一種以霧化金屬為耗材的金屬3d打印的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種使用霧化金屬作為打印材料的金屬3D打印機，包括：3D打印單元、金屬霧化控制單元、控制單元、冷卻系統、濕氣洗滌器、成品工件自動導出單元；3D打印單元包括工作臺、伺服電機、轉動結構、霧化金屬噴頭、噴頭與霧化室相連的輸液管、加熱器和冷卻器；金屬霧化控制單元包括熔煉爐、霧化爐、熱電偶傳感器、熔煉爐與霧化室相連的輸液管、熔體閥門；成品工件自動導出單元包括自動電門和工件成品箱，用于自動導出成品工件。本發明不需要金屬超微粉末，可選用金屬種類多，并且保證打印的金屬器件的外形精確度，并進行簡單改進即可實現多元金屬材料任意分布同時打印，另外使用工件自動導出結構，實現無人控制打印機能連續打印多模型的功能。
【專利說明】一種以霧化金屬為耗材的金屬30打印機

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種以霧化金屬為耗材的金屬30打印機，屬于30打印設備。

【背景技術】
[0002]30打印(30最早由美國麻省理工學院的了加81*6(1和丁1111八11(161*8011提出，他們基于一臺普通的噴墨打印機設計出一臺可粘接粉末的設備，該設備也成為最早的30打印機。2009年3月在美國華盛頓舉行的疊層制造發展研討會(0021(1111?) ^01-八
(狀 1))上，正式確定使用層疊制造(八況丨丨?一
縮略詞為艦)一詞來稱呼30打印技術，并就未來10年快速成型技術的發展做出了規劃。目前主要的層疊制造技術包括選擇性激光燒結技術(3616(^:1^6 1&861- 81111:61-1118,縮略詞為30，立體光刻成型技術(31:6^60111:110取'叩117，31^0，熔融沉積成型技術([仍一己061)0811:1011 10(1611118, [01)等。其基本原理都是疊層制造，由快速原型機在平面內通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在2坐標間斷地作層面厚度的位移，最終形成三維制件。
[0003]30打印是一個迅速擴大的新興市場，但金屬的30打印存在明顯的壁壘，阻礙其快速增長。目前的30金屬打印主要是利用激光快速成型技術，該技術需要用高功率的激光照射試件表面，融化金屬粉末，形成液態的熔池，然后移動激光束，熔化前方的粉末而讓后方的金屬液冷卻凝固。這種技術存在很多缺陷，首先，金屬耗材問題，目前主要使用金屬粉末，不但種類少，而且30打印對金屬粉末的粒徑有很高的要求，材料主要是依賴進口，價格昂貴。其次，融化金屬粉末，涉及到了金屬的固液相變、表面擴散以及熱傳導等多種物理過程。高溫引起的熱變形會導致30打印金屬部件的幾何形貌偏離預期的設計。需要考慮的問題還包括，生成的晶體組織是否良好、整個試件是否均勻、內部雜質和孔隙的大小等等。再者，激光頭價格昂貴，而且只能打印單一金屬粉末，不能實現多元金屬任意分布同時打印。
[0004]目前使金屬霧化的技術已經較為成熟，而且使用的金屬種類多，特別是中國專利95195231.5提出了一種噴鍍霧化金屬成型方法可使得噴鍍金屬固化和冷卻時產生的體積收縮與其中發生的反應或相變引起的體積膨脹相抵消，故如果使用霧化金屬作為30金屬打印機的耗材，則可解決金屬打印的耗材問題及金屬部件幾何形貌問題，如果采用多噴頭則可實現多元金屬材料任意分布同時打印。


【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題是，針對30金屬打印的技術缺陷，提供一種采用霧化金屬作為耗材的低成本、高精度的30金屬打印機。
[0006]本發明的技術方案在于:
一種以霧化金屬為耗材的金屬30打印機，其特征在于:包括:30打印單元、金屬霧化控制單元、控制單元、冷卻系統、濕氣洗滌器、成品工件自動導出單元；
