一种用于打印钢锭的4D打印系统的制作方法

本发明属于钢锭制备技术领域，尤其涉及一种用于打印钢锭的4d打印系统。

背景技术：

近年来，全球各国高度重视增材制造技术的发展，而金属增材制造作为增材制造技术中最耀眼的技术，在中国制造2025、德国工业4.0、重振美国制造业等国家战略中都明确提出相关发展计划。经过多年的发展，金属增材制造已有以激光立体成形技术为代表的同步送粉送丝高能束熔覆技术和以高能束选区熔化技术为代表的粉末床成形技术两个技术方向，在常规制造技术难以触及的高复杂度、小批量、快速响应制造等细分市场，更是取得了长足的发展。

麦肯锡发布咨询报告预测，到2025年4d打印可能产生高达1800-4900亿美元的经济效益。

当前，增材制造技术已经转向产业化应用，它与信息网络技术的深度融合，将给传统制造业带来变革性影响，被称为新一轮工业革命的标志性技术之一。世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展的新增长点重点培育，推动增材制造技术与信息网络技术、新材料技术、新设计理念的加速融合，力争抢占未来科技和产业制高点。

在相关规划政策的引导和支持下，我国增材制造产业快速发展，关键技术不断突破，装备性能显著提升，应用领域日益拓展，生态体系初步形成，涌现出一批具有一定竞争力的骨干企业，形成了若干产业集聚区。

目前，我国增材制造产业初步形成了以环渤海地区、长三角地区、珠三角地区为核心，中西部地区为纽带的产业空间发展格局。在环渤海地区，增材制造产业发展处于国内领先地位，形成了以北京为核心，多地协同发展，各具特色的产业发展格局。在长江三角洲地区，具备良好经济发展优势、区位条件和较强的工业基础，已初步形成了包括增材制造设备研究开发、生产、应用服务及相关配套设备的增材制造产业链。在珠三角地区，增材制造产业发展侧重于应用服务，主要分布在广州、深圳、珠海和东莞等地。此外，陕西、湖北、湖南等省份是我国增材制造技术中心和产业化重镇，集聚了一批龙头企业。

但是目前金属增材制造，普遍使用金属粉或金属丝，不仅材料种类有限，成本高企，根本无法应用于常规民品件。因此市场更需要钢锭尺寸大、销售价格相对较低，而内部质量要求又极高的钢锭。

因此如何提升钢锭生产效率，降低钢锭的内部质量问题，从而为大型锻件提供优质的原材料，有效提升我国制造领域的水平，将我国发展为领先世界的工业技术强国具有重要意义。

技术实现要素：

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，一种用于打印钢锭的4d打印系统，增材制造材料为：钢水熔体。

其中，包括用于承装钢水熔体的钢包、操作台、底板和喷头组件；所述钢包通过料管与所述喷头组件连接；所述底板安装于所述操作台上，所述喷头组件通过导轨组件设置于所述底板上方。

其中，还包括：设置于底板上的由左右两部分拼装而成的初始模；

所述初始模包括钢锭模、注入管；所述钢锭模包括环形模腔；所述注入管位于所述钢锭模的轴线上，注入管的出料口设有环形部；所述环形部的末边缘延伸入所述钢锭模的环形模腔内；所述环形部与所述底板形成的缝隙为用于钢水向环形模腔的方向流动的通道；所述钢锭模的外环处设有底盘；所述底盘贴合于所述底板上，所述底盘的外边缘位于钢锭模外，内边缘位于环形模腔内；所述底盘的内边缘和所述环形部的外边缘形成的缝隙为模腔气口；

注入管的入料口呈漏斗状；

所述钢锭模由上至下模腔内径逐渐增大；

所述环形模腔内填充惰性气体，所述环形模腔的顶部设有单向排气阀。

其中，所述钢包包括：

由上至下依次为包沿砖、渣线砖、包壁砖及包底砖；

所述包底砖开设排出口，所述排出口安装流量控制阀；

所述包底砖包括：耐冲击部、环侧部、排口部；

所述耐冲击部位于钢包的底部中心位置；所述环侧部设置与耐冲击部的外侧，内侧与耐冲击部连接，外侧与包壁砖的内侧壁连接；所述耐冲击部的砖体为实心砖；所述环侧部的砖体为空心砖；所述耐冲击部的下表面设有网状金属支撑体，所述网状金属支撑体的边缘呈散射状伸出若干连接件与所述包壁砖的外侧壁连接；所述排口部位于所述环侧部内，所述排出口开设于所述排口部。

