CN115255400A - 一种非晶合金3d打印基台装置及3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非晶合金3D打印基台装置及3D打印方法，所述基台装置包括有托盘、平台和卡扣，所述平台层叠设置于所述托盘的顶部，所述平台的顶部设有平整台面，所述卡扣设于所述托盘和所述平台的侧部，所述卡扣的上端与所述平台的侧部相互卡合，所述卡扣的下端与所述托盘的侧部相互卡合，所述托盘内开设有“S”形冷却流道。本发明可有效提高冷却速率，能提高非晶合金块体成型效果，可提高基台利用率。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印设备及工艺，尤其涉及一种非晶合金3D打印基台装置及3D打印方法。
背景技术
现有技术中，非晶合金因其原子排列长程无序，因而不存在晶态材料中的晶体缺陷(如位错、晶界、相界等)，并具有在原子尺度上的结构均匀性。非晶合金主要采用金属熔体急冷技术制备，因需要的冷却速率极高(105～106K/s)，所获得的非晶材料大多是薄带或细丝(厚度<100μm)，尺寸的限制严重制约了非晶材料的工程应用。激光选区熔化成形技术，因其快速熔融、凝固的技术特点，具有较高的冷却速率。然而，现有技术制备的非晶合金块体中仍存在部分晶体组织(约5％)，不能充分发挥非晶合金优异的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中激光选区熔化成形非晶合金冷却速率欠佳，非晶合金块体纯度不佳等不足，提供一种可有效提高冷却速率、能提高非晶合金块体成型效果、可提高基台利用率的3D打印基台装置及3D打印方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种非晶合金3D打印基台装置，其包括有托盘、平台和卡扣，所述平台层叠设置于所述托盘的顶部，所述平台的顶部设有平整台面，所述卡扣设于所述托盘和所述平台的侧部，所述卡扣的上端与所述平台的侧部相互卡合，所述卡扣的下端与所述托盘的侧部相互卡合，所述托盘内开设有“S”形冷却流道。
优选地，所述卡扣的上下两端分别形成有上卡固块和下卡固块，所述上卡固块和所述下卡固块均向所述卡扣的外侧凸出，所述平台的侧部开设有上卡槽，所述托盘的侧部开设有下卡槽，所述上卡固块和所述下卡固块分别插设于所述上卡槽和所述下卡槽之内。
优选地，所述上卡槽为倒“L”形卡槽，所述下卡槽为“L”形卡槽，所述上卡槽和所述下卡槽相互连通，所述卡扣容纳于所述上卡槽和所述下卡槽之内。
优选地，所述卡扣的外表面均与所述托盘的外侧壁和所述平台的外侧壁平齐设置。
优选地，包括有4个卡扣，4个卡扣分设于所述托盘和所述平台的两侧。
优选地，所述平台的底部设有定位销，所述托盘的顶部开设有定位孔，所述定位销与所述定位孔相互对齐且二者插接配合。
优选地，包括有多个吊耳，多个吊耳沿所述平台的周围均匀分布，所述吊耳包括有插接柱，所述平台的侧部开设有插接孔，所述插接柱插设于所述插接孔内。
优选地，所述平台的侧部开设有密封圈槽，所述密封圈槽环绕于所述平台，所述平台上套设有橡胶环，所述橡胶环设于所述密封圈槽之内。
优选地，所述托盘上开设有四个螺丝孔，四个螺丝孔分设于所述托盘的四个拐角处，所述螺丝孔内设有螺丝，所述螺丝与所述平台螺合固定。
