CN109692954A - 热塑性3d打印金属构件的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热塑性3D打印金属构件的方法，包括如下步骤：（1）在计算机上进行金属构件的3D建模，形成金属构件打印模型；（2）由加热器将打印喷腔加热到预设温度，保持恒温；（3）送丝机将非晶合金材料送入所述打印喷腔内匀速熔化，打印喷嘴在所述打印喷腔内挤压力的作用下喷射出粘度低且呈流动态的非晶合金墨水；（4）非晶合金墨水在保护气作用下喷射到打印基板上；（5）打印喷嘴在工作台上由计算机控制按照所述金属构件打印模型所定义的移动轨迹移动喷射，最终得到金属构件。得到的金属构件的层与层之间的结合力强，具有一定的弯曲韧性。

Description

热塑性3D打印金属构件的装置及方法
技术领域
本发明涉及金属材料成型技术领域，尤其涉及一种热塑性3D打印金属构件的装置及方法。
背景技术
3D打印金属是增材制造技术的一种，它与传统的材料加工方法不同，是一种基于三维数字模型的制造技术，其是将塑料、金属或陶瓷粉末等墨水材料通过逐层打印的方式来制造物品的技术。3D打印金属是当前金属材料3D打印制造技术的一个重要发展方向，其中，激光工程化净成形技术、选择性激光烧结技术、电子束选区熔化技术、直接能量沉积技术和微喷射粘结技术是几种典型的3D打印金属方法。这些打印技术均采用金属粉末作为打印墨水，借助气体进行冷却成型。3D打印金属技术综合应用了计算机辅助设计/计算机辅助制造CAD/CAM、激光、控制、精密机械和材料科学等多方面的知识和技术。相比传统的增材制造技术，采用3D打印金属大大缩短了产品研制周期，降低了成本，加快了新产品的制造速度，在航空航天、生物和医疗等领域具有广阔的应用前景。
然而，现有3D打印技术存在以下缺点：3D打印所用的金属粉末具有在空气中容易氧化且在常温下自燃、易爆的特性，在运输及存储过程中易产生危险和二次污染。沉淀并不能使金属粉末完全提取，不符合环保的可持续发展。合金元素中含有重金属，如不慎进入人们的生活圈，长期接触可危害人们的身体健康。金属粉末提取后没有妥善处理，金属元素依然具有活性，对环境和人们的生活造成干扰。
发明内容
本发明的目的是为解决背景技术中提及的技术问题。
为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种热塑性3D打印金属构件的装置，包括计算机、送丝机、打印喷腔、打印喷嘴、加热器、打印基板、保护气供给装置和工作台；所述加热器用于将所述打印喷腔加热至预设温度；所述送丝机用于向所述打印喷腔输送棒状或丝状的Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金材料；所述打印喷嘴设于所述打印喷腔的底部并位于所述打印基板的上方，用于在所述打印喷腔内挤压力的作用下喷射粘度低且呈流动态的非晶合金墨水；所述计算机用于存储金属构件打印模型，并控制所述打印喷嘴在所述工作台上按照所述金属构件打印模型所定义的移动轨迹进行移动，期间，所述打印喷嘴连续向所述打印基板上喷射所述非晶合金墨水，同时由所述保护气供给装置提供保护气对所述非晶合金墨水进行保护，直至得到所述金属构件打印模型所定义的金属构件。
另一方面，本发明提供一种热塑性3D打印金属构件的方法，包括如下步骤：
（1）在计算机上进行金属构件的3D建模，形成金属构件打印模型；
（2）由加热器将打印喷腔加热到预设温度，保持恒温；
（3）送丝机将非晶合金材料送入所述打印喷腔内匀速熔化，打印喷嘴在所述打印喷腔内挤压力的作用下喷射出粘度低且呈流动态的非晶合金墨水；
（4）非晶合金墨水在保护气作用下喷射到打印基板上；
（5）打印喷嘴在工作台上由计算机控制按照所述金属构件打印模型所定义的移动轨迹移动喷射，最终得到金属构件。
进一步地，所述保护气是氩气或氦气。
进一步地，所述工作台是高温平面基台。
进一步地，所述预设温度介于非晶合金的玻璃转变温度Tg和结晶温度Tx之间。
进一步地，所述非晶合金材料是Zr基、Pd基、Pt基、Ti基、Al基、Au基、Co基、Cu基、Fe基、La基、Mg基和Ni基非晶合金中的任一种。
进一步地，所述非晶合金材料是棒状或丝状，直径为0.5-5 mm。
进一步地，所述打印喷嘴与所述打印喷腔一体成型。
进一步地，所述打印基板是具有导热性的金属板,为铜板、铝板和钢板中的任一种。
进一步地，所述打印喷嘴的喷射方式是堆焊的方式。
本发明的装置将打印喷嘴与打印喷腔设计成一体，连接加热器可以直接对打印喷嘴与打印喷腔一起加热，且加热的温度只需介于非晶合金的玻璃转变温度Tg和结晶温度Tx之间，不需要让加热温度高达合金的熔点；再者利用打印喷腔内挤压力的作用喷射粘度低呈流动态的非晶合金墨水，得到的金属构件的层与层之间的结合力强，具有一定的弯曲韧性，不需要添加外加装置对非晶合金墨水施加额外的力，降低了打印装置的复杂度、成本以及功耗，同时也提升了打印的可靠性。另外本发明实现了对金属打印过程的灵活控制，大大降低了控制难度。
附图说明
图1为本发明装置一个实施例的结构示意图；
图2为本发明方法一个实施例的流程图；
图3为本发明方法一个实施例获得的金属构件；
图4A为金属构件的弯曲试样；
图4B为弯曲试样断口的侧视图；
