成型材料共混送进式铝基复合材料3D打印装置及打印方法与流程

本发明涉及一种陶瓷颗粒增强的铝基复合材料的制备技术，具体涉及一种陶瓷颗粒与金属共混送进式铝基复合材料超声辅助3d打印装置及打印方法,用于制备陶瓷颗粒增强铝基复合材料。属于3d打印技术领域。

背景技术：

具有高比刚度、低热膨胀和高导热等优异性能的陶瓷颗粒增强的铝基复合材料在航空、航天、汽车、电子等领域得到了广泛的应用。目前，铝基复合材料传统而又较为成熟的的制备方法主要为粉末冶金法、压力铸造法、搅拌熔铸法、无压浸渗法和喷射沉积法。对于铝基复合材料制备的零部件，都是通过对以上方法制备的铝基复合材料坯件进行铣削、车削等加工方式来实现，加工刀具磨损严重，加工周期长，复杂结构件的应用严重受到高成本、低生产效率的限制。

3d打印技术又称增材制造技术，可通过逐层打印的方式来构造零件的技术，主要分为立体光固化成型技术、熔融层积成型技术、3d喷墨打印技术、选区激光烧结技术和分层实体制造技术等。

3d打印技术已经应用于铝基复合材料的制备，一种是先利用3d打印技术制备零件的多孔预制体，然后浸渗金属基体，凝固成形完成零件制造；另一种是先利用3d打印技术制备双相或多相体材料的预制体，然后通过高温烧结制造出零件；第三种是做好陶瓷、铝的混合粉体，先铺层再采用激光选区熔化增材技术进行烧结处理，制造成零件。

实用新型专利cn201721236057.7公开了金属玻璃复合材料超声辅助3d冷打印装置，该专利将金属玻璃颗粒和陶磁颗粒混合后在超声作用下促进粉末的混合并冷打印成预制体，最后通过高温烧结脱脂获得复合材料零件。

中国发明专利cn201910526195.6公开了基于3d打印技术制备金属基复合材料坯料的方法，该专利将金属粉末和增强颗粒叠层状分布，每层进行激光扫描处理，制备出增强颗粒分布不同的铝基复合材料的坯料。

中国发明专利cn201510606543.2提出了铝、铝合金及铝基复合材料激光快速成形方法，该发明利用铝、铝合金及铝基复合材料对波长为700nm-900nm的激光的高吸收性，对粉状、丝状或带状原材料进行激光烧结。

中国发明专利cn20190594552.2公开了一种3d打印制备空心碳化硅增强铝基复合材料的方法，该发明将空心碳化硅粉与铝粉进行混合制得混合粉，通过激光热源进行逐层烧结制备复合材料。

中国发明专利cn201811082116.9提出了3d打印用铝合金复合材料、3d打印制品及其制备方法，该专利在7系铝合金中引入tib2与si，明显提高激光吸收率，采用激光3d打印技术制备铝合金复合材料及制品。

目前技术存在的不足：

(1)已有3d打印技术是在室温下打印铝基复合材料坯料，金属粉表面氧化膜导致陶瓷与金属粉的润湿与结合较差；

(2)铝合金具有很高的光反射特性能，增加了激光3d打印技术的难度；

(3)激光选区逐层打印时，增强颗粒的分布不均匀。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的3d打印技术存在：(1)在室温下打印铝基复合材料坯料，金属粉表面氧化膜导致陶瓷与金属粉的润湿与结合较差；(2)铝合金具有很高的光反射特性能，增加了激光3d打印技术的难度；(3)激光选区逐层打印时，增强颗粒的分布不均匀的问题。进而提供一种成型材料共混送进式铝基复合材料3d打印装置及打印方法。

