CN104668564A - 一种3d打印设备及用金属丝为原材料的3d打印成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印设备及用金属丝为原材料的3D打印成形方法，采用金属丝为原材料，通过电弧提供能量，在惰性气体保护的环境中，将金属丝熔化沉积，并逐层扫描堆积成特定形状的金属零件。3D打印设备包括3D打印机，打印机包括打印机机头，3D打印设备还包括电弧发生装置、机罩、惰性气体，打印机机头上设置有用于定位金属丝的金属丝导管；电弧发生装置、打印机机头和金属丝导管均位于机罩内，机罩内充满有惰性气体。电弧发生装置包括针状电极和基板。采用本发明3D打印设备进行3D打印成形，成形工艺方法简单，原材料容易制取价格低，设备相对来说造价低，降低了3D打印的零件成本；打印效率高，具有很好的实用推广价值。

Description

一种3D打印设备及用金属丝为原材料的3D打印成形方法

技术领域

本发明涉及金属零件的3D打印技术领域。

背景技术

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，一种快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。

以金属为原材料的3D打印技术，现在已经发展出了多种，这些技术的共同点，都是用粉末状的金属原材料，并通过激光提供能量进行烧结。

这些金属零件的3D打印技术，具有成形精度高，技术成熟的优点，但同时也有以下缺点：

1、设备昂贵，特别是激光发生器等部件的价值高，影响了3D打印的零件成本；

2、原材料为粉末状，需要足够细，其生产工艺复杂，价格昂贵，每公斤的价格为从几百到几万；

3、零件打印过程的效率不高，阻碍了3D打印技术的广泛应用，还只能用于特殊行业的特殊零件的制造。

经检索，现有技术中，申请号为201420250363.6的中国实用新型公开了一种基于电弧焊的金属3D打印机，其包括基座及设置在所述基座上的支架，所述基座上设置有沿X轴方向及Y轴方向移动的工作台，所述支架上设置有焊接装置；所述焊接装置与工作台相互之间远离运作。本发明基于电弧焊的金属3D打印机通过在基座上设置第一导座及第二导座，配合其中设置的第一丝杆及第二丝杆的运作完成对工作面板沿Y轴或X轴方向的动作，并通过Z轴方向设置的第三丝杆，调节焊接装置与工作面板之间的距离，使得焊接头上的焊丝能按照3D编程的设置逐层焊接，进而形成一个完整的3D固态物体形状产品，省去了开模过程中造成的原料损耗及增加了产品成型效率，同时也降低了产品制作成本。申请号：201420184205.5的中国实用新型公开了一种新型3D打印装置，它涉及打印设备技术领域，它包含底盘、机罩、打印机构、横向位移杆、纵向位移杆、搭建平台，底盘的上部设有机罩，横向位移杆的两端与机罩的内部两侧连接，且横向位移杆的中部活动连接有打印机构，打印机构的后侧设有纵向位移杆，底盘上设有搭建平台，它还包含排风扇、气体收集通道、气体收集器、气体净化器、排风通道，机罩的顶部设有排风扇，气体收集通道的一端与排风扇连接，且气体收集通道的另一端设有气体收集器，气体收集器的内部一侧设有气体净化器，且气体收集器的一侧设有排风通道。它能够减少打印机在使用过程中毒气的产生，维护了工作人员的身体健康，保护了环境。以上现有技术均不是以金属丝为原料打印金属零件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种3D打印设备及用金属丝为原材料的3D打印成形方法，其能以金属丝为原料打印金属零件。

本发明的技术方案是：一种3D打印设备，包括3D打印机，所述3D打印机包括打印机机头，所述3D打印设备还包括电弧发生装置、机罩、惰性气体，所述打印机机头上设有用于定位金属丝的金属丝导管；所述电弧发生装置、打印机机头和金属丝导管均位于机罩内，所述机罩内充满有惰性气体。

