CN109530699A - 一种3d打印金属实体的复合烧结设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印金属实体的复合烧结设备及方法。该复合烧结设备包括：烧结用炉体，该炉体具有一个腔体，于腔体内设置有红外加热装置，该复合烧结设备还包括：微波加热装置和冷却装置,所述的微波加热装置包括分布于所述的腔体上磁控管；所述的冷却装置包括：分布于腔体表面的冷水管和一与腔体连通的惰性气体管道。本发明采用红外加热和微波加热复合加热装置，首先通过红外加热对所要烧结的金属实体进行预热，然后通过微波加热装置直接对金属实体进行加热烧结。由于微波加热烧结的均匀性，及快速冷却设计，可实现大尺寸金属打印件的快速烧结，并获得高致密度和均匀性优良的金属实体。

Description

一种3D打印金属实体的复合烧结设备及方法
技术领域：
本发明涉及3D打印技术领域，特指一种3D打印金属实体的复合烧结设备及方法。
背景技术：
随着3D打印技术的发展，目前已经发展到可以使用3D打印技术直接制造金属零件。目前主要金属3D打印工艺有：1、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)技术；2、直接金属粉末激光烧结(Direct Metal Laser Sintering，DMLS)；3、选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术；4、激光近净成形(Laser Engineered NetShaping，LENS)技术；5、电子束选择性熔化(Electron Beam Selective Melting，EBSM)技术。
目前常用的金属3D打印技术为：SLS技术。其整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。
SLS金属3D打印机技术虽然工艺相对简单，但是由于其是通过激光烧结形成，所得到的零件强度较低，需要经过后处理才能达到较高的强度。所以，通常这种对于采用这种工艺制作的3D打印金属实体通常需要进行后续的烧结工艺处理。目前的对3D打印金属实体的烧结炉一般采用箱式烧结炉，加热模式为电阻丝加热的方式，并且整个烧结工艺持续时间较长，通常需要30个小时以上的时间，而且受制于加热模式，传统的烧结炉只能用于体积较小的产品(横截面小于300mm X 300mm，或者重量在10KG以下)，对于体积较大的金属产品而言，如果采用传统烧结炉，烧结后观察金属产品的截面金相组织，金属产品的内外烧结一致性存在明显的差别。
针对以上所述，本发明人经过不断研究实验，提出了以下技术方案，以克服现有针对3D打印技术实体烧结工艺存在的不足。
发明内容：
本发明所要解决的第一个技术问题就在于克服现有技术的不足，提供一种3D打印金属实体的复合烧结设备。
为了解决上述第一个技术问题，本发明采用了下述技术方案：一种3D打印金属实体的复合烧结设备，包括：烧结用炉体，该炉体具有一个用于放置3D打印的金属实体的腔体，于腔体内设置有红外加热装置，该复合烧结设备还包括：微波加热装置和冷却装置；所述的微波加热装置包括分布于所述的腔体上磁控管；所述的冷却装置包括：分布于腔体表面的冷水管和一与腔体连通的惰性气体管道。
进一步而言，上述技术方案中，所述的复合烧结设备还包括一真空泵，该真空泵与所述的腔体连通，通过真空泵对腔体进行抽气作业。
进一步而言，上述技术方案中，所述的复合烧结设备还包括一用于承载金属实体的负载机构，该负载机构具有一液压驱动的承载板。
进一步而言，上述技术方案中，所述的腔体上还设置有与之连通的进气管和出气管。
本发明所要解决的第二个技术问题就在于克服现有技术的不足，提供一种3D打印金属实体的复合烧结方法。
为了解决上述第二个技术问题，本发明采用了下述技术方案：一种3D打印金属实体的复合烧结方法，该方法为：第一步，将采用3D打印的金属实体放置在烧结用炉体的密闭的腔体中；第二步，在腔体真空状态或者负压状态下，通过腔体内设置的红外加热装置对金属实体进行加热，加热到第二温度数值；第三步，关闭红外加热装置，开启设置在腔体上的微波加热装置，对金属实体继续进行加热，加热至第三温度数值；第四步，对腔体进行降温冷却后，将金属实体由腔体内取出即可。
进一步而言，上述技术方案中，所述的第二步中，通过红外加热装置对金属实体进行加热过程中，在加热到第二温度数值之前，首先加热到第一温度，然后再加热到第二温度。
进一步而言，上述技术方案中，所述的第二步中，通过红外加热装置对金属实体进行加热过程中，首先由常温加热到第一温度，并在该第一温度状态下保温0.5-2个小时，然后再由第一温度加热至第二温度，并在该第二温度状态下保温0.5-2个小时。
进一步而言，上述技术方案中，所述的第四步中，对腔体进行降温冷却过程中，采用水冷降温冷却和气冷降温冷却两种方式；所述的水冷降温冷却为：在腔体表面分布冷水管，通过向冷水管中输入冷却水对腔体进行降温；所述的气冷降温冷却为：通过一惰性气体管道向腔体内充入冷却的惰性气体进行降温。