所述30打印單元包括工作臺、伺服電機、轉動結構、霧化金屬噴射頭、噴射頭與霧化室相連的輸液管、加熱器和冷卻器，其中伺服電機與轉動結構相連，轉動結構與工作臺相連，伺服電機與轉動結構共同控制工作臺，使工作臺升降、移動、轉動，霧化金屬噴頭與傳導霧化金屬的輸液管相連，在輸液管上有加熱器和冷卻器，用于對金屬熔體加熱或冷卻，以控制金屬熔體的供液或停止供液，伺服電機、轉動機構、加熱器和冷卻器均與控制單元相連；所述金屬霧化控制單元包括熔煉爐、霧化爐、熱電偶傳感器、壓力傳感器、熔煉爐與霧化室相連的輸液管、熔體閥門，其中熱電偶傳感器設置在熔煉爐內，用于實時監測熔體溫度變化，熔煉爐與霧化爐用輸液管相連，在輸液管上安裝熔體閥門，控制金屬熔體是否進入霧化爐進行霧化，霧化金屬通過30打印單元所提到的輸液管與30打印單元中的霧化金屬噴頭相連，熔體閥門、熱電偶傳感器和壓力傳感器均與控制單元相連；
所述冷卻系統位于30打印單元的一側，用于對打印模型進行及時冷卻，與濕式氣體洗滌器相連，將機體內的濕式氣體導入濕式氣體洗滌器內，冷卻系統與控制單元相連；
所述成品工件自動導出單元包括自動電門和工件成品箱，其中自動電門與控制單元相連，工件成品箱用于存放被導出的打印成品；
所述控制單元包括顯示模塊、處理模塊、纟/0模塊、數據接口模塊和驅動機構；其中顯示模塊用于人機交互，顯示30打印的狀態信息4/0模塊用于實現熱電偶傳感器的模擬信號到處理模塊的數字信號的轉換；數據接口用于與計算機進行通信，導入計算機的30模型到處理器；驅動機構為打印機中受控于控制中心的機構；顯示模塊、八/0模塊、數據接口模塊和驅動機構均與處理模塊相連。
[0007]其中，所述霧化金屬噴射頭包括噴嘴本體，主體噴射口處為錐形，噴嘴主體設有介質通孔，介質通孔的噴射口形狀為圓形。
[0008]所述霧化金屬為511、？13、81、313、八8、。、111?81, 66, 8, 0, 11, 01-,111、稀土兀素的一種或其合金。
[0009]所述霧化金屬噴頭和熔煉爐為一個或多個，實現多元金屬同時打印；所述傳感器為位移傳感器、紅外線傳感器或可感應移動物體移出機體的傳感器。
[0010]本發明的優點在于:
本發明米用霧化金屬作為金屬30打印機的材料,不需要金屬超微粉末,而且可選用金屬種類多，并且保證打印的金屬器件的外形精確度，并進行簡單改進即可實現多元金屬材料任意分布同時打印。另外使用工件自動導出結構，實現無人控制打印機能連續打印多模型的功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發明一種使用霧化金屬的30打印機結構不意圖；
圖2為本發明控制單元模塊圖；
圖3為本發明控制系統結構框圖；
圖4為本發明打印過程實現原理；
圖5為本發明自動導出工件結構；
圖6為現有霧化器噴嘴(平嘴)的主視圖；
圖7為本發明的噴嘴主視圖。
[0012]圖中:1-打印單元；2-金屬霧化控制單元；3-工作臺；44向伺服電機；54向伺服電機；6-2向伺服電機；7-轉動結構:8-霧化金屬噴頭；9-加熱器:10-冷卻器；11-熔煉爐；12-霧化爐；13-連接熔煉爐和霧化爐的輸液管；14-連接霧化爐和霧化金屬噴頭的輸液管；15-熱電偶傳感器；16-熔體閥門；17-冷卻系統；18-濕式氣體洗滌器；19-自動電門；20-工件成品箱；21-控制單元。

【具體實施方式】
[0013]為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，結合附圖作詳細說明如下。
[0014]參照圖1，本發明一種以霧化金屬為耗材的金屬30打印機，包括:30打印單兀、金屬霧化控制單元、控制單元、冷卻系統、濕氣洗滌器、成品工件自動導出單元。
