一種熔融金屬3d打印裝置及打印方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熔融金屬3D打印裝置及打印方法，屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前國(guó)內(nèi)外3D打印技術(shù)主要包括粉末或絲狀材料高能束燒結(jié)、熔化成型，絲材擠出熱熔成型，液態(tài)樹(shù)脂光固化成型，液體噴印成型，片/板/塊粘接或焊接成型等五種形式。
[0003]金屬是3D打印最為廣闊的市場(chǎng)。目前對(duì)金屬材料進(jìn)行3D打印通常采用的現(xiàn)有方法有:直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、電子束熔化燒結(jié)(EBM)、選擇性激光熔化成型(SLM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)以及尚未成熟的基于熔焊方法的金屬3D打印。但在用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)金屬材料打印時(shí)，僅支持十多種金屬進(jìn)行加工，如特定的幾種招娃合金、鈦合金、鎳合金和不銹鋼，且需要預(yù)先制成專(zhuān)用的金屬粉末；打印出的金屬制品致密度低，最高能達(dá)到鑄件的98%，遠(yuǎn)低于鍛造件的力學(xué)性能；打印制品表面精度差，需要后續(xù)處理；而且通過(guò)激光或是電子束進(jìn)行3D打印，生產(chǎn)效率極低，但成本卻很高，若是通過(guò)基于熔焊方法的3D打印，效率雖然變高了，也不用制成金屬粉末，但打印時(shí)金屬熔滴一滴滴的滴落不僅使打印過(guò)程變得極不穩(wěn)定，而且打印出來(lái)的制品精度極差。目前金屬材料打印產(chǎn)品極少能作為零部件直接組裝應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種熔融金屬3D打印裝置。
[0005]本發(fā)明還提供一種利用該裝置的打印方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種熔融金屬3D打印裝置，包括殼體、第一噴嘴、熔化極焊接電極和非熔化極焊接電極，第一噴嘴與殼體一端相連，殼體中部中空形成空腔，殼體內(nèi)設(shè)有第一密封板和第二密封板，熔化極焊接電極和非熔化極焊接電極位于殼體空腔內(nèi)，熔化極焊接電極和非熔化極焊接電極貫穿兩個(gè)密封板設(shè)置，所述第一密封板設(shè)有氣體入口，所述第二密封板設(shè)有氣體出口，氣體入口、氣體出口用以流通惰性氣體。第一密封板、第二密封板的表面積與殼體橫截面積一致，兩個(gè)密封板配合兩個(gè)電極形成一個(gè)密封艙，通過(guò)氣體入口、氣體開(kāi)口通入惰性氣體，一來(lái)通入惰性氣體用以保護(hù)熔化極焊接電極產(chǎn)生的液態(tài)熔滴，二來(lái)通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓及氣體流速使熔化極焊接電極產(chǎn)生的液態(tài)熔滴流出第一噴嘴。
[0008]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述惰性氣體為氬氣。為了防止液態(tài)熔滴在打印過(guò)程中發(fā)生氧化，產(chǎn)生有害組織，一般均要采用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。在所有的惰性氣體中，一般用于保護(hù)氣的氣體主要是氦氣以及氬氣。就保護(hù)性能而言，氬氣比氦氣更好，電弧燃燒更穩(wěn)定，但氦氣做保護(hù)氣時(shí)，電弧溫度高，焊接速度快。就成本而言，氦氣的價(jià)格是氬氣的好幾倍。所以從各方面綜合考慮，選用氬氣做保護(hù)氣。
[0009]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述氬氣純度為99.999%。氬氣采用實(shí)驗(yàn)室常用的99.999%純度的即可。
[0010]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述熔化極焊接電極為MIG焊槍。
[0011 ] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述非熔化極焊接電極為T(mén)IG焊槍?zhuān)琓IG焊槍為直柄焊槍?zhuān)琓IG焊槍內(nèi)設(shè)有循環(huán)水冷裝置。
[0012]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述第一噴嘴為銅噴嘴。因?yàn)殂~的加工性能好，簡(jiǎn)單易得；還有就是銅噴嘴導(dǎo)熱性能好，塑性較好，不易發(fā)裂。
[0013]進(jìn)一步優(yōu)選的，銅噴嘴外部設(shè)有水冷裝置。以防止銅噴嘴過(guò)熱。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述第一噴嘴一端設(shè)有內(nèi)螺紋，所述殼體一端設(shè)有外螺紋，第一噴嘴與殼體螺紋連接。由于在3D打印中，噴嘴將長(zhǎng)時(shí)間處于高溫高壓的工作狀態(tài)，噴嘴的性能及使用壽命最先受到影響，將噴嘴與殼體通過(guò)內(nèi)外螺紋匹配連接，便于更換噴嘴，降低維護(hù)成本。
