CN112848286A - 一种多材料粉末增材的制造系统及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多材料粉末增材的制造系统及制造方法，包括供粉器、喷嘴、支撑平面和控制端：供粉器用于输送粉末；喷嘴与供粉器连接，用于接收供粉器输送的粉末，并通过压缩气体喷射粉末；支撑平面用于接收喷嘴喷射的粉末；控制端与喷嘴和/或支撑平面电连接，用于控制喷嘴和/或支撑平面的移动以使得粉末形成预成型件；控制端还与供粉器电连接，用于控制供粉器中粉末的输送速率。相比于现有技术，本发明的制造系统，利用压缩气体和喷嘴加速粉末粒子，通过粒子撞击来实现热固性材料的固化，从而使得粉末沉积在支撑平面上形成预成型件，按逐层方式形成的构件，不仅可以减小喷嘴尺寸，提高打印精度，且可适应成本较低的热固性材料打印。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种多材料粉末增材的制造系统及制造方法。
背景技术
目前基于聚合物的多材料增材制造系统大多数限于热塑性材料。虽然目前的聚合物制造技术可生产出各种各样性能的零件，但还是有许多限制。其中一个限制是使用温度不能比熔点高，当温度接近熔点时，零件就开始软化。热固性聚合物(ThermosettingPolymer)在固化后不能熔融塑化，也不溶于溶剂，热稳定性优于热塑性材料，在聚合物增材制造中有广阔的前景。
但热固性材料需要加热使其中的官能团反应成交联结构。目前的热固性材料增材制造系统有三种方法触发交联反应：
1)配置加热器，通过控制加热时间使材料固化之前沉积在目标上。这种系统对原材料的品质、材料混合的均匀性、加热模块的热均匀性都有较高要求。同时加热器的温度偏差容易影响固化的时间，容易出现堵管的情况。
2)配置能量束，通过激光、电子束等能量束的照射使材料触发交联反应。这种系统需要粉床或水槽，在打印过程中逐层铺粉或添加液体。其缺点是粉床或水槽中的热量容易累积，使得打印精度随打印时间下降。
3)使用低温快速交联剂，使粉末在少加热或无加热的情况下实现固化。然而低温快速交联剂的品种相对少，而且成本比较高，不适合大尺寸零件的3D打印。
有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。
发明内容
本发明的目的之一在于：提供一种多材料粉末增材的制造系统，本制造系统利用气固两相流的状态打印3D零件，不仅可以减小喷嘴尺寸，提高打印精度，且可适应成本较低的热固性材料进行打印，降低了系统的复杂性、设备以及原材料的成本。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多材料粉末增材的制造系统，包括：
供粉器，用于输送粉末；
喷嘴，与所述供粉器连接，用于接收所述供粉器输送的粉末，并通过压缩气体喷射所述粉末；
支撑平面，用于接收所述喷嘴喷射的粉末；
控制端，与所述喷嘴和/或所述支撑平面电连接，用于控制所述喷嘴和/或所述支撑平面的移动以使得所述粉末形成预成型件；所述控制端还与所述供粉器电连接，用于控制所述供粉器中粉末的输送速率。
优选的，该制造系统还包括混合器和加热件；所述混合器设置在所述供粉器和所述喷嘴之间，用于接收并混合所述供粉器输送的粉末，并将混合后的粉末输送至所述喷嘴；所述加热件用于固化所述支撑平面上形成的所述预成型件。
优选的，所述供粉器至少设置有两个，用于将不同材料的粉末输送至所述混合器中混合。
优选的，所述喷嘴中设置有喷嘴流道，用于增加所述粉末的飞行速度。
优选的，从所述压缩气体的气流进入方向到出去方向，所述喷嘴流道的截面面积先减小再增大。
本发明的目的之二在于，提供一种多材料粉末增材的制造方法，包括以下步骤：
S1、供粉器将粉末输送至喷嘴；
S2、所述喷嘴利用压缩气体将所述粉末以气固两相流的状态从所述喷嘴喷出；
S3、所述粉末通过撞击产热来发生局部或完全交联固化反应，以沉积于所述支撑平面，同时所述支撑平面和/或所述喷嘴按预定模式移动以使得所述粉末形成预成型件，通过逐层固化的方式制备构件，完成多材料粉末增材的制造。
优选的，所述粉末中至少包含两种不同的粉末材料，当所述预成型件需要加热固化时，两种不同的粉末材料的固化温度不同。