一种非晶合金3D打印方法，该方法用于在一基台装置上进行3D打印，所述基台装置包括有托盘、平台和卡扣，所述平台层叠设置于所述托盘的顶部，所述平台的底部设有定位销，所述托盘的顶部开设有定位孔，所述定位销与所述定位孔相互对齐且二者插接配合，所述卡扣设于所述托盘和所述平台的侧部，所述卡扣的上端与所述平台的侧部相互卡合，所述卡扣的下端与所述托盘的侧部相互卡合，所述3D打印方法包括如下步骤：步骤S1，通过三维软件构件一四方体，并定义为非晶体，随后导出.stl格式文件，定义为非晶体.stl；步骤S2，打开激光选区熔化成形专用软件，加载所述基台装置的结构数据，导入非晶体.stl文件，调整其摆放位置，设置打印程序，之后导入打印设备；步骤S3，调整运动***，将所述托盘移动至指定位置；步骤S4，将所述定位销放置在所述托盘的定位孔处，将所述平台放置在所述托盘上，将所述卡扣的上下两端分别与所述平台的侧部和所述托盘的侧部相互卡合；步骤S5，控制所述平台和所述托盘下降至指定的高度位置，直至所述平台的顶部与成形仓四周平齐；步骤S6，之后执行3D打印成形工序；步骤S7，打印结束后，保持冷却介质循环流动，直至非晶零件温度降至室温，随后关闭冷却介质节流阀，打开舱门，控制所述平台装置上升，将包围零件的非晶合金粉末收集到粉筒内；步骤S7，将所述平台装置上升至最高位置，将卡扣从所述平台和所述托盘的连接处取下，使所述平台和所述托盘分离；步骤S8，将吊耳安装到打印平台安装孔处，采用升降小车将零件与打印平台一起移出3D打印设备成形仓；步骤S9，对零件和所述平台一同进行热处理，消除打印应力，采用线切割方式将非晶块体从打印平台切下，得到微晶或无晶的大块非晶块体。
本发明公开的非晶合金3D打印基台装置及3D打印方法中，所述平台可装配于托盘顶部，再利用所述卡扣将所述托盘和所述平台组装固定，较好地实现了快速拆装功能，同时，因所述平台顶部的平整台面上无任何安装和固定机构，所述平整台面的整体台面平直，由此提高了所述平台的利用率，此外，本发明通过在所述托盘内开设有“S”形冷却流道，大幅度提升了3D打印基台装置的冷却效率，较好地满足了工艺要求。
附图说明
图1为3D打印基台装置的侧视图；
图2为图1中沿A-A线的剖视图；
图3为3D打印基台装置的立体图；
图4为托盘的立体图；
图5为托盘的剖视图；
图6为托盘的俯视图；
图7为平台的立体图；
图8为平台的侧视图；
图9为图8中沿B-B线的剖视图；
图10为卡扣的结构图；
图11为吊耳的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种非晶合金3D打印基台装置，结合图1至图11所示，其包括有托盘1、平台2和卡扣3，所述平台2层叠设置于所述托盘1的顶部，所述平台2的顶部设有平整台面25，所述卡扣3设于所述托盘1和所述平台2的侧部，所述卡扣3的上端与所述平台2的侧部相互卡合，所述卡扣3的下端与所述托盘1的侧部相互卡合，所述托盘1内开设有“S”形冷却流道10。
上述结构中，所述平台2可装配于托盘1顶部，再利用所述卡扣3将所述托盘1和所述平台2组装固定，较好地实现了快速拆装功能，同时，因所述平台2顶部的平整台面25上无任何安装和固定机构，所述平整台面25的整体台面平直，由此提高了所述平台2的利用率，此外，本发明通过在所述托盘1内开设有“S”形冷却流道10，大幅度提升了3D打印基台装置的冷却效率，较好地满足了工艺要求。
