CN105499578A - 一种压力铸造极坐标3d打印设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力铸造极坐标3D打印设备与方法，所述设备包括打印头及送料装置，用于高温熔融状态铝及铝合金的保温、传送及定量挤出；极坐标运动控制装置，用于实现了回转曲线运动轨迹；平面坐标运动控制装置，用于和极坐标运动控制装置相配合，实现了直线运动轨迹；运动控制及工艺控制***，利用二维轮廓数据驱动极坐标运动控制装置、平面坐标运动控制装置及打印头及送料装置，实现铝及铝合金的3D打印。所述方法采用极坐标3D打印实现铝及铝合金的精密铸造，这种方法彻底打破了传统的铸件生产模式。

Description

一种压力铸造极坐标3D打印设备与方法

技术领域

本发明属于三维增材制造技术领域,，特别涉及一种压力铸造3D打印设备。

背景技术

在工业领域里，铸造是最基本的专业，为机械制造业提供毛坯或半成品，传统铸件的生产模式是先制作木模、型芯或腊模(精密浇铸用)，然后造型(砂型)、烘干砂型、刷涂料、浇注、冷却，然后对铸件进行清理，去冒口、打磨、喷沙等后续处理；众所周知铸造业目前存在最大问题是：1.工人的劳动强度大；2.工作环境恶劣:脏乱差、粉尘大(打磨的金属粉末和造型砂尘粉末)；3.产品内部质量难控制和废品率高，虽然近些年来铸造有了一定的发展，但受本专业特殊性的限制及中国劳动力的匮乏，铸造业也陷入了艰难的境地。机械零部件要是能直接打印出来，不用加工或少加工，这便是未来工业4.0革命的目标。

目前快速成型制造技术发展比较块，具体工艺很多，但金属材料快速成型目前有两种方法：直接法和间接法。1.间接法选域激光烧结：是将有机粘结剂粉末和有金属粉末按一定比例组成机械混合物，或有机粘结剂覆膜和金属粉末所得到的物质作；由于有机粘结剂或有机粘结剂覆膜的熔点比金属低很多，因此在激光扫描时粘结剂先熔化，将金属粉末颗粒粘结起来，形成金属零件的坯体制件。间接法烧结工艺还需要复杂的后续处理工艺才能作为金属制件，这种方法配料复杂，工艺操作麻烦，制件易变形，所以仅适应小件和少量生产，零件力学性能(强度)和精度都比较差，尤其是制件成本高。2.直接选域激光烧结法：采用单一纯金属粉末或由高熔点金属粉末和低熔点金属粉末混合而成的粉末作为烧结用的材料，利用高能量激光烧结直接获得金属零件，直接烧结法也需要复杂的后续处理工艺，所得制件的密度及力学性能很难满足零件的功能要求，表面质量也差，目前在钛合金、不锈钢等特殊材料中进行试验者较多。综上金属粉末SLS技术在工业领域里现在只是开始(试验尝试阶段)，烧结的三维制件普遍存在力学性能、表面质量、密度、精度比较差，还不能作为功能性机械零部件直接使用，有待于新材料、新工艺和新智能装备的开发和运用。

发明内容

基于此，本发明公开了一种压力铸造极坐标3D打印设备，所述打印设备包括：

打印头及送料装置，用于高温熔融状态铝及铝合金的保温、传送及定量挤出；

极坐标运动控制装置，用于实现工作台在公转半径内的经线方向的运动和工作台的回转曲线运动；

平面坐标运动控制装置，用于和极坐标相配合，实现打印设备的逐层堆积打印制造的过程，并且能够实现打印头经线方向和Z向的运动；

运动控制及工艺控制***，利用二维轮廓数据驱动极坐标运动控制装置、平面坐标运动控制装置及打印头及送料装置，实现铝及铝合金的3D打印。

附图说明

图1为本发明一个实施例中压力铸造3D打印设备的示意图；其中：1.底板；2.立板；3.第一电机；4.第一丝杠；5.横梁及丝杠螺母；6.第二电机；7.第二丝杠；8.滑块和打印头；9.输送管；10.熔化炉；11工作台；12.第四电机；13.第三丝杠；14.第三电机；15.摇臂；16.第五电机；17.极坐标滑块18.支撑滚轮。