[0015]所述打印單元1包括工作臺3、控制工作臺3運動的伺服電機、轉動結構7、霧化金屬噴射頭8、加熱器9和冷卻器10 ；其中伺服電機包括X向伺服電機4，X向伺服電機5，2向伺服電機6，分別控制工作臺3的\、仏方向的運動3向伺服電機4上安裝轉動結構7，轉動結構7上安裝工作臺3，控制工作臺3的轉動，實現按所需方式接受霧化金屬，控制打印層結構。本領域技術人員可知打印層結構對整個層疊物的性質影響很大，這種結構給操作人員在決定打印層結構上提供了更多的余地；霧化金屬噴頭8固定在打印單元1的頂部，通過輸液管14與霧化爐12相連，由霧化爐12提供打印所需霧化金屬，在輸液管14上安裝有加熱器9和冷卻器10，供液時通過加熱器將輸液管14加熱到高于金屬熔點30?200 V’停止供液時，通過冷卻器冷卻輸液管到低于金屬熔點20?150 I，將霧化金屬凝固在輸液管中，起到封閉作用；伺服電機、轉動結構7、加熱器9和冷卻器10都與控制單元相連。
[0016]參照圖6所示為霧化金屬噴頭8的主視圖，為了能更精確的進行30金屬打印，本發明對目前常用的霧化金屬噴頭，參照圖5進行了改進，將主體噴射口處為改為錐形，使得從噴射口噴出的液體介質分布變窄，提高了噴射液體的準直度。
[0017]所述金屬霧化控制單元2包括熔煉爐11、霧化爐12、熱電偶傳感器15、壓力傳感器16、連接熔煉爐和霧化爐的輸液管13、熔體閥門16 ；連接霧化爐和霧化金屬噴頭的輸液管14 ；其中熱電偶傳感器15和壓力傳感器16都安裝在熔煉爐11中，以便實時采集熔煉爐金屬熔體的溫度和熔爐的壓力傳送到控制單元，將其與預設值進行比對，控制熔煉爐的溫度和壓力；熔體閥門16安裝在輸液管14上，在打印開始時閥門16開啟，金屬熔體進入霧化爐12為30打印提供基材，打印結束時閥門16關閉，停止供應金屬熔體；熱電偶傳感器15、壓力傳感器16和熔體閥門16均與控制單元相連。
[0018]所述冷卻系統17位于30打印單元的一側，與濕式氣體洗滌器18相連，霧化爐通常以氮氣或空氣沖擊液態金屬流，但并不限于這兩種氣體，該領域技術人員可試情況而定，相應的濕式氣體洗滌器要視所用氣體而定，該領域技術人員可用現有技術和設備完成以上所述兩部分的機械結構安裝。
[0019]參照圖4，工件自動導出單元包括自動電門19和工件成品箱20組成；其中自動電門19其轉動軸在底部，與控制單元相連，自動電門底部的安裝高度與打印平臺最低高度相同，工件成品箱安裝在打印機底層，打印開始時手動拉出。
[0020]在一種優選的方案中可設置控制單元21作為設備的控制中心，整個設備在控制單元21的控制下，實現對熔煉爐11的溫度、自動打印、冷卻系統及自動導出成品工件的控制。
[0021]參照圖2，控制單元包括顯示模塊、處理模塊、八/0模塊、數據接口模塊和驅動機構；其中顯示模塊具備人機交互功能，可以是觸摸屏，也可以是普通顯示屏加上輸入設備，顯示模塊接收操作人員指令，傳遞給處理模塊，處理模塊做相應處理并將結果及30打印的狀態反饋到顯示模塊顯示給操作人員，八/0模塊用于轉換電熱偶傳感器15的模擬信號為處理模塊可處理的數字信號，數據接口模塊與外部設備連接，例如計算機，接收30模型數據，傳給處理模塊，處理模塊將模型數據進行逐層切片，發出命令給驅動結構，完成30打印。
[0022]使用霧化金屬的30打印機使用方法，包括以下步驟:
1)設計人員通過30建模軟件建立要打印工件的30模型，輸入計算機，計算機與使用霧化金屬的30打印機相連；
2)拉出工件成品箱，向熱熔爐中放入要用的金屬基材，啟動打印機，接收30模型數據，設定熱熔爐11的溫度值，熱熔爐11開始加熱并溶解金屬基材，熱熔爐內的熱電偶傳感器15實時采集熔煉爐金屬熔體的溫度傳送到控制單元；
3)處理模塊按層分解30立體圖，對其進行從下到上逐層切片，保存每層的切片數據；
4)當電熱偶傳感器才集到的熔體溫度與預設值相同時，控制單元向驅動機構發送控制信號，伺服電機運動到指定位置，轉動機構轉動指定角度，到開啟熔體閥門，使熔體進入霧化爐進行霧化，開啟加熱器，對連接霧化爐與噴嘴的輸液管進行加熱，保證輸液管暢通，開啟冷卻系統；
5)控制單元將模型從底層到頂層切片數據轉化為控制命令，控制伺服電機和轉動機構的運動，噴頭持續噴出霧化金屬，逐層打印，直到整個30立體圖打印完畢，打印過程中冷卻系統對打印模型進行及時冷卻，并將導出濕式氣體到濕式氣體洗滌器；
