本发明涉及金属3d打印技术领域，具体涉及一种基于半固态成形技术的金属3d打印设备。
背景技术：
目前，金属3d打印设备由激光发生器、送粉机构、冷却机构与工作平台组成，主要通过激光照射金属粉末，将金属粉末熔化，按照预定路线一层一层的堆积起来的方法制造零件。但是该种方法制造效率低、成本高，一般只适用于产品的试制，无法应用在大体积零件的批量生产当中；由于要将金属粉末熔化，必须通过激光发生器产生的高能激光加热才可实现，增加了设备能耗；同时打印出的金属微观组织分布不均匀，降低了零件疲劳性能。另一种金属3d打印设备通过熔化金属细丝再将熔融态金属粘接在一起的方式实现增材制造，这种设备缺点也十分明显，将金属加热至熔融态将消耗大量的能量，另一方面，熔融金属表面接触空气将会产生氧化皮，掺杂进打印的零件内部将影响成形零件性能。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于半固态成形技术的金属3d打印设备，通过挤压半固态金属实现3d打印，大大提高了作业效率；由于只需将坯料加热至半固态温度区间，相较于激光烧结节约了能源；坯料出口附近安放超声波振动辊轮，提高了组织的均匀与致密性；在真空箱内成形零件结合自带的脱皮系统可以使坯料在进入挤压筒下部时就已经脱去氧化皮同时避免二次氧化的产生，减少了氧化物对于组织带来的负面影响。
为达到上述目的，本发明所采用技术方案为：
一种基于半固态成形技术的金属3d打印设备，包括基座8，基座8上方连接有机架6，基座8上连接有真空箱5，真空箱5的底部连接三坐标工作平台7，三坐标工作平台7的一侧设有挤压废料堆放台13，三坐标工作平台7的上方设有挤压弯头12，挤压弯头12的侧方设有伺服压辊9，伺服压辊9连接在旋转圆盘10上，旋转圆盘10与真空箱5上部形成具有气密性的旋转副连接；
所述的挤压弯头12的上端通过螺纹和下挤压筒4的底端连接，下挤压筒4的上端和上挤压筒2的下端连接，上挤压筒2的顶端和液压缸1连接，液压缸1的液压活塞在上挤压筒2、下挤压筒4的内腔做上下垂直运动；
所述的下挤压筒4通过深沟推力球轴承15与机架6连接，下挤压筒4中部法兰与旋转圆盘10连接。
所述的上挤压筒2通过连接片2-3与下挤压筒4上端相连，上下挤压筒连接处为径缩圆周槽2-2，在上挤压筒2的一侧开有连续进料口2-1；下挤压筒4靠近径缩圆周槽2-2处外侧连接有带轮4-2，带轮4-2通过传动带14与伺服电机11相连，伺服电机11固定在机架6上；带轮4-2下端与深沟推力球轴承15的上圈固接在一起，推力轴承15下圈与机架6固接在一起。
所述的下挤压筒4下部与挤压弯头12的夹层中设有中频加热线圈4-1。
所述的伺服压辊9包括压辊9-3，压辊9-3通过旋转副与超声波变幅杆9-2下端连接，可沿超声波变幅杆9-2高度方向自由滚动；超声波变幅杆上9-2上端与超声波发生器9-1下端固接在一起；超声波发生器9-1上端设有调节螺母9-4，超声波发生器9-1中部法兰与旋转圆盘10连接。
一种基于半固态成形技术的金属3d打印设备的打印方法，包括以下步骤：
步骤1，将变形应变为0.2～0.6铝合金棒料利用电磁感应加热炉加热至半固态温度区间，保温5-20min，获得半固态坯料3，并将其迅速放入具有中频加热线圈4-1的上挤压筒2的连续进料口2-1内，挤压筒温度与半固态热处理温度一致，使半固态坯料3与上挤压筒2同心；
步骤2，液压缸1液压活塞带动半固态坯料3向下移动，半固态坯料3通过径缩圆周槽2-2时，由于直径大于下端圆周直径，在挤压的过程中表面氧化皮被槽切去；
步骤3，半固态坯料3去皮完成后立即在上挤压筒2的连续进料口放入新的半固态坯料3，实现连续挤压；
步骤4，半固态坯料3在下挤压筒4中部由中频加热线圈4-1加热至半固态，最终由挤压弯头12挤出；
步骤5，挤压弯头12挤出的半固态坯料3附着在三坐标工作平台7或者前一层成形坯料上，再由压辊9压实半固态坯料3，同时利用超声波细化晶粒；
步骤6，通过三坐标工作平台7的移动与上挤压筒2、下挤压筒4自身的旋转实现复杂零件的成形，协调液压缸1活塞的进给速度与压辊9的压下量，调节3d打印的单层厚度与宽度；
步骤7，零件成形完毕后，打开真空箱5，将零件取出。
所述的半固态坯料3为铝合金或镁合金。