进一步而言，上述技术方案中，所述的烧结用炉体上设置有一用于承载金属实体的负载机构，该负载机构具有一液压驱动的承载板。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：本发明采用红外加热和微波加热复合加热装置，首先通过红外加热对所要烧结的金属实体进行预热，然后通过微波加热装置直接对金属实体进行加热烧结。3D打印的金属实体通过金属粉末形成，由于金属粉末由于尺寸足够小，与微波电磁场有一定的耦合作用，特别是当金属粉末在低于居里温度附近时，其电导率和磁导率会发生明显变化，使得金属粉与微波电磁场完全耦合，快速加热，达到烧结温度。该套烧结设备由于微波加热烧结的均匀性，及快速冷却设计，可实现大尺寸金属打印件的快速烧结，并获得高致密度和均匀性优良的金属实体。
本发明为一种针对大尺寸3D打印金属实体的红外微波复合烧结设备和方法，实现大尺寸金属实体的3D打印，特别适合于300*300mm以上的金属打印机打印件的烧结处理。本发明充分利用红处加热及微波烧结的特点，快速冷却系统、均匀温场设计，实现了大尺寸金属3D打印实体的烧结，达到高致密度、高效、低能耗的效果，具有较好的实用价值。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。
见图1所示，这是本发明中一种3D打印金属实体的复合烧结设备的结构示意图，其主要包括：烧结用炉体1、红外加热装置2、微波加热装置3、冷却装置4、真空泵5和负载机构6。
其中，炉体1采用不锈钢材料制作，内部为中空设计，即该炉体1具有一个用于放置3D打印的金属实体的腔体10，该炉体1具有一可开启的盖体，在使用时，将盖体关闭，令腔体10成为一个封闭空间。
所述的红外加热装置2设置于腔体10内，所述的微波加热装置3包括分布于所述的腔体10上磁控管31。
所述的红外加热装置2采用电磁发射波长为160nm--1000nm的若干根石英灯管组成(或由集成为类面光源的红外加热板)。红外加热装置2中的石英灯管均匀分布，并包围所需加热的金属实体9。红外加热装置2在整个烧结过程中的作用是预热打印的金属实体9和在退火过程中提供温场。另外，该红外加热装置可根据需要移进或移出腔体10。
所述的微波加热装置3中磁控管采用4-8根3KW或以上的磁控管21作为微波源，最大输出功率为9-36KW，产生的烧结温度最高可达1500℃。通过微波加热装置3对腔体10中对金属实体9进行烧结。
所述的冷却装置4包括：分布于腔体表面的冷水管和一与腔体10连通的惰性气体管道。冷水管与水冷机组构成水冷系统，通过冷水机组向冷水管输入冷水，从而直接对炉体1进行表面冷却。所述的惰性气体管道用于向腔体10内充入冷却用惰性气体，通过惰性气体快速带走工作腔中的热量，达到快速冷却。
该真空泵5与所述的腔体10连通，通过真空泵5对腔体10进行抽气作业，令腔体10内形成真空或者负压。以提高金属实体9的烧结质量。真空泵5可采用机械泵、扩散泵或分子泵。通常工作时，要求腔体10内的真空度达10-3--10-5Pa，以保证磁控管工作条件需求。
负载机构6用于承载金属实体9。由于本发明针对大尺寸的3D打印金属实体，为了取放方便设置该负载机构6。该负载机构6具有一液压驱动的承载板61。该承载板61位于腔体10内部，外部通过液压机构推动，这样确保整个腔体10的密封。工作时，承载板61上升至炉体1的开口位置，然后将金属实体9放置在承载板61上，然后承载板61在液压机构带动下下降，直至下降至指定位置，令金属实体9位于石英灯管的包围中心，以及磁控管21对应的中心位置。
另外，所述的腔体10上还设置有与之连通的进气管11和出气管12。进气管11是用于提供氢气、氮气等烧结所需的气体，通常进气管11上设置有流量计。出气管12用于排气，其上设置有控制阀、气压自动保护装置。
本发明的复合烧结设备还包括一控制装置7，通过控制装置7控制整个烧结工艺的控制。
本发明所述的一种3D打印金属实体的复合烧结方法包括以下步骤：
第一步，打开炉体1的盖体，同时负载机构6将承载板61升高，将采用3D打印的金属实体9放置在承载板61上，然后通过负载机构6强承载板61下降，令金属实体9位于烧结用炉体1的密闭的腔体10中心位置，然后关闭盖体，令腔体10成为一个密闭容腔。
第二步，通过真空泵5对腔体10进行抽真空作业，令腔体的在腔体10内的真空度达10-3--10-5Pa。然后，开启腔体10内设置的红外加热装置2，对腔体10内的金属实体9进行加热，首先由常温加热到第一温度，并在该第一温度状态下保温0.5-2个小时，然后再由第一温度加热至第二温度，并在该第二温度状态下保温0.5-2个小时。
第三步，关闭红外加热装置2，开启设置在腔体10上的微波加热装置3，对金属实体9继续进行加热，加热至第三温度数值，金属实体9在第三温度下开始烧结。由于金属实体9通过金属粉末固定形成，金属粉末由于尺寸足够小，与微波电磁场有一定的耦合作用，特别是当金属粉末在低于居里温度附近时，其电导率和磁导率会发生明显变化，使得金属粉与微波电磁场完全耦合，快速加热，完成烧结。在此过程中，可通过进气管11向腔体10内输入氢气、氮气等烧结所需的保护气体。