具体实施方式

图下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步的说明；

在一个实施例中，本发明公开了一种压力铸造极坐标3D打印设备，所述打印设备包括：

打印头及送料装置，用于高温熔融状态铝及铝合金的保温、传送及定量挤出；

极坐标运动控制装置，用于实现工作台在公转半径内的经线方向的运动和工作台的回转曲线运动；

平面坐标运动控制装置，用于和极坐标相配合，实现打印设备的逐层堆积打印制造的过程，并且能够实现打印头经线方向和Z向的运动；

运动控制及工艺控制***，利用二维轮廓数据驱动极坐标运动控制装置、平面坐标运动控制装置及打印头及送料装置，实现铝及铝合金的3D打印。

本发明所述的设备用于铝及铝合金的精密铸造，在此基础上也可发展其它材料的精密铸造，所述设备利用极坐标3D打印机作为铸造操作平台，而创建压力铸造成型的思想，并且在此基础上提出铝及铝合金压力铸造的3D打印技术。压力铸造3D极坐标打印机将是铸造业转型升级的起点，也是未来工业的发展方向。

本发明压力铸造3D打印设备的发明和问世将为实现铸造业的转型升级和开启中国机器人及智能装备2.0增添光辉的一页，实现高效、节材和节能环保的少无切削加工，也将彻底改变落后的铸造行业。

在一个实施例中，所述打印头及送料装置包括：打印头、输送管、熔化炉及安装在熔化炉内的定量泵；所述输送管一端与熔化炉可操作耦合，另一端与打印头可操作的耦合。

本实施例所述的输送管用于输送熔化炉内的打印材料，定量泵用于对打印材料进行定量输出；本实施例所述的装置能够满足不同金属材料的打印需求，熔化炉能够将不同的熔融状态下的金属材料进行保温，定量泵根据打印需求定量的通过输送管输出打印材料，打印头将打印材料送到待打印处。

在一个实施例中，所述极坐标运动控制装置包括：工作台、第三电机、第四电机、第三丝杠、极坐标滑块；

所述工作台和第四电机安装在极坐标滑块上；所述第三丝杠在第三电机的带动下使圆形工作台整体沿第三丝杠方向直线移动，实现工作台在公转半径内的经线方向运动；同时工作台在第四电机的带动下作旋转运动，实现了回转曲线运动。

更优的，本实施例所述的工作台为圆形工作台；如图1所示：圆形工作台和电机4安装在极坐标滑块上，极坐标滑块在丝杠3带动下使工作台沿极轴(丝杠3)做径向移动ρ；同时工作台在电机4带动下做旋转运动，实现工作台的自转，自转角度0～360，工作台自转实现了回转曲线的打印。

在一个实施例中，所述平面坐标运动控制装置包括：横梁及丝杠螺母、第一电机、第一丝杠、滑块与打印头、第二电机与第二丝杠；

所述第一丝杠在第一电机的带动下做旋转运动，并所述横梁带动滑块和打印头沿第一丝杠做Z向整体移动，实现逐层堆积打印制造的过程；

所述滑块和打印头在第二电机及第二丝杠的带动下做与Z向垂直的X向运动，并与极坐标配合使打印头做经线方向和Z向的运动。

在本实施例中，如附图1所示：打印头安装在上横梁滑块上，滑块随丝杠2在横梁导轨上左右运动，实现平面上的直线打印；同时电机1带动丝杠1使横梁沿Z轴方向上下移动.

