CN218555581U - 一种原位电脉冲辅助增材制造3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于增材制造技术领域，提供了一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，装置包括增材制造装置和电源装置，增材制造装置内设置有绝缘基板和用于承载3D打印工件的打印基板，绝缘基板位于打印基板底部或/和侧面；电源装置具有脉冲电流模块，脉冲电流模块连接有第一组电脉冲线缆，第一组电脉冲线缆包括第一正极线缆和第一负极线缆，第一正极线缆和第一负极线缆穿过于绝缘基板，第一正极线缆和第一负极线缆相对设置且分别连接于打印基板的两侧。实用新型所提供的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，在不改变目前量产的3D打印设备的前提下，实现打印过程中的原位脉冲电刺激，利于消除3D打印工件的缺陷，使3D打印工件的性能更佳。

Description

一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置

技术领域

本实用新型属于增材制造技术领域，尤其涉及一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术(3D打印技术)是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除、切削加工技术，所谓增材即是原材料在制造过程逐步增加，而传统的电弧熔炼后，轧制、锻造、深冲等，还要进行必要的机加工，切削等，这都是减材的过程，增材制造相对传统制造方法有几点明显优势：

1.可以打印出结构复杂件

2.原材料利用率高

3.成形性高。

在利用增材制造装置制备加工件过程中，材料虽然能够成形，但内部常出现的微裂纹、孔隙等组织缺陷，严重影响材料的服役性能。针对这个难题，目前主要采用对打印好的成形件施加电脉冲，以期改变其组织而现致密化，但这种方式是成形之后的后处理方式，从目前报道的结果来看，效果都不是很好。现有技术中，也有在基板上设置不同方向的脉冲电流的方式，但脉冲电流不能充分流经3D打印工件，效果也不是很好。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，其在不改变目前量产的3D打印设备的前提下，将脉冲电流引入到打印基板中，实现打印过程中的原位脉冲电刺激，利于消除3D打印工件的裂纹、组织缺陷，使3D打印工件的性能更佳。

本实用新型的技术方案是：一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，包括增材制造装置和电源装置，所述增材制造装置内设置有绝缘基板和用于承载3D打印工件的打印基板，所述绝缘基板位于所述打印基板底部或/和侧面；所述电源装置具有脉冲电流模块，所述脉冲电流模块连接有第一组电脉冲线缆，所述第一组电脉冲线缆包括第一正极线缆和第一负极线缆，所述第一正极线缆和第一负极线缆穿过于所述绝缘基板，所述第一正极线缆和第一负极线缆相对设置且分别连接于所述打印基板的两侧。

可选地，所述绝缘基板的正面设置有安装槽，所述打印基板安装于所述安装槽内；

所述打印基板底部的一侧设置有第一接线位，所述打印基板底部的另一侧设置有第二接线位，所述第一正极线缆连接于所述第一接线位，所述第一负极线缆连接于所述第二接线位。

可选地，所述绝缘基板的底部设置调平基板，所述调平基板和所述绝缘基板均设置有穿线孔。

可选地，所述脉冲电流模块还连接有第二组电脉冲线缆，所述第二组电脉冲线缆连接有用于与3D打印工件相接的接触部件。

可选地，所述接触部件包括弹性顶针。

可选地，所述接触部件连接有位移驱动部件。

可选地，所述打印基板连接有用于监测所述打印基板温度的第一温度传感装置，且/或，所述打印基板的上方处设置有用于监测3D打印工件温度的第二温度传感装置。

可选地，所述电源装置为独立于所述增材制造装置外部的电源柜；或者，所述电源装置集成于所述增材制造装置内部。

可选地，所述增材制造装置包括设置于所述打印基板上方的激光部件，设置于所述打印基板一侧且用于容纳金属粉末原料的料仓，所述增材制造装置还包括设置于所述料仓上方且用于将设定厚度的金属粉末自所述料仓刮至所述打印基板或3D打印工件上的刮涂部件。