所述电弧发生装置包括针状电极和基板；所述针状电极安装在打印机机头上，所述基板位于金属丝导管和针状电极的下方。

所述机罩连接基板且机罩和基板围成一个密闭空间；所述打印机机头、金属丝导管、针状电极均位于该密闭空间内。

所述针状电极为钨针电极。

所述3D打印设备还包括位于基板下面的底板，所述机罩连接底板且机罩和底板围成一个密闭空间；所述打印机机头、金属丝导管、针状电极和基板均位于该密闭空间内。

本发明还提供另一种3D打印设备，包括3D打印机，所述3D打印机包括打印机机头，所述3D打印设备还包括电弧发生装置，所述打印机机头上设置有用于定位金属丝的金属丝导管；所述电弧发生装置包括针状电极、基板和能在局部区域形成惰性气体屏障的惰性气体喷射装置；所述针状电极安装在打印机机头上，所述基板位于金属丝导管和针状电极的下方。

所述惰性气体喷射装置安装在打印机机头的下方，喷射出的惰性气体环形气流包围住电弧区域，形成保护屏障。

一种用金属丝为原材料的3D打印成形方法，采用金属丝为原材料，将金属丝安装在3D打印机上，通过安装有针状电极和基板的电弧发生装置，在针状电极和基板之间产生电弧形成电弧区域，使金属丝的一端在电弧区域内连续熔化，沉积在基板上，3D打印机在计算机控制下按照计算机程序预先设定的路线在同一平面内连续扫描，使熔化的金属丝冷却后堆积成预定形状的薄片；然后在已堆积好的薄片的表面再堆积成另一层薄片，经过多层的薄片堆积形成预定形状的金属零件。

整个打印堆积过程在惰性气体保护的环境中进行：将打印设备用机罩进行封闭，在封闭空间内充满惰性气体，或者，在金属丝熔化堆积的区域形成局部的惰性气体屏障。

采用上述3D打印设备进行打印，包括如下步骤：

A、将要打印的零件在计算机中形成虚拟的三维模型，并进行切片转换，数据输送到3D打印机中；

B、关闭好机罩，向机罩内输入惰性气体并排出机罩内部原有的空气；

C、启动3D打印机，根据切片数据，打印机机头在计算机控制下由电机驱动移动，进行平面扫描；

D、在扫描的同时，针状电极与基板之间持续产生电弧，金属丝的一端被持续地送入到电弧中，在电弧中熔化并堆积平铺在基板上，形成一层金属薄片，其形状由扫描轨迹控制，对应于第一层切片数据；

E、打印机机头自动上移或基板自动下沉一个预定的高度值，重新进行上述步骤的堆积金属薄片操作，对应于第二层切片数据，两层薄片熔合在一起；

F、按上述步骤重复进行堆积金属薄片操作，完成全部切片数据的薄片堆积，形成零件毛坯，3D打印机停止工作；

G、开启机罩，待零件毛坯冷却后在取出，对零件毛坯进行清理修磨，得到要打印的零件成品。

采用本发明进行3D打印成形，能以金属丝为原料打印金属零件，成形工艺方法简单，原材料容易制取、价格低，设备相对来说造价低，从而降低了3D打印的零件成本。打印效率高，能广泛用于特殊行业及其他行业的多种零件的制造，有利于3D打印技术的广泛应用，具有很好的实用推广价值。

附图说明

图1为本发明3D打印设备的结构和使用状态示意图。

其中：1、钨针电极，2、金属丝，3、打印机机头，4、要打印的零件，5、基板，6、机罩，7、惰性气体，8、电弧，9、金属丝导管。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，一种3D打印设备，包括3D打印机、钨针电极1、基板5、机罩6、惰性气体7，所述打印机包括打印机机头3，钨针电极安装在打印机机头上，打印机机头上设置有用于定位金属丝2的金属丝导管9；机罩连接在基板上，也可连接在基板的外侧面，采用密封式连接，使机罩内形成一个密闭空间，密闭空间内充满惰性气体(如氩气、氦气)，机罩可以开启和关闭。打印机机头、金属丝导管、钨针电极均位于该密闭空间内。使用时，钨针电极和基板之间产生电弧8，通过3D打印机将要打印的零件4打印出来。可将电弧发生装置的除钨针电极和基板之外的其他组成部分(图中未标出)设置在机罩之外。

