CN110216289A - 一种3d金属打印机及3d打印金属制件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械设计与制造技术领域，尤其涉及一种3D金属打印机及3D打印金属制件的制备方法。本发明提供的3D金属打印机包括依次连接的挤出机、挤出头和焊接机构。该3D金属打印机可以采用挤出机直接对金属锭进行挤压制造金属丝，并通过焊接机构对挤出的金属丝进行后期成型，对打印原料的质量要求低，原料选择面广、成本低，通用性好；将本发明的3D金属打印机用于打印技术材料，打印的金属材料较为致密，根据实施例1可知，打印铜丝时，打印出的铜制工件强度相比纯铜强度仅降低了5％。
Description
技术领域
本发明涉及机械设计与制造技术领域，尤其涉及一种3D金属打印机及3D打印金属制件的制备方法。
背景技术
3D金属打印是现代3D打印体系中最具有发展前景和实际应用需求的技术，也是现代快速成型技术的重要发展方向。目前，可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法包括：选区激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)技术、直接金属粉末激光烧结(DirectMetal Laser Sintering，DMLS)技术、选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping，LENS)技术和电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting，EBSM)技术等。然而，上述技术采用的设备对金属粉末原料的要求高，要求金属粉末的粒度小，而粒度小的金属粉末原料成本高，导致上述技术制造金属功能零件的成本高，限制了上述技术在工程中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D金属打印机，该3D金属打印机对打印原料的质量要求低，制造成本低。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种3D金属打印机，包括依次连接的挤出机1、挤出头2和焊接机构3。
优选的，所述挤出机1包括步进电机1-1、丝杆1-2、挤出料筒1-3、导管1-4和加热线圈1-5，所述步进电机1-1设置于挤出料筒1-3的上部；所述丝杆1-2设置于挤出料筒1-3内，通过螺纹与步进电机的丝杆链接；所述导管1-4设置于挤出料筒1-3的下部，通过螺纹和挤出料筒1-3相连；所述加热线圈1-5设置于所述导管1-4的外部。
优选的，所述挤出头2的孔径为0.1～1mm。
优选的，所述焊接机构3包括加热线圈3-1、激光束3-2、光纤3-3、调焦电机3-4和基板3-5，所述基板3-5设置于所述加热线圈3-1下部，所述加热线圈3-1设置于所述激光束3-2下部，所述激光束3-2与调焦电机3-4相接，所述光纤3-3连接在两个调焦电机3-4上。
优选的，所述焊接机构中激光焊接头的排列方式为V型。
本发明提供了上述技术方案所述3D金属打印机制备3D打印金属制件的方法，包括以下步骤：
将金属锭料置入挤出机1的挤出料筒1-3，使用加热线圈对挤出机1的导管1-4进行预热，得到软化金属锭料；
采用挤出机1将所述软化金属锭料进行挤出，采用挤出头2调节所得金属挤出丝的丝径，得到金属丝；
采用焊接机构3将所述金属丝进行激光焊接，得到3D打印金属制件。
优选的，进行所述挤出时，推杆行程为80～160mm，推力为500～1000N。
优选的，所述金属丝的直径为0.1～1mm。
优选的，所述挤出的速率为1～10mm/min。
优选的，所述激光焊接的功率为10～100W。
本发明提供了一种3D金属打印机，包括依次连接的挤出机、挤出头和焊接机构。本发明将金属丝挤出技术、金属激光焊接技术和感应加热焊接技术融合，利用挤出机、挤出头和焊接机构进行组合配置得到新型3D金属打印机。