其中，还包括：流量控制系统；所述流量控制系统的输出端于所述流量控制阀连接；

所述流量控制系统包括：控制器、第一温度传感器、第二温度传感器、流量计；所述第一温度传感器设置于钢包内；所述第二温度传感器与所述流量计设置于料管上，所述控制器的输入端分别与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述流量计连接，所述控制器的输出端与所述流量控制阀连接；

其中：

其中q为当前流量，q`为设定流量；t腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度，t′腔为t腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，t″腔为t′腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度；t管为当前时间的料管内钢水温度，t′管为t管的上一单位时间的料管内钢水温度；t″管为t′管的上一单位时间的料管内钢水温度；n为设定转速，n′为实际转速；r为当前打印直径，r′为r的上一直径。

其中，所述喷头组件的喷口口径为10mm。

其中，所述喷头组件喷制的单层钢饼厚度为10mm。

其中，喷头组件的喷制方式为由外至内圆形喷制。

其中，打印钢锭斜度为1：10。

其中，r′-r＝10mm；

其中，r为当前打印直径，r′为r的上一直径。

本发明所带来的有益效果：尤其擅长于制作形状简单、无内腔、尺寸大、价格低的大型钢锭。通过采用钢水熔体作为增材制造材料，完成钢锭的制备。具有生产效率高，经济性好等特点。钢水熔体作为工厂已经成熟使用产品，成本低廉，更易获得。

附图说明

图1是本发明结构简图；

图2是本发明导轨组件俯视结构示意图；

图3是本发明导轨组件的左视图；

图4是本发明导轨组件的主视图；

图5是本发明钢包结构示意图；

图6是本发明钢包的仰视图；

图7是本发明钢包的俯视图；

图8是本发明初始模其中一部分的结构示意图；

图9是本发明基底状态示意图；

图10是本发明流量控制系统结构框图；

图11是现有技术中钢锭内的偏析分布照片；

图12现有技术中钢锭内缩孔、疏松及杂物缺陷示意照片。

具体实施方式

以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。

在一些说明性的实施例中，大部分工艺采用的材料普遍是粉末和丝材，其中粉末材料最为常见，粉末材料对颗粒的形状和粒度分布都有较高的要求，成形件对金属粉末中的含氧量和含碳量有着密切的联系，用雾化的方法对金属粉末进行制备，能够使粉末材料的粒度分布较为均匀，但是成本很高。增材制造要通过原材料之间的互相结合才能完成，因此在进行这项工作时，往往会出现一些物理变化和化学变化，金属材料在成形过程中，一般需要进行快速融化和快速凝固这一过程，由于操作过程中温度时而过高时而过低，导致零件表面会出现小孔或者裂纹。常规增材制造在成形件的尺寸和精确度这两个方向有很大的难度，当前，铺粉设备一般较为单一，由于光束对粉末材料的控制只能局限在一定范围内，要有效提高光学部件的精度。另外，铺粉增材制造技术不同于传统中其他的涂层技术，其中任何一个环节的平整度都会影响成型件的整体质量，因此，需要通过完善设备对其进行优化。

钢锭质量的优劣对锻造生产有着十分重要的作用。钢锭是装备中关键结构件的基础坯料，传统钢锭是由钢水经盛钢包注入铸模凝固形成。

大型钢锭存在各种偏析、缩孔疏松以及沉积锥夹杂物等缺陷，见图11、图12，严重影响了钢锭的内在质量，大大降低了钢锭的合格率以及材料的利用率。

如图11宏观偏析是铸造钢锭的主要缺陷之一，凝固过程中的溶质再分配是产生宏观偏析的根本原因。宏观偏析严重影响钢锭的组织和性能，且难以通过锻造、热处理等后续工艺消除。特别是大型钢锭，宏观偏析导致整体利用率低，造成极大浪费。宏观偏析可使由钢锭不同部位轧制出来的钢材在机械性能和物理性能上产生很大的差异，甚至出现各向异性性，降低金属收得率，影响钢材制品的有效利用和使用寿命。如钢锭中硫的偏析能破坏金属的连续性，轧制或锻造时引起钢坯的热脆，轧制钢板时甚至引起夹层废品，严重影响钢板的冷弯性能。硫的偏析往往还是承受交变载荷的零部件引起疲劳断裂的主要根源之一。磷的偏析能使钢材制品产生冷脆性，并促进钢的回火脆性。宏观偏析将一直残留到最后产品中，危害产品的使用性能，甚至造成隐患。为了减少偏析、缩孔疏松及沉积锥夹杂物等缺陷对锻件质量的影响，常规做法是将钢锭切头去尾，仅留下的中间较均匀的一段使用。质量要求高的锻件，切除量更大，钢锭的材料利用率甚至低于45％。为了解决上述技术问题：