通过这套装置打印头在极坐标系下理论上可以完成工作行程内任意曲线及直线的打印，属于结构简单的5轴联动装置，每打印一层打印头沿Z轴方向移动一层；本发明所述设备的层厚、液态金属凝固状况和精度、速度要求在三维数据专用分层软件中设定。

在一个实施例中，所述打印设备装置还包括第五电机、摇臂与支撑滚轮；

所述工作台在第五电机的带动下，通过摇臂在支撑滚轮的配合下，实现极角θ转动。

更优的，如图1所示：件号11、12、17、13、14安装固定在摇臂(件号15)上，摇臂围绕着电机5做旋转运动,即公转，公转角度0～360度，这样在电机5带动下通过摇臂实现了工作台的极角θ转动。

在一个实施例中，所述打印头打印出材料的直径由打印时的送料压力、打印的材质及其半熔融状态下的表面张力决定。

在本实施例中，常规FDM3D打印机所用材料多为塑料之类，打印头直径一般为0.4mm，而压力铸造3D打印机打印头直径大小取决于压力和材质，目前常规压力铸造最小壁厚为2mm，鉴于铝及铝合金熔融状态的流动性和材料能够顺利喷出，本发明暂定打印头直径为2mm(也有压力增大最小壁厚可做到0.8mm的特例)，当然打印头直径越小打印精度越高，随着实际应用和深度发展，可以通过研究打印头喷出半熔融状态表面张力、凝固性能、打印头结构的配合关系及其它高温微喷技术的研究逐步实现更小直径的打印头,以提高铸件精度和应用范围。

在一个实施例中，所述第一丝杠、第二丝杠、第三丝杠均采用滚珠丝杠。

在本实施例中，由于铝及铝合金铸造温度在660～760度之间，而现有3D打印机的传动机构基本采用高精度单齿面或双齿面同步带带传动，已不能胜任高温环境的传动，因此在3D极坐标铸造打印结构里，全部采用滚珠丝杠作为动力传送件，且整个构件从选用的材料及其特殊处理上均要满足耐热和力学性能稳定之要求。

在一个实施例中，所述工作台内设置有加热装置，用于确保打印层的起始温度及堆积层温度不得低于175℃。

本实施例中加热装置可位于工作台的底部，用于使工作台保持一定的温度，此温度要能够使置于工作台上的打印层和堆积层的温度不低于175℃，以避免快速降温冷却给刚打印出的打印铸件带来的龟裂、晶粒***等缺陷。

在一个实施例中，所述打印设备的工作环境为密封结构，用于防止层与层之间空气溶入产生气孔及发生氧化；密封工作环境内充满惰性气体。

在本实施例中，整个打印装置的工作室为密封结构，为防止层与层之间空气溶入产生气孔及发生氧化，密封工作室内充满惰性气体；熔化炉是独立的，放置在封闭打印机体外,送料由压力定量泵控制，通过输送管(带保温层结构)供给，熔料温度、打印温度及堆积层温度均由温控***控制。

在一个实施例中，本发明公开了一种压力铸造极坐标3D打印方法，所述方法包括以下步骤：

S100、利用软件RPData分层处理过的待打印铸件的三维数字模型的数据驱动打印设备；

S200、使打印头在电机2、电机3、电机4、电机5的驱动下，在第二丝杠、第三丝杠、输送管、熔化炉、极坐标滑块、摇臂和支撑滚轮的配合下，沿着每一分层的数据在工作台上做轮廓打印和填充打印；

S300、当一层打印完成后，通过电机1驱动第一丝杠沿Z轴逐层调整打印头的高度，依照下一层的轮廓及填充数据，依次按照步骤S200所述的方法完成剩余层的打印，最终形成三维的实物。

