CN211330952U - 一种基于焦耳热的热塑性合金3d打印系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，将送丝装置与热辊压轮位置相对固定，使送丝装置的送丝口位于热辊压轮一侧，热辊压轮和成型基板连分别接于焦耳热电源负极和正极，送丝装置与成型基板能够相对运动，利用送丝装置将打印丝材输送至成型基板，然后通过热辊压轮将待打印丝材压紧至成型基板上，热辊压轮和成型基板构成回路，导电丝材在热辊压轮与基板接触端瞬间软化材料，本装置结构简单，能实现高利用率、高质量、低成本、绿色环保的金属零件增材制造，是一种将材料、机械、测控技术和信息处理集为一体的金属增材制造方法，且通过热辊压轮对待打印丝材融化瞬间进行碾压实现成形样件内部良好的致密性。

Description

一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统

技术领域

本实用新型涉及金属增材制造领域，具体涉及一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统。

背景技术

增材制造技术俗称3D打印技术，其优势在于三维结构的快速和自由制造，被广泛应用于新产品开发、单件小批量制造，其中金属直接成型是增材制造技术中的难点和热点。

非晶合金由于其独特的非晶态结构，具有明显优于传统晶态合金的力学、物理和化学性能，如高强度，良好的耐磨性和耐腐蚀性等性能，而且在过冷液相区还表现出超塑性，可以进行热塑性成形，因此又称热塑性合金。在航空航天、精密器械、军事化工等诸多领域，非晶合金均具有广阔的潜在前景。

目前非晶合金零件的制备方法主要有热塑性成形法、粉末烧结法、焊接组装法和增材制造法等。热塑性成形法(如模压、吹塑等)难以制造形状复杂的大尺寸零件；后三种方法虽然突破了尺寸限制问题，但粉末烧结法制备需要模具和烧结炉，成形过程比较繁琐；焊接组装时焊接部位与基体的性能差异限制了制件的应用范围；增材制造(如非晶粉末选区激光熔化)成形过程中，以激光为代表的高能束流增材制造方法具有设备造价高、设备复杂、体积比较庞大、辐射污染、同等功率下成型速度慢等问题。因此，新的非晶合金大尺寸复杂零件低成本高效成形方法显得尤为重要。

如专利文献CN108080638A公开了一种非晶合金箔材的激光3D打印成形系统及成形方法，并具体公开了通过激光器裁剪非晶合金箔材多余样料，再利用非晶合金加热到过冷液相区的超塑性状态，然后再利用预热的辊碾压，结合超声振动作用，使上下两层非晶合金箔材产生原子间联系，并急速降温冷却，从而形成大尺寸复杂形状、具有空洞结构的非晶合金零件。其克服了传统非晶合金制备方法对合金件尺寸和形状的限制，但是该专利公开的非晶合金3D打印成形系统工艺较为复杂，由于激光装置需要较大的能量，而且装置占用体积空间比较大，系统造价高。

如专利文献CN109434112A.pdf公开了一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，该系统适合空间环境，制备的非金合金零件内部结构不够致密，会出现分层翘曲等现象。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，包括焦耳热电源、送丝装置、热辊压轮和成型基板；

送丝装置与热辊压轮位置相对固定，送丝装置的送丝口位于热辊压轮一侧，热辊压轮连接于焦耳热电源正极或负极，成型基板连接于焦耳热电源负极或正极，送丝装置与成型基板能够相对运动。

进一步的，送丝装置包括送丝机架以及设置于送丝机架上的送丝盘，送丝盘一侧设有送丝主动轮，送丝盘表面与送丝主动轮表面接触，送丝机架下端设有导丝头，导丝头的出丝口靠近热辊压轮。

进一步的，热辊压轮包括碾压轮体和碾压轮体架，碾压轮体通过转轴固定于碾压轮体架上，碾压轮体架一侧设有电刷盒，电刷盒内设有电刷，电刷与碾压轮体表面接触。

进一步的，电刷与电刷盒之间设有弹簧，碾压轮体架的电刷盒一侧设有用于与焦耳热电源电连接的电源接口。

进一步的，碾压轮体架通过预压伸缩杆固定于移动机架上，碾压轮体架固定于预压伸缩杆下端，预压伸缩杆上端与移动机架通过螺栓连接，预压伸缩杆长度可调，预压伸缩杆与移动机架之间设有压簧。

进一步的，送丝盘通过送丝调节架固定于送丝机架上，送丝调节架与送丝盘分别位于送丝调节架两侧，送丝调节架上设有调节杆孔，调节杆孔内设有调节杆，调节杆上套设有压簧，调节杆孔端部固定有从动轮轴，送丝盘安装于从动轮轴上，送丝机架上开设有用于从动轮轴移动的滑槽。