优选的，至少有一种所述粉末材料包括热固性树脂和固化剂；该热固性树脂包含聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚酰胺树脂、萜烯树脂、脲醛树脂、丙烯酸系树脂、氟碳树脂、石油树脂、三聚氰胺甲醛树脂、呋喃树脂、松香树脂、聚偏二氟乙烯、氟烯烃乙烯基醚共聚物中的至少一种。
优选的，所述粉末材料还含有二氧化硅、碳酸钙、硫酸钡、氧化铁、粘土、氧化锌、铂基催化剂、炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、玻璃纤维、碳纤维、铁基铁磁性纳米材料、镍基铁磁性材料、金属、热塑性聚合物和陶瓷中的至少一种。
优选的，当所述金属在所述粉末材料中的占比超过40％，且所述压缩气体的温度小于所述热固性树脂熔点时，所述金属为软金属，所述软金属为铝、铜、锌、锡、镍、铅、巴比特合金中的至少一种；当所述预成型件需要加热固化时，所述热塑性聚合物的熔点高于所述热固性树脂的固化温度。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1)本发明提供的制造系统，包括供粉器、喷嘴、支撑平面和控制端，利用压缩气体和喷嘴加速粉末粒子，通过粒子撞击产生的热量实现热固性材料的固化，从而使得粉末沉积在支撑平面上，形成预成型件，按逐层方式形成的构件，不仅可以减小喷嘴尺寸，提高打印精度，且可适应成本较低的热固性材料进行打印。
2)本发明还提供了多材料粉末增材的制造方法，利用气固两相流的状态来打印3D零件，通过控制供料器的供粉速率灵活调整各粉末材料的配比，然后利用压缩气体和喷嘴加速粉末粒子，当粉末撞击支撑平面的速度超过某一阈值时，撞击产生的热量使得粉末中的热固性树脂发生固化反应，从而沉积在支撑平面上，逐层形成构件。本制造方法对于原材料的品质、加热的热均匀性均无较高要求，利用撞击产生的热量进行交联固化，不仅原材料成本低廉，且制造设备成本较低，利用流动的压缩气体喷射，也不存在设备堵塞或热量积累的问题，更加适用于工业上的应用。
附图说明
图1为本发明制造系统的结构示意图。
图2为本发明喷嘴流道的结构示意图。
图中：1-供粉器；2-喷嘴；21-喷嘴流道；3-支撑平面；4-控制端；41-控制机构；42-运动机构；5-混合器；6-压缩气体；61-气压控制阀；62-温控器；7-构件；8-喷涂室。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式和说明书附图，对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1～2所示，一种多材料粉末增材的制造系统，包括供粉器1、喷嘴2、支撑平面3和控制端4：供粉器1用于输送粉末；喷嘴2与供粉器1连接，用于接收供粉器1输送的粉末，并通过压缩气体6喷射粉末；支撑平面3用于接收喷嘴2喷射的粉末；控制端4与喷嘴2和/或支撑平面3电连接，用于控制喷嘴2和/或支撑平面3的移动以使得粉末形成预成型件；控制端4还与供粉器1电连接，用于控制供粉器1中粉末的输送速率。
其中，该控制端4包括运动机构42和控制机构41，运动机构42用于控制喷嘴2和/或支撑平面3的移动，控制机构41用于控制供粉器1中粉末的输送速率。控制端4控制运动机构42，带动喷嘴2或支撑平面3移动，按照储存的数据来控制构件7的打印。存储的数据如STL文件，其定义要形成的每层的形状。在一个实施方案中，控制端4控制喷嘴2在x、y和z方向上相对于支撑平面3的相对移动。在一替代实施方案中，控制端4可以在z方向上移动支撑平面3，同时在x和y方向上移动喷嘴2。其它替代实施方案可包括使用多达五个自由度的控制方案，使得支撑平面3可旋转，并且可通过支撑平面3或喷嘴2的移动来控制喷嘴2相对于支撑平面3的法线角度。
该系统还包括混合器5，混合器5设置在供粉器1和喷嘴2之间，用于接收并混合供粉器1输送的粉末，并将混合后的粉末输送至喷嘴2。该混合器5可以是静态混合器5或动态混合器5。
优选的，供粉器1至少设置有两个，用于将不同材料的粉末输送至混合器5中混合。其中，多个供粉器1中包含热固性树脂的不同材料，供粉器1可以是振动式供粉器，每个供粉器1的下方有一个用于控制粉末流量的阀门。在打印过程中，控制端4实时控制各个供粉器1出口的阀门，以此控制各种粉末的添加比例，各个供粉器1中的粉末经过阀门之后进入混合器5中。
