一種脈沖通斷閥式金屬3D打印裝置的制作方法

本發明主要應用于金屬材料的增材制造領域，涉及一種可實現熔融金屬在脈沖通斷閥控制下的精確噴射沉積成形裝置。更詳細的說，本發明的特征在于，通過多級熔化和多級過濾實現金屬液的凈化，通過控制打印噴頭處閥門的脈沖式通斷實現金屬液的精確可控噴射。

背景技術：

3D打印技術出現于20世紀80年代，它是一種采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除——切削加工技術，是一種“自下而上”的制造方法。該技術不需要傳統的刀具和夾具以及多道加工工序，在一臺設備上可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現了零件“自由制造”，解決了許多復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且產品結構越復雜，其制造速度的作用就越顯著。麥肯錫預測到2025年，整個增材制造應用市場將達到46000億美金的金額。在設備端，Smarttech預測到2020年，相關設備、材料及服務市場的規模預計達到113億美金，打印設備在未來的10年將占據50％的主要市場。面對巨大的需求，國內外很多企業、高校和科研院所對光固化快速成型(SLA)、層疊實體制(LOM)、激光/電子束熔粉/線成型(SLS/SLM/EBM)、三維印刷成型(3DP)、熔融沉積成型(FDM)等成型方法做了深入研究，并開發出多款增材制造設備。現有成型方法和設備中仍存在成型精度、成型速度難以兼顧的問題，此外，像SLS/SLM/EBM等方法中雖然能較好的實現金屬材料的可控三維成型，但是激光和電子束設備相關成本較高，直接影響該技術的普及和產業化。

基于金屬噴射沉積技術和3D打印方法的金屬噴射沉積3D打印方法，直接通過連續氣壓推送的方式使熔融金屬由噴嘴噴出，并不斷沉積到成形平臺上，通過逐層累加成形金屬零件，可實現金屬件的高效、低成本、直接打印成形。但在噴射沉積速度較高時，由于金屬液粘度較低，噴出速度和沉積精度難以控制。而且傳統設備結構比較簡單，功能相對單一，無法實現熔體除雜凈化等功能。本發明中，設計多級熔化和多級過濾裝置，實現金屬液的凈化；使用特殊形狀的旋轉葉片，實現閥式的脈沖通斷，從而控制金屬液的精確噴射。最終，研制出金屬快速熔化，多級凈化，精確可控噴射沉積的低成本、可產業化增材制造設備。

技術實現要素：

本發明的目的是以現有金屬噴射沉積3D打印成形技術為基礎，研制出一款可實現金屬快速熔化，多級凈化，精確可控噴射沉積的低成本、可產業化增材制造設備。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種脈沖通斷閥式金屬3D打印裝置，組成包括：為噴射沉積過程提供真空環境的部分、 為實現金屬精確控制成形的噴頭、為實現金屬液精煉的兩級凈化部分、提供穩定沉積環境的打印基板部分、為實現金屬液定向沉積的三軸運動的平臺，為實現整個熔融沉積過程穩定有序進行的測量和控制的部分。

本發明中，可使用該設備實現噴射沉積的材料范圍較廣，理論上從熱塑性塑料、到鋁合金、鎂合金、鋅合金乃至高溫合金等均可實現打印，所以對于易產生氧化夾雜的較為活潑金屬，打印過程中需要提供真空環境或惰性氣體保護。根據合金熔煉原理，真空或惰性氣體環境也有助于熔體中夾雜和微小氣泡的析出，有助于金屬凈化。本設備中，可抽到極限真空度為10Pa，所用時間為20min。

進一步地，真空系統包括設備外殼、真空閥門、真空管道和兩級真空泵。真空系統自啟動后，全部運行過程可以實現全自動控制。第一臺真空泵啟動后達不到設定所需真空時第二臺真空泵啟動至達到設定的真空值。當達到所需設定值后第一臺真空泵停止接著第二臺真空泵停止循環工作。

本發明中，為實現金屬精確控制成形的噴頭包含噴頭加熱部分、步進電機、旋轉輪和噴嘴，噴頭部分是該裝置的核心。步進電機在脈沖電信號作用下旋轉，帶動特制旋轉輪運動，實現對熔體通道的開關控制作用。此方法通過改變脈沖信號的參數可實現對金屬熔體下流速度的精確控制，從而產生穩定液流在基板沉積成形。該方式實現了“金屬熔體閥”的功能，且噴頭處于加熱環境中，不容易堵塞。

