一種熔融擠出快速成型金屬部件的系統及其實現方法
【專利摘要】本發明公開了一種熔融擠出快速成型金屬部件的系統及其實現方法，包括密閉的箱體、抽真空系統及氣體流量控制系統，所述密閉箱體內設有打印機構、基板、用于儲存金屬絲/帶材的線軸及運動控制系統，所述打印機構包括用于熔融金屬的坩堝及擠出噴頭，所述基板上設有加熱管、保溫裝置及隔熱罩，所述隔熱罩將打印機構包覆在內，所述運動控制系統分別與打印機構及基板相連；采取獨立加熱方式來實現金屬的熔融，再將熔融的金屬擠出成型；本發明將金屬的優異性能及熔融擠出這種低成本、高效率的成型方式進行有效結合，成型成本低且成型效率高，適于大規模推廣應用。
【專利說明】一種熔融擠出快速成型金屬部件的系統及其實現方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于快速成型領域，具體涉及一種熔融擠出快速成型金屬部件的系統及其實現方法。

【背景技術】
[0002]經過20多年的發展，三維打印(即快速成型)技術發展迅速。以打印材料分類，可分為金屬、非金屬、陶瓷材料、復合材料以及生物材料的三維打印技術；以成型方式分類，可分為粉末燒結技術(SLS)、粉末熔融技術(SLM)、激光近成型技術(LENS)以及擠出熔融技術(FDM)。因金屬材料熔點相對較高，一般都是選擇高能束燒結/熔化的方式，例如SLM、LENS以及EBM技術，同時還需將材料制成粒度為10微米到100微米的球形粉。球形粉的制備需經過等離子體球化等特殊方法處理，導致原料成本大幅提升；而且，以電子束、激光束等高能束為基礎的成型技術，由于用到的激光系統以及電子束系統昂貴且復雜，導致整體成型成本高且成型效率低，阻礙了金屬材料快速成型技術的廣泛推廣。
[0003]FDM技術所用的材料一般為絲材或者帶材,成型效率高,材料成本低廉；而FDM技術本身設備成本也比較低，從而使得FDM技術的整體成本低廉；然而FDM設備的輸出功率有限，故現有技術中大都是應用于塑料材質的快速成型上。因此，若能將FDM的低成本、高效率及金屬材料的優異性能相結合，必將極大推動快速成型技術的廣泛推廣，改變目前金屬部件的制造方式。


【發明內容】

[0004]有鑒于此，本發明的目的在于提供一種結構簡單，適用于成型金屬制件的熔融擠出快速成型系統及其實現方法。
[0005]為達到上述目的，本發明提供如下技術方案:一種熔融擠出快速成型金屬部件的系統，包括密閉的箱體、抽真空系統及氣體流量控制系統，所述密閉箱體內設有打印機構、基板、用于儲存金屬絲/帶材的線軸及運動控制系統，所述打印機構包括用于熔融金屬的坩堝及擠出噴頭，所述基板上設有加熱管、保溫裝置及隔熱罩，所述隔熱罩將打印機構包覆在內，所述運動控制系統分別與打印機構及基板相連。
[0006]進一步，所述坩堝由氧化釔基陶瓷材料、氧化鋯基陶瓷材料、氧化鋁基陶瓷材料、氧化鎂基陶瓷材料、碳化硅陶瓷材料、氮化硅陶瓷材料、氮化硼基陶瓷材料、石墨、鐵、不銹鋼、高溫鎳基合金及銅中一種或多種材料復合制成。
[0007]進一步，所述金屬絲材直徑為0.05mm?1mm,金屬帶材截面積為0.0lmm2?I OOmm20
[0008]進一步，所述保溫裝置由若干層鋪設在基板上的保溫層組成，所述保溫層為不銹鋼板、鎳板、石墨氈、銅板、石棉、鈦酸鋁陶瓷板、云母紙或磨砂石英玻璃板的一層或多層組合；所述隔熱罩為不銹鋼板、鎳板、石墨氈、銅板、石棉、鈦酸鋁陶瓷板、云母紙或磨砂石英玻璃板的一層或多層組合。