该系统还包括加热件；加热件用于固化支撑平面3上形成的预成型件。当预成型件不满足材料性能要求时，对预成型件加热以改善材料的性能。具体的，待完成预成型件制备后，将其从支撑平面3取出放入加热件中，采用慢速升温加热，或者至少在两个温度上进行恒温加热的方法进行加热固化。其中，慢速升温加热的速度小于20摄氏度/分钟。
该系统还包括包围该系统的喷涂室8，用于防止粉末扩散，喷涂室8包含粉末收集器、通风装置和隔尘罩中的至少一种，具体的可安装通风装置和粉末收集器，用于处理喷射出来的压缩气体6和粉末。
进一步地，喷嘴2中设置有喷嘴流道21，用于增加粉末的飞行速度。喷嘴流道21的截面面积可以是恒定不变的或者是变化的。优选的，从压缩气体6的气流进入方向到出去方向，喷嘴流道21的截面面积先减小再增大，在图2中，A1是气流入口的界面，A2是气流出口的界面，A3是介于A1和A2之间的最小截面。采用此种结构的流道设计，开始时采用大面积的喷嘴流道21，一方面有利于粉末的二次混合，另一方面可以更大程度的承接混合器5中输送的粉末；然后在中部通过缩小喷嘴流道21的截面面积小提高粉末的飞行速度，而后再次增大喷嘴流道21，使得粉末可以大面积的喷射在支撑平面3上，一方面满足大尺寸零件的3D打印，另一方面可以配合喷嘴2的移动进行喷射。
而压缩气体6喷射粉末则需要接受压力控制、流量控制和温度控制中的至少一种。具体的，压缩气体6经过气压控制阀61和温控器62得到压力和温度受控的压缩气体6。经混合的粉末从混合器5中输出，在受控的压缩气体6的带动下进入喷嘴2中。喷嘴2可以是圆柱形喷嘴2或拉瓦尔喷嘴2。喷嘴2出口处的内径可以是0.05～6.0mm之间。当喷嘴2采用较大直径时，可允许快速地构筑构件7，采用较小的直径时，则允许以较高的分辨率来构筑构件7。喷嘴2若采用拉瓦尔喷嘴2，喷嘴2扩张段的长度越长，出口处的粉末的速度越高。随后混合粉末通过喷嘴2喷射至支撑平面3的表面上，混合粉末在支撑平面3的表面或构件7上高速撞击。当撞击速度超过某一阈值时，撞击产生的热量使得混合粉末中的热固性树脂发生固化反应，从而混合粉末沉积下来，形成构件7的层。其中，该阈值与混合粉末的组分相关，压缩气体6的速率也随混合粉末的组分进行调整。
实施例2
一种多材料粉末增材的制造方法，包括以下步骤：
S1、供粉器1将粉末输送至喷嘴2；
S2、喷嘴2利用压缩气体6将粉末以气固两相流的状态从喷嘴2喷出；
S3、粉末通过撞击产热发生局部或完全交联固化反应，以沉积于支撑平面3，同时支撑平面3和/或喷嘴2按预定模式移动以使得粉末形成预成型件，通过逐层固化的方式制备构件7，完成多材料粉末增材的制造。粉末撞击包括撞击支撑平面3的表面或者已沉积的粉末，达到通过撞击产生的热量和压力实现粉末的固化。
进一步地，供粉器1将粉末输送至喷嘴2前，先将粉末输送至混合器5中形成混合粉末，然后再经混合器5输送至喷嘴2。
进一步地，粉末中至少包含两种不同的粉末材料，当预成型件需要加热固化时，两种不同的粉末材料的固化温度不同。
进一步地，至少有一种粉末材料为热固性树脂和固化剂；该热固性树脂包含聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚酰胺树脂、萜烯树脂、脲醛树脂、丙烯酸系树脂、氟碳树脂、石油树脂、三聚氰胺甲醛树脂、呋喃树脂、松香树脂、聚偏二氟乙烯、氟烯烃乙烯基醚共聚物中的至少一种。优选的，该热固性树脂为环氧树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸系树脂中的至少一种。
进一步地，所述粉末材料还含有二氧化硅、碳酸钙、硫酸钡、氧化铁、粘土、氧化锌、铂基催化剂、炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、玻璃纤维、碳纤维、铁基铁磁性纳米材料、镍基铁磁性材料、金属、热塑性聚合物和陶瓷中的至少一种。
进一步地，当金属在粉末材料中的占比超过40％，且压缩气体6的温度小于热固性树脂熔点时，所述金属为软金属，软金属为铝、铜、锌、锡、镍、铅、巴比特合金中的至少一种；当预成型件需要加热固化时，热塑性聚合物的熔点高于热固性树脂的固化温度。
