CN111822704A - 三维打印的粉末粘结物件的一维线性均压装置 - Google Patents
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Abstract
三维打印的粉末粘结物件的一维线性均压装置，属于机械及热处理技术领域，该工艺需要预先对(工件)毛坯进行轴线方向的线性拉伸放大的预拉伸处理：在与轴线垂直的方向上由于毛坯与砂体的体积压缩比差异，这种横向位移是存在唯一位移解的，这种可预测性就允许进行预位移处理；也就是在制作毛坯时，除了进行轴线方向的预拉伸处理外，沿着横向进行预位移处理，经过预拉伸及预位移处理的毛坯已经偏离了目标物件的形状，当活塞沿着轴线方向压缩柱状缸体的体积时，柱状缸体的内空间被一维压缩，在压缩位移与预拉伸位移相等时，预位移也将反向复原，毛坯的尺寸才被压缩并恢复到需要的尺寸。
Description
[技术领域]
本发明属于机械及热处理技术领域，确切的讲是将低密度的3D金属粉末预制件压实后再烧结方法。
[背景技术]
目前三维打印技术可以对金属粉末或使用金属粘结的丝状料进行3D成型。有3种3D技术工艺：SLS激光烧结(粘接)技术、3DP粘接技术、FDM结合后烧结技术及粉末填充后烧结技术。
SLS激光烧结、3DP粘接技术：
选择性激光烧结(实际上是与3DP粘接技术类似通过激光加热的粘接方式)技术(SLS，SelectiveLaserSintering)是以激光器为能量源，通过激光束使粉末均匀地烧结在加工平面上。在工作台上均匀铺上一层很薄(亚毫米级)的粉未作为原料，激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。经过激光束扫描后，相应位置的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。这一层扫描完毕，随后需要对下一层进行扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，并经过打磨、烘干等适当的后处理，即可获得零件。SLS可处理的原料包括塑料粉末(尼龙、聚苯乙烯、聚碳酸酯等，直接激光烧结)、金属粉末(工艺分直接法、间接法和双组员法)、陶瓷粉末(需使用粘结剂，包括无机粘结剂、有机粘结剂和金属粘结剂)。SLS已成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多行业。除DTM公司外，德国EOS公司也开发了相应的系列成型设备。在国内，如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、华北工学院和北京隆源自动成型有限公司等,也取得了许多重大成果，如南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS-300激光快速成型设备等。SLS目前已成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多行业，主要涉及快速原型制造、快速模具和工具制造以及小批量生产等环节.
SLS激光烧结、3DP粘接技术的精度尚可，但成型物件的密度无法提高，无论是激光加热粘接还是直接喷胶粘接，都会形成较大的物理空隙，因而密度无法达到要求。
FDM结合后烧结技术：
FDM技术是利用热熔喷头，喷出熔融粘性物料，进行逐层堆积成型的一种常用技术，结构简单、适应性广，不足之处是精度差；中国珠海天威公司，也效仿国外已有技术，将铁粉等与胶性物质混合，制成料丝；通过加温，将金属复合材料线材从低温(200-300度)喷头挤出，逐层打印堆积成形。再经过中温(400度)脱脂工序去除粘结剂，最后以高温1200℃的环境将铁基金属烧结成型。实用金属材料方面是多元化的，如钛合金、氧化铝、氧化锆；在使用FDM的方式打印出成型物件，在将FDM的成型物件进行后烧结处理，也推出了FDM-3D金属“经济型”打印机。CoLiDo AMSS 3D金属打印技术刚荣获由香港创新科技及制造业联合总会颁发“第七届香港创新科技成就大赛”银奖，天威将继续努力实现持续创新及通过产品创新对业界作出贡献。