本发明提供的3D金属打印机对打印原料的质量要求低，可以直接采用挤出机对金属锭进行挤压制造金属丝，并通过焊接机构对挤出的金属丝进行后期成型，而且原料选择面广，所使用的金属锭在出厂时加工成圆棒状就可以直接进行打印，原料成本低，通用性好，并可以打印悬空模型(而粉末激光打印机需要将金属变成粉末后才能使用，原料成本高)。
本发明提供的3D金属打印机可以直接使用传统3D打印机的打印代码，减少了系统适配的成本，其成本仅为选区激光烧结打印机的10～20％，且制造简单，易于工业生产；
本发明提供的3D金属打印机打印的金属材料较为致密，如在打印铜丝时，打印出的铜制工件强度相比纯铜强度(220MPa)仅降低了5％；而现有3D打印机打印出的铜制工件强度相比纯铜强度会降低5～15％；
本发明提供的3D金属打印机通过调节挤出丝材的焊接条件，能够提高材料的强度；而且，金属锭在挤出时已出现变径，表面的氧化皮会在挤出过程中留在料筒内，因此焊缝处没有氧化皮存在，可以有效地提高焊接的强度；
本发明提供的3D金属打印机可以打印熔点低于1300℃的合金化合物，还可以打印不同种类的金属材料和陶瓷颗粒增强的合金复合材料。
附图说明
图1为本发明3D金属打印机的结构示意图；
图2为本发明3D金属打印机的焊接过程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种3D金属打印机，包括依次连接的挤出机1、挤出头2和焊接机构3。
作为本发明的一个实施例，所述挤出机1包括步进电机1-1、丝杆1-2、挤出料筒1-3，导管1-4和加热线圈1-5。在本发明中，所述挤出机1的作用为将通过加热线圈1-5加热后所得软化金属锭料1-6通过挤压成型的方式挤出金属丝。作为本发明的一个实施例，所述步进电机1-1设置于挤出料筒1-3的上部；所述丝杆1-2设置于挤出料筒1-3内，通过螺纹与步进电机1-1的丝杆1-2连接；所述导管1-4设置于挤出料筒1-3的下部，所述导管1-4外部使用加热线圈1-5包裹，并通过螺纹与挤出料筒1-3相连接；所述加热线圈1-5设置于导管1-4外部，加热线圈1-5用于对导管1-4进行预热；所述预热的温度可根据不同的金属材料进行调节，本发明通过将导管预热，使得导管达到预热温度，将金属锭料挤入导管，实现导管中金属锭料的软化。
在本发明中，所述挤出料筒1-3用于装入金属锭料1-6；所述导管1-4用于对金属锭料进行加热，使其软化，得到软化金属锭料；所述步进电机1-1的转子优选为螺纹丝杆，所述步进电机1-1用于推动丝杆1-2将软化金属锭料挤出。
在本发明中，所述挤出头2的直径优选为0.1～1mm。在本发明中，所述挤出头1优选通过导管1-4与挤出机1相连，所述挤出头2用于调节金属丝挤出的丝径。在本发明中，所述挤出头2优选为钼镧合金挤出头，钼镧合金的荷重软化温度较高，在1100℃下的屈服强度为150Mpa，采用钼镧合金作为挤出头，能够满足高温运行条件。
作为本发明的一个实施例，所述焊接机构3包括加热线圈3-1，激光束3-2，光纤3-3，调焦电机3-4，基板3-5；所述基板3-5设置于所述加热线圈3-1下部，所述加热线圈3-1设置于所述激光束3-2下部，所述激光束3-2与调焦电机3-4相接，所述光纤3-3连接在两个调焦电机3-4上。
在本发明中，所述基板3-5用于盛放加热线圈3-1；本发明对所述基板的种类没有特殊的限定，选用本领域技术人员熟知的基板即可。
在本发明中，所述加热线圈3-1用于对挤出的金属丝进行保温，所述保温的温度可根据金属材料的种类进行调节。由于金属丝在经过挤压机挤压成型之后具有较大的热应力，本发明对金属丝进行加热保温能够释放应力防止变形。
在本发明中，所述光纤3-3连接在两个可旋转调节角度的调焦电机3-4上。在本发明中，所述激光束3-2由光纤3-3发出，光纤3-3通过调焦电机3-4进行聚焦，将激光束3-2汇聚于焊缝处。在本发明中，所述焊接机构3的排列方式优选为V型。
在本发明中，所述焊接机构3用于将挤出机1挤出的金属丝焊接在一起，完成金属丝层与层间的堆叠。
本发明提供了利用上述技术方案所述3D金属打印机制备3D打印金属制件的方法，包括以下步骤：
将金属锭料置入挤出机1的挤出料筒1-3，使用加热线圈对挤出机1的导管1-4进行预热，得到软化金属锭料；
采用挤出机1将所述软化金属锭料进行挤出，采用挤出头2调节所得金属挤出丝的丝径，得到金属丝；