本發明中，為實現金屬液精煉的兩級凈化部分包括兩個熔煉坩堝，固態金屬熔化裝置采用感應加熱，該方式具有加熱功率大、加熱速度快、加熱均勻的優點，可實現多種金屬的快速加熱(如果材料本身不倒磁，可增加銅圈，通過銅圈產熱并傳導給金屬材料)。在固態金屬熔化裝置中，可實現下料，添加精煉劑，攪拌，扒渣的功能，從而提高熔化效率，提升熔煉金屬液質量。液態金屬保溫熔化裝置主要采用電阻加熱，由于上一級流出金屬溫度較高，加熱系統主要作用為保溫防凝固。感應加熱系統的功率為10kw，電阻加熱系統的功率為1kw。

進一步，在各級熔化裝置中分別安裝溫度傳感器，可實時監測熔體溫度的變化，并根據需求調節各級加熱功率。

進一步，對于溫度在1300度以下的金屬熔體，選用成本低、穩定性好、抗氧化性強的K型(鎳絡-鎳硅)熱電偶測溫，并實時反饋模擬量溫度信號。

本發明中，提供穩定沉積環境的打印基板部分對成形精度有很大影響。打印基板包括加熱電阻、冷卻水循環系統、溫度傳感器。可實現工作過程中成形平臺溫度的實時監測和調節，使工作過程保持在適當溫度，避免層間應力造成的凝固不均勻等現象。

本發明中，三軸運動平臺選用實現的金屬液的定位定向下落，噴頭固定在該三維運動裝置上，通過計算機繪制三維圖形，經過切片軟件分層并生成三維運動軌跡代碼，從而運動實現層層打印累積。

本發明中，測量和控制部分共需采集溫度、壓力、圖像三種信號，控制感應加熱、電阻加熱、基板加熱、步進電機、熔體表面氣壓、三維平臺運動等環節。通過對各級熔化裝置、 噴頭、打印基板溫度，熔體表面壓力，熔滴圖像的實時監測，分析判斷后發出控制命令，使溫度和氣壓等參數滿足打印需求。

進一步，熔體表面氣壓穩定通過氣壓調控系統實現，他包括氣瓶、減壓穩壓閥、兩位三通電磁閥等原件，經計算模擬和試驗修正后確定流速和第二級熔池的表面氣壓的數學關系，實時采集壓力信號，控制各個閥體的開閉狀態。

進一步，圖片采集裝置可實時監測采集熔滴圖片，經數據分析，可得到熔滴大小和流速等參數，經計算分析后，可作為反饋輸入控制系統，進一步指導和修正打印過程中其他環節。

進一步，測量和控制部分包括溫度、壓力傳感器，數字量/模擬量輸入輸出模塊，工業控制計算機等。在打印過程中，實時監測各處的溫度信號，熔體上方的壓力信號，采集并發送到計算機，經數據分析處理后，發出相應的數字信號，控制電磁閥、電機加熱線圈等工作單元的狀態。

有益效果：

1.本發明中，設計新型噴頭，原理是通過旋轉輪的旋轉實現金屬熔體閥的作用，穩定了液滴流速，大大提升了打印精度。

2.本發明中通過控制下級熔化裝置中的壓力和噴頭中“脈沖閥”的通斷來控制熔體噴射速度，經理論計算模擬和實驗修正后，得到相應的壓力，相應電機轉速和沉積打印速度的數學關系，進而可實現打印過程的精確控制，可實現快速、較高精度的噴射沉積成形。

3.本發明中，合金熔化、噴射、沉積過程均在真空或惰性氣體環境下進行，根據不同的合金熔煉及成形要求，可以控制打印環境內的常態壓力。真空或惰性氣體氛圍不僅可以實現合金熔體的凈化，而且可以保證打印過程中金屬液不被氧化。

4.本發明中，真空系統包括兩級真空泵，抽真空過程可實現自動化控制，再輸入所需壓力后，第一級真空泵啟動工作，達到一定壓力后，兩級真空泵共同工作，提高了抽氣速率，可實現更高的真空度要求。