[0015]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述第一噴嘴一端還設(shè)有第二噴嘴。
[0016]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述第二噴嘴為氧化鋁陶瓷噴嘴。由于氧化鋁陶瓷噴嘴的熔點(diǎn)高達(dá)1700°C，而銅噴嘴無(wú)法承受如此高溫，所以必須在銅噴嘴的內(nèi)部加設(shè)一個(gè)可以承受如此高溫的氧化鋁陶瓷噴嘴。由于氧化鋁陶瓷加工性能不好，所以只能是與銅噴嘴一起配合作為該槍體的噴嘴。同時(shí)氧化鋁陶瓷噴嘴內(nèi)部為漏斗狀，用于3D打印過(guò)程中儲(chǔ)存一定量的液態(tài)金屬，使過(guò)渡過(guò)程更加平緩，通過(guò)控制氣壓使液態(tài)金屬緩慢過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)3D打印。
[0017]焊絲可以為不銹鋼絲，此處不銹鋼絲僅作為一種實(shí)驗(yàn)材料，并不是所有的3D打印都必須使用不銹鋼絲，不銹鋼絲成本不高，簡(jiǎn)單易得。
[0018]一種利用上述裝置進(jìn)行3D打印的方法，即液態(tài)金屬在打印裝置中擠出的方法，包括步驟如下:
[0019](1)、預(yù)熱:將第一噴嘴預(yù)先加熱；3D打印前給將要承受高溫熔融金屬的部位加熱到一定的初始溫度，用以防止高溫液滴對(duì)裝置產(chǎn)生過(guò)大的熱沖擊而使裝置發(fā)裂；由于氧化鋁陶瓷較脆，在很大的熱沖擊作用下易出現(xiàn)發(fā)裂的現(xiàn)象。
[0020](2)、將打印裝置與焊接機(jī)器人相連，設(shè)定工作參數(shù)，所述工作參數(shù)包括電壓參數(shù)、電流參數(shù)、氣流量、送絲速度；根據(jù)要打印的3D作品對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行離線編程；焊接機(jī)器人選取日產(chǎn)MotoMan UP6。
[0021](3)、接通電源，通入惰性氣體，在兩個(gè)電極之間接觸引弧，通過(guò)焊接機(jī)器人利用本打印裝置進(jìn)行3D打印。
[0022]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟⑴中，在第一噴嘴外部設(shè)置高頻感應(yīng)線圈，使第一噴嘴發(fā)熱。進(jìn)而也可以使第二噴嘴一起預(yù)熱。
[0023]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟⑴中，加熱到400?500攝氏度。
[0024]本發(fā)明中，通過(guò)兩個(gè)電極之間接觸引弧熔化不銹鋼焊絲，產(chǎn)生液態(tài)不銹鋼熔滴滴入第二噴嘴中，隨著熔滴不斷下落，在第二噴嘴中會(huì)積累一定量的液態(tài)不銹鋼，再往密封的焊槍中通入氬氣，將熔融不銹鋼液體擠出噴嘴，通過(guò)控制電源參數(shù)以及氣流量等，使熔融的液態(tài)不銹鋼穩(wěn)定的過(guò)渡到工作臺(tái)上，并通過(guò)焊接機(jī)器人離線編程，完成制品的3D打印過(guò)程。
[0025]本發(fā)明的有益效果在于:
[0026]1、本發(fā)明的技術(shù)方案創(chuàng)造性地結(jié)合絲材擠出熱熔成型以及基于熔焊的熔化成型，通過(guò)焊接電弧產(chǎn)生的高溫促使高熔點(diǎn)金屬絲材熔化成熔融液態(tài)金屬再通過(guò)殼體、噴嘴的內(nèi)部壓力的擠壓作用使金屬液穩(wěn)定、快速地流出從而實(shí)現(xiàn)3D打印。
[0027]2、本發(fā)明的技術(shù)方案中，兩個(gè)電極分別采用的是惰性氣體保護(hù)焊焊槍做陽(yáng)極，鎢極氬弧焊焊槍做陰極，由于陽(yáng)極吸收電子發(fā)熱量大，陰極發(fā)射電子發(fā)熱量小，以此既增加了陽(yáng)極不銹鋼焊絲的熔化速度，同時(shí)也防止鎢極過(guò)熱；兩電極之間形成回路，通過(guò)焊絲的送進(jìn)接觸引弧。
[0028]3、利用本發(fā)明的技術(shù)方案，焊接過(guò)程穩(wěn)定，熔敷率高，可產(chǎn)生射流過(guò)渡，避免了金屬熔滴滴落帶來(lái)的焊接過(guò)程不穩(wěn)定，防止3D打印制品的不連續(xù)，精度差，表面粗糙度過(guò)大等缺陷。
[0029]4、利用本發(fā)明的技術(shù)方案，可平穩(wěn)的進(jìn)行多種金屬材料的3D打印，尤其適用于3D打印航空、航天、核電等重大工程領(lǐng)域中各類(lèi)形狀較復(fù)雜、精密元件，可打印材料包括鈦合金、不銹鋼、銅合金等，應(yīng)用廣泛。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本發(fā)明打印裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]其中，1、殼體，2、第一噴嘴，3、第二噴嘴，4、熔化極焊接電極，5、非熔化極焊接電極，6、第一密封板，7