CN108971494A - 一种丝状金属直接熔融3d打印成型装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种丝状金属直接熔融3D打印成型工艺及装置，具体实施方式为直流电源一极与金属丝料相连，另一极接石墨平台。送丝管与气体导管分别与同轴喷头内外层相连。内层管路中的金属丝料与石墨平台距离较近时两者间形成熔融金属的电弧。由于石墨与液态金属低碳铁具有良好的相互浸润效果，石墨平台由于处在短路电流回路中，带电金属液滴受到电流作用，和石墨平台下方的磁性底板对金属具有吸引作用，在三者共同作用下，金属与平台良好接触。保护气可将碳化硅粉末混入气体，将碳化硅粉末附着在金属熔池表面，并瞬间烧结形成碳化硅陶瓷耐磨层。丝杠驱动同轴喷头和石墨平台按需运动，金属液滴不断滴落，层层堆积，进而形成高性能金属3D打印制品。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印快速成型领域，具体涉及一种丝状金属直接熔融3D打印技术及成型装置。
背景技术
3D打印技术是一种增材制造技术，相比于传统车铣刨磨的减材制造技术可节约原材料，省去模型加工时间。目前，以选择性激光烧结技术为首的金属3D打印技术虽然在工业中已逐渐开始实际应用，但仍然存在设备(大功率激光发射器)成本高，原材料(金属粉末)成本高，生产效率低等诸多问题，这严重限制了金属3D打印技术的普及和实际工业应用场景的扩展。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，改变目前3D打印加工方式，设计一种利用电弧熔融丝状金属的技术和一种与之配套的可重复利用的成型平台来实现丝状金属的直接熔融三维堆叠成型。以丝状金属为耗材通过送丝电机的啮合旋转，将金属丝料经由送丝管并从喷头中挤出。直流电源一极与金属丝料相接，而另一极与石墨成型平台相接。当金属丝料挤出端头与石墨成型平台相距较近距离时，金属丝料与冷却平台形成回路产生短路电流，进而在两者间产生电弧，电弧的高温不断熔融金属丝料，配合三轴联动的成型平台和喷头的规律性运动使金属液滴按需滴落在石墨成型平台上。导电的石墨材料熔点较高，在金属3D打印的过程中高温熔池不会熔化石墨成型平台，使成型后金属制品较易剥离成型平台。此外石墨成型平台下的磁性底板有助于提高成型过程中金属制品与石墨成型平台的结合力。通过保护气体向金属熔池内导入碳化硅粉末可以提高制品表面的耐磨特性。综上本发明内容可以简化目前3D打印流程，降低设备和原料成本，提供了一种便于金属3D打印成品剥离成型平台的解决方案，并且提高了打印制品性能和打印效率。
本发明的技术方案是：一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置，由电源电流控制单元、金属丝料挤出单元、三维成型单元和气体贮存单元组成。其中电源电流控制单元包括直流电源和鳄鱼夹；金属丝料挤出单元包括同轴喷头、送丝管、齿轮和送丝电机；三维成型单元包括石墨成型平台、磁性底板和丝杠驱动模组。气体贮存单元包括高压气瓶、碳化硅粉末储存罐、气压计、阀门和气体导管。
本发明一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置的结构组成是：高压气瓶出口连接阀门和气体导管，可将气瓶内惰性气体输送至同轴喷头的外层流道中。位于气体导管中部的气压计可以调整惰性气体的输出流量。气压计后方设置一只具有进气孔和出气孔的碳化硅粉末罐，气体导管将其出气孔与同轴喷头外流道相连，其进气口与气压计相连，通过气体流动产生的气压差将碳化硅粉末导入气体中。金属丝料通过送丝电机带动输出轴上的齿轮相向啮合转动将金属丝料导入至金属材质的送丝管中，送丝管另一端与同轴喷头内流道相连。磁性底板紧密安装于石墨成型平台下方。直流电源设置在三维成型单元附近，通过带有鳄鱼夹的电缆分别将直流电源的正负极与金属材质送丝管和石墨成型平台相连。丝杠驱动模组分别与石墨成型平台和同轴喷头连接，使两者联动，实现定点挤出工作。
