CN106363920A - 一种基于熔融沉积的高效高力学性能3d打印装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于熔融沉积的高效高力学性能金属3D打印装置及方法。本发明通过在工作腔室内放置环形塞，通过控制环形塞的移动来使喷嘴上端的液面高度保持恒定，从而使金属熔体从喷嘴中连续且以恒定速度流出，然后通过安装在喷嘴上的三维移动装置来实现3D打印。在打印的过程中，通过在喷嘴附近放置轧辊，在轧制力的作用下使金属线和已凝固的基体精密结合，进而保证和提高金属零件的力学性能。本发明相较于现有的激光金属3D打印效率高、成本低，适用于大规模工业化生产。

Description

一种基于熔融沉积的高效高力学性能3D打印装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于熔融沉积的高效高力学性能金属3D打印装置及方法，属于材料加工技术领域。
背景技术
3D打印是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来制造零件的技术。目前的3D打印技术有很多，例如直接金属激光烧结、选择性激光熔化成型、电子束熔化成型、熔融沉积式等技术。但是，受限于金属颗粒的尺寸，目前很难达到高的表面精度和低的表面粗糙度。而且，目前的激光3D打印技术制造金属产品成本太高，效率过低，很难实现大规模工业化。所以，能够实现高效高力学性能金属3D打印是目前3D打印领域的一个重要研究方向。
基于熔融沉积的3D打印技术打印速度快、效率高、成本低，已经在聚合物的打印中广泛应用，并已经商业化。此外，学者们也在尝试基于熔融沉积的方法来打印金属产品。但是，由于金属熔体下流的速度难以保持一致，导致形成的金属液流线粗细不均匀，导致打印难以进行。同时，金属线与基体的结合很差，导致产品力学性能很难达到要求。本发明将基于上述存在的问题，提供一种基于熔融沉积的高效高力学性能金属3D打印装置和方法。
发明内容
本发明提供一种基于熔融沉积的高效高力学性能金属3D打印装置和方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于熔融沉积的高效高力学性能金属3D打印装置，由坩埚密封盖（1）、坩埚测温元件（2）、坩埚（3）环形塞（4）、坩埚加热器（5）、真空室（6）、喷嘴加热器（7）、喷嘴（8）、轧辊（9）、喷嘴测温元件（10）、强制冷却台（11）、三维移动平台（12）、微机控制***（13）、真空泵（14）组成。其特征在于：所述坩埚密封盖（1）、坩埚测温元件（2）、坩埚（3）、环形塞（4）和坩埚加热器（5）组成的坩埚***固定在真空室（6）上方；环形塞（4）在坩埚（3）内部；喷嘴（8）上端和坩埚（3）底部联通，位于真空室（6）内；轧辊（9）与喷嘴（8）相连，并位于喷嘴（8）的左边；强制冷却台（11）位于喷嘴（8）下端的正下方，并和三维移动平台（12）的上部相连；三维移动平台（12）放置于真空室（6）的底部；微机控制***（13）位于真空室（6）外，且坩埚测温元件（2）、环形塞（4）、坩埚加热器（5）、喷嘴加热器（7）、喷嘴测温元件（10）、三维移动平台（12）以及真空泵（14）通过导线与微机控制***（13）相连。所述喷嘴（8）下端为细孔状，孔直径为0.1-100mm；从喷嘴中流出的金属液流速控制在0-1000m/s。所述坩埚（3）包括顶部的密封盖，且底部开有锥形孔，用于与锥形喷嘴配合。所述喷嘴（8）外形为锥形，开口内腔下端开有圆状或者近圆状小孔，小孔直径范围为0.1-100mm。这里采用锥形喷嘴时为了方便更换不同小孔直径的喷嘴，方便实现3D打印。在所述的坩埚（3）内和喷嘴（8）外壁分别放置与微机控制***（13）相连的测温元件（2、10），在坩埚（3）和喷嘴（8）内壁***包裹坩埚加热器（5）和喷嘴加热器（7）。所述强制冷却台（11）内有循环冷却水，冷却水温度设定为20oC。在所述的微机控制***（13）中设定控制温度后，可通过与之相连的测温元件以及加热器对温度进行控制；微机控制***（13）储存有需要加工零件的尺寸数据，然后对零件的三维模型进行分层，进而对三维移动平台（12）的位移进行控制。
一种基于熔融沉积的高效高力学性能金属3D打印装置，采用上述装置进行成型操作，操作步骤如下：
1）．在微机控制***（13）中输入需要加工的零件的尺寸数据；
2）．在坩埚（3）中加入需要熔炼的金属，然后密封坩埚盖（1）和真空室（6）抽真空；
3）．在微机控制***（13）中设定坩埚温度，通过坩埚加热器（5）加热，熔化坩埚（3）中的金属；
4). 在微机控制***（13）中控制环形塞浸入金属液的深度，深度在0到0.5m之间，使金属液达到设定的高度，且在工作的过程中金属液的高度保持不变。
5）．在微机控制***（13）中设定喷嘴温度，通过喷嘴加热器（7）加热，使喷嘴（8）中的温度高于金属的熔点，最后坩埚（3）中的金属液在自身重力作用下从圆孔状喷嘴下端流出金属液连续线；
6）．启动强制冷却台（11）和三维移动平台（12），按设定轨迹和速度进行来回移动，进而加工出零件。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
1.本发明的成型设备和方法，生产效率和成本比目前的激光3D打印相对较高和低廉。
2.本发明的成型设备和方法，比目前的基于熔融沉积的金属3D打印技术可控性更高，零件的力学性能更好。
附图说明