作为一种优选结构，所述卡扣3的上下两端分别形成有上卡固块30和下卡固块31，所述上卡固块30和所述下卡固块31均向所述卡扣3的外侧凸出，所述平台2的侧部开设有上卡槽20，所述托盘1的侧部开设有下卡槽11，所述上卡固块30和所述下卡固块31分别插设于所述上卡槽20和所述下卡槽11之内。其中，所述上卡固块30和所述下卡固块31优选采用楔形块，有利于***上下卡槽或者从上下卡槽中取出。
在本实施例中，打印平台主要起到提供零件打印成形生长依托，避免零件直接在粉末成形，根基不稳固。打印托盘一侧与打印机成形仓底部的传动***相连，一侧与打印平面相接。传动***(以滚珠丝杠为例)通过运动带动打印托盘在成形仓内上下运动。进而带动打印平台及其上粉末，成形零件在成形仓内精确运动。吊耳主要作用提供打印平台、托盘，零件打印成形后吊装位置。吊耳安装孔在打印平台四周设置4个，实际使用时根据吊装需要进行安装。
在本实施例中，卡扣槽用于提供卡扣嵌套位置，在托盘上表面中部分布有2个定位孔，用于定位销的安装。其主要作用在于便于打印托盘和平台定位，便于卡扣能顺利嵌入卡扣槽内。在托盘的四周分布有沉头螺纹孔，通过螺钉可将打印托盘固定在3D打印机成形仓中的运动机构，防止产品打印上下运动时松动、脱落。安装时，螺钉完全嵌入螺纹孔内，不得凸出与托盘上表面，以免打印平台安装困难。在打印托盘中间部位，分布有S形流道，流道截面为圆形、椭圆形、桥拱形等。在其内通冷却氩气或冷却水(冷却水温度须大于室温，但不得高于50℃，避免打印平台产生冷凝、雾化，恶化产品打印质量)。冷却水通过管路***进行循环。
关于具体的冷却方式，在本实施例中，冷却流道的管径
：5～15mm，冷却氩气或冷却水通过管路***进行循环。冷却介质可通过节流阀，根据产品打印需要进行实时调控。在非晶产品打印时，激光熔融非晶合金粉末，产生极高的温度，因为激光的快速移动(可达8000mm/s),熔池瞬间冷却，在微小熔池内产生极高的温度梯度及冷却速度，大大促进了非晶合金的形成。但即便如此仍有少量晶体产生，通过加入冷却回来，粉末熔融产生的热量通过打印平台传递到打印托盘中，再通过冷却介质的高效快速流动，加速热量的散失。如此冷却速率可以提升2～10倍(根据冷却介质、流动效果而定)，进一步促进了非晶产品的生产，其内晶体结构的含量可进一步降低。
作为一种优选方式，所述上卡槽20为倒“L”形卡槽，所述下卡槽11为“L”形卡槽，所述上卡槽20和所述下卡槽11相互连通，所述卡扣3容纳于所述上卡槽20和所述下卡槽11之内。进一步地，所述卡扣3的外表面均与所述托盘1的外侧壁和所述平台2的外侧壁平齐设置。
上述结构中，通过设置“L”形卡槽，可以将所述卡扣3整体隐藏于上下两个“L”形的卡槽内，使得整个基台装置的外侧平整，从而方便于进出打印仓。
本实施例优选在所述平台2的顶部设有平整台面25。该平整台面25不存在螺纹孔、吊装孔等开口位置，相较常规打印平台，平台有效使用面积达100％，大幅提升了平台面积使用率。对于大尺寸、大截面零件的打印，可大幅减少工艺设计难度，产品摆放方式，摆放空间大幅提升。打印平台四周开始有凹陷的卡扣槽，其尺寸大小与打印托盘结构尺寸一致。便于后续通过卡扣将打印平台、托盘相连。在打印平台中间部位开设有橡胶槽，橡胶锤主要用于橡胶橡胶环。橡胶环主要起密封作用，防止打印平台在成形仓上下往复运动时，粉末通过打印平台与成形仓壁之间的缝隙滑落。