本发明一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置的电源电流控制单元包括直流电源和鳄鱼夹。高压交流电通过直流电源转化为低压直流电输出，并使用鳄鱼夹将直流电源输出端分别与金属丝料和石墨平台相连，使两者间形成短路电流，进而形成高温电弧。
本发明一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置的金属丝料挤出单元主要包括送丝管，同轴喷头，送丝电机。金属丝料被位于两只送丝电机输出轴的齿轮紧密啮合并通过送丝电机的相向旋转作用将金属丝料送入送丝管，输送到同轴喷头内层管路中。同轴喷头外层则用来输出混合了碳化硅粉末的保护气体。
本发明一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置的三维成型单元包括石墨成型平台、磁性底板和丝杠驱动模组。采用高熔点导电性强的石墨薄板作为直接接触熔融金属的成型平台，石墨成型平台下放置磁性底板。磁性底板具有的磁性可增强低碳铁金属液滴在石墨平台的附着作用。成型平台组件和喷头在多台联动控制的丝杠模组驱动下按照预定轨迹和速度运动，使熔融状态金属材料在成型平台上按照设定路径冷却固化堆叠成型。
本发明一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置的气体贮存单元由高压气瓶、碳化硅粉末存储罐、气体导管、阀门和气压计组成。高压气瓶内充有惰性气体。当预备3D打印时，调节气瓶阀门，通过气压计获得适当压强的输出气流。气流通过气体导管，通过压强差吸出储存在粉末存储罐中的碳化硅粉末，混有碳化硅粉末的惰性气体从同轴喷头的外层喷头喷出。在金属丝料熔融打印时，保护气流避免了金属液滴的氧化，并减少了金属液滴的飞溅不稳定性。保护气流喷出的同时碳化硅粉末附着在高温金属熔池表面，通过熔池的高温作用可将碳化硅粉末瞬间烧结形成半连续相的碳化硅陶瓷耐磨层，一定程度增强了金属制品的表面耐磨性能，同时无机陶瓷粉末的添加一定程度可以缓解金属制品在成型过程中的收缩变形量，进而优化3D打印金属制品的三维成型效果。
采用本发明一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置的成型工艺是(以下均以惰性气体作为保护气体，380V工作电压，低碳铁丝为耗材为例)：利用直流电源将高压交流电转为低压直流电输出，电源输出端一极与金属材质送丝管，另一极与石墨成型平台接触。送丝管与气体导管分别与同轴喷头内外层相连。金属丝料被位于两只送丝电机输出轴的齿轮紧密啮合并通过送丝电机的相向旋转作用将金属丝料送入送丝管，输送到同轴喷头内层管路中。当金属丝料与石墨平台距离较近时两者间会形成短路电流并产生电弧，电弧的高温可以熔融金属丝料端头形成金属液滴。金属液滴在重力势能、电场势能和磁力的共同作用下向下滴落，紧密附着在石墨平台表面。由于石墨与液态金属低碳铁具有良好的相互浸润效果，并且此时石墨平台由于处在短路电流回路中，带电金属液滴受到电流作用，外加石墨平台下方的磁性底板对金属液滴具有吸引作用，金属制品有与石墨平台相互附着的趋势。因而在三者因素共同作用下，带电金属液滴与石墨平台发生良好浸润作用并附着在其表面。而当熔融金属液滴冷却凝固后，同样因为电流、磁力作用以及两者良好的相互浸润作用，金属制品能良好地固定在石墨平台表面。在开始打印时，调节气瓶气阀，保护气通过压差将粉末罐中的碳化硅粉末混入气体中，以适当压力从金属丝料周围喷射而出，将碳化硅粉末附着在金属熔池表面，并通过高温在制品表面烧结形成碳化硅陶瓷耐磨层。当丝杠驱动电机带动喷头和成型平台联动，金属液滴不断按需滴落，通过层层堆积，进而形成所需的金属制品。当金属制品打印结束时，直流电源停止工作，喷头返回到初始位置，喷头中的金属丝料与石墨平台不再形成电流回路，并且由于石墨平台本身并未发生熔融，未与金属物件相互结合发生熔融交联，因而可轻易从平台上剥离金属物件，石墨平台不会造成过多损失。本发明可在一定程度上提高金属3D打印制品的成型效率和打印成本，提供了一种可循环利用的高性能成型平台，并进一步提高金属3D打印制品的制品性能。
