一种熔融挤出快速成型金属部件的系统及其实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种熔融挤出快速成型金属部件的系统及其实现方法，包括密闭的箱体、抽真空系统及气体流量控制系统，所述密闭箱体内设有打印机构、基板、用于储存金属丝/带材的线轴及运动控制系统，所述打印机构包括用于熔融金属的坩埚及挤出喷头，所述基板上设有加热管、保温装置及隔热罩，所述隔热罩将打印机构包覆在内，所述运动控制系统分别与打印机构及基板相连；采取独立加热方式来实现金属的熔融，再将熔融的金属挤出成型；本发明将金属的优异性能及熔融挤出这种低成本、高效率的成型方式进行有效结合，成型成本低且成型效率高，适于大规模推广应用。
【专利说明】一种熔融挤出快速成型金属部件的系统及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于快速成型领域，具体涉及一种熔融挤出快速成型金属部件的系统及其实现方法。
【背景技术】
[0002]经过20多年的发展，三维打印(即快速成型)技术发展迅速。以打印材料分类，可分为金属、非金属、陶瓷材料、复合材料以及生物材料的三维打印技术；以成型方式分类，可分为粉末烧结技术(SLS)、粉末熔融技术(SLM)、激光近成型技术(LENS)以及挤出熔融技术(FDM)。因金属材料熔点相对较高，一般都是选择高能束烧结/熔化的方式，例如SLM、LENS以及EBM技术，同时还需将材料制成粒度为10微米到100微米的球形粉。球形粉的制备需经过等离子体球化等特殊方法处理，导致原料成本大幅提升；而且，以电子束、激光束等高能束为基础的成型技术，由于用到的激光系统以及电子束系统昂贵且复杂，导致整体成型成本高且成型效率低，阻碍了金属材料快速成型技术的广泛推广。
[0003]FDM技术所用的材料一般为丝材或者带材,成型效率高,材料成本低廉；而FDM技术本身设备成本也比较低，从而使得FDM技术的整体成本低廉；然而FDM设备的输出功率有限，故现有技术中大都是应用于塑料材质的快速成型上。因此，若能将FDM的低成本、高效率及金属材料的优异性能相结合，必将极大推动快速成型技术的广泛推广，改变目前金属部件的制造方式。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构简单，适用于成型金属制件的熔融挤出快速成型系统及其实现方法。
[0005]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:一种熔融挤出快速成型金属部件的系统，包括密闭的箱体、抽真空系统及气体流量控制系统，所述密闭箱体内设有打印机构、基板、用于储存金属丝/带材的线轴及运动控制系统，所述打印机构包括用于熔融金属的坩埚及挤出喷头，所述基板上设有加热管、保温装置及隔热罩，所述隔热罩将打印机构包覆在内，所述运动控制系统分别与打印机构及基板相连。
[0006]进一步，所述坩埚由氧化钇基陶瓷材料、氧化锆基陶瓷材料、氧化铝基陶瓷材料、氧化镁基陶瓷材料、碳化硅陶瓷材料、氮化硅陶瓷材料、氮化硼基陶瓷材料、石墨、铁、不锈钢、高温镍基合金及铜中一种或多种材料复合制成。
[0007]进一步，所述金属丝材直径为0.05mm?1mm,金属带材截面积为0.0lmm2?I OOmm20
[0008]进一步，所述保温装置由若干层铺设在基板上的保温层组成，所述保温层为不锈钢板、镍板、石墨毡、铜板、石棉、钛酸铝陶瓷板、云母纸或磨砂石英玻璃板的一层或多层组合；所述隔热罩为不锈钢板、镍板、石墨毡、铜板、石棉、钛酸铝陶瓷板、云母纸或磨砂石英玻璃板的一层或多层组合。
[0009]一种利用上述成型系统熔融挤出金属部件的实现方法，主要包括以下实现步骤:
(I)对箱体内的环境进行抽真空及充惰性气体，排出箱体内的空气；(2)线轴滚动,将储存的金属丝/带材输送至打印机构中的坩埚内，坩埚对金属丝/带进行加热熔化，形成金属熔体，金属熔体温度为25?3500°C; (3)预热基板至25?1500°C; (4)对金属熔体施加压力，使坩埚内的金属熔体从喷头中挤出；(5)运动控制系统控制挤出喷头与基板之间的相对运动，实现金属熔体在基板上的铺设及层层累积。
[0010]进一步，所述步骤⑴中真空范围为10_8Pa?15Pa,惰性气体为氦气、氩气或氮气。
[0011]进一步，所述步骤(I)中坩埚内金属丝/带材的加热方式为电阻加热、等离子体加热、感应加热、电弧加热或光照加热。