进一步的，送丝盘一侧还设有固定于送丝机架上的压紧轮，压紧轮通过压紧支架固定于送丝机架上。

进一步的，压紧支架上设有压紧弹簧，压紧支架一侧设有阻挡部，压紧支架在压簧的作用下使压紧轮始终与送丝盘表面接触，压紧支架另一侧设有调节螺栓，用于调整压紧支架预紧力。

进一步的，送丝装置、热辊压轮和成型基板均置于密封腔体内。

进一步的，成型基板固定于运动平台上，运动平台上端设有散热器，散热器上端通过散热支架固定有加热板，成型基板固定于加热板上；加热板连接有加热电源。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，利用焦耳热电源、送丝装置、热辊压轮和成型基板组成焦耳热打印系统，将送丝装置与热辊压轮位置相对固定，使送丝装置的送丝口位于热辊压轮一侧，热辊压轮和成型基板连分别接于焦耳热电源负极和正极，送丝装置与成型基板能够相对运动，利用送丝装置将打印丝材输送至成型基板，然后通过热辊压轮将待打印丝材压紧至成型基板上，使热辊压轮和成型基板构成回路，导电丝材在热辊压轮与基板接触端瞬间软化材料，基于焦耳热对热塑性合金实现增材制造，本装置结构简单，能实现高利用率、高质量、低成本、绿色环保的金属零件增材制造，是一种将材料、机械、测控技术和信息处理集为一体的金属增材制造方法，且通过热辊压轮对待打印丝材融化瞬间进行碾压实现成形样件内部良好的致密性，有利于层与层之间、层与基板之间的结合，实现高质量的金属3D成形；焦耳热电源无需经过热传导，直接加热材料和基板，能量利用率高。

进一步的，送丝装置包括送丝机架以及设置于送丝机架上的送丝盘，送丝盘一侧设有送丝主动轮，送丝盘表面与送丝主动轮表面接触，送丝机架下端设有导丝头，导丝头的出丝口靠近热辊压轮，结构简单，待打印丝材更换方便。

进一步的，热辊压轮包括碾压轮体和碾压轮体架，碾压轮体通过转轴固定于碾压轮体架上，碾压轮体架一侧设有电刷盒，电刷盒内设有电刷，电刷与碾压轮体表面接触，确保打印过程中碾压轮体导电良好。

进一步的，送丝盘一侧还设有固定于送丝机架上的压紧轮，压紧轮通过压紧支架固定于送丝机架上，防止待打印丝材松散，提高打印稳定性。

进一步的，送丝装置、热辊压轮和成型基板均置于密封腔体内。

进一步的，成型基板固定于运动平台上，运动平台上端设有散热器，散热器上端通过散热支架固定有加热板，成型基板固定于加热板上；加热板连接有加热电源，能实现成型基板温控，解决了金属3D打印过程中温度梯度过大导致的热应力产生开裂、翘曲、变形等问题。

附图说明

图1为本实用新型送丝装置结构示意图。

图2为本实用新型结构示意图。

图3为本实用新型送丝调节架结构示意图。

图4为碾压轮体架剖视图。

其中，1、焦耳热电源；2、送丝装置；3、热辊压轮；4、成型基板；5、运动平台；6、散热器；7、加热板；8、加热电源；9、送丝机架；10、送丝盘；11、送丝主动轮；12、压紧轮；13、压紧支架；14、压紧弹簧；15、送丝调节架；16、调节杆孔；17、压簧；18、从动轮轴；19、导丝头；20、碾压轮体；21、碾压轮体架；22、电刷；23、弹簧；24、电源接口；25、移动机架；26、预压伸缩杆；27、密封腔体；28、防氧化装置；29、控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

如图1、图2所示，一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，包括焦耳热电源1、送丝装置2、热辊压轮3和成型基板4；

送丝装置2与热辊压轮3位置相对固定，送丝装置2的送丝口位于热辊压轮3一侧，热辊压轮3连接于焦耳热电源1正极或负极，成型基板4连接于焦耳热电源1负极或正极，送丝装置2与成型基板4能够相对运动，热辊压轮3能够与成型基板4表面滚压接触。

具体的，成型基板4固定于运动平台5上，运动平台5上端设有散热器6，散热器6上端通过散热支架固定有加热板7，成型基板4固定于加热板7上；加热板7连接有加热电源8；用于成型基板4辅助加热，提高加热成型效率。

送丝装置2包括送丝机架9以及设置于送丝机架9上的送丝盘10，送丝盘10一侧设有送丝主动轮11，送丝盘10表面与送丝主动轮11表面接触，送丝机架9下端设有导丝头19，导丝头19的出丝口靠近热辊压轮3。