如图1-10所示，一种用于打印钢锭的4d打印系统，包括钢包1、操作台2、底板3和喷头组件4；所述钢包1通过料管5与所述喷头组件4连接；所述底板3安装于所述操作台2上，所述喷头组件4通过导轨组件6设置于所述底板3上方。钢包1用于承装增材制造材料，本专利独创的将增材制造材料选为钢水熔体。

操作台包括台柜21和升降机构22；升降机构22安装于台柜21内，升降机构22的升降部与底板3固定连接。安装时，需要保证底板3水平，避免倾斜导致打印的钢锭最终形状受损。导轨组件6包括两条x轴导轨61和一条y轴导轨62；两条x轴导轨61平行设置，y轴导轨62架设于两条所述x轴导轨61之间，x轴导轨61与y轴导轨62垂直设置。y轴导轨62的两端设有y轴齿轮621，x轴导轨61内嵌入x轴齿条611，所处y轴齿轮621与所述x轴齿条611相适配。喷头组件4包括喷头41及移动件42；所述喷头41安装于移动件42上，所述移动件42上设置移动件齿轮421，所述y轴导轨62内设置y轴齿条622；所述移动件齿轮421与所述y轴齿条622相适配。因此通过机械臂623连接移动件42，驱动移动件42进行x轴、y轴的二维运动。导轨组件6的作用是进一步对移动件42的移动进行精准定位。通过齿轮和齿条的配合，可使得喷头组件4的每次移动都可以精准固定距离，从而提高移动精准度。机械臂是成熟的现有技术，因此对机械臂本文不做具体限定，通过采购即可获得具有良好移动精度的机械臂。

本申请中钢包1可通过支架等结构固定在固定位置，不在进行任何的移动，减少钢包移动风险。钢包1的支撑固定为现有技术，因此不具体限定如何将钢包1固定在想要固定的位置。需要特别说明的是，钢包1的位置要高于操作台2，且高于喷头组件4，一般而言，钢包1的高度要高于喷头组件1m以上，也就是说料管5的长度在1m以上。料管5由于需要承受钢水的温度，料管5两端分别连接钢包1和喷头组件4后，要保证料管5不可弯曲，尽量处于竖直状态。由于钢包1位置固定后尽量不更改，因此通过导轨组件6进行微调,使得料管5与喷头组件4可进行微调接合。

在操作台2的台柜21内还设置旋转装置7，所述旋转装置7与升降机构22连接，使得旋转装置7可驱动升降机构22转动，从而带动底板3转动。本申请中，旋转装置7的目的是驱动升降机构22旋转，升降机构22的目的是用来将底板3进行升降，因此旋转装置7和升降机构22都是较为常见的机械结构，通过购买成品或者按需求去厂家定制均可，再次对其结构不做具体限定，且不进行赘述。

在操作台的台柜内还可以设置机械滑台8，所述旋转装置7安装于机械滑台8上；机械滑台8带动旋转装置7、升降机构22以及底板3一同运动。

钢包1包括：

由上至下依次为包沿砖101、渣线砖102、包壁砖103及包底砖104；

所述包底砖103开设排出口110，所述排出口110安装流量控制阀111，流量控制阀用于控制钢包内钢水流出速度；

所述包底砖103包括：耐冲击部113、环侧部123、排口部133；耐冲击部113用于在向钢包灌装钢水时，保证钢包持久耐用，抗钢水冲击。

所述耐冲击部113位于钢包1的底部中心位置；所述环侧部123设置于耐冲击部113的外侧，内侧与耐冲击部113连接，外侧与包壁砖103的内侧壁连接；所述耐冲击部113的砖体为实心砖；所述环侧部123的砖体为空心砖，减轻整体钢包重量；所述耐冲击部113的下表面设有网状金属支撑体114，所述网状金属支撑体114的边缘呈散射状伸出若干连接件115与所述包壁砖103的外侧壁连接；所述排口部133位于所述环侧部123内，所述排出口110开设在所述排口部133。