本发明提供的制造系统及方法，相比于配置加热器或者利用能量束的系统，本系统对原材料的品质要求不高，可以适应成本较低的热固性材料进行打印，利用粉末撞击支撑平面3产生的热量和压力进行固化，固化不受加热器温度偏差的影响，压缩气体6的持续流动也不存在系统堵塞的情形，打印精度高，可适用于大尺寸零件的3D打印。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种多材料粉末增材的制造系统，其特征在于，包括：
供粉器(1)，用于输送粉末；
喷嘴(2)，与所述供粉器(1)连接，用于接收所述供粉器(1)输送的粉末，并通过压缩气体(6)喷射所述粉末；
支撑平面(3)，用于接收所述喷嘴(2)喷射的粉末；
控制端(4)，与所述喷嘴(2)和/或所述支撑平面(3)电连接，用于控制所述喷嘴(2)和/或所述支撑平面(3)的移动以使得所述粉末形成预成型件；所述控制端(4)还与所述供粉器(1)电连接，用于控制所述供粉器(1)中粉末的输送速率。
2.根据权利要求1所述的多材料粉末增材的制造系统，其特征在于，还包括混合器(5)和加热件；所述混合器(5)设置在所述供粉器(1)和所述喷嘴(2)之间，用于接收并混合所述供粉器(1)输送的粉末，并将混合后的粉末输送至所述喷嘴(2)；所述加热件用于固化所述支撑平面(3)上形成的所述预成型件。
3.根据权利要求2所述的多材料粉末增材的制造系统，其特征在于，所述供粉器(1)至少设置有两个，用于将不同材料的粉末输送至所述混合器(5)中混合。
4.根据权利要求1～3任一项所述的多材料粉末增材的制造系统，其特征在于，所述喷嘴(2)中设置有喷嘴流道(21)，用于增加所述粉末的飞行速度。
5.根据权利要求4所述的多材料粉末增材的制造系统，其特征在于，从所述压缩气体(6)的气流进入方向到出去方向，所述喷嘴流道(21)的截面面积先减小再增大。
6.一种多材料粉末增材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、供粉器(1)将粉末输送至喷嘴(2)；
S2、所述喷嘴(2)利用压缩气体(6)将所述粉末以气固两相流的状态从所述喷嘴(2)喷出；
S3、所述粉末通过撞击产热来发生局部或完全交联固化反应，以沉积于所述支撑平面(3)，同时所述支撑平面(3)和/或所述喷嘴(2)按预定模式移动以使得所述粉末形成预成型件，通过逐层固化的方式制备构件，完成多材料粉末增材的制造。
7.根据权利要求6所述的多材料粉末增材的制造方法，其特征在于，所述粉末中至少包含两种不同的粉末材料，当所述预成型件需要加热固化时，两种不同的粉末材料的固化温度不同。
8.根据权利要求7所述的多材料粉末增材的制造方法，其特征在于，至少有一种所述粉末材料包括热固性树脂和固化剂；所述热固性树脂包含聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚酰胺树脂、萜烯树脂、脲醛树脂、丙烯酸系树脂、氟碳树脂、石油树脂、三聚氰胺甲醛树脂、呋喃树脂、松香树脂、聚偏二氟乙烯、氟烯烃乙烯基醚共聚物中的至少一种。
9.根据权利要求7或8所述的多材料粉末增材的制造方法，其特征在于，所述粉末材料还含有二氧化硅、碳酸钙、硫酸钡、氧化铁、粘土、氧化锌、铂基催化剂、炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、玻璃纤维、碳纤维、铁基铁磁性纳米材料、镍基铁磁性材料、金属、热塑性聚合物和陶瓷中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的多材料粉末增材的制造方法，其特征在于，当所述金属在所述粉末材料中的占比超过40％，且所述压缩气体(6)的温度小于所述热固性树脂熔点时，所述金属为软金属，所述软金属为铝、铜、锌、锡、镍、铅、巴比特合金中的至少一种；当所述预成型件需要加热固化时，所述热塑性聚合物的熔点高于所述热固性树脂的固化温度。
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