打印的料丝中掺杂着有机胶体，尽管热熔体下是自沁密实的，但是FDM技术打印时容易造成铺设间隙、分层现象；打印物件内部会存在许多缺陷、裂隙等等。
粉末填充后烧结技术：
美国一家初创公司Iro3d宣布推出一款售价仅为5000美元(折合约3.2万人民币)的桌面级金属3D打印机。最小层厚测量值为0.3mm，喷头直径为1mm，打印时间完1000CC的体积需要大约是24小时。
需要用砂和金属粉，逐层铺设在金属容器或坩埚内，金属粉喷头喷出铁粉，砂喷头喷出支撑材料，将铁粉形状固定，最后在金属或坩埚容器内形成一个由砂作为支撑的铁粉制成的3维物体，经过烧制倒出除去砂粉后，制造出坚固的钢制物体。
目前3D冶金技术的缺陷：
以上3种粉末成型的方法(SLS激光烧结、3DP粘接技术及FDM技术)都获得不了较高的密度，致使金属构件强度不高。铁基物件密度只有4-5千克/立方分米，远远达不到6.5以上的致密性。
[发明内容]
本发明的目的：
就在于克服SLS激光烧结、3DP粘接及FDM技术三维打印粘结金属粉末打印物件的质地松软，密度不高的不足之处，寻求在烧结前的技术手段，使得低密度打印的金属坯被压实，而获得更高的致密性，增加工件强度。
本发明的特点：工艺可操作性强，结构简单，砂料可以回收使用。
本发明的技术工艺详述：
一维线性均压装置的构造包括：柱状缸体、底板、活塞组成，底板及活塞放置于柱状缸体的2个端面上，用以封堵柱状缸体的上下洞口；其中活塞的截面形状与柱状缸体的柱状空间的截面形状一样(为使得活塞能插入柱状空间中，活塞的截面形状与柱状空间的截面形状相似且略小)；能从柱状缸体的1个端面插入的内部或从内部拔出，并由柱状缸体的内表面、底板的上表面、活塞的顶面形成一个变化的密闭空间，该密闭空间的几何特点是：用一个垂直于底板的平面去截取密闭空间，都会获得一个截面为长方形边界的截面；活塞与活塞板之间是刚性连接或可拆卸的(方便活塞推出物料)，当活塞在柱状缸体的柱面空间内沿着垂直于底板的上表面及活塞的顶面方向移动时，柱状缸体的内部容积将被改变，而压缩内部材料。
压缩操作时将打印物件与砂粉料一起装入压缩室中，先对柱状缸体封堵上底板或活塞，便于打印物件与砂粉料一起被封装在柱状空间内，在整个装填过程中，通过机械压实、或对压缩室加以震荡晃动、或伴随抽取真空手段(在真空器皿中晃动，翻转等)来将砂粉完全填实在打印物件内部及周边，然后再盖上活塞或底板后，放置在压力机的压力颚口之间进行压实过程；就是通过压力机的上、下颚来力压活塞和底板，活塞便在柱状缸体的柱状空间内位移，实现对柱状空间的压缩。
该压实烧结工艺需要在制作打印物件前，预先对工件的实际尺寸进行放大处理(制出较大打印物件)，也就是需要预先对(目标工件：最终完成的工件)进行轴线方向的线性拉伸放大的预拉伸放大处理及横向预位移处理；预拉伸放大处理就是将生成打印物件尺寸进行沿着轴向(活塞运动的方向)的线性一维放大处理，而产生比目标工件大一些的打印物件，横向预位移产生于打印物件与砂体的体积压缩比差异，这将导致压缩室中的横向切片上打印物件的形状的横向位移及变形，由于柱状缸体的刚性的边界条件及原料的体积压缩比的一致性的约束条件，决定这种横向位移是存在唯一的数学解，这种可预测性就允许进行预位移处理(由于2种材料的体积收缩率的差别，将造成打印物件压缩过程中的几何位移，预位移的数量级远远小于预拉伸的数量级，当打印物件与砂体的体积压缩比完全一致时，预位移为0，预拉伸为完全线性)；经过预拉伸及预位移处理的打印物件已经偏离了目标物件的形状(预拉伸、预位移的方向与实际压缩是的位移方向相反，大小相等，最终完全抵消)，而是大了一些；其工艺操作步骤是：先在压缩室中填充打印物件与砂粉料，是由下端封堵的压缩室的上孔放入压缩室中，且将打印物件的预拉伸的方向与轴向平行，打印物件的周边均不接触压缩室的内壁，不断向充入砂粉，砂粉是通过重力自然作用，或对压缩室加以震荡、或伴随抽取真空手段来将砂粉完全填实打印物件的空隙，然后盖上活塞，这样当活塞沿着轴线方向压缩柱状缸体的体积时，柱状缸体的内空间被一维压缩，在在压缩所产生的位移与预拉伸及预位移相等且反向时，打印物件的尺寸才被压缩并恢复到目标工件需要的尺寸。
概括来讲，基本工艺操作是分为：压缩室的填装过程、填装物的压实过程及烧结过程。
