CN113319279A - 一种针尖放电金属粉体3d打印机及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针尖放电金属粉体3D打印机，包括打印基板，在所述打印基板上铺设金属粉体进行3D打印，其特征在于，还包括针尖和针尖基体，所述针尖与针尖基体导电连接，所述针尖与所述金属粉体之间存在放电间隙，形成等离子体放电区，用于加热熔融所述金属粉体；还包括放电电源，所述放电电源分别与所述打印基板和所述针尖导电连接。本发明通过使用针尖放电金属粉体3D打印机及3D打印方法，大大缓解甚至彻底消除常规已有金属3D打印技术中存在的问题，提高了金属3D打印的精度。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种针尖放电金属粉体3D打印机及3D打印方法。
背景技术
3D打印技术可以突破传统设计和加工限制快速获得产品，并可满足个性加工需求，已经发展为先进智能制造领域的核心技术之一。3D打印已经在基于高分子材料、陶瓷与水泥材料的加工制造方面，凸现了巨量实际应用，但是在基于金属材料的3D打印方面，则一直存在诸多不足，其中一个最大的不足是，传统的金属加工方法已经普遍实现精度在2μm以下的加工误差，而当前的金属3D打印方法，其加工误差至少还在100μm以上，远不能满足机械加工制造对精度的要求。
要实现高精度金属3D打印，需要原材料和热源熔融尺寸两个方面的基础。在原材料方面，已经有多种不同的方法实现微纳米粒径尺寸的金属粉体制备。在熔融热源方面，金属3D打印目前的热源主要为激光和电子束，无论激光还是电子束，其束斑直径虽然已经可以控制在微米甚至纳米尺度上，但是因为电子束、激光束与金属相互作用时，金属粉体是通过吸收其能量直接转化为热能而实现3D打印的，在这个过程中，因为打印原材料金属粉体颗粒自身的热容、颗粒之间的热导率的原因，往往被作用的金属颗粒已经气化，但是其热量不能及时传导到临近颗粒或打印基板，导致一方面形成颗粒气化飞溅，另一方面又没有及时的粘接固化，或者，所有临近颗粒都被传导加热，形成远大于束斑本身的热熔固化打印点。实际上，当前的金属3D打印，为了保证打印过程顺利进行，一般都要采用更大的束斑、更小的能量密度，所以所获得的打印点尺寸、最终打印产品的精度都在亚毫米级，远不能与当前传统机械加工的精度相比。
发明内容
本发明的目的是提供一种针尖放电金属粉体3D打印机及3D打印方法，解决金属3D打印精度不高的问题。
为解决上述问题，本发明一方面提供了一种针尖放电金属粉体3D打印机，包括打印基板，在所述打印基板上铺设金属粉体进行3D打印；还包括针尖和针尖基体，所述针尖与针尖基体导电连接，所述针尖与所述金属粉体之间存在放电间隙，形成等离子体放电区，用于加热熔融所述金属粉体；还包括放电电源，所述放电电源分别与所述打印基板和所述针尖导电连接。
优选地，还包括密封腔体，所述针尖放电金属粉体3D打印机位于所述密封腔体内。
优选地，所述金属粉体的粒径为0.01～10μm。
优选地，所述针尖的直径为0～10μm。
优选地，所述针尖基体长度为0.1～20mm。
优选地，所述针尖和/或针尖基体为具有良好导电且高耐热的金属或合金材料。
优选地，所述放电间隙的宽度为0.01～100μm。
优选地，所述放电电源为直流或脉冲电源；所述放电电源的功率为0.1mW～100W，且连续可调。
根据本发明的第二方面，提供了一种利用第一方面所述的针尖放电金属粉体3D打印机进行3D打印的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一、对所述密封腔体抽真空，在所述密封腔体内充入保护气体，压强为0.001～1000Pa；
步骤二、首层打印：a、在所述打印基板上铺设所述金属粉体；b、启动所述针尖使所述放电间隙调节到位；c、启动所述放电电源工作，所述针尖与所述金属粉体间形成放电等离子体；d、与所述针尖最近，形成直接放电电极的所述金属粉体被熔融并与所述打印基板粘接；e、所述针尖与所述打印基板之间相对位移，到下一个打印点；f、继续b～d过程，直到所述首层打印层完成；
