CN109604588B - 基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法 - Google Patents

基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属3D打印技术领域，具体公开了一种基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法，包括在支撑结构打印开始之前，将中低熔点金属丝在打印头的熔融腔中熔融成液态金属；同时挤入装置将固态颗粒通过打印头上的微孔通道挤入到熔融腔中；熔融腔中的固态颗粒与液态金属相浸润，一起从打印头的喷嘴中挤出，在基板上冷却凝固沉积，控制挤入装置在打印支撑起始片层和支撑结束片层时向熔融腔中挤入较多固态颗粒，而打印非支撑结束片层时挤入较少固态颗粒；所有片层打印完毕后，沿各支撑结构与零件的结合处扯断支撑结构。本方案减少了液态金属的无规则流动，起到引导和稳定液态熔滴的作用，同时降低了支撑去除的难度。

Description

基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法
技术领域
本发明涉及金属3D打印技术领域，具体涉及一种基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法。
背景技术
3D打印是快速成形(Rapid Prototyping，RP)技术的一种，且最具生命力。该技术源于离散/堆积的分层制造技术原理，由三维CAD模型直接驱动，利用逐渐增加材料的方法来实现任意复杂形状及结构零部件或模具的一次性迅速精密制造成形。从成形思想上颠覆了传统制造理念，突破了去除成形(车、铣、刨、磨、钳等)方法和受迫成形(锻压、铸造粉末冶金等)方法，开辟了制造业的新领域。该技术具有高度集成性，且能够实现多种材料的快速、柔性制造，制造成本低，因此最适合应用于多品种、小批量、结构复杂、原材料价值量高的结构零部件制造。基于以上特点，3D打印技术应用领域不断扩展，目前该技术已在工业造型、文化艺术、机械制造、航空航天、军事、建筑、医学等领域都得到了广泛的应用。
中低熔点金属熔覆打印技术是3D打印技术中的一种，一般是指，采用熔融状态下的液态中低熔点金属墨水为3D打印材料，通过特制的3D打印喷头，在三维运动机械系统的精确控制下，挤出喷射在基板或前一层金属材料上，在空气或者液态冷却剂的作用下冷却凝固沉积，从而层层累积成型进行金属零件的3D打印，这里的中低熔点金属，指的是熔点在200-1200℃之间的金属或合金；该方法是一种低成本、高效的能够直接制造金属零件、电子线路或金属功能零件的增材制造方法，对于传统电气元件、金属结构/功能零件的制造有着极大的意义，已经逐渐成为研究的热点和未来3D打印的发展方向之一。
现有的中低熔点金属熔覆打印方法，往往需要为零件悬垂结构添加支撑，其基本的制造流程为：(1)在计算机上设计零件三维模型；
(2)为零件悬垂部分及与基板接触部位添加支撑；
(3)对模型进行切片处理，将三维模型离散为N个高度为h的片层；
(4)对步骤(2)中所得到的每一个片层进行加工路径的规划，得到一系列二维轨迹信息；
(5)按照步骤(3)中的第一片层的加工路径进行二维方向上的加工，加工厚度为h；
(6)进行下一片层的加工，直到N个片层全部加工完毕；
(7)去除零件支撑，进行后处理。
在实际的制造过程中，支撑的去除往往需要耗费大量的时间，而且通常情况下大面积的支撑去除非常困难。
发明内容
本发明意在提供一种基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法，通过混合两种不同形态的打印材质，以改变支撑部与工件的结合强度，从而就可以更为容易的去除掉支撑部。
本发明采用如下的技术方案：基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法，包括下列步骤：
(1)利用三维软件建立零件模型；
(2)将零件模型导入到切片软件中添加支撑，并对加入了支撑的模型进行切片处理；
(3)识别并分离步骤(2)中零件和支撑的切片信息，提取支撑起始和结束的片层信息并保存至控制系统；
(4)在支撑结构打印开始之前，将中低熔点金属丝从金属丝料盘中牵引出，送入到打印头中，在打印头的熔融腔中熔融成液态金属；同时，挤入装置将固态颗粒通过打印头上的微孔通道挤入到熔融腔中；
(5)熔融腔中的固态颗粒与液态金属相浸润，一起从打印头的喷嘴中挤出，流出的混合有固态颗粒的液态金属，在与X-Y-Z三向运动机构连接的基板上冷却凝固沉积，控制系统根据步骤(3)中保存的支撑起始片层信息控制X-Y-Z三向运动机构，从而在基板上打印支撑起始片层；