与现有的金属3D打印设备相比，本发明的优点在于一是通过能量利用效率高的短路电流熔融金属丝料，一定程度改进了传统依靠激光束或电子束熔融金属粉末的设备成本和原料成本高昂的缺点。二是引入了石墨薄板与磁性底板相结合的成型平台，同时保证了金属制品在制备过程中与成型平台的良好接触和打印后金属3D打印制品的便捷剥离，使成型平台组件可以长期循环使用。三是运用同轴喷头，通过气流保护降低熔融金属液滴氧化速率，同时在保护气体内混入碳化硅陶瓷粉末并将粉末导入金属熔池中，在增强制品表面耐磨性的同时，缓解了金属液滴飞溅的现象，提高了制品的成型精度。本发明从这三个方面的改进及优化实现了低成本高精度高耐磨性的金属3D打印制品的成型制备。
附图说明
图1是本发明一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置的整体图。
图中：1-磁性底板；2-石墨成型平台；3-直流电源；4-同轴喷头；5-送丝管；6-鳄鱼夹；7-齿轮；8-送丝电机；9-丝状金属；10-气体导管；11-气压计；12-阀门；13-气瓶；14-碳化硅粉末储存罐；15-丝杠驱动模组；16-金属制品。
具体实施方式
本发明提供了一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置，由电源电流控制单元、金属丝料挤出单元、三维成型单元和气体贮存单元组成。其中电源电流控制单元包括直流电源3和鳄鱼夹6；金属丝料挤出单元包括同轴喷头4、送丝管5、齿轮7和送丝电机8；三维成型单元包括石墨成型平台2、磁性底板1和丝杠驱动模组15。气体贮存单元包括高压气瓶13、碳化硅粉末储存罐14、气压计11、阀门12和气体导管10。
本发明一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置的结构组成是：高压气瓶13出口连接阀门12和气体导管10，可将气瓶12内惰性气体输送至同轴喷头4的外层流道中。位于气体导管10中部的气压计11可以调整惰性气体的输出流量。气压计11后方设置一只具有进气孔和出气孔的碳化硅粉末储存罐14，气体导管10将其出气孔与同轴喷头4外层流道相连，其进气口与气压计11相连，通过气体流动产生的气压差将碳化硅粉末导入气体中。金属丝料9通过送丝电机8带动输出轴上的齿轮7相向啮合转动将金属丝料9导入至金属材质的送丝管5中，送丝管5另一端与同轴喷头4内流道相连。磁性底板1紧密安装于石墨成型平台2下方。直流电源3设置在三维成型单元附近，通过带有鳄鱼夹6的电缆分别将直流电源3的正负极与金属材质送丝管5和石墨成型平台2相连。丝杠驱动模组15分别与石墨成型平台2和同轴喷头4连接，使两者联动，实现定点挤出工作。
本发明一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置的成型工艺是(以下均以惰性气体作为保护气体，380V工作电压，低碳铁丝为耗材为例)：如图1所示，利用直流电源3，将高压交流电转为低压直流电输出，电源3输出端通过鳄鱼夹6将一极与金属材质送丝管5相接触，另一极与石墨成型平台2接触。送丝管5与气体导管10分别与同轴喷头4内外层相连。金属丝料9被位于两只送丝电机8输出轴的齿轮7紧密啮合并通过送丝电机8的相向旋转作用将金属丝料9送入送丝管5，输送到同轴喷头4内层管路中.当金属丝料9与石墨平台2距离较近时两者间会形成短路电流并产生电弧，电弧的高温可以熔融金属丝料端头形成金属液滴。金属液滴在重力势能、电场势能和磁力的共同作用下向下滴落，紧密附着在石墨平台2表面。由于石墨与液态金属低碳铁具有良好的相互浸润效果，并且此时石墨平台2由于处在短路电流回路中，带电金属液滴受到电流作用，外加石墨平台2下方的磁性底板1对金属液滴具有吸引作用，金属制品16有与石墨平台2相互附着的趋势。因而在三者因素共同作用下，带电金属液滴与石墨平台2发生良好浸润作用并附着在其表面。而当熔融金属液滴冷却凝固后，同样因为电流、磁力作用以及两者良好的相互浸润作用，金属制品16能良好地固定在石墨平台2表面。