本发明属于3d打印技术领域，具体涉及一种适用于多种材料的微波烧结3d打印装置及其打印工艺。
背景技术：
随着工业4.0概念及中国制造2025计划的提出，3d打印这一新形技术逐渐走入人们的视野。它以数字模形文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体。目前3d打印的应用领域正在迅速扩张。在消费电子、航空航天、医学和汽车制造等行业，3d打印可以以较短的生产周期和较高的自由度生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造形。
现有金属3d打印设备的主要技术是粉床高能束选区烧结，即在粉床上铺设一层金属粉末，然后采用精密聚焦的激光束或电子束等高能束在事先设定好的路径上进行选择性扫描烧结，通过重复的逐层铺粉、逐层选择性烧结，最终实现零件成形。然而，这种粉床高能束选区烧结存在以下不足：（1）金属3d打印设备的工作原理是通过重复的逐层铺粉、逐层选择性烧结，最终实现零件成形，这种打印方式不仅耗时长，而且会造成不必要的能源的浪费。（2）零件因高能束产生较大温度梯度和热应力导致零件的变性、开裂等原因造成成形困难；（3）打印所用材料单一，打印工件类型受限；（4）原料粉末用量大，造成浪费；（5）传统的金属3d打印普遍都需要一台高质量的激光器，目前国内基本依赖进口，价格昂贵，给3d打印技术民用化进程造成了阻碍，成本高。
近年来发展起来并受到高度关注的微波烧结技术，其利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料在电磁场中的介质损耗使其整体被加热至烧结温度而实现致密化。与传统加热方式不同，它是一种整体加热，具有升温速度快、烧结时间短、效率高，加热材料多样并可选择以及安全、灵活、可控等特点。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提出一种适用于多种材料的微波烧结3d打印装置，该装置采用微波烧结技术结合其他技术，本发明的3d打印装置适用范围更广，即装置可以制造出结构复杂、体积更大和高度更高的工件。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本实施例提供一种适用于多种材料的微波烧结3d打印装置，所述微波烧结3d打印装置包括送粉布料系统、电源系统、真空系统、微波屏蔽室、液压系统和计算机数控系统；如图1所示，所述3d打印装置还包括一成形系统；
所述成形系统包括一微波发生器，所述微波发生器用于对3d打印工件进行一次性烧结。
进一步地，所述送粉布料系统、所述液压系统和所述成形系统设置在所述真空系统中；所述真空系统设置在所述微波屏蔽室中；所述电源系统与所述计算机数控系统连接并均设置在所述真空系统及所述微波屏蔽室外；所述电源系统通过航空插头穿过所述真空系统和所述微波屏蔽室后，分别与所述送粉布料系统、所述成形系统和所述液压系统连接；所述计算机数控系统通过航空插头穿过所述真空系统和所述微波屏蔽室后，与所述送粉布料系统、所述成形系统及所述液压系统连接。
进一步地，所述成形系统还包括：上压力导柱、上基板、成形室、下基板和下压力导柱；
所述微波发生器设置在所述上基板的上侧平面；所述上压力导柱从所述微波发生器穿过并与所述上基板上侧平面的中间位置连接；所述成形室内底部设置作为底部支撑的所述下基板；所述下压力导柱与所述下基板下侧平面的中间位置连接；所述上压力导柱和所述下压力导柱与所述液压系统连接。
进一步地，所述送粉布料系统包括微型螺旋送料装置、机械臂和震荡送粉头；
所述微型螺旋送料装置设置在所述机械臂上；所述震荡送粉头与所述微型螺旋送料装置连接。
进一步地，所述送粉布料系统还包括一转盘式结构，所述转盘式结构与所述微型微型螺旋送料装置的底部连接。
进一步地，所述微型螺旋送料装置为双通道结构。
进一步地，所述双通道结构中两通道填充的粉体材料相同或不同。
进一步地，所述电源系统包括微波管电源。
进一步地，所述的微波烧结3d打印装置适用的多种材料为金属材料、高分子材料、陶瓷或陶瓷复合材料。