(6)支撑起始片层打印完毕后，控制系统控制挤入装置减少固态颗粒的挤入，继续打印余下的零件和支撑的片层；
(7)控制系统根据步骤(3)中保存的支撑结束片层信息控制挤入装置在打印支撑结束片层时如同打印支撑起始片层时一样的向熔融腔中挤入固态颗粒；
(8)所有片层打印完毕后，从基板上取下零件，并沿各支撑结构与零件的结合处扯断支撑结构。
本发明将固态颗粒混入液态金属挤出沉积，在打印支撑起始片层和支撑结束片层以外的片层时，少量加入固态颗粒，以减少液态金属的无规则流动，同时起到引导和稳定液态熔滴的作用。
在打印支撑起始片层和支撑结束片层时，混入较多固态颗粒，挤占了液态金属的挤出空间，减少了液态金属的排出量，致使颗粒间虽有黏连，但存在大量内部空隙，这样的混合物冷却凝固后形成的支撑结构与零件或基板间的连接部位结构整体强度下降变脆，容易被折断，降低了支撑去除的难度。
进一步，步骤(5)中混合后的液态金属中固态颗粒的占比为50％-60％。
保证混合后的液态金属中含有足够多的固态颗粒，起到降低结构整体强度的效果。
进一步，步骤(6)中混合后的液态金属中固态颗粒的占比减少至8％-10％。
保证混合后的液态金属中含有适量的固态颗粒，不会降低结构整体强度的同时，却足以起到减少液态金属的无规则流动，同时引导和稳定液态熔滴的作用。
进一步，所述的中低熔点金属丝为Sn、Pb、Al或Cu基合金材质的金属丝。
均为常见的中低熔点合金。
进一步，所述的固态颗粒与中低熔点金属丝的材质相同。
采用同样材质的固态颗粒与中低熔点金属丝进行混合，避免固态颗粒进入到零件内后，由于材质不同而造成该部分零件局部的物理特性被破坏，进而保持零件材料的一致性。
进一步，所述固态颗粒的粒径为50-100μm。
颗粒的流动性更好，便于被挤入，防止粒径过小而容易熔融为液态。
进一步，在步骤(4)中，采用高频感应加热的方法，在打印头的熔融腔中熔融成液态金属。
该方法实现简单，成本较低，适合于中低熔点金属熔覆打印。
进一步，用于高频感应加热的电源电压为380V,频率为200-500kHz。
可根据不同的中低熔点金属以及零件的制造要求从中选择合适的频率，熔点越高则需要的频率便越高。
进一步，采用孔径为0.2-0.8mm喷嘴挤出液态金属。
可根据不同的中低熔点金属以及零件的制造要求从中选择合适的孔径。
附图说明
图1为本发明实施例一中的3D打印系统的结构示意图。
图2为图1中A处的放大图。
图3为本发明实施例二中的打印头的局部剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明，说明书附图中的附图标记包括：金属丝料盘1、送丝机构2、送丝轮21、中低熔点金属丝3、打印头4、入丝段41、加热部42、喷嘴部43、微孔通道44、线圈45、防堵筒46、翅片47、基板5、控制系统6、挤入装置7、送料管71。
实施例一
本实施例中固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法通过如图1中所示的 3D打印系统来实现，该系统包括：送丝机构2、挤入装置7、打印头4、与X-Y-Z三向运动机构连接的基板5和控制系统6；
送丝机构2上设有一对用于将中低熔点金属丝3从金属丝料盘中牵引出送丝轮21，以及用于驱动送丝轮21的送丝伺服电机，通过控制系统6控制送丝伺服电机的转动和转速调节，实现送丝控制。
如图2所示，打印头4为两端开口的中空结构，打印头4内部的空间自上而下分为入丝段41和熔融腔，熔融腔分为上部的加热部42和下部的喷嘴部43，打印头4上加热部42所对应外壁上绕有用于在通入交变电流后产生交变磁场的线圈45；喷嘴部43所对应外壁上没有线圈45，但开有一连通喷嘴部43和外部空间的微孔通道44。送丝机构2送来的中低熔点金属丝自打印头4的上端开口入，经过入丝段41来到熔融腔中进行高频感应加热，形成液态金属，打印头4的下端开口为喷嘴，供液态金属挤出。
挤入装置7包括了用于盛放固态颗粒的料斗和安装在料斗内的螺杆送料机构，该机构包括安装在料斗上出料端的螺杆和挤入伺服电机，螺杆通过第一联轴器与挤入伺服电机的输出轴连接，出料端则通过送料管71与打印头4上的微孔通道44连通；通过控制系统6控制挤入伺服电机带动螺杆的转动和转速调节，实现料斗内的固态颗粒经送料管71挤入熔融腔的精确控制。
X-Y-Z三向运动机构在动力机构的驱动下可分别作精确的“X向”、“Y向”及“Z向”运动，动力机构可以是但不限于三个单独的伺服电机，各自负责一个方向上的驱动；本实施例中驱动X-Y-Z三向运动机构的动力机构受控于控制系统6，从而可以根据控制系统6给出的指令驱动固定连接在X-Y-Z三向运动机构上的基板5按照既定的加工路径移动，X-Y-Z三向运动机构的具体设计采用本领域所熟知的现有技术，在此不做赘述。
