CN109550959A - 一种金属零件增材制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属零件增材制造方法及相应设备，将零件的三维模型数据输入至3D打印设备的控制系统内，生成喷头和工作平台规划路径的控制指令；控制系统控制工作平台和喷头按照规划路径移，将具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物料通过喷头喷出，使其粘贴在工作平台的层面或已沉积的模型混合物表面上；使用热源将混合物加热至金属粉末熔点以下的烧结温度，完成粘结剂的气化脱脂及金属粉末的烧结；重复前述两步骤，直至完成金属零件的打印成型。本发明将具有流变性的金属粉末和粘结剂混合物喷射成型，同步进行脱脂和烧结，可精确控制零件尺寸，适用于制造形状复杂的金属零件，无需注射模具，工艺简单实用，减少能耗。
Description
技术领域
本发明属于增材制造与金属粉末烧结技术领域，尤其是涉及一种基于增材制造工艺直接制造金属零部件的方法。
背景技术
目前，以3D打印为代表的增材制造已成为一项快速成形的主要工艺。可打印金属零件的3D打印技术包括：LOM(分层实体制造)、3DP(三维印刷)、SLS (选择性激光烧结)、SLM(选择性激光熔化)、LSF(激光立体成型)等。LOM成型原理是采用激光器按照CAD分层模型所获得的数据，用激光束将单面涂有热熔胶的薄膜材料的金属箔切割成设计原型某一层的内外轮廓，再通过加热辊加热，使刚切好的一层与下面切好的层面粘接在一起，通过逐层切割、粘合，最后将不需要的材料剥离，得到设计原型。LOM技术的材料利用率率低，制造的金属零件抗拉强度较差，且零件表面有台阶纹理。3DP打印利用喷头喷射的液体粘结剂，粘结铺设在粉床上的金属粉末成形，零件强度很低。
3D打印用于制造承受较大载荷的金属功能零件时，更多地应用SLS、SLM 和LSF技术。SLS主要是利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基本原理，通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然后逐层烧结堆积成型。铺粉滚筒先铺一层粉末材料，通过打印设备里的恒温设施将其加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，接着激光束在粉层上照射，使被照射的粉末温度升至熔化点之上，进行烧结并与下面已制作成形的部分实现黏结。当一个层面完成烧结之后，打印平台下降一个层厚的高度，铺粉滚筒为打印平台铺上新的粉末材料，然后控制激光束再次照射进行烧结，如此循环往复，层层叠加，直至完成整个三维物体的打印工作。由于是使用铺粉方式SLS打印后的金属零件孔隙较多，且往往强度不足，需要在烧结炉中进行二次烧结甚至三次烧结，或者金属熔渗工序，以得到致密且强度较高的金属零件。SLM与SLS打印过程非常相似，区别在于 SLM利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化，再经冷却凝固而成型，这种技术不需要二次烧结，但是能耗非常高。LSF也是采用激光熔化金属粉末的方法按照轮廓轨迹逐层堆积材料，故也存在能耗很高的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种无需成型模具和二次烧结的金属零件增材制造方法。
本发明的另一目的是提供一种金属零件增材制造装置。
本发明的技术解决方案是：一种金属零件增材制造方法，包括以下步骤：(1)、将零件的三维模型数据输入至3D打印设备的控制系统内，生成喷头和工作平台规划路径的控制指令；(2)、控制系统按照步骤1中的控制指令，控制工作平台和喷头按照规划路径移动，将具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物料通过喷头喷出，使其粘贴在工作平台的层面或已沉积的模型混合物表面上；(3)、使用热源将步骤(2)中的混合物加热至金属粉末熔点以下的烧结温度，完成粘结剂的气化脱脂及金属粉末的烧结，(4)、重复步骤2-3，直至完成金属零件的打印成型。