如图4所示，热辊压轮3包括碾压轮体20和碾压轮体架21，碾压轮体20通过转轴固定于碾压轮体架21上，碾压轮体架21一侧设有电刷盒，电刷盒内设有电刷22，电刷22与碾压轮体20表面接触，电刷22与电刷盒之间设有弹簧23，碾压轮体架21的电刷盒一侧设有电源接口24，用于与焦耳热电源1电连接。

碾压轮体架21和送丝机架9均固定于移动机架25上；碾压轮体架21通过预压伸缩杆26固定于移动机架25上，碾压轮体架21固定于预压伸缩杆26下端，预压伸缩杆26上端与移动机架25通过螺栓连接，预压伸缩杆26长度可调，预压伸缩杆26与移动机架25之间设有压簧，用于调整预压伸缩杆26高度和预压预紧力。

如图3所示，送丝盘10通过送丝调节架15固定于送丝机架9上，送丝调节架15与送丝机架9通过螺栓连接，送丝调节架15与送丝盘10分别位于送丝调节架15两侧，送丝调节架15上设有调节杆孔16，调节杆孔16内设有调节杆，调节杆上套设有压簧17，调节杆孔16端部固定有从动轮轴18，送丝盘10安装于从动轮轴18上，送丝机架9上开设有用于从动轮轴18移动的滑槽；通过送丝机架9实现送丝盘10与送丝主动轮11接触良好。

送丝盘10一侧还设有固定于送丝机架9上的压紧轮12，压紧轮12通过压紧支架13固定于送丝机架9上，压紧支架13上设有压紧弹簧14，压紧支架13一侧设有阻挡部，压紧支架13在压簧的作用下使压紧轮12始终与送丝盘10表面接触，压紧支架13另一侧设有调节螺栓，用于调整压紧支架13预紧力。

送丝装置2、热辊压轮3和成型基板4均置于密封腔体27内，通过防氧化装置28提供打印氛围；焦耳热电源1、加热电源8及送丝装置2均通过控制系统29控制，控制系统提供控制参数以及打印氛围参数。

本实用新型的原理是基于合金材料通电后会产生焦耳热，通过焦耳热实现材料热塑性堆覆成型，合金材料通过自动送料系统送入热辊压轮，热辊压轮通过电刷连接焦耳热电源的正或负极，打印基板连接焦耳热电源正或负极，在电刷和成型基板构成回路，通以电流使导电丝材在热辊压轮与基板接触端瞬间软化材料，比如非晶材料在过冷液相区还表现出超塑性，可以实现热塑性成形，随着基板的移动和不断的递送材料，在基板上即可形成堆积的金属零件，实现金属增材制造。

辊压轮和辊压轮中间的滚珠轴承实现合金材料的辊压，由预压伸缩杆来实现不同材料不同工艺辊压压力的大小调节。辊压轮通过弹簧23和电刷良好接触，辊压轮通过电刷把电导到导电丝材上，并通过辊压装置实现热辊压成形，电刷上有电极接线柱用来连接焦耳热电源，焦耳热控制电源部分提供导电丝材热塑成形的主要电能，主要根据不同合金材料的热塑成型工艺特点，可以采用直流、交流或者脉冲的方式，也可以用电压源或电流源的方式，通过导电丝材和基板短路瞬间产生的焦耳热使合金材材料具备黏塑性，无需传导加热，是材料内部发热，热效率高，高效节能，根据不同的材料和不同的成形效率，来设定打印参数；导电丝材采用金属带或合金丝。

成型基板加热电源部分使打印区域实现恒温环境，能减少打印物品因应力引起的翘曲和变形，提高成形质量。成型基板加热电源可以采用各种加热和温控方式，比如电阻加热或者感应加热等，并需要加上温度传感器实现PID控温，而且根据不同金属材料热处理工艺的不同，可以设定不同的温度，考虑到运动平台无法长期承受高温，导致形变和运动的失准性，需要加散热器，可以根据不通过条件选择风冷，水冷，半导体制冷等等。如果基板要求温度不高也可以不加散热器，或者要求基板冷却直接加冷却散热实现基板恒温环境。

导电丝材由送丝盘10、压紧轮、送丝主动轮11完成导电丝材的引导和递送，导电丝材盘既从动轮上装有打印材料，但是合金材料比较容易松散，所以需要压紧轮来防止材料松散，导致递送失败。

防氧化部分可以根据不同的金属材料可以设计气氛保护，包含气体净化系统，循环系统和气体温控系统，需要有水氧传感器、压力传感器、温度传感器、气罐、气泵及气阀的进出控制，也可以按照真空密闭腔体设计，需要配备真空泵，如果要成形大型零件，防氧化系统也可以设计成局部气氛保护方式。