为了保证吊装过程中的力学平衡，本实施例包括有4个卡扣3，4个卡扣3分设于所述托盘1和所述平台2的两侧。其中，卡扣结构为把手式，长边主要承受零件打印成形及平台、托盘上下运动时的纵向载荷。短边设计为楔形结构，正好与打印平台、打印托盘的卡扣槽完全贴合。二者之间的距离等于打印平台、打印托盘卡扣槽之间的距离。卡扣长边外立面与打印平台、托盘平面平齐。通过卡扣连接可以实现托盘与平台的快速拆装。尤其可以避免大尺寸零件成形结束时，采用螺栓连接，因零件应力过大，导致基板变形，进而导致螺栓闭锁，无法拆卸的实际困难。大幅提高了工作效率，避免拆解螺栓引起的设备传动机构损伤。吊耳一侧为安装螺纹，可与打印平台侧边的螺纹孔配合，可以快速拆装。
为了实现定位功能，在本实施例中，所述平台2的底部设有定位销4，所述托盘1的顶部开设有定位孔5，所述定位销4与所述定位孔5相互对齐且二者插接配合。
进一步地，本实施例包括有多个吊耳5，多个吊耳5沿所述平台2的周围均匀分布，所述吊耳5包括有插接柱50，所述平台2的侧部开设有插接孔21，所述插接柱50插设于所述插接孔21内。
为了对基台装置起到密封作用，在本实施例中，所述平台2的侧部开设有密封圈槽22，所述密封圈槽22环绕于所述平台2，所述平台2上套设有橡胶环23，所述橡胶环23设于所述密封圈槽22之内。
作为一种优选方式，所述托盘1上开设有四个螺丝孔12，四个螺丝孔12分设于所述托盘1的四个拐角处，所述螺丝孔12内设有螺丝，所述螺丝与所述平台2螺合固定。
在此基础上，本发明还涉及一种非晶合金3D打印方法，该方法用于在一基台装置上进行3D打印，所述基台装置包括有托盘1、平台2和卡扣3，所述平台2层叠设置于所述托盘1的顶部，所述平台2的底部设有定位销4，所述托盘1的顶部开设有定位孔5，所述定位销4与所述定位孔5相互对齐且二者插接配合，所述卡扣3设于所述托盘1和所述平台2的侧部，所述卡扣3的上端与所述平台2的侧部相互卡合，所述卡扣3的下端与所述托盘1的侧部相互卡合，所述3D打印方法包括如下步骤：
步骤S1，通过三维软件构件一四方体，并定义为非晶体，随后导出.stl格式文件，定义为非晶体.stl；
步骤S2，打开激光选区熔化成形专用软件，加载所述基台装置的结构数据，导入非晶体.stl文件，调整其摆放位置，设置打印程序，之后导入打印设备；为便于说明，可直接将其水平摆放，一侧与打印平台相接，按照特定分层厚度，将其切片，形成切片文件，将切片文件导入激光选区熔化成形加工软件，赋予非晶体切片扫描策略、激光功率、激光扫描速度、层厚、搭接率等烧结参数，此时即形成打印程序，将程序保存后，导入打印设备；
步骤S3，调整运动***，将所述托盘1移动至指定位置；使得3D打印机成形仓运动机构上升到成形仓最高位。选择上述平台装置中的打印托盘，将其放置在成形仓运动机构中，调整好摆放位置，以便后续与打印平台连接，连接冷却介质管路，便于后续热量管理，采用固定力矩扭力扳手，用螺栓将打印托盘固定在运动机构上，如此则可有效放置打印托盘移位或脱落；
步骤S4，将所述定位销4放置在所述托盘1的定位孔处，将所述平台2放置在所述托盘1上，将所述卡扣3的上下两端分别与所述平台2的侧部和所述托盘1的侧部相互卡合；此时，打印平台与打印托盘可顺利配合，避免后续卡扣错位，无法顺利安装，将卡扣放置在打印托盘与平台的卡扣槽处，因卡扣与卡扣槽配合紧密，嵌入后不会发生松动及脱落，如此将打印平台与打印托盘完整紧密的连接在一起，打印平台下底面与打印托盘上平面紧密接触，打印过程中的热量可以通过打印平台传递到打印托盘，进而通过冷却介质快速传递，大幅增加冷却效率，进而实现非晶产品的微晶化或者无晶化。