气瓶13内储存惰性气体，在开始打印时，调节气瓶气阀12，通过气压计11获得适当压强的输出气流，保护气通过压差将粉末罐14中的碳化硅粉末混入气体中，以适当压力从金属丝料周围喷射而出，并将碳化硅粉末附着在金属熔池表面，通过熔池的高温作用可将碳化硅粉末瞬间烧结形成半连续相的碳化硅陶瓷耐磨层。当丝杠驱动模组15带动同轴喷头4和石墨成型平台2按照设计轨迹运动，金属液滴不断按需滴落，通过层层堆积，进而形成所需的金属制品16。而当金属制品16打印结束时，直流电源3停止工作，喷头4返回到初始位置，喷头中的金属丝料9与石墨平台2不再形成电流回路，并且由于石墨平台2本身并未发生熔融，未与金属制品16相互结合发生熔融交联，因而可轻易从平台上剥离金属制品16，石墨平台2不会造成过多损失。
Claims (7)
1.一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置，其特征在于：由电源电流控制单元、金属丝料挤出单元、三维成型单元和气体贮存单元组成，其中电源电流控制单元包括直流电源和鳄鱼夹；金属丝料挤出单元包括同轴喷头、送丝管、齿轮和送丝电机；三维成型单元包括石墨成型平台、磁性底板和丝杠驱动模组，气体贮存单元包括高压气瓶、碳化硅粉末储存罐、气压计、阀门和气体导管；高压气瓶出口连接阀门和气体导管，位于气体导管中部的气压计可以调整惰性气体的输出流量，气压计后方设置一只具有进气孔和出气孔的碳化硅粉末罐，气体导管将其出气孔与同轴喷头外流道相连，其进气口与气压计相连，金属丝料通过送丝电机带动输出轴上的齿轮相向啮合转动将金属丝料导入至金属材质的送丝管中，送丝管另一端与同轴喷头内流道相连；磁性底板紧密安装于石墨成型平台下方，直流电源设置在三维成型单元附近，通过带有鳄鱼夹的电缆分别将直流电源的正负极与金属材质送丝管和石墨成型平台相连，丝杠驱动模组分别与石墨成型平台和同轴喷头连接，使两者联动，实现定点挤出工作。
2.根据权利要求1所述的一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置，其特征在于：电源电流控制单元包括直流电源和鳄鱼夹，鳄鱼夹将直流电源输出端分别与金属丝料和石墨平台相连。
3.根据权利要求1所述的一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置，其特征在于：金属丝料挤出单元主要包括送丝管、同轴喷头和送丝电机，金属丝料被位于两只送丝电机输出轴的齿轮紧密啮合并通过送丝电机的相向旋转作用将金属丝料送入送丝管，输送到同轴喷头内层管路中，同轴喷头外层则用来输出混合了碳化硅粉末的保护气体。
4.根据权利要求1所述的一种丝状金属直接熔融3D打印成型装置，其特征在于：三维成型单元包括石墨成型平台、磁性底板和丝杠驱动模组，采用高熔点导电性强的石墨薄板作为直接接触熔融金属的成型平台，石墨成型平台下放置磁性底板。
5.一种丝状金属直接熔融3D打印成型工艺，其特征在于：在开始打印时，调节气瓶气阀，保护气通过压差将粉末罐中的碳化硅粉末混入气体中，以适当压力从金属丝料周围喷射而出，将碳化硅粉末附着在金属熔池表面，并通过高温在制品表面烧结形成碳化硅陶瓷耐磨层；当丝杠驱动电机带动喷头和成型平台联动，金属液滴不断按需滴落，通过层层堆积，进而形成所需的金属制品。
6.根据权利要求5所述的一种丝状金属直接熔融3D打印成型工艺，其特征在于：气体贮存单元由高压气瓶、碳化硅粉末存储罐、气体导管、阀门和气压计组成，高压气瓶内充有惰性气体，当预备3D打印时，调节气瓶阀门，通过气压计获得适当压强的输出气流，气流通过气体导管，通过压强差吸出储存在粉末存储罐中的碳化硅粉末，混有碳化硅粉末的惰性气体从同轴喷头的外层喷头喷出。
7.根据权利要求5所述的一种丝状金属直接熔融3D打印成型工艺，其特征在于：电源电流控制单元包括直流电源和鳄鱼夹，高压交流电通过直流电源转化为低压直流电输出，并使用鳄鱼夹将直流电源输出端分别与金属丝料和石墨平台相连，使两者间形成短路电流，进而形成高温电弧。
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