CN110000385A - 一种超声辅助的液态双金属直接3d打印装置及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声辅助的液态双金属直接3D打印装置及打印方法，其技术方案要点是：一种超声辅助的液态双金属直接3D打印装置，包括打印机主体，所述打印机主体设置有两个分别喷射两种液态金属的第一液态金属喷射装置、第二液态金属喷射装置，所述打印机主体内腔设置有一工作台，所述工作台顶部设置有一基板，所述基板材质为金属，所述基板位于第一液态金属喷射装置及第二液态金属喷射装置正下方，所述工作台设置有一超声振动装置，所述超声振动装置与基板下端面接触。本发明达到打印双金属零件的同时，调节不同金属的流动性和润湿性、细化打印件内部晶粒，提高零件力学性能。

Description

一种超声辅助的液态双金属直接3D打印装置及打印方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，尤其涉及到一种超声辅助的液态双金属直接3D打印装置及打印方法。
背景技术
金属3D打印技术可以较为快速和个性化的定制形状复杂的金属零件。但传统的金属打印技术打印速度较慢，难以快速打印尺寸较大的零件，同时传统金属打印技术也难以打印双金属零件。液态金属打印技术是一种高效的金属增材制造方法，原材料使用率高、产品的成型速度快，,打印速度是选区激光熔化成型等方法的10-100倍以上。但目前的液态金属直接打印技术不能打印双金属零件，同时缺少超声波辅助装置，不能通过超声波调控不同金属打印时的流动性、润湿性和晶粒大小。
中国专利CN201811562650提出了一种金属材料的熔融冷凝一体化3D打印装置和方法，但该方法只能打印单一种类的金属材料,不能进行双金属零件打印。类似地，中国发明专利CN201811042716、CN201811061893，也提出了若干种液态金属打印的方法，但均只能打印单一金属材料的零件，不适合打印双金属材料零件。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声辅助的液态双金属直接3D打印装置及打印方法，达到打印双金属零件的同时，调节不同金属的流动性和润湿性、细化打印件内部晶粒，提高零件力学性能。
本发明的上述技术目的是用过以下技术方案实现的：一种超声辅助的液态双金属直接3D打印装置，包括打印机主体，所述打印机主体设置有两个分别喷射两种液态金属的第一液态金属喷射装置、第二液态金属喷射装置，所述打印机主体内腔设置有一工作台，所述工作台顶部设置有一基板，所述基板材质为金属，所述基板位于第一液态金属喷射装置及第二液态金属喷射装置正下方，所述工作台设置有一超声振动装置，所述超声振动装置抵接于基板下端面。
本发明的进一步设置为：所述打印机主体设置有用于保护液态金属的惰性保护气体装置，所述惰性保护气体装置朝向所述第一液态金属喷射装置、第二液态金属喷射装置喷射的液体金属喷洒惰性气体。
本发明的进一步设置为：所述第一液态金属喷射装置、第二液态金属喷射装置、惰性保护气体装置分别多轴活动连接于所述打印机主体。
本发明的进一步设置为：包括如下步骤：
S1、在第一液态金属喷射装置的容器中加入第一种金属，在第二液态金属喷射装置的容器中加入第二种金属；
S2、打开安装在基板下方的超声振动装置；
S3、根据零件的材料分布设计，选择打开第一液态金属喷射装置或者第二液态金属喷射装置；
S4、第一液态金属喷射装置或者第二液态金属喷射装置的喷头在计算机的控制下在指定的位置打印相应的金属；
S5、根据当前打印金属种类的不同，基板上的超声振动装置输出不同的振幅和频率，并在每层打印完成均依次执行步骤S3-S5，直至所述金属零件全部打印完成，获得零件毛坯；
S6、将基板和连接在其上方的零件一起从打印设备中取出，同时将超声振动装置和基板分离；
S7、将基板连同零件毛坯一起放入热处理炉进行热处理，以释放残余应力；
S8、使用线切割方法将零件从基板上切割下来；
S9、使用机加工方法，对液态金属直接打印的零件上表面粗糙度和形状不能满足设计要求的部位进行机加工，直到几何尺寸满足要求，获得满足要求的零件。
本发明的进一步设置为：步骤S5中，所述的超声振动频率为20kHz-100kHz。
本发明的进一步设置为：根据当前打印金属种类的不同、基板上的超声振动装置输出不同的振幅和频率，表面张力大的金属对应使用大的超声振幅和频率，表面张力小的金属对应使用小的超声振幅和频率。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
可以快速打印双金属零件；
通过使用超声振动辅助，细化打印件内部的晶粒，提高零件力学性能；