本实用新型还提供了一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印方法，采用上述的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，包括以下步骤：

于在所述增材制造装置在所述打印基板上分层成型前或在所述打印基板上分层成型时，通过脉冲电流模块和第一组电脉冲线缆使脉冲电流通过所述打印基板或/和3D打印工件。

本实用新型所提供的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，在不改变目前量产的3D打印设备的前提下，将脉冲电流引入到打印基板中，实现打印过程中的原位脉冲电刺激，利于消除3D打印工件的裂纹、组织缺陷，使3D打印工件的性能更佳。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置的立原理示意图；

图2是图1中A处的局部放大示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置中打印基板、绝缘基板和调平基板的立体分解示意图。

图4是本实用新型实施例提供的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置中打印基板、绝缘基板和调平基板的另一立体分解示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，本实用新型实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本实用新型中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。

如图1至图4所示，本实用新型实施例提供的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，包括增材制造装置和电源装置20，所述增材制造装置10内设置有绝缘基板120和用于承载3D打印工件的打印基板110，3D打印工件可导电，其可为金属材料制件或导电复合材料制件等。打印基板110的正面与3D打印工件直接接触，且打印基板110连接于电源装置20，所述绝缘基板120位于所述打印基板110底部或/和侧面，以防止漏电等隐患；所述电源装置20具有脉冲电流模块，脉冲电流模块可以输出设定强度及设定周期的脉冲电流。所述脉冲电流模块连接有第一组电脉冲线缆210，所述第一组电脉冲线缆210包括第一正极线缆211和第一负极线缆212，所述第一正极线缆211和第一负极线缆212穿过于所述绝缘基板120，所述第一正极线缆211和第一负极线缆212相对设置且分别连接于所述打印基板110的两侧，可以使脉冲电流充分流经基板及3D打印工件，在不改变目前量产的3D打印设备的前提下，将脉冲电流引入到打印基板110中，实现打印过程中的原位脉冲电刺激，脉冲电流通过3D打印工件(金属材料)时，产生大量的定向漂移的自由电子(电子风)。漂移电子群频繁地定向撞击位错，会对位错段产生一个类似于外加应力的电子风力，促进位错在其滑移面上的移动，加脉冲电流时电能、热能和应力是被瞬时输入到材料中，原子的随机热运动在脉冲电流瞬时冲击力作用下获得足够的动能离开平衡位置，原子的扩散能力加强，位错更容易滑移、攀移，利于消除3D打印工件的裂纹、组织缺陷，使3D打印工件的性能更佳。

具体地，所述绝缘基板120的正面设置有安装槽121，所述打印基板110安装于所述安装槽121内，其可靠性高。打印基板110的正面可以平齐或略凸出于绝缘基板120的正面，当然，打印基板110的正面也可以低于绝缘基板120的正面。

具体地，所述打印基板110底部的一侧设置有第一接线位111，所述打印基板110底部的另一侧设置有第二接线位112，所述第一正极线缆211连接于所述第一接线位111，所述第一负极线缆连接于所述第二接线位112。第一接线位111和第二接线位112为接线孔，第一接线位111和第二接线位112均直接开设于打印基板110。具体应用中，打印基板110相向的两侧靠近于底部处分别设置有避位槽113，避位槽113贯通于打印基板110的侧面和底面。第一接线位111和第二接线位112分别设置于避位槽113的底壁。第一正极线缆211和第一负极线缆212的前端可以设置有插头端子，插头端子可以过盈连接于第一接线位111和第二接线位112，或者通过锁紧件(例如螺栓或夹头等)可靠地连接于第一接线位111和第二接线位112。