具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物通过喷头逐层射出成形，且同步进行粘结剂脱脂与烧结，喷头可以被精确控制具有流变性的混合物料射出的数量，有利于保证成型零件的尺寸控制精度，烧结后的金属零件表面不存在残余粉末，不必在制造后再予以清除，方便制造形状复杂的金属零件，工艺过程简单，结合了金属粉末射出成形工艺和3D打印技术，烧结温度低于金属熔点，能耗小。
在步骤(2)中还包括将3D打印设备的成型腔内抽真空或通入保护性惰性气体的步骤。方便为3D打印和烧结提供封闭的保护环境，提高成型质量。
所述具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物通过对经混炼、造粒的金属粉末和粘结剂混合物颗粒进行挤压、剪切和加热生成。这样能准确控制金属粉末颗粒粒径分布，改善金属粉末与粘结剂间的结合力，保证各分层烧结时间的稳定，进而有利于提升最终成型零件的外观质量、密度和强度性能。
本发明的另一技术解决方案是：一种金属零件增材制造装置，包括设有成型腔系统、工作台系统和控制系统的3D打印机，还包括分别与控制系统连接的供料系统和激光加热系统，其中工作台系统内包括容置成型零件的水平台面和控制水平台面上下移动的升降机构，供料系统包括给料漏斗、设置在成型腔内的喷头、设置在喷头上的供料加热装置，激光加热系统包括设置在成型腔系统外的激光器、用于将激光器产生的激光反射至成型零件上的扫描系统。
通过给料漏斗将金属粉末和粘结剂混合物送入喷头，并通过供料加热装置加热后喷涂在水平台面或成型零件表面上，通过控制喷头的路径实现金属粉末的射出成形零件，通过激光加热，同时实现粘结剂的气化脱脂和金属粉末烧结，水平台面可以上下移动，逐层进行金属粉末的射出成形和烧结，适用于制作复杂形状的金属零件，不需要注射模具便可以成形，也不需要二次烧结或金属熔渗，利用现有的3D打印设备和金属粉末射出喷头实现，结构简单实用。
本发明的又一技术解决方案是：一种金属零件增材制造装置，包括设有成型腔系统、工作台系统和控制系统的3D打印机，还包括分别与控制系统连接的供料系统和激光加热系统，其中工作台系统内包括容置成型零件的水平台面和控制水平台面上下移动的升降机构，供料系统包括给料漏斗、设置在成型腔内的喷头、设置在喷头上的供料加热装置，激光加热系统包括设置在成型腔系统外的预热激光器、脱脂激光器、烧结激光器，以及用于将预热激光器、脱脂激光器、烧结激光器产生的激光反射至成型零件上的扫描系统。
在现有的3D打印机内设置多激光器加热，通过给料漏斗将金属粉末和粘结剂混合物送入喷头，并通过供料加热装置加热后喷涂在水平台面或成型零件表面上，通过控制喷头的路径实现金属粉末的射出成形零件，通过多激光分别加热，逐次实现对沉积混合物进行预热、脱脂和烧结，这样既有利于对温度的精确控制，又有利于提升3D打印机的工作效率，水平台面可以上下移动，逐层进行金属粉末的射出成形和烧结，适用于制作复杂形状的金属零件，不需要注射模具便可以成形，也不需要二次烧结或金属熔渗，利用现有的3D打印设备和金属粉末射出喷头实现，结构简单实用。
本发明的一技术解决方案是：一种金属零件增材制造装置，包括设有成型腔系统、工作台系统和控制系统的3D打印机，还包括分别与控制系统连接的供料系统和气体加热系统，其中工作台系统内包括容置成型零件的水平台面和控制水平台面上下移动的升降机构，供料系统包括给料漏斗、设置在成型腔内的喷头、设置在喷头上的供料加热装置，气体加热系统包括设置在成型腔系统外的气体热源、延伸至成型腔内的气体通道以及设置在成型零件上方且与气体通道相通的导流罩。