步骤三、所述首层打印完成后，所述打印基板与所述针尖之间进行相对位移，使得已完成的打印层的高度处于所述打印基板表面的高度，然后重复步骤二，完成新的一层打印，直到获得最终打印产品；
步骤四、将所述打印产品从所述打印基板剥离，完成3D打印。
优选地，步骤二和/或步骤三所述的相对位移过程中，所述针尖与所述金属粉体之间终止放电，或者仅维持不会导致所述金属粉体熔融的弱放电。
优选地，步骤二和/或步骤三所述的相对位移过程中，所述针尖与所述金属粉体之间的间隙保持在原来宽度，或者抬高到宽于原来宽度1倍以上的安全宽度，位移的步长为0.01～100μm。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：本发明采用针尖放电实现基于微纳米金属粉体的3D打印，首先是减弱甚至消除了常规激光或电子束作为热源进行金属3D打印时无法克服的因为金属粉体颗粒被过热气化或者粉体颗粒缝隙中的环境气体被加热冲击粉体颗粒而造成的飞溅；其次是大大缓解甚至彻底消除常规已有金属3D打印技术中存在的问题：3D打印产品的应力、开裂、变形，打印过程中的粉尘对打印表面及环境的污染等；第三，实现媲美、超越常规金属机械加工所能够达到的微米级的精度水平，进入微纳米级精度。
附图说明
图1是本发明的针尖放电金属粉体3D打印机的结构示意图。
附图标号：
1.针尖基体；2.针尖；3.待打印固化的铺粉层；4.正在打印中的3D打印产品；5.打印基板；6.放电电源。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和此外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
如图1所示，本发明一方面提供了一种针尖放电金属粉体3D打印机，包括针尖基体1、针尖2、打印基板5和放电电源6。
针尖2为针状，针尖2的直径为0～10μm，其大小根据所需要3D打印产品的精度而定。离开针尖2的部分，固定安装在针尖基体1上，针尖基体1具有足够高的结构支撑强度，针尖基体长度为0.1～20mm。针尖2和/或针尖基体1为具有良好导电且高耐热的金属或合金材料制成。
在打印基板5或正在打印中的3D打印产品4上铺设一层金属粉体，形成待打印固化的铺粉层3用于3D打印。任何具有良好导电性能的金属粉体都可以作为打印原材料，原材料可以是一种金属材料、多种金属粉体混合粉体或者是金属合金粉体。优选为粒径为纳微米尺度的金属粉体作为原材料，所谓纳微米尺度的粉体粒径，是指粒径为0.01～10μm。
放电电源6为直流或脉冲电源，放电电源6的正极与打印基板5通过导线连接，由于待打印固化的铺粉层3与打印基板5直接导电或者通过正在打印中的3D打印产品4导电，因此金属粉体与放电电源6的正极连接。放电电源6负极通过针尖基体1与针尖2导电连接。放电电源6的功率为0.1mW～100W，且连续可调。放电电源6工作过程中，其电压/电流特征或者为低电压(0～50V)/大电流(0～100A)，或者为高电压(100～1000V)/低电流(0～100mA)，或者可以在两者之间进行切换。
针尖2与待打印固化的铺粉层3的金属粉体之间存在放电间隙，针尖2与金属粉体之间的间隙宽度为0.01～100μm。在3D打印过程中，放电间隙充满由针尖2与金属粉体之间放电产生的等离子体，在放电间隙等离子体作用下，直接形成正极的接触的金属粉体颗粒被加热熔融，粘接在其下面的打印层或打印基板5上。与导热相比，金属粉体颗粒之间的几乎以光速传导的导电速率则是快的无法想象；另一方面，颗粒之间的接触电阻，正好是电流通过时发热最大的地方，可以满足颗粒界面熔融粘接需求；此外，完全固化粘接的地方，其电阻最小，因此与打印基板5或打印层直接接触的、形成放电表面的金属粉体颗粒，首先被熔融固化。利用导电加热，金属粉体颗粒被加热熔融粘接，而不会高速绝热加热而气化形成飞溅。进一步，采用微纳米级的导电通道，必然将满足微纳米精度的加热熔融固化粘接的需求。