步骤S5，控制所述平台2和所述托盘1下降至指定的高度位置，直至所述平台2的顶部与成形仓四周平齐；具体地，下降打印平台高度，直至卡扣中间位置，将橡胶环镶嵌在橡胶槽中，橡胶槽起到密封作用，避免粉末进入打印平台与成形仓侧壁之间的缝隙中，影响上下运动，随后下降打印平台直至平台与成形仓四周平齐；
步骤S6，之后执行3D打印成形工序；该工序具体包括：
步骤S60，将非晶合金粉末装填到送粉仓中压实，并将粉末抹平，安装刮刀，进行铺粉，通过往复运动直至打印平台上铺粉厚度小于特定分层厚度的粉末，关闭打印设备舱门，充保护气体，保持基板加热处于关闭状态，打开冷却介质节流阀，使得打印托盘有冷却介质流动；
步骤S61，当成形仓室内氧含量降至50ppm时，打开打印程序，激光器出光进行打印，激光器扫描完当前层后，成形仓下降特定分层厚度，刮刀再次铺粉，激光器沿着当前层零件截面进行扫描，依次循环往复直至零件所有分层打印完毕，随着零件打印高度增加，零件热量集中部位与打印托盘的距离不断增加，冷却介质节流阀开启程度不断加大，以更大的流量、流速带走热量，保持整个零件随高度的不断增加冷却速率不发生明细波动，以确保打印的非晶合金块体内微晶或无晶化；
步骤S62，打印激光功率：300～500W；激光扫描速度：1200～3800mm/s；分层厚度0.01～0.04mm；激光搭接：0.06～0.1mm；
步骤S7，打印结束后，保持冷却介质循环流动，直至非晶零件温度降至室温，随后关闭冷却介质节流阀，打开舱门，控制所述平台装置上升，将包围零件的非晶合金粉末收集到粉筒内；
步骤S7，将所述平台装置上升至最高位置，将卡扣3从所述平台2和所述托盘1的连接处取下，使所述平台2和所述托盘1分离；
步骤S8，将吊耳安装到打印平台安装孔处，采用升降小车将零件与打印平台一起移出3D打印设备成形仓；
步骤S9，对零件和所述平台2一同进行热处理，消除打印应力，避免变形开裂，采用线切割方式将非晶块体从打印平台切下，得到微晶或无晶的大块非晶块体。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种非晶合金3D打印基台装置，其特征在于，包括有托盘(1)、平台(2)和卡扣(3)，所述平台(2)层叠设置于所述托盘(1)的顶部，所述平台(2)的顶部设有平整台面(25)，所述卡扣(3)设于所述托盘(1)和所述平台(2)的侧部，所述卡扣(3)的上端与所述平台(2)的侧部相互卡合，所述卡扣(3)的下端与所述托盘(1)的侧部相互卡合，所述托盘(1)内开设有“S”形冷却流道(10)。
2.如权利要求1所述的非晶合金3D打印基台装置，其特征在于，所述卡扣(3)的上下两端分别形成有上卡固块(30)和下卡固块(31)，所述上卡固块(30)和所述下卡固块(31)均向所述卡扣(3)的外侧凸出，所述平台(2)的侧部开设有上卡槽(20)，所述托盘(1)的侧部开设有下卡槽(11)，所述上卡固块(30)和所述下卡固块(31)分别插设于所述上卡槽(20)和所述下卡槽(11)之内。
3.如权利要求2所述的非晶合金3D打印基台装置，其特征在于，所述上卡槽(20)为倒“L”形卡槽，所述下卡槽(11)为“L”形卡槽，所述上卡槽(20)和所述下卡槽(11)相互连通，所述卡扣(3)容纳于所述上卡槽(20)和所述下卡槽(11)之内。