在现有的3D打印机内设置高温气体加热，通过给料漏斗将金属粉末和粘结剂混合物送入喷头，并通过供料加热装置加热后喷涂在水平台面或成型零件表面上，通过控制喷头的路径实现金属粉末的射出成形零件，通过导流罩向沉积混合物表面吹入高温气体，逐次实现对沉积混合物进行预热、脱脂和烧结，这样既有利于对温度的精确控制，又有利于提升3D打印机的工作效率，水平台面可以上下移动，逐层进行金属粉末的射出成形和烧结，适用于制作复杂形状的金属零件，不需要注射模具便可以成形，也不需要二次烧结或金属熔渗，利用现有的3D打印设备和金属粉末射出喷头实现，结构简单实用。
所述成型腔系统包括与成型腔连通的抽真空充保护气系统。可以提高成型腔内的封闭性，保证成型金属零件的机械性质、外观和耐腐蚀性。
本发明的优点是：将具有流变性的金属粉末和粘结剂混合物喷射成型，同步进行脱脂和烧结，可以精确控制物料射出数量，精确控制零件尺寸，适用于制造形状复杂的金属零件，无需注射模具，工艺简单实用，烧结温度低于金属熔点，减少能耗。
附图说明
附图1为本发明实施例1的结构示意图；
附图2为本发明实施例1中喷头的结构示意图；
附图3为本发明实施例2的结构示意图；
附图4为本发明实施例3的结构示意图；
附图5为本发明实施例4的结构示意图；
附图6为本发明实施例5的结构示意图；
1、成型腔，2、给料漏斗，3、扫描系统，4、激光束，5、激光器，6、激光防护镜，7、抽真空充保护气装置，8、水平台面，9、升降机构，10、成型零件，11、喷头，12、加热供料装置，13、步进电机系统，14、螺杆， 15、测温传感器，16、止逆阀，17、料管，18、预热激光束，19、脱脂激光束，20、烧结激光束，21、预热激光器，22、脱脂激光器，23、烧结激光器，24、高温气体热源，25、炉腔防护装置，26、高温气体，27、气体通道，28、导流罩，29、激光光纤，30、激光耦合器，31、激光喷嘴，32、预热激光喷嘴，33、脱脂激光喷嘴，34、烧结激光喷嘴。
具体实施方式
实施例1：
参阅图1，为一种金属零件增材制造装置，包括设有成型腔系统、工作台系统和控制系统的3D打印机，以及分别与控制系统连接的供料系统和激光加热系统，其中工作台系统内包括容置成型零件10的水平台面8和控制水平台面8上下移动的升降机构9，供料系统包括给料漏斗2、设置在成型腔1内的喷头11、设置在喷头11上的供料加热装置12，激光加热系统包括设置在成型腔系统外的激光器5、用于将激光器5产生的激光束4反射至成型零件10上的扫描系统3。 3D打印机的成型腔1上设有抽真空充保护气装置7，可以为3D打印和烧结提供相对封闭的环境。为确保激光束4的顺利进入，在成型腔1上设有激光防护镜6，激光束4可以通过激光防护镜6进入成型腔1内。
图2中为一种喷头的结构，经过混炼、造粒的金属粉末和粘结剂混合物又进料漏斗2，进入料管17内，螺杆14在步进电机系统13的驱动下旋转，对混合颗粒进行挤压、剪切和加热。螺杆可分为进料区、压缩区和计量区，各段的槽深、螺旋角和螺距均有差别，分别适用不同颗粒直径的金属粉末注射成型。料管17内的热量由供料加热装置12提供，各分段的温度分布也有差别，由进料口至喷头各段的温度逐步上升。止逆阀16的功能在于当螺杆停止旋转时，可以挡住射料回流的通路。测温传感器15测量具有流变性的射料混合物的温度，作为控制系统判断的信号。流变混合物经喷头11处喷出。其中还可以使用由金属粉末和粘结剂的混合物拉丝成形的线材，在料管17内加热成具有流变性的混合物料后经喷头11喷出。喷头11喷出的混合物内部含粘结剂，必须先经过脱脂过程去除，然后再于高温环境中烧结，混合物经脱脂后，其内部形成孔隙，金属粉末在烧结过程中基于扩散产生移动，将孔隙填充，形成致密化的金属零件。
一种金属零件增材制造方法，包括以下步骤：
(1)、利用三维CAD造型软件(如CATIA\UG等)设计出零件的三维模型数据，并将文件格式转换成STL文件，然后将模型输送至3D打印设备的控制系统内，由切片软件STL文件分层，并根据每层的轮廓信息和设备参数，进行工艺规划，生成喷头和工作平台规划路径的控制指令；