本发明的技术方案是：一种成型材料共混送进式铝基复合材料3d打印装置，它的工作原理是：采用粉末颗粒和液态铝合金熔体的混合体作为成型材料，装在配有超声搅拌装置的储料罐中，混合体中的陶瓷颗粒在狼牙棒式的超声工具头的作用下均匀分布，通过螺旋杆的推挤装置将成型材料混合均匀的混合体挤压到输送管中，调整螺旋杆的旋转速度控制混合体的送进和停止及送进量的多少，混合体通过超声声极喷嘴送到待打印处，液态铝合金熔体在超声作用下与粉末颗粒润湿并结合并与待打印表面接触形成连接。

进一步地，它包括三维移动模块；它还包括工控柜、超声辅助打印模块和储料输送模块；超声辅助打印模块包括第一超声换能器、第一变幅杆、超声工具头、第二加热模块、打印喷嘴、第二温度传感器和基板；三维移动模块的z轴支架和xy轴移动系统上下设置，第一超声换能器安装在z轴支架上，第一超声换能器的下端与第一变幅杆连接，第一变幅杆上开设第一冷却水进出水口，第一变幅杆的下端与超声工具头连接，超声工具头将超声作用于位于超声工具头下端的打印喷嘴，超声工具头的下部安装有第二温度传感器，第二加热模块套装在超声工具头上；打印喷嘴的正下方设有安装在三维移动模块的xy轴移动系统上的可加热基板；粉末颗粒和液态铝合金熔体的混合体作为成型材料，装在安装于z轴支架上的并配有超声搅拌装置的储料罐中，储料输送模块的输料管与打印喷嘴连接并为打印喷嘴提供打印混合体，混合体通过超声声极喷嘴送到待打印处，液态铝合金熔体在超声作用下与粉末颗粒润湿并结合并与待打印表面接触形成连接，其中，所述打印喷嘴处的液态混合体流出管的直径范围为20μm-1000μm，所述打印喷嘴内的液态混合体流出管与平面以圆倒角过渡，圆倒角的半径为50-600μm，打印间距为100-300μm；工控柜对超声辅助打印模块、储料输送模块和三维移动模块的打印动作进行控制。

更进一步地，打印喷嘴的下端外沿四周为圆倒角，所述的倒角半径为200-1000μm。

优选地，超声工具头的材质为钼合金或纯铌或钛合金或钨合金。

更进一步地，超声辅助打印模块还包括第三温度传感器和第三加热模块，第三加热模块安装在基板内，第三温度传感器安装在基板的上部。

进一步地，储料输送模块包括第二超声换能器、第二变幅杆、储料罐、狼牙棒式超声工具头、第一加热模块、隔热瓦、第一温度传感器、送料电机、推挤装置、推挤旋转杆、输料管、电磁阀、流量调节器和氩气瓶；第二超声换能器安装在z轴支架上，且第二超声换能器位于第一超声换能器的一侧，第二超声换能器的下端与第二变幅杆的上端连接，第二变幅杆上开设第二冷却水进出水口，储料罐安装在第二变幅杆正下方的z轴支架上，狼牙棒式超声工具头的上端与第二变幅杆的下端连接，狼牙棒式超声工具头的下端穿过储料罐的上盖后伸入到储料罐内，第一温度传感器安装在储料罐的下部，氩气瓶通过管线与储料罐连接，电磁阀和流量调节器分别安装在所述管线上；第一加热模块套装在储料罐上，隔热瓦包裹在第一加热模块和第二加热模块上；储料罐内装有成型材料混合体；推挤装置水平安装在储料罐的出口端，推挤旋转杆安装在推挤装置内，送料电机安装在推挤装置的外侧并与推挤旋转杆连接，输料管的一端与推挤装置的出料端连接，输料管的另一端伸入到超声工具头内并与液态混合体流出管连接。