对于在高温下易氧化或易发生其他反应的金属粉体，为了防止3D打印产品在加工过程中氧化或发生其他反应，针尖放电金属粉体3D打印机位于密封腔体内。3D打印环境是在一定的气氛和压强下进行的，金属粉体3D打印是在惰性环境下进行的，常用的工艺气体为氩气、氢气、氮气或者其它不会恶化金属粉体打印性能的气体。在针尖放电金属粉体3D打印过程中，为了保证放电及其产生的等离子体稳定可靠，环境压强一般为0.001～1000Pa。
根据本发明的第二方面，提供了一种利用第一方面所述的针尖放电金属粉体3D打印机进行3D打印的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一、3D打印机、3D打印软件系统、控制系统等所有部分准备就位，对密封腔体抽真空，在密封腔体内充入保护气体，压强为0.001～1000Pa；
步骤二、首层打印：a、在打印基板5上铺设金属粉体形成待打印固化的铺粉层3；b、启动针尖2使放电间隙调节到位；c、启动放电电源6工作，针尖2与待打印固化的铺粉层3的金属粉体间形成放电等离子体；d、与针尖2最近，形成直接放电电极的金属粉体被熔融并与打印基板5粘接；e、针尖2与打印基板5之间相对位移，到下一个打印点；f、继续b～d过程，直到首层打印层完成；
步骤三、首层打印完成后，打印基板5与针尖2之间进行相对位移，使得已完成的打印层的高度处于打印基板5表面的高度，然后重复步骤二，完成新的一层打印，直到获得最终打印产品；
步骤四、将所述打印产品从打印基板5剥离，还原3D打印系统到起始状态，一个针尖放电金属粉体3D打印工艺过程完成。
针尖2与金属粉体可以相对位移，该位移通过独立位移针尖2或者独立位移打印基板5或者二者联动实现。位移的步长为0.01～100μm。位移过程中，针尖2与金属粉体之间终止放电，或者仅维持不会导致金属粉体熔融的弱放电。位移过程中，针尖2与金属粉体之间的间隙或者保持在原来宽度，或者抬高到宽于原来宽度1倍以上的安全宽度。
实施例一：
自研针尖放电金属粉体3D打印机，整个打印机置于密封腔体内。采用金属钨制造针尖2和针尖基体1，形成的针尖直径为5μm，针尖基体部分的直径2mm，整体长度10mm。针尖2通过金属铜加工的夹具固定在可位移基座上，铜夹具与基座之间通过绝缘聚四氟材料进行电绝缘。
选择粒径1μm的球形不锈钢粉体作为打印原材料，采用可在打印基板5表面位移的微型粉体喷嘴进行送粉；微型粉体喷嘴每在打印基板/打印层表面均匀喷粉一次，可获得厚度5μm的一层金属粉体。
打印基板5为紫铜材料加工制造，打印基板5固定在可上升下降的基座上，且利用聚四氟材料进行电绝缘。每完成一层铺粉和金属固化3D打印，要对打印表面残留的金属粉体进行清理，采用一套对打印台密闭围挡，一侧吹气一侧抽气的方式，回收残留金属粉体。
放电电源6为脉冲高压直流电源，输出电压0～1kV可调、输出电流0～100mA可调。放电电源6的正极与打印基板5连接，负极与针尖2连接。
3D打印软件和打印机各组成部分的动作控制集成并安装在专用控制柜上。
具体打印过程为：
a、对打印机所在的密封腔体进行抽真空到1×10-3Pa，然后充入工作气体氩气到1×10-1Pa。
b、打印基板5归位到零点。
c、喷粉喷嘴进行铺粉，在打印基板5表面形成5μm的待打印固化的铺粉层3。
d、调节针尖2与打印基板5之间的间隙，获得10μm的放电间隙。
e、放电电源6与针尖2位移系统在3D打印软件指令下放电和位移，放电过程中，电压为500V、电流为10mA；针尖2每一次位移的距离为5μm，通过横向、纵向交叉位移，实现覆盖整个表面，获得首层3D打印层。
f、将针2尖提升，远离打印基板5。
g、对残留金属粉体进行清理。
h、打印基板5下降3μm。
i、重复步骤c～h，直至最终打印产品完成。
所得产品精度为5μm，远优于当前已有金属3D打印机及打印方法。