本实施例所述方法采用极坐标3D打印实现铝及铝合金的精密铸造，这种方法彻底打破了传统的铸件生产模式，并且能够满足各种形状和规格铸件的打印。

本实施例所述的方法在铸件打印时采用极坐标，极坐标在打印一些特殊曲线如圆、等速螺旋线等回转体时，工作台绕回转中心做旋转运动(喷头不动),所以曲面是由回转运动形成的，不存在失真，同时极坐标打印曲线如同直角坐标打印直线一样速度快；在工业领域里，铸件的几何图形80％以上是由直线和圆.圆弧组成，因此用极坐标3D打印机能完美实现精密铸造。

在一个实施例中，本公开所述的打印设备结构及运动功能如下：1.打印头安装在上横梁滑块上，滑块随丝杠2在横梁导轨上左右运动，实现平面上的直线打印；同时电机1带动丝杠1使横梁沿Z轴方向上下移动.2.圆形工作台和电机4安装在极坐标滑块上，极坐标滑块在丝杠3带动下使工作台沿极轴(丝杠3)做径向移动ρ；同时工作台在电机4带动下做旋转运动，实现工作台的自转，自转角度0～360，工作台自转实现了回转曲线的打印。3.件号11、12、17、13、14安装固定在摇臂(件号15)上，摇臂围绕着电机5做旋转运动,即公转，公转角度0～360度，这样在电机5带动下通过摇臂实现了工作台的极角θ转动。通过这套装置打印头在极坐标系下理论上可以完成工作行程内任意曲线及直线的打印，属于结构简单的5轴联动装置，每打印一层打印头沿Z轴方向移动一层(层厚可以自由设定)。4.整个打印装置的工作室为密封结构，为防止层与层之间空气溶入产生气孔及发生氧化，密封工作室内充满惰性气体；熔化炉是独立的，放置在封闭打印机体外,送料由压力定量泵控制，通过输送管(带保温层结构)供给，熔料温度、打印温度及堆积层温度均由温控***控制。5.由于铝及铝合金铸造温度在660～760度之间，而现有3D打印机的传动机构基本采用高精度单齿面或双齿面同步带带传动，已不能胜任高温环境的传动，因此在3D极坐标铸造打印结构里，全部采用滚珠丝杠副作为动力传送件，且整个构件从选用的材料及其特殊处理上均要满足耐热和力学性能稳定之要求。6.常规FDM3D打印机所用材料多为塑料之类，喷头直径一般为0.4mm，而压力铸造3D打印机喷头直径大小取决于压力和材质，目前常规压力铸造最小壁厚为2mm，鉴于铝及铝合金熔融状态的流动性和材料能够顺利喷出，本发明暂定喷头直径为2mm(也有压力增大最小壁厚可做到0.8mm的特例)，当然喷头直径越小打印精度越高，随着实际应用和深度发展，可以通过研究打印头喷出半熔融状态表面张力、凝固性能、喷头结构的配合关系及其它高温微喷技术的研究逐步实现更小直径的喷头,以提高铸件精度和应用范围。7.圆形工作台内装有加热装置，确保打印层的起始温度及堆积层温度不得低于一定温度。

终上所述，本发明具有以下有益效果：

1.直角坐标系和极坐标系3D打印实现三维立体打印的原理一样，但直角坐标系里平面曲线是由无数小段直线近似取代生成的，如圆是由正n边形内接或外接形成的圆，n数值越大，圆越精确，然而无论n多大总是近似和逼近，存在失真，再有喷头直径是存在的,它直接影响到曲线的打印精度并限制了薄壁零件、小圆弧圆角零件的打印，而极坐标在打印一些特殊曲线如圆、等速螺旋线等回转体时，工作台绕回转中心做旋转运动(喷头不动),所以曲面是由回转运动形成的，不存在失真，同时极坐标打印曲线如同直角坐标打印直线一样速度快；

2.在工业领域里，铸件的几何图形80％以上是由直线和圆.圆弧组成，因此用极坐标3D打印机能完美实现精密铸造；

3.铸造要求浇铸速度快,防止熔融的金属快速冷却，同时要防止空气进入产生气孔、缩松等缺陷，影响了产品的内在质量，本发明采用封闭工作室和惰性气体保护，工作台内设加热装置，完全满足铸件的生产要求。直角坐标系下的3D打印机，在打印曲线时速度慢不能满足要求，而极坐标3D打印回转曲线与打印直线是一样，速度极快。