在4d打印过程中，由于是增材制造材料为钢水，因此打印时候先制作基底。基底的制作是通过初始模完成的。

设置于底板3上的由左右两部分拼装而成的初始模；如图8所示，左右两部分中的其中一部分，左右两部分形状一样，拼装后构成初始模，因此仅给出其中一部分便于观察内部结构。选优左右两部分拼装的形式是为了便于初始模的制造。降低制造工艺难度。

所述初始模包括钢锭模91、注入管92；所述钢锭模91包括环形模腔93；所述注入管92位于所述钢锭模91的轴线上，注入管92的出料口设有环形部94；所述环形部94的末边缘延伸入所述钢锭模91的环形模腔93内；所述环形部94与所述底板3形成的缝隙为用于钢水向环形模腔93的方向流动的通道95；所述钢锭模91的外环处设有底盘96；所述底盘96贴合于所述底板3上，所述底盘96的外边缘位于钢锭模91外，内边缘位于环形模腔93内；所述底盘96的内边缘和所述环形部94的外边缘形成的缝隙为模腔气口97；

注入管92的入料口902呈漏斗状，便于钢水注入；

所述钢锭模91由上至下模腔内径d逐渐增大；

所述环形模腔93内填充惰性气体，所述环形模腔93的顶部设有单向排气阀903，用于压力过大时自动排出惰性气体。

通过初始模，喷头组件4通过注入管92的入料口902注入钢水熔体，钢水熔体由注入管92进入，从注入管92的出料口排出，经过通道95流入到模腔气口97处，环形模腔内充满惰性气体，避免钢水熔体遇氧氧化。钢水熔体浇注量要少，将通道95缝隙填充即可。通道内的钢水熔体量少，且底板3初始温度为室温，因此到达0.3固相分数的时间是6s。因此在6秒时，通过机械臂等方式，将初始模整体移除后，底板上会遗留如图9所示的基底99。该基底99的建立一是有利于整体底板的预热，避免过冷导致的钢水熔体凝固过快。二是作为基底为后续打印提供良好的地基基础。

钢水熔体从喷头组件4喷出时的流量需要进行调整，达到最合适的流量才可能确保打印的钢锭安全可靠，质量过关。

因此还包括，流量控制系统；所述流量控制系统的输出端与所述流量控制阀111连接；

所述流量控制系统包括：控制器、第一温度传感器、第二温度传感器、流量计；所述第一温度传感器设置于钢包1内；所述第二温度传感器与所述流量计设置于料管5上，所述控制器的输入端分别与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述流量计连接，所述控制器的输出端与所述流量控制阀111连接；

其中：

其中q为当前流量，q`为设定流量，钢水液流以直径10mm流到底板上形成一段圆弧，将在20s内达到固相线；到达0.3固相分数的时间是6s。取10s时间，一圈头部与尾部相接，头部已经部分凝固，失去流动性，不再流淌，以10s为转动一圈的时间。底板转动速度10s转一圈，所以底板转速为6rad/min；4d打印过程中钢水在的第一层，最外一圈时的设定流量为7.4cm³/s；t腔为当前时间的钢包内腔的钢水温度，t′腔为t腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度，t″腔为t′腔的上一单位时间的钢包内腔的钢水温度；t管为当前时间的料管内钢水温度，t′管为t管的上一单位时间的料管内钢水温度；t″管为t′管的上一单位时间的料管内钢水温度，一个单位时间10s；n为设定转速6rad/min，n′为实际转速；r为当前打印直径，r′为r的上一直径。设定转速和实际转速指的是用于4d打印的底板的转速。

喷头组件的喷制方式为由外至内圆形喷制，具体为：打印过程中为一层一层进行打印，打印钢锭斜度为1：10，避免圆柱形钢锭打印时易发生形变的问题。每一层打印时，r′-r＝10mm；r为当前打印直径，r′为r的上一直径。喷头组件的喷口口径为10mm，因此钢水熔体打印时是以10mm直径的圆柱形排出到基底上。同时底板开始作圆周运动，完成外围一圈钢水熔体导入后，在上一圆圈内侧导入钢水熔体，逐步缩小圆周运动的半径，直到中心位置；再将喷头组件移到外圈，同时底板往下移动一个层厚，所述喷头组件喷制的单层钢饼厚度为10mm，因此一个层厚为10mm。重复上一钢水熔体的增材动作，做圆周运动，重复增材，直到钢锭高度达到300mm，完成打印。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。