具体应用中，打印基板110可为整体式的金属基板。具体应用中，可以选择在打印基板110的底面设置有隔槽，隔槽位于第一接线位111和第二接线位112之间，有利于使电流更好地流经3D打印工件。或者，打印基板110整体呈平板状，包括第一金属板、第二金属板和中间连接板，中间连接板的电阻率较高，第一金属板、第二金属板的电阻率较低，所述第一金属板、所述第二金属板设置于所述中间连接板的两侧，所述第一接线位111设置于所述第一金属板，所述第二接线位112设置于所述第二金属板，即第一接线位111和第二接线位112分别设置于第一金属板、第二金属板，3D打印工件可以同时与3D打印工件相接。

具体地，所述绝缘基板120的底部设置调平基板130，所述调平基板130和所述绝缘基板120均设置有穿线孔，调平基板130连接有调平部件，以使打印基板110可以调整至水平等所需状态。

具体地，作为可选的实施方式，所述脉冲电流模块还连接有第二组电脉冲线缆，所述第二组电脉冲线缆连接有用于与3D打印工件相接的接触部件。第二组电脉冲线缆的一线缆可以连接于打印基板110，第二组电脉冲线缆的另一线缆可以连接于接触部件。具体应用中，3D打印工件每完成设定层数或设定高度的成型后，接触部件移动至与3D打印工件的顶部相接，并在第二组电脉冲线缆通入设定的脉冲电流，使脉冲电流纵向流经3D打印工件，3D打印工件相邻成型层的结合更致密，更有利于消除层间缺陷。

具体地，所述接触部件包括弹性顶针，避免与3D打印工件刚性碰撞。所述接触部件可以连接有位移驱动部件，其可以在位移驱动部件的作用下移动升降，不影响3D打印工件的分层层积成型。升降移动部件可为机械手部件。

具体地，所述打印基板110连接有用于监测所述打印基板110温度的第一温度传感装置，可以根据打印基板110的温度调节电流的大小。

具体地，所述打印基板110的上方处设置有用于监测3D打印工件温度的第二温度传感装置，可以根据3D打印工件的温度调节电流的大小。

具体地，所述电源装置20为独立于所述增材制造装置10外部的电源柜；或者，所述电源装置20集成于所述增材制造装置10内部。

具体地，所述增材制造装置10包括设置于所述打印基板110上方的激光部件，设置于所述打印基板110一侧且用于容纳金属粉末原料的料仓，所述增材制造装置10还包括设置于所述料仓上方且用于将设定厚度的金属粉末自所述料仓刮至所述打印基板110或成型中3D打印工件上的刮涂部件，可以在3D打印机(增材制造装置10)的前盖板或后盖板设置通孔，通孔处一进一出两条第一组电脉冲线缆(可为截面不小于10平方厘米的电缆)从通孔进入3D打印机内部。进入3D打印机后，电缆从打印机底部，通过3D打印机的成形轴，先后穿过定制的调平基板130、绝热基板、绝缘基板120套到达打印基板110底部，然后通过打印基板110底部两个连接口连接。

本实用新型实施例还提供了一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印方法，采用如上述的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，包括以下步骤：

于在所述增材制造装置10在所述打印基板110上分层成型前或在所述打印基板110上分层成型时，通过脉冲电流模块和第一组电脉冲线缆210使脉冲电流通过所述打印基板110或/和3D打印工件。电源装置20具有电压调节旋钮和频率调节旋钮，电压调节旋钮可用于控制输出电压，频率调节旋钮可用于控制脉冲电流的频率，本实施例中，电压范围可以为0-130V，频率范围可以为0-800Hz，具体应用中，脉冲电流的频率可大于400Hz，即利用高频脉冲电流，可以在3D打印工件上实现趋肤效应(skin effect)，使3D打印工件内部的电流分布不均匀,电流集中在导体(3D打印工件)的“皮肤”部分；也就是说电流集中在导体(3D打印工件)外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导体内部实际上电流较小。可以在不改变目前量产的3D打印设备的前提下，将脉冲电流引入到打印基板110中，实现打印过程中的原位脉冲电刺激，脉冲电流通过3D打印工件(金属材料)时，产生大量的定向漂移的自由电子(电子风)。漂移电子群频繁地定向撞击位错，会对位错段产生一个类似于外加应力的电子风力，促进位错在其滑移面上的移动，加脉冲电流时电能、热能和应力是被瞬时输入到材料中，原子的随机热运动在脉冲电流瞬时冲击力作用下获得足够的动能离开平衡位置，原子的扩散能力加强，位错更容易滑移、攀移，利于消除3D打印工件的裂纹、组织缺陷，使3D打印工件的性能更佳。