Claims (10)

1.一种压力铸造极坐标3D打印设备，其特征在于，所述打印设备包括：

打印头及送料装置，用于高温熔融状态铝及铝合金的保温、传送及定量挤出；

极坐标运动控制装置，用于实现所述打印设备的工作台在公转半径内的经线方向的运动和工作台的回转曲线运动；

平面坐标运动控制装置，用于和极坐标运动控制装置相配合，实现打印设备的逐层堆积打印制造的过程，并且能够实现打印头经线方向和Z向的运动；

运动控制及工艺控制***，利用待打印铸件的二维轮廓数据，驱动极坐标运动控制装置、平面坐标运动控制装置和打印头及送料装置，实现铝及铝合金的3D打印。

2.根据权利要求1所述的打印设备，其特征在于,优选的，所述打印头及送料装置包括：打印头、输送管、熔化炉及安装在熔化炉内的定量泵；所述输送管一端与熔化炉可操作耦合，另一端与打印头可操作的耦合。

3.根据权利要求2所述的打印设备，其特征在于，所述极坐标运动控制装置包括：工作台、第三电机、第四电机、第三丝杠和极坐标滑块；

所述工作台和第四电机安装在极坐标滑块上；所述第三丝杠在第三电机的带动下使工作台整体沿第三丝杠方向直线移动，实现工作台在公转半径内的经线方向运动；同时工作台在第四电机的带动下作旋转运动，实现了工作台的回转曲线运动。

4.根据权利要求3所述的打印设备，其特征在于，所述平面坐标运动控制装置包括：横梁及丝杠螺母、第一电机、第一丝杠、滑块与打印头、第二电机及第二丝杠；

所述第一丝杠在第一电机的带动下做旋转运动，并使得所述横梁带动滑块和打印头沿第一丝杠做Z向整体移动，实现逐层堆积打印制造的过程；

所述滑块和打印头在第二电机及第二丝杠的带动下做与Z向垂直的X向运动，并与极坐标配合使打印头做经线方向和Z向的运动。

5.根据权利要求4所述的打印设备，其特征在于，所述打印设备装置还包括第五电机、摇臂与支撑滚轮；

所述工作台在第五电机的带动下，通过摇臂在支撑滚轮的配合下，实现极角θ转动。

6.根据权利要求2所述的打印设备，其特征在于：所述打印头打印出材料的直径由打印时的送料压力、打印的材质及其半熔融状态下的表面张力决定。

7.根据权利要求7所述的打印设备，其特征在于：所述第一丝杠、第二丝杠、第三丝杠均采用滚珠丝杠。

8.根据权利要求3所述的打印设备，其特征在于，所述工作台内设置有加热装置，用于确保打印层的起始温度及堆积层温度不得低于175℃。

9.根据权利要求1-8所述的任一设备，其特征在于：所述打印设备的工作环境为密封结构，用于防止层与层之间空气溶入产生气孔及发生氧化；密封工作环境内充满惰性气体。

10.一种压力铸造极坐标3D打印方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S100、利用软件RPData分层处理过的待打印铸件的三维数字模型的数据驱动打印设备；

S200、使打印头在电机2、电机3、电机4、电机5的驱动下，在第二丝杠、第三丝杠、输送管、熔化炉、极坐标滑块、摇臂和支撑滚轮的配合下，沿着每一分层的数据在工作台上做轮廓打印和填充打印；

S300、当一层打印完成后，通过电机1驱动第一丝杠沿Z轴逐层调整打印头的高度，依照下一层的轮廓及填充数据，依次按照步骤S200所述的方法完成剩余层的打印，最终形成三维的实物。