[0012]进一步，步骤(2)中对金属熔体施加压力的方式为机械挤压或气体加压。
[0013]本发明的有益效果在于:金属丝/带材的加热熔化方式多，功率容量大(最大可达到几十千瓦)，可以轻易实现金属的熔融；采用密闭箱体对熔融金属挤出过程进行保护，有效避免了金属的氧化问题；金属材料采用丝材或带材，制造成本低、加热熔化过程快，输送方便，进料速度可控，提高了打印精度；设置了独立的加热管、保温装置与隔热罩，热辐射小，热流失量少；本发明将金属的优异性能及熔融挤出这种低成本、高效率的成型方式进行有效结合，成型成本低且成型效率高，适于大规模推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
[0015]图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0017]如图所示，本发明所述的熔融挤出快速成型金属部件的系统，包括密闭的箱体1、抽真空系统及气体流量控制系统，所述密闭的箱体I内设有打印机构7、基板6、用于储存金属丝/带材2的线轴3、用于输送金属丝/带材2的进丝系统及运动控制系统，所述打印机构7包括用于熔融金属的坩埚及挤出喷头，所述基板6下部及侧面设有加热管9与保温装置，基板6上部设有隔热罩8，所述隔热罩8将基板6、基板6上的工件5及打印机构7包覆在内，所述运动控制系统包括控制挤出喷头在水平面上(X、Y轴)移动的水平运动控制装置4及控制基板6高低位置(Ζ轴)的竖直运动控制装置10、其中水平运动控制装置4及竖直运动控制装置10分别与打印机构7及基板6相连。
[0018]本实施例中的坩埚主要由石墨材料材料制成，导热性及耐高温性能好,特别适用于有色金属及合金的熔炼；当然，根据实际使用需求，也可选择由氧化钇基陶瓷材料、氧化锆基陶瓷材料、氧化铝基陶瓷材料、氧化镁基陶瓷材料、碳化硅陶瓷材料、氮化硅陶瓷材料、氮化硼基陶瓷材料、铁、不锈钢、高温镍基合金及铜中的一种或多种材料复合而成。
[0019]作为上述方案的进一步改进,所述金属丝材2直径为0.05mm?1mm,金属带材2截面积为0.0lmm2?100mm2。
[0020]在本实施例中，所述保温装置为若干层铺设在基板6上的保温层板，所述保温层板为不锈钢板、镍板、石墨毡、铜板、石棉、钛酸铝陶瓷板、云母纸或磨砂石英玻璃板中的一种，也可将多种不同材质的保温层板进行叠加，以增强保温效果；同样的，隔热罩也可以是不锈钢板、镍板、石墨毡、铜板、石棉、钛酸铝陶瓷板、云母纸或磨砂石英玻璃板的一层或多层组合。
[0021]本发明的实现方法主要包括以下步骤:(I)对箱体I内的环境进行抽真空及充惰性气体，排出箱体I内的空气，真空范围为10_8Pa?15Pa,惰性气体为氦气、気气或氮气；
(2)线轴3滚动，并通过进丝系统将储存的金属丝/带材2输送至打印机构7中的坩埚内，坩埚对金属丝/带进行加热熔化，形成金属熔体，金属熔体温度为25?3500°C ;其中，金属丝/带材2的加热方式可在电阻加热、等离子体加热、感应加热、电弧加热或光照加热几种方式内选择；(3)预热基板6至25?1500°C ； (4)通过机械挤压或气体加压方式对金属熔体施加压力，使坩埚内的金属熔体从喷头中挤出；(5)运动控制系统控制挤出喷头在水平面上的运动路径及基板6在竖直方向上的升降高度，实现金属熔体在基板6上的铺设及层层累积，直至工件5成型。
[0022]本方法所指的机械挤压过程为:通过进丝系统，利用金属丝/带材2自身对金属熔体进行挤压，或者通过单独设置的螺杆挤压金属熔体；气体加压则是通过对坩埚上部的气体施加压力从而对金属熔体进行挤压。
[0023]实施例1
[0024]将整个成型系统用真空箱体I保护起来,将铝丝材放入系统内，铝丝材直径为2mm,挂于一个可自动控制的线轴3之上。系统工作前先抽真空至5Pa以下，然后填充氩气至一个大气压；转动线轴3，同时配合以进丝系统，将铝丝材推进坩埚内，加热坩埚至900°C，使坩埚中下部的铝熔化，而坩埚上部保持在500°C以下；继续将铝丝材压进坩埚，利用铝丝材自身对铝熔体施加压力并使熔体由挤出喷头挤出；底板加热并保温至500°C。挤出喷头在底板上按照预先规划的路径扫描，填充出一个器件层面图。然后底板下降一个层厚，喷头继续填充当前层剖面图，直到所有路径都被扫描过为止。
[0025]实施例2