4.如权利要求3所述的非晶合金3D打印基台装置，其特征在于，所述卡扣(3)的外表面均与所述托盘(1)的外侧壁和所述平台(2)的外侧壁平齐设置。
5.如权利要求1所述的非晶合金3D打印基台装置，其特征在于，包括有4个卡扣(3)，4个卡扣(3)分设于所述托盘(1)和所述平台(2)的两侧。
6.如权利要求1所述的非晶合金3D打印基台装置，其特征在于，所述平台(2)的底部设有定位销(4)，所述托盘(1)的顶部开设有定位孔(5)，所述定位销(4)与所述定位孔(5)相互对齐且二者插接配合。
7.如权利要求1所述的非晶合金3D打印基台装置，其特征在于，包括有多个吊耳(5)，多个吊耳(5)沿所述平台(2)的周围均匀分布，所述吊耳(5)包括有插接柱(50)，所述平台(2)的侧部开设有插接孔(21)，所述插接柱(50)插设于所述插接孔(21)内。
8.如权利要求1所述的非晶合金3D打印基台装置，其特征在于，所述平台(2)的侧部开设有密封圈槽(22)，所述密封圈槽(22)环绕于所述平台(2)，所述平台(2)上套设有橡胶环(23)，所述橡胶环(23)设于所述密封圈槽(22)之内。
9.如权利要求1所述的非晶合金3D打印基台装置，其特征在于，所述托盘(1)上开设有四个螺丝孔(12)，四个螺丝孔(12)分设于所述托盘(1)的四个拐角处，所述螺丝孔(12)内设有螺丝，所述螺丝与所述平台(2)螺合固定。
10.一种非晶合金3D打印方法，其特征在于，该方法用于在一基台装置上进行3D打印，所述基台装置包括有托盘(1)、平台(2)和卡扣(3)，所述平台(2)层叠设置于所述托盘(1)的顶部，所述平台(2)的底部设有定位销(4)，所述托盘(1)的顶部开设有定位孔(5)，所述定位销(4)与所述定位孔(5)相互对齐且二者插接配合，所述卡扣(3)设于所述托盘(1)和所述平台(2)的侧部，所述卡扣(3)的上端与所述平台(2)的侧部相互卡合，所述卡扣(3)的下端与所述托盘(1)的侧部相互卡合，所述3D打印方法包括如下步骤：
步骤S1，通过三维软件构件一四方体，并定义为非晶体，随后导出.stl格式文件，定义为非晶体.stl；
步骤S2，打开激光选区熔化成形专用软件，加载所述基台装置的结构数据，导入非晶体.stl文件，调整其摆放位置，设置打印程序，之后导入打印设备；
步骤S3，调整运动***，将所述托盘(1)移动至指定位置；
步骤S4，将所述定位销(4)放置在所述托盘(1)的定位孔处，将所述平台(2)放置在所述托盘(1)上，将所述卡扣(3)的上下两端分别与所述平台(2)的侧部和所述托盘(1)的侧部相互卡合；
步骤S5，控制所述平台(2)和所述托盘(1)下降至指定的高度位置，直至所述平台(2)的顶部与成形仓四周平齐；
步骤S6，之后执行3D打印成形工序；
步骤S7，打印结束后，保持冷却介质循环流动，直至非晶零件温度降至室温，随后关闭冷却介质节流阀，打开舱门，控制所述平台装置上升，将包围零件的非晶合金粉末收集到粉筒内；
步骤S7，将所述平台装置上升至最高位置，将卡扣(3)从所述平台(2)和所述托盘(1)的连接处取下，使所述平台(2)和所述托盘(1)分离；
步骤S8，将吊耳安装到打印平台安装孔处，采用升降小车将零件与打印平台一起移出3D打印设备成形仓；
步骤S9，对零件和所述平台(2)一同进行热处理，消除打印应力，采用线切割方式将非晶块体从打印平台切下，得到微晶或无晶的大块非晶块体。
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