(2)、参阅图1，抽真空充保护气装置7将成型腔1内抽成真空，然后通入保护下气体氩气，控制系统按照步骤1中的控制指令，控制工作平台和喷头按照规划路径移动，其中水平台面8按规划路径在X、Y方向上移动，将具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物料通过喷头11喷出，使其粘贴在工作平台水平台面8的层面上，然后通过升降机构9将水平台面8下降一截面层的高度 (0.02-0.1μm)，此时水平台面8上的混合物得到冷却；
(3)、使用大功率激光器5产生激光束4，通过扫描系统3对金属混合物进行扫描，将混合物加热至金属粉末熔点以下的烧结温度，以316L不锈钢粉末为例，粒径D80为1-10μm，采用石蜡基粘结剂与316L不锈钢粉末混炼制粒，密度为5.16g/cm3，烧结温度为1080-1250℃，激光束4在混合物表面保持一端时间，此时完成粘结剂的气化脱脂及金属粉末的烧结；
(4)、重复步骤2-3，直至完成金属零件的打印成型。
金属粉末颗粒的大小对于金属零件的性能、脱脂与烧结的速率都有很大的影响，其颗粒直径一般要求在25μm以下，平均粒径在10μm左右。对于Fe-Ni 系合金而言，其粉末更是要求多在10μm以下，平均粒径在5μm左右，甚至更小。金属粉末与粘结剂的混合物中，金属粉末所占体积比一般在在55-80％之间，金属体积比越高，混合物的流动性越差。粘结剂脱脂温度一般在200-500℃,在金属粉末烧结前,在加热温度上升的过程中,完成粘结剂热脱脂。采用激光束或高温气体等热源对金属混合物进行加热，将其加热至熔点以下的烧结温度，烧结温度多在1300℃以下，明显低于金属的熔点，以铁系金属粉末为例，烧结温度可低于熔点200-500℃。
实施例2
参阅图3，为另一种金属零件增材制造装置，包括设有成型腔系统、工作台系统和控制系统的3D打印机，以及分别与控制系统连接的供料系统和激光加热系统，其中工作台系统内包括容置成型零件10的水平台面8和控制水平台面8 上下移动的升降机构9，供料系统包括给料漏斗2、设置在成型腔1内的喷头11、设置在喷头11上的供料加热装置12，激光加热系统包括设置在成型腔系统外的预热激光器21、脱脂激光器22、烧结激光器23，以及用于将预热激光器21、脱脂激光器22、烧结激光器23产生的预热激光束18、脱脂激光束19、烧结激光束20分别反射至成型零件10上的扫描系统3。3D打印机的成型腔1上设有抽真空充保护气装置7，可以为3D打印和烧结提供相对封闭的环境。在成型腔 1上设有激光防护镜6，预热激光束18、脱脂激光束19、烧结激光束20可以通过激光防护镜6进入成型腔1内。
一种金属零件增材制造方法，包括以下步骤：
(1)、利用三维CAD造型软件(如CATIA\UG等)设计出零件的三维模型数据，并将文件格式转换成STL文件，然后将模型输送至3D打印设备的控制系统内，由切片软件STL文件分层，并根据每层的轮廓信息和设备参数，进行工艺规划，生成喷头和工作平台规划路径的控制指令；
(2)、参阅图3，抽真空充保护气装置7将成型腔1内抽成真空，然后通入保护下气体氩气，控制系统按照步骤1中的控制指令，控制工作平台和喷头按照规划路径移动，其中水平台面8按规划路径在X、Y方向上移动，将具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物料通过喷头11喷出，使其粘贴在工作平台水平台面8的层面上，然后通过升降机构9将水平台面8下降一截面层的高度 (0.02-0.1μm)，此时水平台面8上的混合物得到冷却；
(3)、使用预热激光器21、脱脂激光器22、烧结激光器23分别产生的预热激光束18、脱脂激光束19、烧结激光束20，通过扫描系统3对金属混合物进行扫描，使激光束按规划的扫描路径和速度对混合物进行预热、脱脂和烧结；
(4)、重复步骤2-3，直至完成金属零件的打印成型。
