，与激光束具有同等级别能量密度热源(即高能量密度热源)的还有电子束和等离子体电弧等热源。因此，本具体实施方式中，不对激光器13进行限定，还可以为电子发射器和等离子体发生器等。
第一支撑架1固定于第二支撑架2上，同时电磁感应加热机构12也固定于第二支撑架2上。第一支撑架1和第二支撑架2的材质优选为由铝型材制成，即节约成本又能减轻打印机的自重。进一步地，第二支撑架2的底端设有多个用于辅助支撑的铝型材角件21，可以对第一支撑架1和第二支撑架2起到更好的辅助支撑作用，即使打印机更加稳定，不易晃动。而第二支撑架2和驱动机构200均固设于光学平台100上，使得打印机更加紧凑，搬运更加方便。
如图2所示，第一支撑架1上还固设有用于收纳金属丝材11的线卷14、用于矫直金属丝材11的矫直器15和用于带动金属丝材11由线卷14通过矫直器15的送丝机16。线卷14收纳的金属丝材11被带出时，金属丝材11存在扭曲变形的情况，而由于激光束加热范围集中，金属丝材11的变形容易影响激光束的加热效果。并且，在打印过程中，金属丝材11处在半固态(即固液共存态)的状态下，金属丝材11堆积在打印平面上的位置会受到其形状的影响，平直的金属丝材11是最理想的材料，变形的金属丝材11容易使工件产生较大的误差。同时，变形的金属丝材11会影响送丝机16的性能，导致堵头、送丝长度不精确的情况。因此，通过在线卷14和送丝机16之间增设矫直器15，能够改善打印质量。
具体地，矫直器15包括用于矫直金属丝材11在第一方向上形变的第一矫直器151和用于矫直金属丝材11在第二方向上形变的第二矫直器152，第一方向和第二方向垂直。更为具体地，第一矫直器151包括多个具有第一方向的转轴的第一滚轮，第二矫直器152包括多个具有第二方向的转轴的第二滚轮，多个第一滚轮交错设置于金属丝材11的两侧，多个第二滚轮交错设置于金属丝材11的两侧。通过设置双向(相互垂直)的两组滚轮组成的第一矫直器151和第二矫直器152，使得从线卷14送出的金属丝材11被拉直，从而改善打印质量。
如图2和3所示，该3D打印机还包括打印平台17和用于带动打印平台17水平移动和竖直移动(即XYZ三向运动)的驱动机构200。具体地，驱动机构200优选为电机驱动，且包括X向直线电机311、Y向直线电机321和Z向直线电机331，每个电机均连接有丝杠34和直线导轨35(Y向直线电机321和Z向直线电机331的丝杠34和直线导轨35在图3中未示出)。其中，X向直线电机311、丝杠34和直线导轨35设置在第一X向滑台312上，与第一X向滑台312平行地还设有第二X向滑台313，Y向直线电机321、丝杠34和直线导轨35设置在Y向滑台322上，Z向直线电机331、丝杠34和直线导轨35设置在Z向滑台332上，第二X向滑台313用于辅助支撑Y向滑台322和Z向滑台332，使得驱动机构200运行地更加平稳。具体地，打印平台17通过打印平台支架18固设在滑动平台19上，滑动平台19在Z向滑台332上沿直线导轨35上下滑动。
如图4和图5所示，送丝机16的下方依次设有打印头161和打印平台17，电磁感应加热机构12包括电磁感应线圈121，电磁感应线圈121位于打印头161的端部，激光器13设于送丝机16的底部，激光器13发射出的激光束131照射到位于电磁感应线圈121下方的金属丝材11上，送丝机16将金属丝材11送入打印头161内，经电磁感应线圈121和激光束131的加热作用，金属丝材11形成固液共存态金属并堆积成型于打印平台17上。本发明通过利用金属丝材11先后被电磁感应加热机构12和激光器13加热，由于电磁感应加热作用范围大，可使得一定范围内的金属丝材11均能够被加热，起到了预热和保温的效果，使得挤出的金属丝材11与未被挤出的金属丝材11的温度差较小，有效地提升了金属丝材11的层间结合性能；而激光束131不受电磁场影响，其加热作用更加集中，使得金属丝材11进一步加热，从而保证成型件的层间结合效果更好。
本发明还提供了一种3D打印方法，该方法实际应用场景优选为采用上述复合加热的3D打印机。本发明提供的一种3D打印方法，其包括以下步骤：