优选地，成型材料混合体中的粉末颗粒为陶瓷颗粒或石墨烯颗粒或金刚石颗粒。

优选地，成型材料混合体中的液态铝合金熔体为al合金或mg合金或zn合金或sn合金。

优选地，输料管为不锈钢波纹管。

优选地，推挤装置的混合体出口推挤端为锥形。

进一步地，三维移动模块包括z轴同步电机、xy轴同步电机、z轴支架、激光测距仪和xy轴移动系统；z轴同步电机安装在z轴支架上并带动超声辅助打印模块和储料输送模块在竖直方向移动，xy轴同步电机与xy轴移动系统连接并带动基板在xy轴方向移动，激光测距仪安装在z轴支架上并与超声工具头同时移动。

其中，工控柜，对总电源、加热电源、超声电源、温度、氩气开关和三维移动进行控制。第二超声换能器与第二变幅杆相连接，所述的第二变幅杆通过狼牙棒式工具头将超声波输入储料罐中的成型材料混合体，所述的狼牙棒式工具头的振动可以搅拌成型材料混合体从而促进陶瓷颗粒与金属液体的充分混合，所述的第一温度传感器可以控制第一加热模块对储料罐和推挤装置进行加热，将混合体中的所述的氩气瓶与储料罐相连接，中间配备有电磁阀、流量调节器，可以对成型材料混合体进行惰性气体保护，避免易氧化金属的过度氧化。

第一超声换能器与第一变幅杆相连，所述的第一变幅杆上开有第一冷却水进出口，第一变幅杆下方与超声工具头相连接，超声工具头将超声作用于打印喷嘴，超声工具头上配备了第二温度传感器测定温度控制第二加热模块对超声工具头进行加热，打印喷嘴内输料管的端口与打印平面以圆倒角过渡，打印喷嘴最外围以圆角过渡，所述的打印喷嘴的下方为可以加热的基板，所述的第三温度传感器监测基板的温度以控制第三加热模块，所述的打印喷嘴在基板上打印铝基复合材料。

激光测距仪固定在z轴支架上，测定打印喷嘴到打印材料的距离，xy轴同步电机通过支架与基板连接，实现所述基板的xy轴方向的移动，第一超声换能器、储料罐均固定在z轴支架上。

本发明还提供了一种使用成型材料共混送进式铝基复合材料3d打印装置的打印方法，它包括以下打印步骤：

s1：在储料罐中放入纯铝或铝合金和相应比例的粉末颗粒，打开电磁阀对储料罐中充一定氩气；

s2：打开第一加热模块储料罐和打印基板上的第三加热模块，加热至设定温度；

其中，打印温度设定为高于所需打印金属材料熔点20-100℃的温度，

基板的预热温度为低于金属材料熔点50-200℃，

打印速度为5-20cm/min；

s3：打开第二超声换能器对成型材料混合体进行超声搅拌；

s4：将平台移动到指定位置，调整打印喷嘴的高度，打开超声换能器和推挤电机，超声工具头的振幅2-15μm可调，频率10-100khz可调；

s5：根据零件尺寸要求在工控柜1的控制下，在指定位置开始打印相应的铝基复合材料；

s6：根据铝基复合材料中粉末颗粒体积分数的不同，设定相应搅拌超声振幅、超声频率，打印完一层后重新校准高度，停留5s后打印下一层；

s7：在每层打印完成后依次执行步骤s5-s6，直至所述的铝基复合材料的零部件打印完成；

s8：取下打印完成的零件毛坯件；

s9：通过机加工的方法，对毛坯件表面不平整的部位进行机加工，最终获得几何尺寸符合要求的铝基复合材料零部件。

优选地，s1中在储料罐中放入的纯铝或铝合金为块体或粉末。

优选地，s1中在储料罐中放入的粉末颗粒的尺寸为5-30μm，粉末为陶瓷颗粒或石墨烯材料或金刚石颗粒。如sic粉末、al2o3粉末、纳米级石墨烯片/管、金刚石颗粒等。