3D打印机根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层熔合起来，得到所需制造的立体的零件。整个过程是在电脑的控制下，由3D打印机系统自动完成的。选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。

现有3D打印机技术中，以金属为原材料的，都是采用金属粉末为原材料，实现使用高熔点金属直接烧结成型零件。

本发明可采用金属丝为原材料，通过电弧提供能量，在惰性气体保护的环境中，将金属丝熔化沉积，并逐层扫描堆积成特定形状的金属零件。

一种用金属丝为原材料的3D打印成形方法，用于制备零件(金属零件)，用金属丝为原材料，原材料可以是各种金属材质或合金材质，通过电弧发生装置，在针状电极和基板之间产生电弧，金属丝的一端在电弧区域内连续熔化，沉积在基板上，打印设备按照电脑预先设定的路线在同一平面内连续扫描，熔化的金属丝冷却后就堆积成一定形状的薄片，打印设备在该薄片的表面再堆积成另一层薄片，经过多层的薄片堆积最终形成特定形状的金属零件整体。整个堆积过程需要在惰性气体保护的环境中进行，可将打印设备进行封闭，内腔充满高纯度的惰性气体。

上述3D打印设备还可包括能将金属丝源源不断地送入电弧区域的金属丝输送装置(如设置在打印机机头上)和能使打印机机头上移的上移装置。电弧发生装置还可包括能使基板下沉的下沉装置，下沉装置可设置在基板下面，使基板连同机罩一起下沉，也可基板与机罩之间采用活动连接使机罩不动时基板可在下沉装置作用下下沉；还可在基板下面增设底板，将机罩连接在底板上，下沉装置安装在基板和底板之间。所述金属丝输送装置、上移装置和下沉装置均与计算机连接并在计算机控制下在整个3D打印成形过程中自动作相应的配合运动。

上述3D打印成形方法，可采用上述3D打印设备，通过计算机进行控制，该打印设备的工作过程如下：

1、将要打印的零件在计算机中形成虚拟的三维模型，并进行切片转换，数据输送到打印机中。

2、关闭好机罩，向内输入惰性气体并排出内部的空气，惰性气体可以是氩气或氦气等。

3、启动打印机(即3D打印机)，根据切片数据，打印机机头在电脑程序控制下由电机驱动而自动移动，并进行稳定速度的平面扫描。

4、在扫描的同时，钨针电极与基板之间持续产生高温电弧，金属丝材料的一端被持续地送入到电弧中，在电弧中熔化并堆积平铺在基板上，最后形成一层金属薄片，其形状由扫描轨迹控制，对应于第一层切片数据。

5、机头自动上移或基板自动下沉一个确定的高度值，重新进行上一步骤的堆积金属薄片，对应于第二层切片数据，薄片的形状可能与上一次的薄片有一定的差异，两层薄片之间完全熔合在一起。

6、不断地重复进行堆积金属薄片，完成全部切片数据的薄片堆积，最终形成一个金属实体(零件毛坯)，打印机停止工作。

7、开启机罩，待堆积成的金属实体冷却到一定的温度后在取出，并对金属实体进行必要的清理修磨，成为一个3D打印的金属零件。

实施例二：

与实施例一不同的地方是：在上述3D打印设备中，不使用机罩而采用惰性气体喷射装置，所述惰性气体喷射装置安装在打印机机头的下方，能够喷射出惰性气体环形气流。

与此相对应，用金属丝为原材料的3D打印成形方法，采用该3D打印设备进行打印时，不是采用机罩，而是通过惰性气体喷射装置喷射惰性气体从而在金属丝熔化堆积的区域形成局部的惰性气体保护屏障。除与实施例一相冲突之处外，其他内容与实施例一相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例，本发明的保护范围不限于此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印设备，包括3D打印机，所述3D打印机包括打印机机头，其特征是，所述3D打印设备还包括电弧发生装置、机罩、惰性气体，所述打印机机头上设置有用于定位金属丝的金属丝导管；所述电弧发生装置、打印机机头和金属丝导管均位于机罩内，所述机罩内充满有惰性气体。