本发明采用针尖放电实现基于微纳米金属粉体的3D打印，减弱甚至消除了常规激光或电子束作为热源进行金属3D打印时无法克服的因为金属颗粒被过热气化、或者粉体颗粒缝隙中的环境气体被加热冲击粉体颗粒而造成的飞溅；其次大大缓解甚至彻底消除常规已有金属3D打印技术中存在的问题：3D打印产品的应力、开裂、变形，打印过程中的粉尘、对打印表面及环境的污染等；实现媲美、超越常规金属机械加工所能够达到的微米级的精度水平，进入微纳米级精度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种针尖放电金属粉体3D打印机，包括打印基板，在所述打印基板上铺设金属粉体进行3D打印，其特征在于，还包括针尖和针尖基体，所述针尖与针尖基体导电连接，所述针尖与所述金属粉体之间存在放电间隙，形成等离子体放电区，用于加热熔融所述金属粉体；还包括放电电源，所述放电电源分别与所述打印基板和所述针尖导电连接。
2.根据权利要求1所述的针尖放电金属粉体3D打印机，其特征在于，还包括密封腔体，所述针尖放电金属粉体3D打印机位于所述密封腔体内。
3.根据权利要求1所述的针尖放电金属粉体3D打印机，其特征在于，所述金属粉体的粒径为0.01～10μm。
4.根据权利要求1所述的针尖放电金属粉体3D打印机，其特征在于，所述针尖的直径为0～10μm。
5.根据权利要求1所述的针尖放电金属粉体3D打印机，其特征在于，所述针尖基体长度为0.1～20mm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的针尖放电金属粉体3D打印机，其特征在于，所述针尖和/或针尖基体为具有良好导电且高耐热的金属或合金材料。
7.根据权利要求1或2所述的针尖放电金属粉体3D打印机，其特征在于，所述放电间隙的宽度为0.01～100μm。
8.根据权利要求1或2所述的针尖放电金属粉体3D打印机，其特征在于，所述放电电源为直流或脉冲电源；所述放电电源的功率为0.1mW～100W，且连续可调。
9.一种利用权利要求1至8中任一项所述的针尖放电金属粉体3D打印机进行3D打印的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一、对所述密封腔体抽真空，在所述密封腔体内充入保护气体，压强为0.001～1000Pa；
步骤二、首层打印：a、在所述打印基板上铺设所述金属粉体；b、启动所述针尖使所述放电间隙调节到位；c、启动所述放电电源工作，所述针尖与所述金属粉体间形成放电等离子体；d、与所述针尖最近，形成直接放电电极的所述金属粉体被熔融并与所述打印基板粘接；e、所述针尖与所述打印基板之间相对位移，到下一个打印点；f、继续b～d过程，直到所述首层打印层完成；
步骤三、所述首层打印完成后，所述打印基板与所述针尖之间进行相对位移，使得已完成的打印层的高度处于所述打印基板表面的高度，然后重复步骤二，完成新的一层打印，直到获得最终打印产品；
步骤四、将所述打印产品从所述打印基板剥离，完成3D打印。
10.根据权利要求9所述的针尖放电3D打印方法，其特征在于，步骤二和/或步骤三所述的相对位移过程中，所述针尖与所述金属粉体之间终止放电，或者仅维持不会导致所述金属粉体熔融的弱放电。
11.根据权利要求9所述的针尖放电3D打印方法，其特征在于，步骤二和/或步骤三所述的相对位移过程中，所述针尖与所述金属粉体之间的间隙保持在原来宽度，或者抬高到宽于原来宽度1倍以上的安全宽度，位移的步长为0.01～100μm。
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| CN202010129073.6A CN113319279A (zh) | 2020-02-28 | 2020-02-28 | 一种针尖放电金属粉体3d打印机及方法 |
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2020
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