图4C为弯曲试样断口的俯视图。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的一个实施例提供一种热塑性3D打印金属构件的装置，包括计算机1、送丝机6、打印喷腔7、打印喷嘴3、加热器2、打印基板9、保护气供给装置8和工作台；加热器2用于将打印喷腔7加热至预设温度；送丝机6用于向打印喷腔7输送棒状的Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金材料5；打印喷嘴3设于打印喷腔7的底部并位于打印基板9的上方，用于在打印喷腔内挤压力的作用下喷射粘度低且呈流动态的非晶合金墨水；计算机1用于存储金属构件打印模型，并控制打印喷嘴3在工作台上按照金属构件打印模型所定义的移动轨迹进行移动，期间，打印喷嘴3连续向打印基板9上喷射非晶合金墨水，同时由保护气供给装置8提供保护气对非晶合金墨水进行保护，直至得到金属构件打印模型所定义的金属构件。
如图2所示，本发明的一个实施例提供一种热塑性3D打印金属构件的方法，包括如下步骤：
（1）启动打印装置，在与打印装置相连接的计算机上用3D建模方法构建出一个锯齿形的金属构件模型；
（2）由加热器2将打印喷腔7加热到Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金的玻璃转变温度Tg＝350 oC和结晶温度Tx＝471 oC之间的425 oC温度，保持恒温；
（3）直径为1.5 mm，长为200 mm棒状的Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金材料5由送丝机6送入打印喷腔7内匀速熔化，打印喷嘴3位于打印基板9的上方，在打印喷腔7内挤压力的作用下喷射粘度低呈流动态的非晶合金墨水；
（4）非晶合金墨水在氩气的保护作用下被喷射到打印基板9上；
（5）打印装置的打印喷嘴3在工作台上由计算机1控制移动喷射，最终得到如图3所示的高强度结构复杂的金属构件4。
Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金通过3D打印方法获得金属构件的力学性能分析如下：
弯曲测试结果：将弯曲试样制成长度为9 mm，宽度为1.3 mm和厚度为2 mm的块状试样（图4A），在室温下采用不同半径的弯曲圆心轴进行测试。失效应变用ε = h/2R公式进行计算,其中R 是弯曲试样的中心轴半径， h 是试样的厚度。厚度为2 mm的金属构件试样的失效弯曲应变大约为2.7%，显示了一定的弯曲韧性。采用光学显微镜（OM）对弯曲试样侧面断口形貌进行观察的结果如图4B所示，俯视断口形貌进行观察的结果如图4C所示。可见金属构件试样在进行弯曲测试之后并没有出现分层的现象，而是整个构件沿着横截面出现断裂，表明非晶合金通过3D打印方法获得金属构件的层与层之间的结合力强。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.热塑性3D打印金属构件的装置，其特征在于，包括计算机、送丝机、打印喷腔、打印喷嘴、加热器、打印基板、保护气供给装置和工作台；
所述加热器用于将所述打印喷腔加热至预设温度；
所述送丝机用于向所述打印喷腔输送棒状或丝状的Zr44Ti11Cu10Ni10Be25非晶合金材料；
所述打印喷嘴设于所述打印喷腔的底部并位于所述打印基板的上方，用于在所述打印喷腔内挤压力的作用下喷射粘度低且呈流动态的非晶合金墨水；
所述计算机用于存储金属构件打印模型，并控制所述打印喷嘴在所述工作台上按照所述金属构件打印模型所定义的移动轨迹进行移动，期间，所述打印喷嘴连续向所述打印基板上喷射所述非晶合金墨水，同时由所述保护气供给装置提供保护气对所述非晶合金墨水进行保护，直至得到所述金属构件打印模型所定义的金属构件。
2.热塑性3D打印金属构件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在计算机上进行金属构件的3D建模，形成金属构件打印模型；
（2）由加热器将打印喷腔加热到预设温度，保持恒温；
（3）送丝机将非晶合金材料送入所述打印喷腔内匀速熔化，打印喷嘴在所述打印喷腔内挤压力的作用下喷射出粘度低且呈流动态的非晶合金墨水；
（4）非晶合金墨水在保护气作用下喷射到打印基板上；
（5）打印喷嘴在工作台上由计算机控制按照所述金属构件打印模型所定义的移动轨迹移动喷射，最终得到金属构件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述保护气是氩气或氦气。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述工作台是高温平面基台。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设温度介于非晶合金的玻璃转变温度Tg和结晶温度Tx之间。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述非晶合金材料是Zr基、Pd基、Pt基、Ti基、Al基、Au基、Co基、Cu基、Fe基、La基、Mg基和Ni基非晶合金中的任一种。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述非晶合金材料是棒状或丝状，直径为0.5-5 mm。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述打印喷嘴与所述打印喷腔一体成型。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述打印基板是具有导热性的金属板,为铜板、铝板和钢板中的任一种。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述打印喷嘴的喷射方式是堆焊的方式。
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