[0009]一種利用上述成型系統熔融擠出金屬部件的實現方法，主要包括以下實現步驟:
(I)對箱體內的環境進行抽真空及充惰性氣體，排出箱體內的空氣；(2)線軸滾動,將儲存的金屬絲/帶材輸送至打印機構中的坩堝內，坩堝對金屬絲/帶進行加熱熔化，形成金屬熔體，金屬熔體溫度為25?3500°C; (3)預熱基板至25?1500°C; (4)對金屬熔體施加壓力，使坩堝內的金屬熔體從噴頭中擠出；(5)運動控制系統控制擠出噴頭與基板之間的相對運動，實現金屬熔體在基板上的鋪設及層層累積。
[0010]進一步，所述步驟⑴中真空范圍為10_8Pa?15Pa,惰性氣體為氦氣、氬氣或氮氣。
[0011]進一步，所述步驟(I)中坩堝內金屬絲/帶材的加熱方式為電阻加熱、等離子體加熱、感應加熱、電弧加熱或光照加熱。
[0012]進一步，步驟(2)中對金屬熔體施加壓力的方式為機械擠壓或氣體加壓。
[0013]本發明的有益效果在于:金屬絲/帶材的加熱熔化方式多，功率容量大(最大可達到幾十千瓦)，可以輕易實現金屬的熔融；采用密閉箱體對熔融金屬擠出過程進行保護，有效避免了金屬的氧化問題；金屬材料采用絲材或帶材，制造成本低、加熱熔化過程快，輸送方便，進料速度可控，提高了打印精度；設置了獨立的加熱管、保溫裝置與隔熱罩，熱輻射小，熱流失量少；本發明將金屬的優異性能及熔融擠出這種低成本、高效率的成型方式進行有效結合，成型成本低且成型效率高，適于大規模推廣應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明:
[0015]圖1為本發明的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0016]下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0017]如圖所示，本發明所述的熔融擠出快速成型金屬部件的系統，包括密閉的箱體1、抽真空系統及氣體流量控制系統，所述密閉的箱體I內設有打印機構7、基板6、用于儲存金屬絲/帶材2的線軸3、用于輸送金屬絲/帶材2的進絲系統及運動控制系統，所述打印機構7包括用于熔融金屬的坩堝及擠出噴頭，所述基板6下部及側面設有加熱管9與保溫裝置，基板6上部設有隔熱罩8，所述隔熱罩8將基板6、基板6上的工件5及打印機構7包覆在內，所述運動控制系統包括控制擠出噴頭在水平面上(X、Y軸)移動的水平運動控制裝置4及控制基板6高低位置(Ζ軸)的豎直運動控制裝置10、其中水平運動控制裝置4及豎直運動控制裝置10分別與打印機構7及基板6相連。
[0018]本實施例中的坩堝主要由石墨材料材料制成，導熱性及耐高溫性能好,特別適用于有色金屬及合金的熔煉；當然，根據實際使用需求，也可選擇由氧化釔基陶瓷材料、氧化鋯基陶瓷材料、氧化鋁基陶瓷材料、氧化鎂基陶瓷材料、碳化硅陶瓷材料、氮化硅陶瓷材料、氮化硼基陶瓷材料、鐵、不銹鋼、高溫鎳基合金及銅中的一種或多種材料復合而成。
[0019]作為上述方案的進一步改進,所述金屬絲材2直徑為0.05mm?1mm,金屬帶材2截面積為0.0lmm2?100mm2。