5.本發明中可實現快速下料和扒渣，上一級凈化中可實現金屬液攪拌，下一級凈化中有濾網可過濾金屬氧化物等雜質。

6.本發明中包括兩級熔化裝置，且每級熔化裝置使用不同的加熱原理，根據熔化或保溫的需求調節加熱功率，即節省能源，又可精確實現打印的要求，保證打印金屬溫度的穩定。

7.本發明中使用圖像采集裝置實時采集圖像數據，并及時分析，形成控制命令修正氣壓和步進電機轉速等參數，形成閉合控制，提升打印精度。

8.本發明中各個環節均有相應測量傳感器配合工作，實時監測各個參數并上傳相應數據，通過測控單元，進而可實現抽真空、加熱、熔融沉積打印(包含三軸平臺運動)等環節的自動控制。

附圖說明

圖1一種脈沖通斷閥式金屬3D打印裝置原理圖

圖2一種脈沖通斷閥式金屬3D打印裝置噴頭原理圖

圖3噴頭內脈沖閥原理圖

圖4氣壓控制系統原理圖

圖5控制和采集系統原理圖

具體實施方式

為了使本發明專利的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明專利進行進一步詳細的說明。

實施例一：

一種脈沖通斷閥式金屬3D打印裝置，其組成包括：為噴射沉積過程提供真空環境的抽真空系統、為實現金屬精確控制噴射成形的噴頭(7)、為實現金屬液精煉的多級凈化裝置、提供穩定沉積成形環境的打印基板(4)、為實現金屬液定向沉積的三軸運動平臺。，為實現整個熔融沉積過程穩定有序進行的測量和控制的部分。

實施例二：

噴射沉積3D打印開始前，通過將打印金屬材料放入固態金屬一級熔化裝置(14)，兩級真空泵(1)工作，打開真空閥(2)，通過連接管路(3)對整個打印系統抽真空，達到一定真空度后，開始感應加熱金屬材料，加入精煉劑，通過固定環(17)帶動的攪拌棒(18)運動使精煉劑擴散均勻，并產生熔渣。待合金完全熔化后進行扒渣處理，靜置一段時間使合金成分穩定。開啟下一級熔化裝置中的金屬熔體(9)，待溫度達到預設值，將上一級熔化裝置中金屬液傾倒入本級熔化裝置，通過濾網(11)過濾，完成后關閉壓力蓋(12)，壓力蓋由固定螺栓(24)與盛有金屬熔體(9)的熔化裝置連接。金屬液靜置一段時間，穩定溫度和成分。溫度控制傳感器(20、26)實時采集兩級凈化裝置的溫度，分析判斷發出加熱或停止加熱信號。

實施例三：

熔體表面氣壓穩定通過氣壓調控系統實現，通過壓力傳感器(23)采集壓力數據，上傳至工控機收集并分析。氣壓高于設定值時，打開電磁閥(33)聯通排氣管(34)，對系統放氣，減小壓力；當氣壓低于設定值時，打開電磁閥(33)聯通氣瓶(35)，對系統充氣，增大壓力。

實施例四：

開啟打印基板(4)中加熱和冷卻水循環系統(5)，通過溫度傳感器(27)實時采集溫度信號，分析和處理數據后控制打印基板(4)的溫度達到預設值。

實施例五：

壓力穩定并達到設定值后，通過三維運動平臺驅動噴頭運動。金屬熔體在氣壓和重力作用下自由流入噴嘴(31)，步進電機(29)在脈沖電信號作用下旋轉，帶動特制旋轉輪(30)運動，實現對熔體通道的開關控制作用。當旋轉輪(30)轉至特定角度，盛有金屬熔體(9)的熔化裝置和噴嘴(31)接通，金屬液流出；旋轉輪(30)繼續運動，通道關閉；當步進電機(29)旋轉到下一個周期，“通斷”情況會穩定出現。

實施例六：

高速攝像機(6)實時監測采集熔滴圖片，經圖像采集卡將數據傳輸如工控機，通過圖像分析得到熔滴大小和流速參數，經進一步計算分析后，作為反饋輸入控制系統。

實施例七：

本設備需要通過傳感器實時監測溫度、壓力、圖像數據，并及時上傳至工業控制計算機中相應程序，判斷分析后控制各加熱模塊加熱功率，運動模塊的三維路徑，氣壓模塊的壓力調控，步進電機的轉速等。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。