本实施例还包括了图中未视出的压力供给机装置，用于在控制系统6的控制下向熔融腔内提供挤出液态金属所需的压力，该单元采用本领域所熟知的现有技术，在此不做赘述。
本实施例中的控制系统6采用了以PC机为核心的设计，加载了切片软件和控制软件，并通过必要的外部设备控制各个装置或机构的运行。
本实施例中的中低熔点金属丝3可为Sn、Pb、Al或Cu基合金，固态颗粒则为与中低熔点金属丝3的材质相同的合金颗粒，选用粒径为50-100μm的颗粒。
本实施例中固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法包括以下步骤：
(1)利用三维软件建立零件模型；
(2)将零件模型导入到切片软件中添加支撑，并对加入了支撑的模型进行切片处理；
(3)识别并分离步骤(2)中零件和支撑的切片信息，提取支撑起始和结束的片层信息并保存至控制系统6；
(4)在支撑结构打印开始之前，控制系统6开启送丝机构2内的伺服电机，进而利用送丝轮21将中低熔点金属丝3从金属丝料盘中牵引出，送入到打印头4中；
在线圈45内通入高频交变电流，采用高频感应加热的方法，将中低熔点金属丝3在打印头4的熔融腔中熔融成液态金属，用于高频感应加热的电源电压为380V,频率为 200-500kHz，可根据不同金属的不同熔融温度需要进行调节；同时，控制系统6开启挤入装置7内的螺杆送料机构，将固态颗粒经送料管71再通过打印头4上的微孔通道44挤入到熔融腔中的喷嘴部43；
Sn、Pb基的合金熔点的较低，可选频率100-200kHz,Au、Cu基的合金熔点较高，可选频率300-500kHz,
金属丝直经越细越难熔，例如，3mm铜丝可选频率300kHz，1mm的铜丝400-500kHz。根据金属丝速度选择调节功率，直径1-3mm铜丝需要10-30kW功率，丝移动速度可选2-8mm/s之间。
(5)进入到熔融腔中的固态颗粒与液态金属相浸润，一起从打印头4的喷嘴中挤出，挤出的动力来自于压力供给单元，流出的混合有固态颗粒的液态金属，再和与X-Y-Z三向运动机构连接的基板5上冷却凝固沉积；
此时，需要混合物中固态颗粒比例占50％-60％；
例如，低熔点金属丝的直径为2mm，则截面积3mm2，进丝速度为4mm/s，换句话说，低熔点金属的运送速度为12mm3/s,固态颗粒比例占50％则意味着，固态颗粒的运送速度为12mm3/s,再根据微孔通道44的直径设计和螺杆送料机构的具体参数可计算出电机的转速，控制系统6照此控制挤入伺服电机运转，此技术手段较为现有，且不是本发明所要保护的技术方案，在此不做赘述。
(6)支撑起始片层打印完毕后，控制系统6控制挤入装置7减少固态颗粒的挤入，固态颗粒推送速度降低到打印支撑起始片层时的十分之一，即混合物中固态颗粒比例占8％-10％，继续打印余下的零件和支撑的片层；
(7)根据步骤(3)中保存的支撑结束片层信息，控制系统6控制挤入装置7在打印支撑结束片层时如同打印支撑起始片层时一样的向熔融腔中挤入固态颗粒；
(8)所有片层打印完毕后，从基板5上取下零件，并沿各支撑结构与零件的结合处扯断支撑结构。
本实施例将固态颗粒混入液态金属挤出沉积，在打印支撑起始片层和支撑结束片层以外的片层时，少量加入固态颗粒，以减少液态金属的无规则流动，同时起到引导和稳定液态熔滴的作用。
在打印支撑起始片层和支撑结束片层时，混入较多固态颗粒，挤占了液态金属的挤出空间，减少了液态金属的排出量，致使固态颗粒间虽有黏连但存在大量内部空隙，该混合物冷却凝固后形成的支撑结构与零件或基板5间的连接部位结构整体强度下降变脆，容易被折断，降低了支撑去除的难度。采用同样材质的固态颗粒与中低熔点金属丝3进行混合，避免固态颗粒进入到零件内后，由于材质不同而造成该部分零件局部的物理特性被破坏，进而保持零件材料的一致性。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处仅在于，如图3所示，微孔通道44位于喷头部内壁上的开口端内卡接有一两端开口的防堵筒46，防堵筒46卡接在微孔通道44内的一端为入料端，另一端为出料端，出料端伸入喷头部内，出料端的口沿上延伸出多根翅片47。
通常，在完成打印后，为了清理残留在熔融腔内的液态金属，会向熔融腔内通入高压气体以将液态金属推出熔融腔，然而由于微孔通道44位于喷头部内壁上的开口端内的部分固态颗粒已经与液态金属有所接触，会被液态金属润泽，加之通入高压气体会导致熔融腔内的温度降低，特别是微孔通道44的开口端孔径较小，且处于开口端内的固态颗粒还不处于熔融腔内，不容易被高压空气作用到，这诸多因素会导致处于开口端内的固液混合物容易板结，堵塞送料管71。