具有通过控制超声频率和振幅来调节打印精度的能力。
具有通过控制超声频率和振幅来调节不同金属打印时的流动性、润湿性的能力。
附图说明
图1是实施例一的结构示意图。
图中数字所表示的相应部件名称：1、打印机主体；2惰性保护气体装置；3、金属液体的液线；5、工作台；6、基板；7、第一液态金属喷射装置；8、第二液态金属喷射装置；10、超声振动装置。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例一：如图1所示，本发明提出的一种超声辅助的液态双金属直接3D打印装置，包括打印机主体1，在打印机主体1安装有有两个分别喷射两种液态金属的第一液态金属喷射装置7、第二液态金属喷射装置8，即第一液态金属喷射装置7可喷射第一种金属液体，第二液态金属喷射装置8喷射第二种金属液体，并且第一液态金属喷射装置7及第二液态金属喷射装置8分别通过多轴移动机构活动连接于打印机主体1，并且第一液态金属喷射装置7及第二液态金属喷射装置8可在空间范围内移动，第一液体金属喷射装置及第二液态金属喷射装置8均可受计算机控制移动并喷射对应金属液体；在打印机主体1内腔固定安装有一工作台5，工作台5的顶部放置有一基板6，基板6为金属材质，并且基板6位于第一液态金属喷射装置7及第二液态金属喷射装置8正下方，工作台5上安装有一超声振动装置10，超声振动装置10可以为超声波振荡器，超声振动装置10抵接于基板6下端面，并且超声振动装置10移动连接于工作台5。当打印两种金属的零件时，通过打印机主体1控制第一液态金属喷射装置7及第二液态金属喷射装置8移动并喷射对应的金属液体，两种金属液体落至基板6后凝固成相应形状，在打印机主体1打印零件的同时，通过振动装置实时跟随对应第一液态金属喷射装置7或第二液态金属喷射装置8的位置进行移动，达到打印具有两种金属拼接的零件，并采用超声辅助技术细化零件的金属晶粒，提高打印金属零件的精度。
为了避免通过金属液体打印零件过程中，金属液体出现氧化反应，打印机主体1安装有用于保护液态金属的惰性保护气体装置2，惰性保护气体装置2内存放有惰性气体，惰性保护气体装置2可以朝向第一液态金属喷射装置7、第二液态金属喷射装置8喷射的液体金属喷洒惰性气体；并且惰性保护气体装置2通过多轴移动机构活动连接于打印机主体1，即惰性保护气体气体装置可在空间范围为相对于打印机主体1移动。通过惰性保护气体装置2跟随第一液态金属喷射装置7或第二液态金属喷射装置8移动，并实时朝向第一液态金属喷射装置7或第二液态金属喷射装置8喷射出金属液体的液线3喷洒惰性气体，从而的达到有效保护两种金属，避免金属被氧化。
实施例二，一种利用实施例一所述的超声辅助的液态双金属直接3D打印装置的打印方法，包括如下步骤：
S1、在第一液态金属喷射装置7的容器中加入第一种金属，在第二液态金属喷射装置8的容器中加入第二种金属，并控制第一液态金属喷射装置7及第二液态金属喷射装置8周围周期变化的磁场，产生均匀的液态金属液滴，液滴直径控制在300μm-500μm之间，液滴低落速率控制在10滴/s-1000滴/s之间；
S2、打开安装在基板6下方的超声振动装置10，使其接触基板6并移动到打印区，根据打印需求输出特定的超声振动频率，超声振动频率范围控制在20k-100kHz；
S3、根据零件的材料分布设计，选择打开第一液态金属喷射装置7或者第二液态金属喷射装置8，并且针对该位置的材料与打印要求，超声振动装置10输出特定的超声振动频率；
S4、第一液态金属喷射装置7及第二液态金属喷射装置8的喷头在计算机的控制下在指定的位置打印相应的金属；
S5、根据当前打印金属种类的不同(表面张力不同)、基板6上的超声振动装置10输出不同的振幅和频率，并在每次打印完成均依次执行步骤S3-S5，直至所述金属零件全部打印完成，获得零件毛坯，其中每次打印的液滴直径控制在300μm-500μm之间，液滴喷射速率控制在10滴/s-1000滴/s之间，超声振动频率范围控制在20k-100kHz；
S6、将基板6和连接在其上方的零件一起从打印设备中取出，同时将超声振动装置10和基板6分离；
S7、将基板6连同零件毛坯一起放入热处理炉进行热处理，以释放残余应力；
S8、使用线切割方法将零件从基板6上切割下来；
S9、使用机加工方法，对液态金属直接打印的零件上表面粗糙度和形状不能满足设计要求的部位进行机加工，直到几何尺寸满足要求，获得满足要求的零件。
应用例：在本应用例中，液态双金属打印选用两种性能差异较大的铝合金材作为原料，即2319铝合金和ER4043铝合金。且在上述制备过程中，在两种金属交界处在第二种金属打印前额外冷却3秒，然后开始后续的打印过程，以使得不同种金属材料的连接部结合的较为紧密。在本应用例中，同一种金属材料在打印过程中辅助的超声振动频率可以相同也可以不同。