1)对金属丝材11进行矫直；
2)通过交变磁场对金属丝材11加热，形成固液共存态金属；
3)通过激光束、电子束或等离子体电弧对固液共存态金属再加热；
4)利用固液共存态金属进行堆积成型。
具体地，金属丝材11通过矫直器15达到平直的状态，送丝机16将其送入电磁感应线圈121产生的交变磁场中，使得金属丝材11的内部产生涡流，金属丝材11内部高速无规则运动的原子产生了大量热量，形成固液共存态金属。之后，激光束131和电子束等高能量密度热源对即将到达打印平台17之前金属丝材11进一步加热，金属丝材11被送出并在打印平台17上堆积成形，由于电磁感应线圈121和激光束131的双重作用，使得金属层与层之间良好结合，形成质量良好且完整的金属零件。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术用户来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种3D打印方法，应用于复合加热的3D打印机，其特征在于，所述复合加热的3D打印机包括用于加热金属丝材（11）的第一加热机构和第二加热机构，所述金属丝材（11）先后被所述第一加热机构和所述第二加热机构加热，所述第一加热机构为电磁感应加热机构（12），所述第二加热机构为激光器（13）；
还包括用于矫直所述金属丝材（11）的矫直器（15），所述矫直器（15）包括用于矫直所述金属丝材（11）在第一方向上形变的第一矫直器（151）和用于矫直所述金属丝材（11）在第二方向上形变的第二矫直器（152），所述第一方向和所述第二方向垂直；
还包括用于收纳所述金属丝材（11）的线卷（14）和用于带动所述金属丝材（11）由所述线卷（14）通过所述矫直器（15）的送丝机（16）；
所述送丝机（16）下方依次设有打印头（161）和打印平台（17），所述送丝机（16）将所述金属丝材（11）送入所述打印头（161）内；
所述电磁感应加热机构（12）包括电磁感应线圈（121），所述电磁感应线圈（121）位于所述打印头（161）的端部，使得挤出的所述金属丝材（11）与未被挤出的所述金属丝材（11）的温度差较小；
当所述第二加热机构为所述激光器（13）时，所述激光器（13）设于所述送丝机（16）的底部，所述激光器（13）发射出的激光束（131）照射到位于所述电磁感应线圈（121）下方的所述金属丝材（11）上；
经所述电磁感应线圈（121）和所述激光束（131）的加热作用，所述金属丝材（11）形成固液共存态金属并堆积成型于所述打印平台（17）上，利用所述金属丝材（11）先后被所述电磁感应加热机构（12）和所述激光器（13）加热，由于电磁感应加热作用范围大，可使得一定范围内的所述金属丝材（11）均能够被加热；
所述3D打印方法包括以下步骤：
通过交变磁场对金属丝材（11）加热，形成固液共存态金属；
通过激光束对所述固液共存态金属再加热；
利用所述固液共存态金属进行堆积成型。
2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述第一矫直器（151）包括多个具有第一方向的转轴的第一滚轮，所述第二矫直器（152）包括多个具有第二方向的转轴的第二滚轮，多个所述第一滚轮交错设置于所述金属丝材（11）的两侧，多个所述第二滚轮交错设置于所述金属丝材（11）的两侧。
3.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，还包括用于带动所述打印平台（17）水平移动和竖直移动的驱动机构（200）。
4.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，在通过交变磁场对金属丝材（11）加热之前，还包括对所述金属丝材（11）进行矫直。
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