2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征是，所述电弧发生装置包括针状电极和基板；所述针状电极安装在打印机机头上，所述基板位于金属丝导管和针状电极的下方。

3.根据权利要求2所述的3D打印设备，其特征是，所述机罩连接基板且机罩和基板围成一个密闭空间；所述打印机机头、金属丝导管、针状电极均位于该密闭空间内。

4.根据权利要求2所述的3D打印设备，其特征是，所述针状电极为钨针电极。

5.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征是，还包括位于基板下面的底板，所述机罩连接底板且机罩和底板围成一个密闭空间；所述打印机机头、金属丝导管、针状电极和基板均位于该密闭空间内。

6.一种3D打印设备，包括3D打印机，所述3D打印机包括打印机机头，其特征是，所述3D打印设备还包括电弧发生装置，所述打印机机头上设置有用于定位金属丝的金属丝导管；所述电弧发生装置包括针状电极、基板和能在局部区域形成惰性气体屏障的惰性气体喷射装置；所述针状电极安装在打印机机头上，所述基板位于金属丝导管和针状电极的下方。

7.根据权利要求6所述的3D打印设备，其特征是，所述惰性气体喷射装置安装在打印机机头的下方。

8.一种用金属丝为原材料的3D打印成形方法，其特征是，采用金属丝为原材料，将金属丝安装在3D打印机上，通过安装有针状电极和基板的电弧发生装置，在针状电极和基板之间产生电弧形成电弧区域，使金属丝的一端在电弧区域内连续熔化，沉积在基板上，3D打印机在计算机控制下按照计算机程序预先设定的路线在同一平面内连续扫描，使熔化的金属丝冷却后堆积成预定形状的薄片；然后在已堆积好的薄片的表面再堆积成另一层薄片，经过多层的薄片堆积形成预定形状的金属零件。

9.根据权利要求8所述的用金属丝为原材料的3D打印成形方法，其特征是，整个打印堆积过程在惰性气体保护的环境中进行：将打印设备用机罩进行封闭，在封闭空间内充满惰性气体，或者，在金属丝熔化堆积的区域形成局部的惰性气体保护屏障。

10.根据权利要求8所述的用金属丝为原材料的3D打印成形方法，其特征是，采用权利要求1至7中任一项所述的3D打印设备进行打印，包括如下步骤：

A、将要打印的零件在计算机中形成虚拟的三维模型，并进行切片转换，数据输送到3D打印机中；

B、关闭好机罩，向机罩内输入惰性气体；

C、启动3D打印机，根据切片数据，打印机机头在计算机控制下由电机驱动移动，进行平面扫描；

D、在扫描的同时，针状电极与基板之间持续产生电弧，金属丝的一端被持续地送入到电弧中，在电弧中熔化并堆积平铺在基板上，形成一层金属薄片，其形状由扫描轨迹控制，对应于第一层切片数据；

E、打印机机头自动上移或基板自动下沉一个预定的高度值，重新进行上述步骤的堆积金属薄片操作，对应于第二层切片数据，两层薄片熔合在一起；

F、按上述步骤重复进行堆积金属薄片操作，完成全部切片数据的薄片堆积，形成零件毛坯，3D打印机停止工作；

G、开启机罩，待零件毛坯冷却后在取出，对零件毛坯进行清理修磨，得到要打印的零件成品。