为此，本实施例中在微孔通道44位于喷头部内壁的开口端内卡接入防堵筒46，防堵筒 46的翅片47则处在熔融腔的喷嘴部43内，当喷嘴部43内还有液态金属时，整个防堵筒46 处于受热膨胀的状态，液态金属流出后，防堵筒46温度降低，开始收缩，使得防堵筒46和防堵筒46上的翅片47发生形变，撬动了处于该开口端内固液混合物，固液混合物的边缘始终不稳定，也就不易与防堵筒46内壁抱紧；此时继续通入固态颗粒和高压空气，翅片47在气流的作用下发生振动，进一步防止正在逐渐冷却的固液混合物与防堵筒46内壁抱紧板结，而后在后面通入的固态颗粒的推动下从该开口端被推出，进而避免了堵塞。
为了保持该开口端的孔径不会因为卡接入了防堵筒46而被缩小，可以在该开口端处进行扩口，形成沉孔，防堵筒46卡接在沉孔内，防堵筒46的内径大于或等于微孔通道44的内径。
进一步地，在某些实施例中，喷头部和加热部42间采用螺纹连接，从而可以将喷头部拆下，在防堵筒46损坏时，直接更换防堵筒46，也可以防止在特殊情况下偶有防堵筒46未能发挥作用，固液混合物仍旧板结在了防堵筒46内的情况下，通过直接拔出防堵筒46的方式进行疏通，此时翅片47则可以起到一个牵引部的作用，方便拔出操作。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的技术手段和常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法，包括下列步骤：
(1)利用三维软件建立零件模型；
(2)将零件模型导入到切片软件中添加支撑，并对加入了支撑的模型进行切片处理；
(3)识别并分离步骤(2)中零件和支撑的切片信息，提取支撑起始和结束的片层信息并保存至控制系统；
其特征在于：
(4)在支撑结构打印开始之前，将中低熔点金属丝从金属丝料盘中牵引出，送入到打印头中，在打印头的熔融腔中熔融成液态金属；同时，挤入装置将固态颗粒通过打印头上的微孔通道挤入到熔融腔中；
(5)熔融腔中的固态颗粒与液态金属相浸润，一起从打印头的喷嘴中挤出，流出的混合有固态颗粒的液态金属，在与X-Y-Z三向运动机构连接的基板上冷却凝固沉积，控制系统根据步骤(3)中保存的支撑起始片层信息控制X-Y-Z三向运动机构，从而在基板上打印支撑起始片层；
(6)支撑起始片层打印完毕后，控制系统控制挤入装置减少固态颗粒的挤入，继续打印余下的零件和支撑的片层；
(7)控制系统根据步骤(3)中保存的支撑结束片层信息控制挤入装置在打印支撑结束片层时如同打印支撑起始片层时一样的向熔融腔中挤入固态颗粒；
(8)所有片层打印完毕后，从基板上取下零件，并沿各支撑结构与零件的结合处扯断支撑结构；
其中微孔通道位于喷头部内壁上的开口端内卡接有一两端开口的防堵筒，防堵筒卡接在微孔通道内的一端为入料端，另一端为出料端，出料端伸入喷头部内，出料端的口沿上延伸出多根翅片。
2.根据权利要求1所述的基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法，其特征在于：步骤(5)中混合后的液态金属中固态颗粒的占比为50％-60％。
3.根据权利要求1所述的基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法，其特征在于：步骤(6)中混合后的液态金属中固态颗粒的占比减少至8％-10％。
4.根据权利要求1所述的基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法，其特征在于：所述的中低熔点金属丝为Sn、Pb、Al或Cu基合金。
5.根据权利要求1所述的基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法，其特征在于：所述的固态颗粒与中低熔点金属丝的材质相同。
6.根据权利要求1所述的基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法，其特征在于：所述固态颗粒的粒径为50-100μm。
7.根据权利要求1所述的基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法，其特征在于：在步骤(4)中，采用高频感应加热的方法，将中低熔点金属丝在打印头的熔融腔中熔融成液态金属。
8.根据权利要求7所述的基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法，其特征在于：用于高频感应加热的电源电压为380V,频率为200-500kHz。
9.根据权利要求1所述的基于固态颗粒引导的中低熔点金属熔覆打印及支撑去除方法，其特征在于：采用孔径为0.2-0.8mm的喷嘴挤出液态金属。
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