一种应用适用于多种材料的微波烧结3d打印装置的打印工艺，步骤如下：
（1）预置第一层粉体的厚度：所述下基板从所述成形室底部上升直至所述成形室与所述下基板之间形成的深度与预填充的第一层粉体的厚度相等，此时，第一层粉体的厚度预置完毕；
（2）一层粉体填充：所述微型螺旋送料装置将工件原材料粉末和微波透明粉体送入所述震荡送粉头中，所述震荡送粉头由所述机械臂带动，所述震荡送粉头沿平面内指定路径选择性送出工件原材料粉末以及作为支撑粉末的所述微波透明粉体，所述微波透明粉体通过震荡送粉头输出后填充在所述成形室内，形成成形工件的型腔；在此层进行逐行填充，直至得到此层所在的3d打印切片的形状后，一层粉体填充完毕；
（3）一层粉体的压实：当一层粉体填充完毕后，所述送粉布料系统从侧面撤出，随后，所述上基板下降至与此层粉体接触后，由所述上压力导柱和所述下压力导柱同时施加压力，此时，所述上基板呈压下状态，实现此层粉体的压实；
（4）预置下一层粉体的厚度：单层粉体压实预成形后，所述上基板升起，同时，所述下基板下降至所述成形室与上一层粉体表面之间形成的深度与预填充的下一层粉体的厚度相等，随后，所述送粉布料系统进入所述成形室上方，准备开始下一层粉体的填充；
（5）工件的预成形：重复步骤（2）、（3）和步骤（4），直至最后一层粉末填充及压实完毕，完成工件的预成形；
（6）微波一次性烧结定形：当最后一层粉末填充及压实完毕后，保持所述上基板压下状态，同时，所述微波发生器对所述成形室内的预成形工件整体通过一次性微波烧结完成工件的成形及致密化；
（7）热处理：当步骤中的微波烧结过程结束后，保持所述上基板压下状态，对所述成形室内的工件整体进行热处理，以提高工件的质量。工件的3d打印完成。
进一步地，所述微波透明粉体材料为：微晶材料、硅硼材料或陶瓷材料。
本发明所带来的有益技术效果是：
（1）本发明的微波烧结3d打印装置及打印工艺采用逐层压实、一次性微波烧结的方式，结合装置其他设备，可以制造出结构复杂、体积更大和高度更高的工件。
（2）本发明采用了选择性送粉和微波烧结的打印工艺，实现多层金属、陶瓷及其复合材料结构的工件制造。
（3）本发明的装置的微型螺旋送料装置为双通道结构，因而，装置可实现多通道、多工位同步逐层布料，高通量制备块体金属、陶瓷及其复合材料。
（4）本发明采用了高精度的微型螺旋送料装置，代替传统的铺粉滚轮或者铺粉刷结构，从而有效防止了周边飞溅氧化物在铺粉过程中的污染，提高了粉体原材料的利用率。
（5）本发明的微波烧结3d打印装置的打印工艺在3d成形过程中通过上基板的压粉作用，得到精度更高、质量更好的3d打印工件。
（6）本发明的装置与传统3d打印机相比，制作成本大大降低，为新材料的增材制造技术开发提供了新的装置和方法，对3d打印技术的推广普及具有重要意义。
（7）本发明的适用于多种材料的微波烧结3d打印装置及其打印工艺铺粉灵活、适应性强，可以完成目前粉床高能束选择性烧结3d打印较难做到的“三明治”结构，甚至更加复杂的多层金属、陶瓷及其复合材料结构，用途广泛。
附图说明
图1为本发明的一种适用于多种材料的微波烧结3d打印装置的结构示意图。
附图标记说明：1-上压力导柱，2-微波发生器，3-上基板，4-送粉导管，5-震荡送粉头，6-机械臂，7-微型螺旋送料装置，8-成形室，9-成形工件，10-微波透明粉体，11-下基板，12-下压力导柱，13-真空系统，14-微波屏蔽室。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
本实施例提供一种适用于多种材料的微波烧结3d打印装置，所述3d打印装置包括送粉布料系统、电源系统、真空系统13、微波屏蔽室14、液压系统和计算机数控系统；如图1所示，所述微波烧结3d打印装置还包括一成形系统；
所述成形系统包括一微波发生器2，所述微波发生器2用于对3d打印工件进行一次性烧结。