[0026]将整个成型系统用真空箱体I保护起来，将镁合金带材放入系统内，镁合金带材的截面积为9_2，挂于一个可自动控制的线轴3之上。系统工作前先抽真空至10_2Pa以下并保持真空状态；转动线轴3，同时配合以进丝系统，将镁合金带材推进坩埚内，加热坩埚至750°C，使坩埚中下部的镁合金熔化，而坩埚上部保持在400°C以下；继续将镁合金带材压进坩埚，利用镁合金带材自身对镁合金熔体施加压力并使熔体由挤出喷头挤出；底板加热并保温至400°C。挤出喷头在底板上按照预先规划的路径扫描，填充出一个器件层面图。然后底板下降一个层厚，喷头继续填充当前层剖面图，直到所有路径都被扫描过为止。
[0027]实施例3
[0028]将整个成型系统用真空箱体I保护起来,将铁丝材放入系统内，铁丝材直径为1mm，挂于一个可自动控制的线轴3之上。系统工作前先抽真空至5Pa以下，并保持此真空状态；转动线轴3，同时配合以进丝系统，将铁丝材推进坩埚内，加热坩埚至1750°C，使坩埚中下部的铁熔化，而坩埚上部保持在1000°C以下；继续将铁丝材压进坩埚，并对坩埚施加一气体压力，推动铁熔体由挤出喷头挤出；底板加热并保温至1000?1300°C ;挤出喷头在底板上按照预先规划的路径扫描，填充出一个器件层面图。然后底板下降一个层厚，喷头继续填充当前层剖面图，直到所有路径都被扫描过为止。
[0029]本方法适用于招、镁、锂、钠、钾、?丐、银、钡、钛、铁、钴、镍、铜、锌、镓、银、金、钼、铬、镉、铟、锡、锑、铅、汞、铋、钽、铪、钨、钇、锆、碲、稀土等金属，对于上述金属的合金也同样适用。
[0030]最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
1.一种熔融挤出快速成型金属部件的系统，包括密闭的箱体、抽真空系统及气体流量控制系统，其特征在于:所述密闭箱体内设有打印机构、基板、用于储存金属丝/带材的线轴及运动控制系统，所述打印机构包括用于熔融金属的坩埚及挤出喷头，所述基板上设有加热管、保温装置及隔热罩，所述隔热罩将打印机构包覆在内，所述运动控制系统分别与打印机构及基板相连。
2.根据权利要求1所述的熔融挤出快速成型金属部件的系统，其特征在于:所述坩埚由氧化钇基陶瓷材料、氧化锆基陶瓷材料、氧化铝基陶瓷材料、氧化镁基陶瓷材料、碳化硅陶瓷材料、氮化硅陶瓷材料、氮化硼基陶瓷材料、石墨、铁、不锈钢、高温镍基合金及铜中一种或多种材料复合制成。
3.根据权利要求1所述的熔融挤出快速成型金属部件的系统，其特征在于:所述金属丝材直径为0.05mm?1mm,金属带材截面积为0.0lmm2?100mm2。
4.根据权利要求1所述的熔融挤出快速成型金属部件的系统，其特征在于:所述保温装置由若干层铺设在基板上的保温层组成，所述保温层为不锈钢板、镍板、石墨毡、铜板、石棉、钛酸铝陶瓷板、云母纸或磨砂石英玻璃板的一层或多层组合；所述隔热罩为不锈钢板、镍板、石墨毡、铜板、石棉、钛酸铝陶瓷板、云母纸或磨砂石英玻璃板的一层或多层组合。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述的成型系统熔融挤出金属部件的实现方法，其特征在于主要包括以下实现步骤:(I)对箱体内的环境进行抽真空及充惰性气体，排出箱体内的空气；(2)线轴滚动，将储存的金属丝/带材输送至打印机构中的坩埚内，坩埚对金属丝/带进行加热熔化，形成金属熔体，金属熔体温度为25?3500°C ； (3)预热基板至25?1500°C ；(4)对金属熔体施加压力，使坩埚内的金属熔体从喷头中挤出；(5)运动控制系统控制挤出喷头与基板之间的相对运动，实现金属熔体在基板上的铺设及层层累积。
6.根据权利要求5所述的熔融挤出快速成型金属部件的实现方法，其特征在于:所述步骤⑴中真空范围为10_8Pa?15Pa,惰性气体为氦气、氩气或氮气。
7.根据权利要求5所述的熔融挤出快速成型金属部件的实现方法，其特征在于:所述步骤(I)中坩埚内金属丝/带材的加热方式为电阻加热、等离子体加热、感应加热、电弧加热或光照加热。
8.根据权利要求5所述的熔融挤出快速成型金属部件的实现方法，其特征在于:步骤(2)中对金属熔体施加压力的方式为机械挤压或气体加压。
【文档编号】B22F3/115GK104148637SQ201410376412
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】王国玉, 段宣明, 纪丽娜, 范树迁, 陈勇, 王林志 申请人:中国科学院重庆绿色智能技术研究院