CN114918432A

CN114918432A - 一种3d打印设备及方法

Info

Publication number: CN114918432A
Application number: CN202210628444.4A
Authority: CN
Inventors: 卢奔; 周勃延; 赵培; 任龙; 汤慧萍; 向长淑; 陈斌科; 葛宽强
Original assignee: Xi'an Sailong Metal Materials Co ltd
Current assignee: Xi'an Sailong Metal Materials Co ltd
Priority date: 2022-06-06
Filing date: 2022-06-06
Publication date: 2022-08-19

Abstract

本发明公开一种3D打印设备及方法，涉及增材制造技术，在3D打印时，对于熔点较高的金属粉末预热不均匀，容易发生粉末溃散的问题。该3D打印方法包括：通过电磁线圈对底板进行三段式预热，三段式预热依次包括初始预热、加速预热和平缓预热；通过送铺粉机构送铺一层金属粉末；对金属粉末进行三段式预热，待金属粉末达到第一预设温度时，按照预设模型利用电子束对金属粉末进行融化扫描，之后再进行一次三段式预热，重复上述步骤，直至打印结束。本发明采用的三段式预热方法不但减少了金属粉末的预热时间，提高了加工效率，而且通过三段式预热方法对金属粉末进行预热，可以使金属粉末预热更加均匀，避免了在打印中后期出现底板溃散的问题。

Description

一种3D打印设备及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种3D打印设备及方法。

背景技术

粉床电子束3D打印技术是一种增材制造技术。这种技术以数字模型为基础，将材料（如：金属粉末）逐层堆积熔化制造出实体产品。与传统制造业相比，粉床电子束3D打印技术解决了兼顾复杂形状和高性能金属结构件快速制造的技术难题。近几年来，通过粉床电子束3D打印技术打印的钛、钨、钽、铌、锆等金属复杂精密构件在航空航天、国防军工、精密电子等行业一直发挥着不可替代的作用。

粉床电子束3D打印技术通常以电子束作为3D打印设备的热源。现阶段，以电子束作为热源进行粉末融化时，电子枪发射的电子存在高速动能及库仑作用力，因此，对熔点较高的金属粉末进行融化时极易造成粉末溃散、起始线缺陷以及热应力等问题，而粉末预热可大大减少此类问题的发生。

一般而言，对于预热阶段的粉末烧结最直接的方式是利用电子束快速扫描，但此方法仅限于表层预热，内部有较大的温度差，并且存在粉末溃散的可能。

发明内容

本发明提供一种3D打印设备及方法，解决了在进行3D打印时，对于熔点较高的金属粉末预热不均匀，容易在打印时发生粉末溃散的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，一种3D打印设备，其特殊之处在于，所述3D打印设备包括电子枪、成形室、位于所述成形室内的送铺粉机构和成形缸、位于所述成形室外的控制器；

所述成形缸位于所述成形室的底部，所述成形缸内设有底板升降机构，所述底板升降机构包括底板以及设置于所述底板底部的驱动器；

所述成形缸上沿其缸口绕制有电磁线圈，所述电磁线圈与所述控制器连接，所述控制器用于控制所述电磁线圈进行三段式预热，所述三段式预热依次包括初始预热、加速预热以及平缓预热，所述电磁线圈进行初始预热时的功率为第一功率、进行加速预热时的功率为第二功率、进行平缓预热时的功率为第三功率，第二功率≥第一功率，且，第二功率≥第三功率；

所述送铺粉机构位于所述成形缸一侧，用于向所述底板上送铺金属粉末；

所述电子枪安装于所述成形室的顶部，所述电子枪的作用端伸入所述成形室内并与所述底板对应，用于对金属粉末进行融化扫描。

结合第一方面，在一种可能实现的方式中，所述3D打印设备还包括水冷机构；

所述电磁线圈内设有中空部；

所述水冷机构包括冷却水管和水冷机；

所述冷却水管穿设在所述电磁线圈的中空部内，并与所述水冷机连接；

所述水冷机位于所述成形室外。

结合第一方面，在一种可能实现的方式中，所述3D打印设备还包括温度采集机构；

所述温度采集机构与所述控制器连接，所述温度采集机构设置于所述成形室顶部，所述温度采集机构的作用端伸入所述成形室并与所述底板对应；所述温度采集机构的数量大于或等于两个，且以所述底板为中心均匀分布。