进一步地，步骤s6中，根据铝基复合材料中陶瓷颗粒粉末体积分数的不同，需要对狼牙棒式工具头的振幅和频率进行调整，狼牙棒式超声工具头的振幅为2-20μm，频率为10-60khz。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明借助超声波空化效应，破除液态金属表面膜，在较低温度下(高于金属熔点30℃)快速(打印速度5-20cm/min)实现陶瓷颗粒与金属液体的润湿与结合；另外，本发明通过将陶瓷颗粒与金属共混送进式的形式，实现对铝基复合材料超声辅助3d打印。

2、本发明的超声作用装置与打印装置一体化设计，超声波直接作用于待打印区域，实现了铝基复合材料的3d打印成形与连接同时完成，提高了铝基复合材料的成分分布与性能的均一性；

3、本发明的铝合金原材料的种类和尺寸不受限制，块体或粉末都可以，材料成本低；

4、本发明施加超声波作用，能够依靠超声细化铝合金基体的晶粒，超声下的声流搅拌作用促使陶瓷粉末颗粒在铝基复合材料中均匀分布，提高零件的力学性能，进而提高零件的打印质量。

5.本发明用于打印增强颗粒体积分数为10-50％的铝基复合材料，能够实现不同区域体积分数不同的梯度铝基复合材料打印，适用范围广。

6、加热方式为电阻热传导，有效避免了铝合金高反射率的问题。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是储料输送系统的示意图；

图3是打印喷嘴的整体结构示意图；

图4是打印喷嘴的局部剖视图。

图中：1、工控柜；2、超声辅助打印模块；21、第一超声换能器；22、第一变幅杆；23、第一冷却水进出水口；24、超声工具头；25、第二加热模块；26、打印喷嘴；27、第二温度传感器；28、z轴支架；3、储料输送模块；31、第二超声换能器；32、第二变幅杆；33、第二冷却水进出水口；34、储料罐；35、狼牙棒式工具头；36、第一加热模块；37、隔热瓦；38、混合体；39第一温度传感器；41、送料电机；42、推挤装置；43、推挤螺旋杆；44、输料管；45、电磁阀；46、流量调节器；47、氩气瓶；51、z轴同步电机；52、激光测距仪；53、xy轴同步电机；54、基板；55、第三温度传感器；56、支架；57、第三加热模块；61、铝基复合材料。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的成型材料共混送进式铝基复合材料3d打印装置，它包括：工控柜1、超声辅助打印模块2、储料输送模块3和三维移动模块。所述工控1柜包括对总电源、加热电源、温度、氩气开关和三维移动进行控制。

所述的超声辅助打印模块2包括第一超声换能器21、第一变幅杆22、冷却水出水口23、超声工具头24、第二加热模块25、打印喷嘴26、第二温度传感器27、支架28、基板54、第三温度传感器55和第三加热模块57。所述的三维移动模块包括z轴同步电机51、激光测距仪52、xy轴同步电机53，支架28、xy轴支架56。所述的第一超声换能器21、31和储料罐34均固定在支架28上，所述的z轴同步电机51拖动支架28带动第一超声换能器21和第二超声换能器31、第一变幅杆22和第二变幅杆32、超声工具头24和狼牙棒式工具头35上下移动，所述的第一变幅杆22靠近第一超声换能器21处一上一下开设第一冷却水进出水口23，用于冷却第一变幅杆22上的热量，所述的第一变幅杆22与超声工具头24紧密连接，超声工具头下端为打印喷嘴26，所述的激光测距仪52固定在z轴支架28上，与第一变幅杆22同时移动，所述的超声工具头24上安装了第二温度传感器27，用于测定第二加热模块25对超声工具头24的加热温度，根据第二温度传感器26的测定温度工控柜1对第二加热模块25进行调控，所述的基板54上安装有第三加热模块57和第三温度传感器55，根据第三温度传感器55的测定温度，工控柜1对第三加热模块57进行调控.，基板54固定在xy轴移动系统上，通过xy轴同步电机53带动基板移动。