[0020]在本實施例中，所述保溫裝置為若干層鋪設在基板6上的保溫層板，所述保溫層板為不銹鋼板、鎳板、石墨氈、銅板、石棉、鈦酸鋁陶瓷板、云母紙或磨砂石英玻璃板中的一種，也可將多種不同材質的保溫層板進行疊加，以增強保溫效果；同樣的，隔熱罩也可以是不銹鋼板、鎳板、石墨氈、銅板、石棉、鈦酸鋁陶瓷板、云母紙或磨砂石英玻璃板的一層或多層組合。
[0021]本發明的實現方法主要包括以下步驟:(I)對箱體I內的環境進行抽真空及充惰性氣體，排出箱體I內的空氣，真空范圍為10_8Pa?15Pa,惰性氣體為氦氣、気氣或氮氣；
(2)線軸3滾動，并通過進絲系統將儲存的金屬絲/帶材2輸送至打印機構7中的坩堝內，坩堝對金屬絲/帶進行加熱熔化，形成金屬熔體，金屬熔體溫度為25?3500°C ;其中，金屬絲/帶材2的加熱方式可在電阻加熱、等離子體加熱、感應加熱、電弧加熱或光照加熱幾種方式內選擇；(3)預熱基板6至25?1500°C ； (4)通過機械擠壓或氣體加壓方式對金屬熔體施加壓力，使坩堝內的金屬熔體從噴頭中擠出；(5)運動控制系統控制擠出噴頭在水平面上的運動路徑及基板6在豎直方向上的升降高度，實現金屬熔體在基板6上的鋪設及層層累積，直至工件5成型。
[0022]本方法所指的機械擠壓過程為:通過進絲系統，利用金屬絲/帶材2自身對金屬熔體進行擠壓，或者通過單獨設置的螺桿擠壓金屬熔體；氣體加壓則是通過對坩堝上部的氣體施加壓力從而對金屬熔體進行擠壓。
[0023]實施例1
[0024]將整個成型系統用真空箱體I保護起來,將鋁絲材放入系統內，鋁絲材直徑為2mm,掛于一個可自動控制的線軸3之上。系統工作前先抽真空至5Pa以下，然后填充氬氣至一個大氣壓；轉動線軸3，同時配合以進絲系統，將鋁絲材推進坩堝內，加熱坩堝至900°C，使坩堝中下部的鋁熔化，而坩堝上部保持在500°C以下；繼續將鋁絲材壓進坩堝，利用鋁絲材自身對鋁熔體施加壓力并使熔體由擠出噴頭擠出；底板加熱并保溫至500°C。擠出噴頭在底板上按照預先規劃的路徑掃描，填充出一個器件層面圖。然后底板下降一個層厚，噴頭繼續填充當前層剖面圖，直到所有路徑都被掃描過為止。
[0025]實施例2
[0026]將整個成型系統用真空箱體I保護起來，將鎂合金帶材放入系統內，鎂合金帶材的截面積為9_2，掛于一個可自動控制的線軸3之上。系統工作前先抽真空至10_2Pa以下并保持真空狀態；轉動線軸3，同時配合以進絲系統，將鎂合金帶材推進坩堝內，加熱坩堝至750°C，使坩堝中下部的鎂合金熔化，而坩堝上部保持在400°C以下；繼續將鎂合金帶材壓進坩堝，利用鎂合金帶材自身對鎂合金熔體施加壓力并使熔體由擠出噴頭擠出；底板加熱并保溫至400°C。擠出噴頭在底板上按照預先規劃的路徑掃描，填充出一個器件層面圖。然后底板下降一個層厚，噴頭繼續填充當前層剖面圖，直到所有路徑都被掃描過為止。
[0027]實施例3
[0028]將整個成型系統用真空箱體I保護起來,將鐵絲材放入系統內，鐵絲材直徑為1mm，掛于一個可自動控制的線軸3之上。系統工作前先抽真空至5Pa以下，并保持此真空狀態；轉動線軸3，同時配合以進絲系統，將鐵絲材推進坩堝內，加熱坩堝至1750°C，使坩堝中下部的鐵熔化，而坩堝上部保持在1000°C以下；繼續將鐵絲材壓進坩堝，并對坩堝施加一氣體壓力，推動鐵熔體由擠出噴頭擠出；底板加熱并保溫至1000?1300°C ;擠出噴頭在底板上按照預先規劃的路徑掃描，填充出一個器件層面圖。然后底板下降一個層厚，噴頭繼續填充當前層剖面圖，直到所有路徑都被掃描過為止。