结合第一方面，在一种可能实现的方式中，所述电磁线圈绕制在所述成形缸上的部分与所述成形缸的缸口齐平。

结合第一方面，在一种可能实现的方式中，所述电磁线圈靠近所述成形缸的两个引出端之间设有高度差。

第二方面，本发明提供一种3D打印方法，应用于上所述的3D打印设备，其特殊之处在于，包括：

步骤1.通过电磁线圈对底板进行三段式预热，所述三段式预热依次包括初始预热、加速预热以及平缓预热，所述电磁线圈进行初始预热时的功率为第一功率、进行加速预热时的功率为第二功率、进行平缓预热时的功率为第三功率，第二功率≥第一功率，且，第二功率≥第三功率，待所述底板的平均温度达到第一预设温度时，停止加热，并进行保温；

步骤2.通过送铺粉机构向底板表面送铺一层金属粉末；

步骤3.通过电磁线圈对所述金属粉末进行所述三段式预热，待所述金属粉末的平均温度达到第二预设温度时，停止加热，并进行保温；

步骤4.按照预设模型通过电子枪输出的电子束对所述金属粉末进行融化扫描；

步骤5.通过电磁线圈对融化扫描后的金属粉末进行所述三段式预热，待所述金属粉末的平均温度达到第三预设温度时，停止加热，并进行保温；

步骤6.重复步骤2至步骤5，直至打印结束。

结合第二方面，在另一种可能实现的方式中，所述步骤1具体包括：

通过控制器调节所述电磁线圈的功率为所述第一功率，所述电磁线圈对底板进行初始预热，直至所述底板的平均温度达到第四预设温度；

通过所述控制器调节所述电磁线圈的功率为所述第二功率，所述电磁线圈对底板进行加速预热，直至所述底板的平均温度达到第五预设温度；

通过所述控制器调节所述电磁线圈的功率为所述第三功率，所述电磁线圈对底板进行平缓预热，直至所述底板的平均温度达到第一预设温度，停止加热，并进行保温。

结合第二方面，在另一种可能实现的方式中，所述步骤1之前，所述3D打印方法还包括：

通过水冷机构对所述电磁线圈进行水冷却操作。

结合第二方面，在另一种可能实现的方式中，所述步骤3具体包括：

通过电磁线圈对所述金属粉末进行所述三段式预热，并利用温度采集机构对所述金属粉末进行实时地非接触式温度采集，得到所述金属粉末的平均温度；

当所述金属粉末的平均温度大于或等于所述第二预设温度时，通过所述控制器控制所述电磁线圈停止对所述金属粉末加热，并对所述金属粉末进行保温。

结合第二方面，在另一种可能实现的方式中，所述第二功率为额定功率；所述第一功率为额定功率的60%，所述第三功率为额定功率的30%。

本发明实施例提供的3D打印设备及方法，采用电磁线圈对底板或金属粉末进行预热，且采用了三段式预热的方法，三段式预热方法的第一段预热为初始预热，第二段预热为加速预热，第三段预热为平缓预热，通过电磁线圈进行三段式预热不但减少了底板或金属粉末的预热时间、提高了加工效率，而且通过三段式预热方法对金属粉末进行预热，还可以使金属粉末的预热更加均匀透彻，更好的避免了电子束融化扫描金属粉末时出现粉末溃散的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种3D打印设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的成形缸与电磁线圈的结构示意图。

附图说明：

1-电子枪，2-成形室，3-送铺粉机构，4-成形缸，5-温度采集机构，6-水冷机，7-控制器，8-电磁线圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，“基于”或“根据”的使用意味着开放和包容性，因为“基于”或“根据”一个或多个所述条件或值的过程、步骤、计算或其他动作在实践中可以基于额外条件或超出所述的值。

为了解决打印预热不均匀导致打印中经常出现粉末溃散的问题，本发明实施例提供了一种3D打印设备，图1为本发明实施例提供的一种3D打印设备的结构示意图，如图1所示，该3D打印设备可以包括电子枪1、成形室2、位于成形室2内的送铺粉机构3和成形缸4、位于成形室2外的控制器7；成形缸4位于成形室2的底部，成形缸4内设有底板升降机构，底板升降机构可以包括底板以及设置于底板底部的驱动器，该驱动器用于驱动底板上下运动；需要说明的是，底板和驱动器图中未给出。成形缸4上沿其缸口绕制有电磁线圈8，电磁线圈8与控制器7连接，控制器7用于控制电磁线圈8的功率，进而控制电磁线圈8对底板或者金属粉末进行三段式预热，三段式预热依次可以包括初始预热、加速预热以及平缓预热，电磁线圈8进行初始预热时的功率为第一功率，电磁线圈8进行加速预热时的功率为第二功率，电磁线圈8进行平缓预热时的功率为第三功率，第二功率≥第一功率，且，第二功率≥第三功率；送铺粉机构3位于成形缸4一侧，用于向底板上送铺金属粉末；电子枪1安装于成形室2的顶部，电子枪1的作用端伸入成形室2内并与底板对应，用于对金属粉末进行融化扫描。