所述储料输送模块3包括第二超声换能器31、第二变幅杆32、冷却水出水口33、储料罐34、狼牙棒式超声工具头35、第一加热模块36、隔热瓦37、成型材料混合体38、第二温度传感器39、送料电机41、推挤装置42、推挤螺旋杆43、输料管44、电磁阀45、流量调节器46和氩气瓶47。所述的第二超声换能器31固定在z轴支架28上，所述的第二超声换能器31和第二变幅杆32相连接，所述的第二变幅杆32靠近第二超声换能器31处一上一下开设第二冷却水进出水口33，用于降低第二变幅杆32上的温度，所述的第二变幅杆32与狼牙棒式超声工具头35连接置于储料罐34内，所述的狼牙棒式超声工具头35的振动能够起到搅拌陶瓷颗粒与液态金属的作用，从而促进陶瓷颗粒在液态金属中的均匀分布，所述的氩气瓶47与储料罐34相连接，之间配备有电磁阀45、流量调节器46对氩气进行调控，氩气主要是用来避免易氧化金属的氧化，所述的第一加热模块36对储料罐34进行加热，所述的隔热瓦37包覆在第一加热模块36和第二加热模块25周围起到保温的作用，成型材料混合体38中的金属熔化后，通过所述的送料电机41带动推挤装置42中的推挤螺旋杆43将成型材料混合体38挤压入输料管44，最终送入打印喷嘴26处。

具体实施方式二：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的打印喷嘴26打印过程为，打印喷嘴处的液态混合体流出管的直径范围为20μm-1000μm，打印喷嘴内流出管与平面262以圆倒角261过渡，圆倒角261的半径为50-600μm，随着平台的移动，圆倒角262可以让挤压过程过渡更顺畅，同时，由于超声作用距离有限，打印间距一般为100-300μm，在这种窄间隙下，液态金属更倾向于向平面262下流动，被挤压的液态金属与平面262的紧密接触，平面262的上下超声振动会引起液态金属的内部流动，起到搅拌的作用，让粉末颗粒均匀分布，同时超声波的输入会引起液态金属空化效应，大量的空化泡溃灭引起的瞬间局部高温高压促使粉末颗粒与金属润湿结合，同时对铝表面的氧化膜进行快速的破除，这个过程时间在1s以内就可以实现，因而与前一层铝基复合材料形成微熔连接，打印喷嘴四周为圆倒角263，所述的倒角263的倒角半径为200-1000μm。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式提供了一种铝基复合材料的超声辅助3d打印方法，所述方法选择高于所需打印金属材料熔点20-100℃的温度为打印温度，基板的预热温度为低于金属材料熔点50-200℃，打印速度为5-20cm/min。可以实现基体铝合金原材料尺寸不受限制的3d打印制备铝基复合材料及零件。通过事先将成型材料混合体38采用超声的方式进行搅拌，以得到更加混合更加均匀的混合体，并对打印参数进行设定，提高打印质量。