所述送粉布料系统、所述液压系统和所述成形系统设置在所述真空系统中；所述真空系统13设置在所述微波屏蔽室14中；所述电源系统与所述计算机数控系统连接并均设置在所述真空系统13及所述微波屏蔽室14外；所述电源系统通过航空插头穿过所述真空系统13和所述微波屏蔽室14后，分别与所述送粉布料系统、所述成形系统和所述液压系统连接；所述计算机数控系统通过航空插头穿过所述真空系统13和所述微波屏蔽室14后，与所述送粉布料系统、所述成形系统及所述液压系统连接。
所述成形系统还包括：上压力导柱1、上基板3、成形室8、下基板11和下压力导柱12；
所述微波发生器2设置在所述上基板3的上侧平面；所述上压力导柱1从所述微波发生器2穿过并与所述上基板3上侧平面的中间位置连接；所述成形室8内底部设置作为底部支撑的所述下基板11；所述下压力导柱12与所述下基板11下侧平面的中间位置连接；所述上压力导柱1和所述下压力导柱12与所述液压系统连接。
所述送粉布料系统包括微型螺旋送料装置7、机械臂6和震荡送粉头5；
所述微型螺旋送料装置7设置在所述机械臂6上；所述震荡送粉头5与所述微型螺旋送料装置7连接。
所述送粉布料系统由计算机数控系统控制完成指定路径以及不同粉体的协同送出。
所述送粉布料系统还包括一转盘式结构，所述转盘式结构与所述微型微型螺旋送料装置7的底部连接。
所述微型螺旋送料装置7为双通道结构。
所述双通道结构中两通道填充的粉体材料相同或不同。
所述电源系统包括微波管电源。
所述的微波烧结3d打印装置适用的多种材料为金属材料、高分子材料、陶瓷或陶瓷复合材料。
一种应用适用于多种材料的微波烧结3d打印装置的打印工艺，步骤如下：
（1）预置第一层粉体的厚度：所述下基板11从所述成形室8底部上升直至所述成形室8与所述下基板11之间形成的深度与预填充的第一层粉体的厚度相等，此时，第一层粉体的厚度预置完毕；
（2）一层粉体填充：所述微型螺旋送料装置7将工件原材料粉末和微波透明粉体10送入所述震荡送粉头5中，所述震荡送粉头5由所述机械臂6带动，所述震荡送粉头5沿平面内指定路径选择性送出工件原材料粉末以及作为支撑粉末的所述微波透明粉体10，所述微波透明粉体10通过震荡送粉头5输出后填充在所述成形室8内，形成成形工件的型腔；在此层进行逐行填充，直至得到此层所在的3d打印切片的形状后，一层粉体填充完毕；
（3）一层粉体的压实：当一层粉体填充完毕后，所述送粉布料系统从侧面撤出，随后，所述上基板3下降至与此层粉体接触后，由所述上压力导柱1和所述下压力导柱12同时施加压力，此时，所述上基板3呈压下状态，实现此层粉体的压实；
（4）预置下一层粉体的厚度：单层粉体压实预成形后，所述上基板3升起，同时，所述下基板11下降至所述成形室与上一层粉体表面之间形成的深度与预填充的下一层粉体的厚度相等，随后，所述送粉布料系统进入所述成形室8上方，准备开始下一层粉体的填充；
（5）工件的预成形：重复步骤（2）、（3）和步骤（4），直至最后一层粉末填充及压实完毕，完成工件的预成形；
（6）微波一次性烧结定形：当最后一层粉末填充及压实完毕后，保持所述上基板3压下状态，同时，所述微波发生器2对所述成形室8内的预成形工件整体通过一次性微波烧结完成工件的成形及致密化；
（7）热处理：当步骤（6）中的微波烧结过程结束后，保持所述上基板3压下状态，对所述成形室8内的工件整体进行热处理，以提高工件的质量。工件的3d打印完成。
所述微波透明粉体10材料为微晶材料、硅硼材料或陶瓷材料。
本发明的3d打印装置及打印工艺采用逐层压实、一次性微波烧结的方式制造工件，制造过程简述为：首先，装置打印工艺采用预设路径的逐层选择性铺粉方式铺设所述工件原材料粉末，所述工件原材料粉末周围区域采用上述铺粉方式填充所述微波透明粉体10；装置通过所述上基板3、所述上压力导柱1和所述下压力导柱12的压实作用，逐层完成工件在所述成形室8内的预成形；随后，采用微波烧结技术对所述成形室8内预成形粉体进行一次性固化烧结，最终实现工件的整体成形及致密化。本发明的3d打印装置采用微波烧结技术并结合装置其他设备，可以制造出结构复杂、体积更大和高度更高的工件。
本发明所述打印工艺的整个过程中，工件的三维模形（stl文件）由cad制图软件制作并进行切片处理，所述送粉布料系统由计算机数控系统控制完成指定路径以及不同粉体的协同送出。