这样，通过控制器7对电磁线圈8的功率进行调节，并通过电磁线圈8对底板或者底板上的金属粉末进行三段式预热，实现了更加均匀的预热，减少了预热时间，还提高了预热质量，进而提高了打印产品的质量。

可选的，3D打印设备还可以包括水冷机构，该水冷机构为该打印设备提供冷却水循环系统；电磁线圈8内设有中空部，例如电磁线圈8可以采用紫铜管，但不限于紫铜管，该电磁线圈8的壁厚大于或等于1毫米；水冷机构可以包括冷却水管和水冷机6；冷却水管可以穿设在电磁线圈8的中空部内，以便对电磁线圈8进行冷却，避免电磁线圈8在预热过程中被过高的热量破坏，同时，该冷却水管与水冷机6连接，形成完整的水循环系统；水冷机6可以位于成形室2外，便于用户操作。

需要说明的是，该水冷机构通常在3D打印设备开始启动时就可以直接启动。

可选的，3D打印设备还可以包括温度采集机构5；温度采集机构5与控制器7连接，可以理解的是，控制器7连接电源。温度采集机构5设置于成形室2顶部，温度采集机构5的作用端伸入成形室2并与底板表面对应；这样，便于实时地采集底板表面或者粉床表面的平均温度，并将温度信号传递给控制器7；控制器7根据接收到的温度信号调节电磁线圈8的功率。控制器7还可以根据打印材料的不同调节电磁线圈8不同的功率，进而调节不同的加热温度；从而更加准确的控制三段式预热的温度。温度采集机构5的数量大于或等于两个，且以底板为中心均匀分布。由此提高温度采集的准确性，也便于把握预热是否均匀。

可选的，图2为本发明实施例提供的成形缸与电磁线圈的结构示意图。如图2所示，电磁线圈8绕制在成形缸4上的部分与成形缸4的缸口齐平。使得电磁线圈的加热位置更加准确。

可选的，电磁线圈8靠近成形缸4的两个引出端之间设有高度差，高度差大于或等于电磁线圈8的直径，两个引出端的长度可以小于或等于30毫米。

这样，高度差的设置既可以降低引出端处的温度，也可以为冷却水管的进水管和出水管做标记，避免难以区分。

为了解决金属粉末容易溃散的问题，本发明还提供了一种3D打印方法，应用于上述的3D打印设备，该3D打印方法包括：

步骤1.启动3D打印设备，开启水冷机，对电磁线圈8进行水冷却操作，利用温度采集机构对底板处进行实时地非接触式温度采集，通过控制器控制电磁线圈8对底板升降机构中的底板进行三段式预热，三段式预热依次可以包括初始预热、加速预热以及平缓预热，电磁线圈8进行初始预热时的功率为第一功率、进行加速预热时的功率为第二功率、进行平缓预热时的功率为第三功率，第二功率≥第一功率，且，第二功率≥第三功率，待底板的平均温度达到第一预设温度时，停止加热，并进行保温；

步骤2.通过送铺粉机构3向底板表面送铺一层金属粉末；

步骤3.通过电磁线圈8对金属粉末进行三段式预热，待金属粉末的平均温度达到第二预设温度时，停止加热，并进行保温；可以理解的是该三段式预热与步骤1中的三段式预热方法相同，仅作用对象不同而已；该步骤是对金属粉末的预烧结；

步骤4.按照预设模型通过电子枪1输出的电子束对金属粉末进行融化扫描；

步骤5.通过电磁线圈对融化扫描后的金属粉末进行三段式预热，待金属粉末的平均温度达到第三预设温度时，停止加热，并进行保温；需要说明的是，该步骤是对金属粉末的一次热量补偿；