具体实施方式四：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的打印步骤：

s1：在储料罐34中放入纯铝或铝合金和相应比例的粉末颗粒，打开电磁阀45对储料罐34中充一定氩气；

s2：打开第一加热模块储料罐34和打印基板54上的第三加热模块63，加热至设定温度；

其中，打印温度设定为高于所需打印金属材料熔点20-100℃的温度，

基板54的预热温度为低于金属材料熔点50-200℃，

打印速度为5-20cm/min；

s3：打开第二超声换能器31对成型材料混合体38进行超声搅拌；

s4：将平台移动到指定位置，调整打印喷嘴26的高度，打开超声换能器21和推挤电机41，超声工具头24的振幅2-15μm可调，频率10-100khz可调；

s5：根据零件尺寸要求在工控柜1的控制下，在指定位置开始打印相应的铝基复合材料71；

s6：根据铝基复合材料中粉末颗粒体积分数的不同，设定相应搅拌超声振幅、超声频率，打印完一层后重新校准高度，停留5s后打印下一层；

s7：在每层打印完成后依次执行步骤s5-s6，直至所述的铝基复合材料的零部件打印完成；

s8：取下打印完成的零件毛坯件61；

s9：通过机加工的方法，对毛坯件61表面不平整的部位进行机加工，最终获得几何尺寸符合要求的铝基复合材料零部件。

具体实施方式五：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的s1中在储料罐34中放入的纯铝或铝合金为块体或粉末。s1中在储料罐34中放入的粉末颗粒的尺寸为5-30μm，粉末为陶瓷颗粒或石墨烯材料或金刚石颗粒。

具体实施方式六：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的步骤s6中，根据铝基复合材料中陶瓷颗粒粉末体积分数的不同，需要对狼牙棒式工具头36的振幅和频率进行调整，狼牙棒式超声工具头35的振幅为2-20μm，频率为10-60khz。

具体实施方式七：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的粉末颗粒为sic粉末、al2o3粉末、纳米级石墨烯片/管或金刚石颗粒。

具体实施方式八：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式3d打印体积分数30％的sic颗粒增强的6061al基复合材料零件：

步骤一：将需要打印的3d图纸转换为计算机控制系统软件可识别格式，输入计算机控制系统；

步骤二：在储料罐34中加入sic粉末和6061粉末，sic直径范围为直径5-40μm，该实例中选用的颗粒直径为直径20-30μm，铝合金颗粒尺寸直径5-1000μm，或者可以加入尺寸小于储料罐34直径的块体，将sic粉末分布在铝合金的间隙中，该实例中选用的铝合金颗粒尺寸为直径500-800μm；

步骤三：设定好送料电机41的转速以确定该体积分数下的成型材料混合体38流速，调节流量调节器46，打开电磁阀45对成型材料混合体38进行气保，该实例中送料电机转速为20r/min，气体流速范围为0-25l/min，该实例中流量调节器46在加热前2分钟调为5l/min，加热和工作期间为2l/min；

步骤四：打开工控柜1上的第一加热模块25、第二加热模块36和第三加热模块57的开关对储料罐34、超声工具头24和基板54进行加热，加热速度最快为10℃/s，该实例中加热速度为5℃/s。设定储料罐34和超声工具头24的温度为700℃，基板54的温度设定为400℃；

步骤五：储料罐34中金属完全熔化后打开第二超声换能器31电源对成型材料混合体38进行超声搅拌，狼牙棒式超声工具头35的振幅为2-20μm，频率为10-60khz，该实例中振幅为7μm，频率为20khz；

步骤六：将超声工具头24上的打印喷嘴移动到指定位置，通过激光测距仪52测定距离，测量精度不低于0.01mm，测量焦距不低于100mm，可调整范围为：喷嘴与打印平面间距0.1-5mm可调，为提高精度，一般选择0.1-0.3mm作为最优间距，该实例中间距选为0.2mm；

步骤七：打开送料电机41和第一超声换能器21电源，当有液态金属流出时打开三维移动系统进行打印，超声工具头24的振幅2-15μm可调，频率10-100khz可调，该实例中振幅为6μm，频率为20khz；

步骤八：打印完一层后，冷却5s后再打印下一层，避免上一层液态铝没有凝固导致打印平面出现塌陷；

步骤九：重复步骤六、七和八，直至完成铝基复合材料零部件的打印；

步骤八：取下铝基复合材料零件61，对其表面粗糙度和形状不符合要求的位置进行相应的机加工处理，最终获得符合要求的sic颗粒增强的铝基复合材料零件。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是代表本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明会存在各种变化与改进，这些变化和改进都落入要保护的本发明范围内。不脱离本发明范畴所做的改进和修改都应再本发明的保护范围之内。