采用焊接机构3将所述金属丝进行激光焊接，得到3D打印金属制件。
本发明将金属锭料置入挤出机1的挤出料筒1-3，使用加热线圈对挤出机1的导管1-4进行预热，得到软化金属锭料。在本发明中，所述金属锭料即为金属锭料1-6。本发明优选同时使用加热线圈1-5和加热线圈3-1同时对导管1-4进行预热。本发明根据所打印金属的种类选择预热温度。本发明优选将导管1-4预热至金属软化后，通过挤出机1将金属锭料挤入导管1-4中，得到软化金属锭料。将金属锭料1-6置入挤出料筒1-3之前，本发明优选将所述金属锭料1-6进行酸洗，所述酸洗的试剂优选为盐酸溶液，所述盐酸溶液的质量浓度优选为10mol/L。将金属锭料置入挤出料筒1-3之后，本发明优选向整个打印机(密封)中通入保护气体(氩气)，排出氧气，本发明优选在整个打印过程中持续通入保护气体，也可以设定通入保护气体的时间为15min。本发明优选在整个打印过程中通入保护气体，避免挤出的金属丝氧化。
得到软化金属锭料后，本发明采用挤出机1将所述软化金属锭料进行挤出，采用挤出头2调节所得金属挤出丝的丝径，得到金属丝。进行所述挤出前，本发明优选先在打印机中导入gcode格式的所需形状的3D打印文件，并启动打印机进行打印。在本发明中，进行所述挤出时，推杆行程优选为80～160mm，更优选为100～120mm，推力优选为500～1000N，更优选为600～800N；所述挤出的速率优选为6mm/min。在进行打印前，本发明优选根据部件所需的形状编辑3D打印文件。在本发明中，所述金属丝的直径优选为0.3～1mm，更优选为0.5～0.8mm。
得到金属丝后，本发明采用焊接机构3将所述金属丝进行激光焊接，得到3D打印金属制件。在本发明中，进行所述激光焊接时，由于挤出金属丝的粗细不同，焊接头的角度可根据需要进行调整，使激光束对准焊缝聚焦，达到良好的焊接效果。本发明优选根据不同的金属材料设置不同的焊接功率，所述激光焊接的功率优选为10～100W，更优选为30～80W，最优选为50～60W。
在进行激光焊接时，本发明优选采用真空或通入保护气的方式防止金属丝材氧化，利于焊缝的激光焊接。
图1为本发明3D金属打印机的结构示意图，其中，1-挤出机，1-1步进电机、1-2丝杆、1-3挤出料筒，1-4导管，1-5加热线圈；2-挤出头；3-焊接机构，3-1加热线圈，3-2-激光束，3-3光纤，3-4调焦电机，3-5基板。
图2为本发明3D金属打印机的焊接过程示意图，由图可知，开始焊接时，加热线圈3-1开始工作，将挤出的金属丝加热至熔点附近，随后调焦电机3-4根据挤出金属丝的直径进行调焦，同时光纤3-3发射激光束3-2，对金属丝进行同步焊接。
下面结合实施例对本发明提供的3D金属打印机及3D打印金属制件的制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
采用10mol/L的盐酸溶液对铜锭(直径为10mm，长度为100mm)进行清洗5min，将清洗后的铜锭放入打印机的挤出料筒，开始通入保护气体15min；
使用加热线圈对导管进行预热，其中，导管外部加热线圈的预热温度为980～1050℃，基板处的加热线圈的预热温度为700～750℃，待导管完全红热后，导入gcode格式的3d打印文件，并启动打印机开始进行打印；
在挤出速率为6mm/min条件下，挤出机将铜丝直接挤出，焊接机构开始工作，在功率为10W的条件下，将第一根铜丝焊接在基板上，打印机根据所设计的形状运行，按轨迹打印所需的形状，焊接机构将正在挤出的金属丝和上一层焊接在一起形成整体，得到3D打印铜。
经测试，实施例1得到的3D打印铜的抗拉强度为150Mpa。
实施例2
采用10mol/L的盐酸溶液对锡锭(直径为10mm，长度为100mm)进行清洗5min，将清洗后的锡锭放入打印机的挤出料筒，开始通入保护气体15min；
使用加热线圈对导管进行预热，其中，导管外部加热线圈的预热温度为280～330℃，基板处的加热线圈的预热温度为200～250℃，待导管完全红热后，导入gcode格式的3d打印文件，并启动打印机开始进行打印；