步骤6.重复步骤2至步骤5，直至打印结束。需要说明的是后续的重复步骤均是在粉床上叠加操作。

可以理解的是，水冷却循环操作以及温度采集伴随整个打印过程。

电子束作为3D打印设备的热源，在进行高熔点金属粉末融化前需要对金属粉末进行预热，即对金属粉末进行烧结，目的在于增加金属粉末的抗溃散能力。而电子束作用于真空环境中时，真空环境无对流现象，热量传递只存在于热辐射及热传递，现有的预热方式多为电阻预热、红外线预热及激光预热，其中接触式预热（如电阻预热）的加热速度较为缓慢，加热温度较低，仅能做到保温的功能，无法对金属粉末进行烧结；而非接触性预热（红外线预热及激光预热）仅能做到表面预热，且有较大的阶梯性，无法保证金属粉末预热透彻，即预热不均匀。

另外，电磁加热主要由变频装置及电磁线圈组成，其本质是利用交变电流在感应线圈中产生高密度的磁力线，利用磁力线来切割需要加热的物品，使其内部产生涡流，通过调节加热频率及电流使被加热物品达到预期的效果，电磁加热技术相对于传统烧结工艺有着极快的加热速度，而且能量利用率高，可以缩短预热周期，在制备高熔点金属粉末方面拥有巨大潜力。

本发明通过三段式预热的方法对金属粉末进行预热，渗透力强，加热速度快，金属粉末的烧结更加均匀，在利用电子束对金属粉末进行融化扫描时，无论是扫描初期、中期还是后期，金属粉末都不会发生粉末溃散的问题，该方法不但缩短了预热时间，提高了加工效率，还提高了预热质量，进而提高了打印的成品质量。

可选的，电磁线圈8的加热频率范围可以为10kHz-800kHz。

可以理解的是，电磁线圈8的加热频率可以根据不同铺粉层厚及金属粉末的材料匹配不同的而不同，例如：钛合金材料的加热频率可以设置在400kHz至800kHz之间。

可选的，步骤1具体可以包括：

通过控制器7调节电磁线圈8的功率为第一功率，电磁线圈对底板进行初始预热，直至底板的平均温度达到第四预设温度；

通过控制器7调节电磁线圈8的功率为第二功率，电磁线圈对底板进行加速预热，直至底板的平均温度达到第五预设温度；

通过控制器7调节电磁线圈8的功率为第三功率，电磁线圈对底板进行平缓预热，直至底板的平均温度达到第一预设温度，停止加热，并进行保温。

该三段式预热方法缩短了预热周期，提高了预热质量。

可选的，步骤3具体可以包括：

通过电磁线圈8对金属粉末进行三段式预热，并利用温度采集机构5对金属粉末进行实时地非接触式温度采集，得到金属粉末的平均温度；当金属粉末的平均温度大于或等于第二预设温度时，通过控制器7控制电磁线圈8停止对金属粉末加热，并对金属粉末进行保温。

这样可以实时地准确地得到粉床表面的平均温度。

可选的，第二功率为额定功率；第一功率为额定功率的60%，第三功率为额定功率的30%。可以理解的是，第一功率、第二功率以及第三功率也可以根据实际情况自定义设置。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备包括电子枪、成形室、位于所述成形室内的送铺粉机构和成形缸、位于所述成形室外的控制器；

2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备还包括水冷机构；

所述电磁线圈内设有中空部；

所述水冷机构包括冷却水管和水冷机；

所述水冷机位于所述成形室外。

3.根据权利要求1或2所述的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备还包括温度采集机构；

4.根据权利要求1或2所述的3D打印设备，其特征在于，所述电磁线圈绕制在所述成形缸上的部分与所述成形缸的缸口齐平。

5.根据权利要求1或2所述的3D打印设备，其特征在于，所述电磁线圈靠近所述成形缸的两个引出端之间设有高度差。

6.一种3D打印方法，应用于如权利要求1-5任一所述的3D打印设备，其特征在于，包括：

步骤2.通过送铺粉机构向底板表面送铺一层金属粉末；

步骤6.重复步骤2至步骤5，直至打印结束。

7.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

8.根据权利要求6或7所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤1之前，所述3D打印方法还包括：

通过水冷机构对所述电磁线圈进行水冷却操作。

9.根据权利要求6或7所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

10.根据权利要求6或7所述的3D打印方法，其特征在于，所述第二功率为额定功率；所述第一功率为额定功率的60%，所述第三功率为额定功率的30%。