实施例2与实施例1的区别再于由预热激光器21、脱脂激光器22、烧结激光器23分别形成了激光束阵列，提供不同温度的热源，逐步对金属混合物进行预热、脱脂和烧结，这样有利于对温度的精确控制，也有利于提高3D打印机的工作效率，其他技术特征与实施例相同，在此不与赘述。
实施例3：
参阅图4，一种金属零件增材制造装置，包括设有成型腔系统、工作台系统和控制系统的3D打印机，以及分别与控制系统连接的供料系统和气体加热系统，其中工作台系统内包括容置成型零件10的水平台面8和控制水平台面8上下移动的升降机构9，供料系统包括给料漏斗2、设置在成型腔1内的喷头11、设置在喷头11上的供料加热装置12，气体加热系统包括设置在成型腔系统外的气体热源24、延伸至成型腔1内的气体通道27以及设置在成型零件10上方且与气体通道27相通的导流罩28。为方便气体通道27进入成型腔1，在成型腔1上设有炉腔防护装置25。
一种金属零件增材制造方法，包括以下步骤：
(1)、利用三维CAD造型软件(如CATIA\UG等)设计出零件的三维模型数据，并将文件格式转换成STL文件，然后将模型输送至3D打印设备的控制系统内，由切片软件STL文件分层，并根据每层的轮廓信息和设备参数，进行工艺规划，生成喷头和工作平台规划路径的控制指令；
(2)、参阅图1，抽真空充保护气装置7将成型腔1内抽成真空，然后通入保护下气体氩气，控制系统按照步骤1中的控制指令，控制工作平台和喷头按照规划路径移动，其中水平台面8按规划路径在X、Y方向上移动，将具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物料通过喷头11喷出，使其粘贴在工作平台水平台面8的层面上，然后通过升降机构9将水平台面8下降一截面层的高度 (0.02-0.1μm)，此时水平台面8上的混合物得到冷却；
(3)、使用气体热源24产生高温气体26，通过气体通道27送入成型腔1 内的导流罩28喷出，对金属混合物进行加热，将混合物加热至金属粉末熔点以下的烧结温度，以316L不锈钢粉末为例，粒径D80为1-10μm，采用石蜡基粘结剂与316L不锈钢粉末混炼制粒，密度为5.16g/cm3，烧结温度为1080-1250℃，由于高温气体26在导流罩中温度逐步降低，利用这个温度差别分别对金属混合物进行预热、脱脂和烧结；
(5)、重复步骤2-3，直至完成金属零件的打印成型。
其他技术特征与实施例1相同，在此不与赘述。
实施例4
参阅图5，为一种金属零件增材制造装置，包括设有成型腔系统、工作台系统和控制系统的3D打印机，以及分别与控制系统连接的供料系统和激光加热系统，其中工作台系统内包括容置成型零件10的水平台面8和控制水平台面8上下移动的升降机构9，供料系统包括给料漏斗2、设置在成型腔1内的喷头11、设置在喷头11上的供料加热装置12，激光加热系统包括设置在成型腔系统外的激光器5、设置在成形零件10上方的激光喷头31以及将激光器5产生的激光传输至激光喷头31上的激光光纤29，通过激光喷头31在成形零件10表面来回扫描对零件进行脱脂和烧结操作。3D打印机的成型腔1上设有抽真空充保护气装置7，可以为3D打印和烧结提供相对封闭的环境。其他技术特征与实施例1相同，在此不与赘述。
实施例5
参阅图6，为一种金属零件增材制造装置，包括设有成型腔系统、工作台系统和控制系统的3D打印机，以及分别与控制系统连接的供料系统和激光加热系统，其中工作台系统内包括容置成型零件10的水平台面8和控制水平台面8上下移动的升降机构9，供料系统包括给料漏斗2、设置在成型腔1内的喷头11、设置在喷头11上的供料加热装置12，激光加热系统包括设置在成型腔系统外的激光器5、激光耦合器30、分别设置在成形零件10上方的预热激光喷头32、脱脂激光喷头33、烧结激光喷头34，以及将激光器5产生的激光传输至激光耦合器30上的激光光纤29，通过激光耦合器30分别产生预热激光、脱脂激光、烧结激光，并分别通过三个激光喷头逐次扫描成形零件10表面，分别对零件进行预热、脱脂和烧结操作。3D打印机的成型腔1上设有抽真空充保护气装置7，可以为3D打印和烧结提供相对封闭的环境。其他技术特征与实施例1相同，在此不与赘述。