压缩室的填装过程是：先在压缩室中填充打印物件与砂粉料，是由下端封堵的压缩室的上孔放入压缩室中，且将打印物件的预拉伸的方向与轴向平行，打印物件的周边均不接触压缩室的内壁，不断向充入砂粉，砂粉是通过重力自然作用，或对压缩室加以震荡、或伴随抽取真空手段来将砂粉完全填实打印物件的空隙，打印物件与压缩室的内壁之间要填充砂粉而避免与壁触碰。
填装物的压实过程是：压力机加压活塞，使得活塞沿着轴线方向一维压缩压缩室，将对打印物件产生与预拉伸位移相反的压缩变形，打印物件周围的砂料也被同等的压缩了，结果预拉伸及预位移也将反向复原抵消，打印物件的尺寸才被压缩并恢复到目标工件需要的尺寸该，另外在结构上，底板是固定或可拆卸的底板或也使用活塞。
填装物的烧结过程是：烧结过程分为无压烧结及加压烧结，加压烧结是指在烧结的过程中，通过机械夹紧，保持柱状缸体内部的压力；或是连同成型缸内一起烧结后取出烧好的打印物件，或是直接拿出打印物件另行烧结；或者是先在中低温度下预烧结，再取出高温烧结。所谓高温烧结(遵循压缩比等同原则：整个压缩室的压缩空间的压缩比，等于打印物件的预压缩比)，是连同成型缸内一起烧结后取出烧好的打印物件，或拿出来打印物件另行烧结；或者是先在中低温度(200-500度)下预烧结，目的是使得压缩后的打印物件再次粘接牢固再取出后，在高温(500-1200度)烧结。
最终的致密性将能获得6.0甚至6.8克/立方厘米以上，工件强度增加一个数量级以上。
进一步：可拆卸底板：当压实完成后，拆除底板，活塞容易将压缩物推出。
进一步：双活塞位移压实：把底板换成活塞，将填充完粉末及打印物件的柱状缸体放置在压力机上，压力机上下活塞施加压力位移，压缩内部空间。
进一步：砂粉及铁粉的物理特性要求：为使压缩的过程对线性的偏离最小，要求在相同的压力下，2种材料的体积压缩比尽量一致，其差值控制在50％以内。
进一步：本发明中的支撑粉末及金属粉末，可以是铁基合金粉末、铜基合金粉末、铝基合金粉或末非金属合金粉末，砂粉是金刚砂、石英砂及其它改良型高温矿物及人造砂粉。
进一步：本发明中的柱状缸体的(内表面)柱面是光滑表面，或是垄沟状表面；沟脊线是一簇垂直于底板的上表面、活塞的顶面的直线或螺线(螺线情况仅仅适用于圆柱面的条件，该螺纹线与螺母的螺纹的几何特点相同)；柱状缸体的(内表面)柱面的垄沟是被垄沟条嵌入，以保障柱状缸体的内表面是光滑连续的柱面；在使用的过程中：压力机的颚口一起将活塞及垄沟条压入柱状缸体的柱状空间内，而垄沟条将穿过底板的对应孔洞(与垄沟条截面相似而略大，仅仅保留0.01—0.8毫米的滑动配合间隙)，因而底板的对应孔洞与压力机的颚口之间是保持大于活塞位移的距离的空间，以确保垄沟条穿出对应孔洞的过程中的自由行程。当使用垄沟状表面的柱状缸体时，由于柱状空间的柱面由垄沟条及柱状缸体的原有柱面共同组成，活塞位移压缩时，垄沟条所组成柱面部分将随着活塞的位移而移动，因而柱状空间的柱面整体上就无法与所接触的粉体之间累计在活塞运动方向上的宏观摩擦力，对压缩室内部的轴向应力的数值与位置之间的关系的影响可以忽略不计，缸体内部各处的应力更加一致，而获得较大的线性、一维均匀应力场分布的空间。
本发明的有益效果在于:
新的技术路线能使金属、陶瓷3D打印物件的成本低廉，且实现压实后的高致密性，为后续烧结出高强度3D打印物件创造前所未有的条件。
[附图说明]
以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：
图1一维线性均压装置内的打印物件及砂料位置示意图。
图2打印物件的预拉伸与预位移示意图。
图3带有垄沟状柱面的柱状缸体的一维线性均压装置构造示意图。
标号说明：
(1)柱状缸体
(2)活塞
(3)底板
(4)压实方向
(5)砂粉
(8)轴线
(9)柱面铺垫砂层
(10)上铺垫砂层
(11)下铺垫砂层
(12)压缩室
(13)切片
(14)打印物件
(15)底板
(16)轴线
(17)预位移
(18)预拉伸1
(19)预拉伸2
(20)切片正视图
(21)打印物件切片
(22)活塞的顶面
(23)底板的上表面
(24)底板的对应孔洞
(25)沟脊线
(26)垄沟
(27)垄沟条
(28)活塞垫板
(29)整体图
(30)切面平面
[实施例证]
如[图1]所示：