本发明的有益效果是通过使用半固态金属材料进行挤压与超声波振动相结合的方式，避免了传统金属3d打印技术的加热效率低、设备成本高、微观组织不均匀的缺点，其优点概括如下：通过挤压半固态金属实现3d打印，大大提高了作业效率；由于只需将坯料加热至半固态温度区间，相较于激光烧结节约了能源；坯料出口附近安放超声波振动辊轮，大大提高了组织的均匀与致密性；在真空箱内成形零件结合自带的脱皮系统可以使坯料在进入挤压筒下部时就已经脱去氧化皮同时避免二次氧化的产生，减少了氧化物对于组织带来的负面影响。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明挤压筒局部结构示意图。
图3为本发明超声波振动压辊局部结构示意图。
图4为本发明径缩圆周槽2-2结构示意图。
图5为本发明控制打印厚度与宽度示意图。
图6为本发明实施例的6061铝合金半固态坯料的微观组织。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
参照图1，一种基于半固态成形技术的金属3d打印设备，包括基座8，基座8上方连接有机架6，机架6为c形机架，机架6通过4根螺钉与基座8相连；机架6内部的基座8上连接有真空箱5，真空箱5通过螺钉与基座8连接，真空箱5的底部通过螺栓连接三坐标工作平台7，三坐标工作平台7的一侧设有挤压废料堆放台13，三坐标工作平台7的上方设有挤压弯头12，挤压弯头12的侧方设有伺服压辊9，伺服压辊9连接在旋转圆盘10上，旋转圆盘10与真空箱5上部形成具有气密性的旋转副连接；
所述的挤压弯头12的上端通过螺纹和下挤压筒4的底端连接，下挤压筒4的上端和上挤压筒2的下端连接，上挤压筒2的顶端和液压缸1连接，液压缸1的液压活塞在上挤压筒2、下挤压筒4的内腔做上下垂直运动；
所述的下挤压筒4通过深沟推力球轴承15与机架6连接，下挤压筒4中部法兰与旋转圆盘10通过螺栓连接。
参照图2和图4，所述的上挤压筒2通过连接片2-3与下挤压筒4上端相连，上下挤压筒连接处为径缩圆周槽2-2，在上挤压筒2的一侧开有连续进料口2-1；下挤压筒4靠近径缩圆周槽2-2处外侧连接有带轮4-2，带轮4-2通过传动带14与伺服电机11相连，伺服电机11通过螺栓固定在机架6上；带轮4-2下端与深沟推力球轴承15的上圈固接在一起，推力轴承15下圈与机架6固接在一起。
所述的下挤压筒4下部与挤压弯头12的夹层中设有中频加热线圈4-1。
参照图3，所述的伺服压辊9包括压辊9-3，压辊9-3通过旋转副与超声波变幅杆9-2下端连接，可沿超声波变幅杆9-2高度方向自由滚动；超声波变幅杆上9-2上端与超声波发生器9-1下端固接在一起；超声波发生器9-1上端设有调节螺母9-4，超声波发生器9-1中部法兰与旋转圆盘10通过螺钉连接。
下面结合实施例对本发明的打印方法作详细描述。
一种基于半固态成形技术的金属3d打印设备的打印方法，包括以下步骤：
步骤1，将变形应变为0.2～0.6的6061铝合金棒料利用电磁感应加热炉加热至579～658℃半固态温度区间，液相分数为0.15～0.45，并保温5～15min，将获得的球状晶粒平均等效直径为50～80μm的半固态坯料3迅速放入具有中频加热线圈4-1的上挤压筒2的连续进料口2-1内，挤压筒温度与半固态热处理温度一致，并使半固态坯料3与上挤压筒2同心；
步骤2，液压缸1液压活塞带动坯料3向下移动，坯料3通过径缩圆周槽2-2时，由于直径(50mm)大于下端圆周直径(48mm)，在挤压的过程中表面氧化皮被槽切去1mm厚，达到去皮效果；
步骤3，半固态坯料3去皮完成后立即在上挤压筒2的连续进料口放入新的半固态坯料3，实现连续挤压；
步骤4，半固态坯料3在下挤压筒4中部由中频加热线圈4-1加热至半固态温度区间，最终由挤压弯头12挤出；
步骤5，挤压弯头12挤出的半固态坯料3附着在三坐标工作平台7或者前一层成形坯料上，再由压辊9-3压实半固态坯料3，同时利用超声波细化晶粒；
步骤6，通过三坐标工作平台7的移动与上挤压筒2、下挤压筒4自身的旋转实现复杂零件的成形，协调液压缸1活塞的进给速度与伺服压辊9的压下量，调节3d打印的单层厚度与宽度，如图5所示，设压辊9-3距离工作台平面原距离为h1,此时挤压出的坯料3宽度方向尺寸为d1；通过将压辊9-3的位置下调δh后，压辊9-3距离工作台平面距离为h2,挤出坯料3宽度将由由原来的d1变为d2，实现对打印宽度与厚度的控制，同时有效减少宽度方向折叠现象；
步骤7，零件成形完毕后，打开真空箱5，将零件取出。
参照图6，图6为本实施例的6061铝合金半固态坯料的微观组织，从图中可以看出，当坯料保温5min、液相分数为0.2～0.45时，半固态球状晶粒的平均等效直径随着液相分数的增加而增大，其平均等效直径为50μm～80μm。该结果表明，3d打印获得的半固态金属零件的微观组织为形态与尺寸均匀的球状晶粒，且尺寸细小。