本实用新型实施例所提供的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，在不改变目前量产的3D打印设备的前提下，将脉冲电流引入到打印基板110中，实现打印过程中的原位脉冲电刺激，脉冲电流通过3D打印工件(金属材料)时，产生大量的定向漂移的自由电子(电子风)。漂移电子群频繁地定向撞击位错，会对位错段产生一个类似于外加应力的电子风力，促进位错在其滑移面上的移动，加脉冲电流时电能、热能和应力是被瞬时输入到材料中，原子的随机热运动在脉冲电流瞬时冲击力作用下获得足够的动能离开平衡位置，原子的扩散能力加强，位错更容易滑移、攀移，利于消除3D打印工件的裂纹、组织缺陷，使3D打印工件的性能更佳。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，其特征在于，包括增材制造装置和电源装置，所述增材制造装置内设置有绝缘基板和用于承载3D打印工件的打印基板，所述绝缘基板位于所述打印基板底部或/和侧面；所述电源装置具有脉冲电流模块，所述脉冲电流模块连接有第一组电脉冲线缆，所述第一组电脉冲线缆包括第一正极线缆和第一负极线缆，所述第一正极线缆和第一负极线缆穿过于所述绝缘基板，所述第一正极线缆和第一负极线缆相对设置且分别连接于所述打印基板的两侧。

2.如权利要求1所述的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，其特征在于，所述绝缘基板的正面设置有安装槽，所述打印基板安装于所述安装槽内；

所述打印基板底部的一侧设置有第一接线位，所述打印基板底部的另一侧设置有第二接线位，所述第一正极线缆连接于所述第一接线位，所述第一负极线缆连接于所述第二接线位。

3.如权利要求1所述的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，其特征在于，所述绝缘基板的底部设置调平基板，所述调平基板和所述绝缘基板均设置有穿线孔。

4.如权利要求1所述的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，其特征在于，所述脉冲电流模块还连接有第二组电脉冲线缆，所述第二组电脉冲线缆连接有用于与3D打印工件相接的接触部件。

5.如权利要求4所述的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，其特征在于，所述接触部件包括弹性顶针。

6.如权利要求5所述的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，其特征在于，所述接触部件连接有位移驱动部件。

7.如权利要求1所述的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，其特征在于，所述打印基板连接有用于监测所述打印基板温度的第一温度传感装置，且/或，所述打印基板的上方处设置有用于监测3D打印工件温度的第二温度传感装置。

8.如权利要求1所述的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，其特征在于，所述电源装置为独立于所述增材制造装置外部的电源柜；或者，所述电源装置集成于所述增材制造装置内部。

9.如权利要求1所述的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，其特征在于，所述增材制造装置包括设置于所述打印基板上方的激光部件，设置于所述打印基板一侧且用于容纳金属粉末原料的料仓，所述增材制造装置还包括设置于所述料仓上方且用于将设定厚度的金属粉末自所述料仓刮至所述打印基板或3D打印工件上的刮涂部件。

10.如权利要求1所述的一种原位电脉冲辅助增材制造3D打印装置，其特征在于，所述打印基板的底面设置有隔槽，所述隔槽位于第一接线位和第二接线位之间；

或者，所述打印基板包括第一金属板、第二金属板和电阻率较高的中间连接板，所述第一金属板、所述第二金属板设置于所述中间连接板的两侧，所述第一接线位设置于所述第一金属板，所述第二接线位设置于所述第二金属板。

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