右图为压缩室(12)内空间被压缩后的剖面图。
固体状态的打印物件(14)置放在柱状缸体(1)中，打印物件(14)的上方、下方及周围全都是砂粉(5)，砂粉(5)与柱状缸体(1)、活塞(2)及底板(3)的内表面充分接触，并充满柱状缸体(1)除了打印物件物件(14)所占有的实际体积的所有空间(包含其内部空间)。
打印物件的预拉伸是沿着轴线(8)的方向的，预位移则是沿着与轴线垂直的截面(切片)的方向的。
当压力作用在活塞(2)与底板(3)之间时，活塞(2)会沿着轴线(8)方向，如压实方向(4)进行位移，由于柱状缸体(1)的约束，内部的体积将主要发生发生线性压缩；而柱面铺垫砂层(9)、上铺垫砂层(10)及下铺垫砂层(11)的作用主要保护打印物件(14)不与成型缸内壁发生摩擦。
如图2所示：
将压缩室(12)内打印物件进行一个沿着MN的含有砂粉的打印物件切片(21)，从压实方向(4)上方的方向来看，就如切片正视图(20)所示，分别是2个大小不同的圆截面。
从绝对坐标来看，预拉伸分为预拉伸1(18)加上预拉伸2(19)，是2者之和。预位移(17)的情况较为复杂，只有当砂粉与铁粉(打印物件)的体积压缩比由较大差值时才体现出来，一般情况下可以忽略不计。
打印物件的预拉伸是沿着轴线(8)的方向的，预位移则是沿着与轴线垂直的截面(切片)的方向的。
如图3所示：
带有垄沟状柱面的柱状缸体的一维线性均压装置构造与图1类似，是由：柱状缸体(1)、活塞(2)及底板(3)构成基本构件；差别在于，柱状缸体(1)的内表面柱面的沿着轴线的方向上被开有垄沟(26)，垄沟条(27)的沟脊线(25)与轴线平行，底板的上表面(23)、活塞的顶面(22)都是与轴线垂直的平面；垄沟条(27)在活塞顶面触及柱状缸体的开口面时，就已经穿入底板的对应孔洞(24)内，活塞垫板(28)的作用是，辅助把持垄沟条(27)的作用；在均压操作时，压力机的颚口抵住活塞垫板(28)的整体，使得压力机的颚口下压时将推动活塞、活塞垫板及垄沟条(27)整体运动；这样就使得活塞及垄沟条(27)之间保持相对静止，而整体在柱状缸体内部的柱状空间里头移动。
整体图(29)表达的是整个带有垄沟状柱面的柱状缸体的一维线性均压装置，切面平面(30)是一个垂直于轴线的平面，在图中所示的位置将截得压缩室(12)的内部截面图，可以清晰的表达出垄沟(26)与垄沟条(27)的位置配合关系，垄沟条(27)构成压缩室(12)的柱状空间的柱面的一部分；当进行均压打印物件的操作时，垄沟条(27)随着活塞一起的运动将对压实的粉体的表面上产生向下的表面摩擦力，这一摩擦力的方向恰好与2个相邻垄沟条之间的柱状缸体的内柱面对压实的粉体的表面上产生的表面摩擦力的方向相反；这样内部柱面的表面摩擦力在整体上是全面抵消的，而减轻对压缩室粉体的应力的线性度的影响。
Claims (2)
1.三维打印的粉末粘结物件的一维线性均压装置,其特征就在于：该装置是由柱状缸体、底板、活塞组成压缩室，底板及活塞放置于柱状缸体的2个端面上，用以封堵柱状缸体的上下洞口；其中活塞的截面形状与柱状缸体的柱状空间的截面形状一样；能从柱状缸体的1个端面插入的内部或从内部拔出，并由柱状缸体的内表面、底板的上表面、活塞的顶面形成一个变化的密闭空间，该密闭空间的几何特点是：用一个垂直于底板的平面去截取密闭空间，都会获得一个截面为长方形边界的截面；活塞与活塞板之间是刚性连接或可拆卸的，当活塞在柱状缸体的柱面空间内沿着垂直于底板的上表面及活塞的顶面方向移动时，柱状缸体的内部容积将被改变，而压缩内部材料。
2.如权利要求1三维打印的粉末粘结物件的一维线性均压装置中所述的柱状缸体的柱状空间，其特征就在于：柱状缸体的柱状空间的柱面是光滑表面，或是垄沟状表面；沟脊线是一簇垂直于底板的上表面、活塞的顶面的直线或螺线；柱状缸体的柱面的垄沟是被垄沟条嵌入，以保障柱状缸体的内表面是光滑连续的柱面；在使用的过程中：压力机的颚口一起将活塞及垄沟条压入柱状缸体的柱状空间内，而垄沟条将穿过底板的对应孔洞，而底板的对应孔洞与压力机的颚口之间是保持大于活塞位移的距离的空间，柱状空间的柱面由垄沟条及柱状缸体的原有柱面共同组成。
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