能量输入部分即电源控制部分，空间运动控制部分、打印头及送料控制部分和防氧化部分都需要连接到打印机的计算机总体控制系统，通过专用软件根据不同的金属材料的工艺特点统一协调控制。

本实用新型一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统工作步骤如下：

1)模型的载入，模型切片实际上就是把用三角面片描述的3D模型，通过特定的算法，翻译为3D打印机能执行的G代码指令组，即将*.stl格式的三维模型转换为3D打印机可以使用的G代码；

2)打印开始前，先将导电丝材安装好，防氧化系统启动，并把基板预热至一定温度；

3)启动运动系统，平台调平，将导电丝材递送至热辊压轮底下，打开焦耳热电源，合金材料通过高效的焦耳热软化后，合金材料通过热辊压装置沉积到高温基板，实现基板和第一层的良好冶金结合，后续进一步热压塑性堆积成形，实现层与层之间的良好结合，逐层累积，零件堆积成形；

4)在打印过程中，测温元件对热辊压轮的温度及基板温度进行检测并将温度信号传递给温控系统，温控系统通过比较反馈的温度与预设温度值的大小，来实时调整加热功率。

5)打印形成后，按照各种材料热处理要求，继续一段时间保温处理，消除内应力，打印结束，取出工件。

Claims (10)

1.一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，其特征在于，包括焦耳热电源(1)、送丝装置(2)、热辊压轮(3)和成型基板(4)；

送丝装置(2)与热辊压轮(3)位置相对固定，送丝装置(2)的送丝口位于热辊压轮(3)一侧，热辊压轮(3)连接于焦耳热电源(1)正极或负极，成型基板(4)连接于焦耳热电源(1)负极或正极，送丝装置(2)与成型基板(4)能够相对运动，热辊压轮(3)能够与成型基板(4)表面滚压接触。

2.根据权利要求1所述的一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，其特征在于，送丝装置(2)包括送丝机架(9)以及设置于送丝机架(9)上的送丝盘(10)，送丝盘(10)一侧设有送丝主动轮(11)，送丝盘(10)表面与送丝主动轮(11)表面接触，送丝机架(9)下端设有导丝头(19)，导丝头(19)的出丝口靠近热辊压轮(3)。

3.根据权利要求1所述的一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，其特征在于，热辊压轮(3)包括碾压轮体(20)和碾压轮体架(21)，碾压轮体(20)通过转轴固定于碾压轮体架(21)上，碾压轮体架(21)一侧设有电刷盒，电刷盒内设有电刷(22)，电刷(22)与碾压轮体(20)表面接触。

4.根据权利要求3所述的一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，其特征在于，电刷(22)与电刷盒之间设有弹簧(23)，碾压轮体架(21)的电刷盒一侧设有用于与焦耳热电源(1)电连接的电源接口(24)。

5.根据权利要求3所述的一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，其特征在于，碾压轮体架(21)通过预压伸缩杆(26)固定于移动机架(25)上，碾压轮体架(21)固定于预压伸缩杆(26)下端，预压伸缩杆(26)上端与移动机架(25)通过螺栓连接，预压伸缩杆(26)长度可调，预压伸缩杆(26)与移动机架(25)之间设有压簧。

6.根据权利要求2所述的一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，其特征在于，送丝盘(10)通过送丝调节架(15)固定于送丝机架(9)上，送丝调节架(15)与送丝盘(10)分别位于送丝调节架(15)两侧，送丝调节架(15)上设有调节杆孔(16)，调节杆孔(16)内设有调节杆，调节杆上套设有压簧(17)，调节杆孔(16)端部固定有从动轮轴(18)，送丝盘(10)安装于从动轮轴(18)上，送丝机架(9)上开设有用于从动轮轴(18)移动的滑槽。

7.根据权利要求2所述的一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，其特征在于，送丝盘(10)一侧还设有固定于送丝机架(9)上的压紧轮(12)，压紧轮(12)通过压紧支架(13)固定于送丝机架(9)上。

8.根据权利要求7所述的一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，其特征在于，压紧支架(13)上设有压紧弹簧(14)，压紧支架(13)一侧设有阻挡部，压紧支架(13)在压簧的作用下使压紧轮(12)始终与送丝盘(10)表面接触，压紧支架(13)另一侧设有调节螺栓，用于调整压紧支架(13)预紧力。

9.根据权利要求1所述的一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，其特征在于，送丝装置(2)、热辊压轮(3)和成型基板(4)均置于密封腔体(27)内。

10.根据权利要求1所述的一种基于焦耳热的热塑性合金3D打印系统，其特征在于，成型基板(4)固定于运动平台(5)上，运动平台(5)上端设有散热器(6)，散热器(6)上端通过散热支架固定有加热板(7)，成型基板(4)固定于加热板(7)上；加热板(7)连接有加热电源(8)。

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