6)30立體圖打印完畢，控制單元發出命令，關閉熔體閥，關閉加熱器，打開冷卻器，伺服電機停止運動，轉動機構停止轉動，冷卻系統繼續工作，知道30打印成品冷卻。
[0023]7)控制單元發出命令，停止冷卻系統工作，啟動成品工件自動導出單元，即伺服電機載著轉動機構和工作臺，運動到自動電門處，與電門保持一定距離，工作臺高于自動電門底部(以上提到的距離和高度要根據打印機的自動電門形成的滑道的角度而定)，自動電門向外打開，直到其頂部與工件成品箱相接觸，轉動機構以保證在轉動過程中工件不滑落的速度轉向自動電門，最終工作臺和自動電門形成暢通通道，在重力作用下，成品工件滑入在打印開始就拉出的工件成品箱；
8)成品導出后，控制單元關閉自動電門，伺服電機載著轉動機構和工作臺回到未打印時的初始位置；
9)進行下一次打印成型。
[0024]以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
【權利要求】
1.一種以霧化金屬為耗材的金屬3D打印機，其特征在于:包括:3D打印單元、金屬霧化控制單元、控制單元、冷卻系統、濕氣洗滌器、成品工件自動導出單元； 所述3D打印單元包括工作臺、伺服電機、轉動結構、霧化金屬噴射頭、噴射頭與霧化室相連的輸液管、加熱器和冷卻器，其中伺服電機與轉動結構相連，轉動結構與工作臺相連，伺服電機與轉動結構共同控制工作臺，使工作臺升降、移動、轉動，霧化金屬噴頭與傳導霧化金屬的輸液管相連，在輸液管上有加熱器和冷卻器，用于對金屬熔體加熱或冷卻，以控制金屬熔體的供液或停止供液，伺服電機、轉動機構、加熱器和冷卻器均與控制單元相連；所述金屬霧化控制單元包括熔煉爐、霧化爐、熱電偶傳感器、壓力傳感器、熔煉爐與霧化室相連的輸液管、熔體閥門，其中熱電偶傳感器設置在熔煉爐內，用于實時監測熔體溫度變化，熔煉爐與霧化爐用輸液管相連，在輸液管上安裝熔體閥門，控制金屬熔體是否進入霧化爐進行霧化，霧化金屬通過3D打印單元所提到的輸液管與3D打印單元中的霧化金屬噴頭相連，熔體閥門、熱電偶傳感器和壓力傳感器均與控制單元相連； 所述冷卻系統位于3D打印單元的一側，用于對打印模型進行及時冷卻，與濕式氣體洗滌器相連，將機體內的濕式氣體導入濕式氣體洗滌器內，冷卻系統與控制單元相連； 所述成品工件自動導出單元包括自動電門和工件成品箱，其中自動電門與控制單元相連，工件成品箱用于存放被導出的打印成品； 所述控制單元包括顯示模塊、處理模塊、A/D模塊、數據接口模塊和驅動機構；其中顯示模塊用于人機交互，顯示3D打印的狀態信息；A/D模塊用于實現熱電偶傳感器的模擬信號到處理模塊的數字信號的轉換；數據接口用于與計算機進行通信，導入計算機的3D模型到處理器；驅動機構為打印機中受控于控制中心的機構；顯示模塊、A/D模塊、數據接口模塊和驅動機構均與處理模塊相連。
2.根據權利要求1所述的一種以霧化金屬為耗材的金屬3D打印機，其特征在于:所述霧化金屬噴射頭包括噴嘴本體，主體噴射口處為錐形，噴嘴主體設有介質通孔，介質通孔的噴射口形狀為圓形。
3.根據權利要求1所述的一種以霧化金屬為耗材的金屬3D打印機，其特征在于:所述霧化金屬為 Sn、Pb、B1、Sb、Ag、Cu、In、Zn、Al、S1、Ga、Ge、B、C、P、N1、T1、Cr、Mn、稀土元素的一種或其合金。
4.根據權利要求1所述的一種以霧化金屬為耗材的金屬3D打印機，其特征在于:所述霧化金屬噴頭和熔煉爐為一個或多個，實現多兀金屬同時打印；所述傳感器為位移傳感器、紅外線傳感器或可感應移動物體移出機體的傳感器。
【文檔編號】B22F3/115GK104399979SQ201410237627
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月8日 優先權日:2014年10月8日
【發明者】郭太良, 葉蕓, 林志賢, 林金堂, 姚劍敏, 徐悅 申請人:福州大學