[0029]本方法適用于招、鎂、鋰、鈉、鉀、?丐、銀、鋇、鈦、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎵、銀、金、鉬、鉻、鎘、銦、錫、銻、鉛、汞、鉍、鉭、鉿、鎢、釔、鋯、碲、稀土等金屬，對于上述金屬的合金也同樣適用。
[0030]最后說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
【權利要求】
1.一種熔融擠出快速成型金屬部件的系統，包括密閉的箱體、抽真空系統及氣體流量控制系統，其特征在于:所述密閉箱體內設有打印機構、基板、用于儲存金屬絲/帶材的線軸及運動控制系統，所述打印機構包括用于熔融金屬的坩堝及擠出噴頭，所述基板上設有加熱管、保溫裝置及隔熱罩，所述隔熱罩將打印機構包覆在內，所述運動控制系統分別與打印機構及基板相連。
2.根據權利要求1所述的熔融擠出快速成型金屬部件的系統，其特征在于:所述坩堝由氧化釔基陶瓷材料、氧化鋯基陶瓷材料、氧化鋁基陶瓷材料、氧化鎂基陶瓷材料、碳化硅陶瓷材料、氮化硅陶瓷材料、氮化硼基陶瓷材料、石墨、鐵、不銹鋼、高溫鎳基合金及銅中一種或多種材料復合制成。
3.根據權利要求1所述的熔融擠出快速成型金屬部件的系統，其特征在于:所述金屬絲材直徑為0.05mm?1mm,金屬帶材截面積為0.0lmm2?100mm2。
4.根據權利要求1所述的熔融擠出快速成型金屬部件的系統，其特征在于:所述保溫裝置由若干層鋪設在基板上的保溫層組成，所述保溫層為不銹鋼板、鎳板、石墨氈、銅板、石棉、鈦酸鋁陶瓷板、云母紙或磨砂石英玻璃板的一層或多層組合；所述隔熱罩為不銹鋼板、鎳板、石墨氈、銅板、石棉、鈦酸鋁陶瓷板、云母紙或磨砂石英玻璃板的一層或多層組合。
5.一種利用權利要求1-4任一項所述的成型系統熔融擠出金屬部件的實現方法，其特征在于主要包括以下實現步驟:(I)對箱體內的環境進行抽真空及充惰性氣體，排出箱體內的空氣；(2)線軸滾動，將儲存的金屬絲/帶材輸送至打印機構中的坩堝內，坩堝對金屬絲/帶進行加熱熔化，形成金屬熔體，金屬熔體溫度為25?3500°C ； (3)預熱基板至25?1500°C ；(4)對金屬熔體施加壓力，使坩堝內的金屬熔體從噴頭中擠出；(5)運動控制系統控制擠出噴頭與基板之間的相對運動，實現金屬熔體在基板上的鋪設及層層累積。
6.根據權利要求5所述的熔融擠出快速成型金屬部件的實現方法，其特征在于:所述步驟⑴中真空范圍為10_8Pa?15Pa,惰性氣體為氦氣、氬氣或氮氣。
7.根據權利要求5所述的熔融擠出快速成型金屬部件的實現方法，其特征在于:所述步驟(I)中坩堝內金屬絲/帶材的加熱方式為電阻加熱、等離子體加熱、感應加熱、電弧加熱或光照加熱。
8.根據權利要求5所述的熔融擠出快速成型金屬部件的實現方法，其特征在于:步驟(2)中對金屬熔體施加壓力的方式為機械擠壓或氣體加壓。
【文檔編號】B22F3/115GK104148637SQ201410376412
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】王國玉, 段宣明, 紀麗娜, 范樹遷, 陳勇, 王林志 申請人:中國科學院重慶綠色智能技術研究院