上列详细说明是针对发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (10)
1.一种金属零件增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、将零件的三维模型数据输入至3D打印设备的控制系统内，生成喷头和工作平台规划路径的控制指令；
(2)、控制系统按照步骤1中的控制指令，控制工作平台和喷头按照规划路径移动，将具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物料通过喷头喷出，使其粘贴在工作平台的层面或已沉积的模型混合物表面上；
(3)使用热源将步骤(2)中的混合物加热至金属粉末熔点以下的烧结温度，完成粘结剂的气化脱脂及金属粉末的烧结；
(4)、重复步骤2-3，直至完成金属零件的打印成型。
2.根据权利要求1所述的一种金属零件增材制造方法，其特征在于：在步骤(2)中还包括将3D打印设备的成型腔内抽真空或通入保护性惰性气体的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的一种金属零件增材制造方法，其特征在于：所述具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物通过对经混炼、造粒的金属粉末和粘结剂混合物颗粒进行挤压、剪切和加热生成。
4.根据权利要求1或2所述的一种金属零件增材制造方法，其特征在于：所述具有流变属性的金属粉末和粘结剂的混合物通过将金属粉末和粘结剂的混合物拉丝成线材后加热生成。
5.一种使用如权利要求1所述的金属零件增材制造方法的装置，包括设有成型腔系统、工作台系统和控制系统的3D打印机，其特征在于：还包括分别与控制系统连接的供料系统和激光加热系统，其中工作台系统内包括容置成型零件的水平台面和控制水平台面上下移动的升降机构，供料系统包括给料漏斗、设置在成型腔内的喷头、设置在喷头上的供料加热装置，激光加热系统包括设置在成型腔系统外的激光器、用于将激光器产生的激光反射至成型零件上的扫描系统。
6.根据权利要求5所述的一种金属零件增材制造装置，其特征在于：所述成型腔系统包括与成型腔连通的抽真空充保护气系统。
7.一种使用如权利要求1所述的金属零件增材制造方法的装置，包括设有成型腔系统、工作台系统和控制系统的3D打印机，其特征在于：还包括分别与控制系统连接的供料系统和激光加热系统，其中工作台系统内包括容置成型零件的水平台面和控制水平台面上下移动的升降机构，供料系统包括给料漏斗、设置在成型腔内的喷头、设置在喷头上的供料加热装置，激光加热系统包括设置在成型腔系统外的预热激光器、脱脂激光器、烧结激光器，以及用于将预热激光器、脱脂激光器、烧结激光器产生的激光反射至成型零件上的扫描系统。
8.根据权利要求7所述的一种金属零件增材制造装置，其特征在于：所述成型腔系统包括与成型腔连通的抽真空充保护气系统。
9.一种使用如权利要求1所述的金属零件增材制造方法的装置，包括设有成型腔系统、工作台系统和控制系统的3D打印机，其特征在于：还包括分别与控制系统连接的供料系统和气体加热系统，其中工作台系统内包括容置成型零件的水平台面和控制水平台面上下移动的升降机构，供料系统包括给料漏斗、设置在成型腔内的喷头、设置在喷头上的供料加热装置，气体加热系统包括设置在成型腔系统外的气体热源、延伸至成型腔内的气体通道以及设置在成型零件上方且与气体通道相通的导流罩。
10.根据权利要求9所述的一种金属零件增材制造装置，其特征在于：所述成型腔系统包括与成型腔连通的抽真空充保护气系统。
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