在挤出速率为6mm/min条件下，挤出机将锡丝直接挤出，焊接机构开始工作，在功率为10W的条件下，将第一根锡丝焊接在基板上，打印机根据所设计的形状运行，按轨迹打印所需的形状，焊接机构将正在挤出的金属丝和上一层焊接在一起形成整体，得到3D打印锡。
实施例3
采用10mol/L的盐酸溶液对铝锭(直径为10mm，长度为100mm)进行清洗5min，将清洗后的铝锭放入打印机的挤出料筒，开始通入保护气体15min；
使用加热线圈对导管进行预热，其中，导管外部加热线圈的预热温度为550～600℃，基板处的加热线圈的预热温度为500～550℃，待导管完全红热后，导入gcode格式的3d打印文件，并启动打印机开始进行打印；
在挤出速率为6mm/min条件下，挤出机将铝丝直接挤出，焊接机构开始工作，在功率为25W的条件下，将第一根铝丝焊接在基板上，打印机根据所设计的形状运行，按轨迹打印所需的形状，焊接机构将正在挤出的金属丝和上一层焊接在一起形成整体，得到3D打印铝。
经测试，实施例3得到的3D打印铝的抗拉强度为110Mpa，与铸铝的抗拉强度110～130Mpa相接近。
由以上实施例可知，本发明提供了一种3D金属打印机，该3D金属打印机可以采用挤出机直接对金属锭进行挤压制造金属丝，并通过焊接机构对挤出的金属丝进行后期成型，对打印原料的质量要求低，原料选择面广、成本低，通用性好；将本发明的3D金属打印机用于打印技术材料，打印的金属材料较为致密，如实施例1中打印铜丝时，打印出的铜制工件强度相比纯铜强度(220MPa)仅降低了5％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种3D金属打印机，其特征在于，包括依次连接的挤出机(1)、挤出头(2)和焊接机构(3)。
2.根据权利要求1所述的3D金属打印机，其特征在于，所述挤出机(1)包括步进电机(1-1)、丝杆(1-2)、挤出料筒(1-3)、导管(1-4)和加热线圈(1-5)，所述步进电机(1-1)设置于挤出料筒(1-3)的上部；所述丝杆(1-2)设置于挤出料筒(1-3)内，通过螺纹与步进电机(1-1)的丝杆(1-2)链接；所述导管(1-4)设置于挤出料筒(1-3)的下部，通过螺纹和挤出料筒(1-3)相连；所述加热线圈(1-5)设置于所述导管(1-4)的外部。
3.根据权利要求1所述的3D金属打印机，其特征在于，所述挤出头(2)的孔径为0.1～1mm。
4.根据权利要求1所述的3D金属打印机，其特征在于，所述焊接机构(3)包括加热线圈(3-1)、激光束(3-2)、光纤(3-3)、调焦电机(3-4)和基板(3-5)，所述基板(3-5)设置于所述加热线圈(3-1)下部，所述加热线圈(3-1)设置于所述激光束(3-2)下部，所述激光束(3-2)与调焦电机(3-4)相接，所述光纤(3-3)连接在两个调焦电机(3-4)上。
5.根据权利要求1或4所述的3D金属打印机，其特征在于，所述焊接机构(3)中激光焊接头的排列方式为V型。
6.利用权利要求1～5任一项所述3D金属打印机制备3D打印金属制件的方法，包括以下步骤：
将金属锭料置入挤出机(1)的挤出料筒(1-3)，使用加热线圈对挤出机(1)的导管(1-4)进行预热，得到软化金属锭料；
采用挤出机(1)将所述软化金属锭料进行挤出，采用挤出头(2)调节所得金属挤出丝的丝径，得到金属丝；
采用焊接机构(3)将所述金属丝进行激光焊接，得到3D打印金属制件。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，进行所述挤出时，推杆行程为80～160mm，推力为500～1000N。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述金属丝的直径为0.1～1mm。
9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述挤出的速率为1～10mm/min。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述激光焊接的功率为10～100W。
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