下面列举一较为详细的实施例进行说明：
步骤一：打开惰性气体保护装置，使工作腔内充满氩气，防止金属在打印时氧化，并打开超声振动装置10，使其贴近铝合金金属基板6；
步骤三：在铝合金金属基板6上，使用第一液态金属喷射装置7喷射液化后的2319铝合金液态金属原料，液滴直径400μm，液滴喷射速率500滴/s，通过液态金属打印技术打印零件的第一种材料对应区域，即底板，所打印的底板厚度为3mm，边长为10mm的正方形，此时超声振动装置10的输出频率为20kHz；
步骤四：在步骤三打印好的底板上，使用第二液态金属喷射装置8喷射液化后的ER4043铝合金，液滴直径400μm，液滴喷射速率500滴/s，通过液态金属打印技术打印零件的第二种材料对应区域，在两种材料的交界处额外冷却3秒，以使得不同种金属材料的连接部结合的较为紧密，此时超声振动装置10的输出频率为50kHz；
步骤五：不断循环步骤三和步骤四，直至打印完成。
步骤五：金属零件全部打印完成，获得零件毛坯。
步骤六：将铝合金金属基板6和连接在其上方的零件一起从打印设备中取出，同时将超声振动装置10和基板6分离。
步骤七：将铝合金金属基板6连同零件毛坯一起放入热处理炉进行热处理，以释放残余应力；
步骤八、使用线切割方法将零件从铝合金金属基板6上切割下来；
步骤九、使用机加工方法，对液态金属直接打印的零件上表面粗糙度和形状不能满足设计要求的部位进行机加工，直到几何尺寸满足要求，获得满足要求的零件。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种超声辅助的液态双金属直接3D打印装置，包括打印机主体(1)，其特征在于，所述打印机主体(1)设置有两个分别喷射两种液态金属的第一液态金属喷射装置(7)、第二液态金属喷射装置(8)，所述打印机主体(1)内腔设置有一工作台(5)，所述工作台(5)顶部设置有一基板(6)，所述基板(6)材质为金属，所述基板(6)位于第一液态金属喷射装置(7)及第二液态金属喷射装置(8)正下方，所述工作台(5)设置有一超声振动装置(10)，所述超声振动装置(10)与基板(6)下端面接触。
2.根据权利要求1所述的一种超声辅助的液态双金属直接3D打印装置，其特征在于，所述打印机主体(1)设置有用于保护液态金属的惰性保护气体装置(2)，所述惰性保护气体装置(2)朝向所述第一液态金属喷射装置(7)、第二液态金属喷射装置(8)喷射的液体金属喷洒惰性气体。
3.根据权利要求1所述的一种超声辅助的液态双金属直接3D打印装置，其特征在于，所述第一液态金属喷射装置(7)、第二液态金属喷射装置(8)、惰性保护气体装置(2)分别多轴活动连接于所述打印机主体(1)。
4.一种超声辅助的液态双金属直接3D打印方法，包括打印机主体(1)，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在第一液态金属喷射装置(7)的容器中加入第一种金属，在第二液态金属喷射装置(8)的容器中加入第二种金属；
S2、打开安装在基板(6)下方的超声振动装置(10)；
S3、根据零件的材料分布设计，选择打开第一液态金属喷射装置(7)或者第二液态金属喷射装置(8)；
S4、第一液态金属喷射装置(7)或者第二液态金属喷射装置(8)的喷头在计算机的控制下在指定的位置打印相应的金属；
S5、根据当前打印金属种类的不同，基板(6)上的超声振动装置(10)输出不同的振幅和频率，并在每层打印完成均依次执行步骤S3-S5，直至所述金属零件全部打印完成，获得零件毛坯；
S6、将基板(6)和连接在其上方的零件一起从打印设备中取出，同时将超声振动装置(10)和基板(6)分离；
S7、将基板(6)连同零件毛坯一起放入热处理炉进行热处理，以释放残余应力；
S8、使用线切割方法将零件从基板(6)上切割下来；
S9、使用机加工方法，对液态金属直接打印的零件上表面粗糙度和形状不能满足设计要求的部位进行机加工，直到几何尺寸满足要求，获得满足要求的零件。
5.根据权利要求4所述的一种超声辅助的液态双金属直接3D打印方法，其特征在于，步骤S5中，所述的超声振动频率为20kHz-100kHz。
6.根据权利要求4所述的一种超声辅助的液态双金属直接3D打印方法，其特征在于，根据当前打印金属种类的不同、基板(6)上的超声振动装置(10)输出不同的振幅和频率，表面张力大的金属对应使用大的超声振幅和频率，表面张力小的金属对应使用小的超声振幅和频率。
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