第四步，对腔体10进行降温冷却后，将金属实体9由腔体10内取出即可。对腔体10进行降温冷却过程中，采用水冷降温冷却和气冷降温冷却两种方式；所述的水冷降温冷却为：在腔体10表面分布冷水管，通过向冷水管中输入冷却水对腔体10进行降温；所述的气冷降温冷却为：通过一惰性气体管道向腔体10内充入冷却的惰性气体进行降温。
上述的第一温度、第二温度、第三温度以及相关的时间根据金属实体9的不同材料进行设置。
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
所烧结的金属实体采用型号为316L不锈钢粉末，使用东莞原力无限的3DP打印机FORCE-P-550，制作完成385*331*60mm的金属打印件，重量为21kg。
通过本发明的复合烧结设备对上述金属实体进行烧结，烧结过程如下：
在真空度达10-3--10-5Pa状态下开启红外加热装置2，将腔体10内的温度以1℃/min的速度由常温升至300℃(第一温度)，保温60min后，再以3℃/min的速度将腔体10内的温度升至600℃(第二温度)，保温60min，然后关闭红外加热装置2，开启微波加热装置3，以10℃/min的速度直接对金属打印件进行加温，令其温度升至1280℃(第三温度)，烧结时间20min。然后通过水冷降温冷却和气冷降温冷却将腔体内的温度降至100℃，此时完成产品的烧结，最后将产品取出即可。
采用本发明的红外微波复合烧结，在9小时内完成烧结，获得密度7.8g/cm3、均匀收缩13％的完整不锈钢件，整体工艺过程稳定高效。
当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (9)

1.一种3D打印金属实体的复合烧结设备，包括：烧结用炉体(1)，该炉体(1)具有一个用于放置3D打印的金属实体的腔体(10)，于腔体(10)内设置有红外加热装置(2)，其特征在于：该复合烧结设备还包括：微波加热装置(3)和冷却装置(4)；
所述的微波加热装置(3)包括分布于所述的腔体(10)上磁控管(31)；
所述的冷却装置(4)包括：分布于腔体表面的冷水管和一与腔体(10)连通的惰性气体管道。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印金属实体的复合烧结设备，其特征在于：该复合烧结设备还包括一真空泵(5)，该真空泵(5)与所述的腔体(10)连通，通过真空泵(5)对腔体(10)进行抽气作业。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印金属实体的复合烧结设备，其特征在于：该复合烧结设备还包括一用于承载金属实体(9)的负载机构(6)，该负载机构(6)具有一液压驱动的承载板(61)。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印金属实体的复合烧结设备，其特征在于：所述的腔体(10)上还设置有与之连通的进气管(11)和出气管(12)。
5.一种3D打印金属实体的复合烧结方法，其特征在于：该方法为：
第一步，将采用3D打印的金属实体(9)放置在烧结用炉体(1)的密闭的腔体(10)中；
第二步，在腔体(10)真空状态或者负压状态下，通过腔体(10)内设置的红外加热装置(2)对金属实体(9)进行加热，加热到第二温度数值；
第三步，关闭红外加热装置(2)，开启设置在腔体(10)上的微波加热装置(3)，对金属实体(9)继续进行加热，加热至第三温度数值；
第四步，对腔体(10)进行降温冷却后，将金属实体(9)由腔体(10)内取出即可。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印金属实体的复合烧结方法，其特征在于：所述的第二步中，通过红外加热装置(2)对金属实体(9)进行加热过程中，在加热到第二温度数值之前，首先加热到第一温度，然后再加热到第二温度。
7.根据权利要求6所述的一种3D打印金属实体的复合烧结方法，其特征在于：所述的第二步中，通过红外加热装置(2)对金属实体(9)进行加热过程中，首先由常温加热到第一温度，并在该第一温度状态下保温0.5-2个小时，然后再由第一温度加热至第二温度，并在该第二温度状态下保温0.5-2个小时。
8.根据权利要求5-7中任意一项所述的一种3D打印金属实体的复合烧结方法，其特征在于：所述的第四步中，对腔体(10)进行降温冷却过程中，采用水冷降温冷却和气冷降温冷却两种方式；所述的水冷降温冷却为：在腔体(10)表面分布冷水管，通过向冷水管中输入冷却水对腔体(10)进行降温；所述的气冷降温冷却为：通过一惰性气体管道向腔体(10)内充入冷却的惰性气体进行降温。
9.根据权利要求8所述的一种3D打印金属实体的复合烧结方法，其特征在于：所述的烧结用炉体(1)上设置有一用于承载金属实体(9)的负载机构(6)，该负载机构(6)具有一液压驱动的承载板(61)。
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