图1为本发明的连续线逐层凝固成型装置结构示意图。图中：1-坩埚密封盖、2-坩埚测温元件、3-坩埚、4-环形塞、5-坩埚加热器、6-真空室、7-喷嘴加热器、8-喷嘴、9-轧辊、10-喷嘴测温元件、11-强制冷却台、12-三维移动平台、13-微机控制***、14-真空泵。
具体实施方式
现将本发明的优选实施例叙述于后：
实施例一：
本实施例中采用本发明的连续线逐层凝固成型装置制备金属零件的步骤如下：
1). 打开坩埚盖（1），在坩埚（3）中加入5千克Al-17%wt.Si合金，然后在微机控制***（13）中输入零件尺寸，并进行分层和轨迹设定；
2). 密封坩埚盖（1）和真空室（6），抽真空；
3). 在微机控制***（13）中设定坩埚加热温度为750 oC，然后启动坩埚加热器（5）对Al-17%wt.Si合金进行熔炼。
4). 在微机控制***（13）中设定喷嘴（8）加热温度为700 oC，然后启动喷嘴加热器（7）对喷嘴（8）进行加热；
5). 启动强制冷却台（11）和三维移动平台（12），使从圆孔状喷嘴中流出的金属连续线不断的沉积在强制冷却台（11）上，并用轧辊（9）不断的对刚刚凝固的金属液进行辊轧，直至达到所需尺寸的零件；
6). 待零件冷却后取出。
实施例二：
本实施例中采用本发明的连续线逐层凝固成型装置制备金属零件的步骤如下：
1).打开坩埚盖（1），在坩埚（3）中加入5千克Mg-Al合金，然后在微机控制***（13）中输入零件尺寸，并进行分层和轨迹设定；
2).密封坩埚盖（1）和真空室（6），抽真空；
3).在微机控制***（13）中设定坩埚加热温度为750 oC，然后启动坩埚加热器（5）对Mg-Al合金进行熔炼。
4).在微机控制***（13）中设定喷嘴（8）加热温度为700 oC，然后启动喷嘴加热器（7）对喷嘴（8）进行加热；
5).启动强制冷却台（11）和三维移动平台（12），使从圆孔状喷嘴中流出的金属连续线不断的沉积在强制冷却台（11）上，并用轧辊（9）不断的对刚刚凝固的金属液进行辊轧，直至达到所需尺寸的零件；
6).待零件冷却后取出。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些实施例。依据本发明构思和基本原理的前提下，做出若干简单替换和改变，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于熔融沉积的高效高力学3D打印装置，由坩埚密封盖（1）、坩埚测温元件（2）、坩埚（3）环形塞（4）、坩埚加热器（5）、真空室（6）、喷嘴加热器（7）、喷嘴（8）、轧辊（9）、喷嘴测温元件（10）、强制冷却台（11）、三维移动平台（12）、微机控制***（13）、真空泵（14）组成，其特征在于：所述坩埚密封盖（1）、坩埚测温元件（2）、坩埚（3）、环形塞（4）和坩埚加热器（5）组成的坩埚***固定在真空室（6）上方；环形塞（4）在坩埚（3）内部；喷嘴（8）上端和坩埚（3）底部联通，位于真空室（6）内；轧辊（9）与喷嘴（8）相连，并位于喷嘴（8）的左边；强制冷却台（11）位于喷嘴（8）下端的正下方，并和三维移动平台（12）的上部相连；三维移动平台（12）放置于真空室（6）的底部；微机控制***（13）位于真空室（6）外，且坩埚测温元件（2）、环形塞（4）、坩埚加热器（5）、喷嘴加热器（7）、喷嘴测温元件（10）、三维移动平台（12）以及真空泵（14）通过导线与微机控制***（13）相连；所述喷嘴（8）下端为细孔状，孔直径为0.1-100mm；从喷嘴中流出的金属液流速控制在0-1000m/s。
2.根据权利要求1所述的基于熔融沉积的高效高力学3D打印装置，其特征在于：在所述坩埚（3）内和喷嘴（8）外壁分别放置与微机控制***（13）相连的坩埚测温元件（2）和喷嘴测温元件（10）；在坩埚（3）和喷嘴（8）内壁***包裹坩埚加热器（5）和喷嘴加热器（7）。
3.根据权利要求1所述的基于熔融沉积的高效高力学3D打印装置，其特征在于：所述强制冷却台（11）内有循环冷却水，冷却水温度设定为20oC。
4.根据权利要求1所述的基于熔融沉积的高效高力学3D打印装置，其特征在于：在所述微机控制***（13）中设定控制温度后，可通过与微机控制***（13）相连的测温元件以及加热器对温度进行控制；微机控制***（13）储存有需要加工零件的尺寸数据，然后对零件的三维模型进行分层，进而对三维移动平台（12）的位移进行控制。
5.一种基于熔融沉积的高效高力学3D打印方法，采用根据权利要求1所述的基于熔融沉积的高效高力学3D打印装置进行成型操作，操作步骤如下：
1）在微机控制***（13）中输入需要加工的零件的尺寸数据；
2）在坩埚（3）中加入需要熔炼的金属，然后密封坩埚盖（1）和真空室（6）抽真空；
3）在微机控制***（13）中设定坩埚温度，通过坩埚加热器（5）加热，熔化坩埚（3）中的金属；
4)在微机控制***（13）中控制环形塞浸入金属液的深度，深度在0到0.5m之间，使金属液达到设定的高度，且在工作的过程中金属液的高度保持不变；
5）在微机控制***（13）中设定喷嘴温度，通过喷嘴加热器（7）加热，使喷嘴（8）中的温度高于金属的熔点，使坩埚（3）中的金属液在自身重力作用下从圆孔状喷嘴下端流出金属液连续线；
6）启动强制冷却台（11）和三维移动平台（12），按设定轨迹和速度进行来回移动，进而加工出零件。
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