一种平面阵列式磁控增材制造方法与流程

本发明属于增材制造领域，尤其涉及到磁控式的粘接增材制造方法。

背景技术

相比传统加工方式，3d打印技术将三维实体加工变为由点到线、由线到面、由面到体的离散堆积成型过程，极大地降低了制造复杂度。3d打印技术在发展之初，首先突破了传统制造技术在形状复杂性方面的技术瓶颈，能快速制造出传统工艺难以加工、甚至无法加工的复杂形状及结构特性。随着3d打印技术的不断发展，现代3d打印技术已经超越传统单材均质加工技术的限制，突破下述3个复杂性：可跨越多个尺度直接制造；功能复杂性；增材制造可以在一次加工过程中完成功能结构的制造，从而简化甚至省略装配过程。

增材制造是一种快速成型技术，以数字模型文件为基础，进行切片处理，将粉末状材料或聚合物流体通过逐层堆叠粘接方式构造物体的技术，已在设计、建筑、工程、医疗产业等系统广泛应用。增材制造主要技术原理包括熔融沉积（fdm）、立体光固化成型（sla）、选择性激光烧结（sls）、层叠制造（lom）等。

熔融沉积（fdm）一般将热塑性丝材通过送丝机构送达加热的喷头使其迅速熔化并挤出，同时在计算机的控制下，喷头与成形工作台之间形成相对的三维平动，挤出的熔体在工作台上留下由计算机控制产生的运动路径，该路径以扫描的方式完成对打印件界面信息的反映，经快速冷却后便产生一薄层材料，之后挤出来上升或工作台下降一个固定高度（及分层切片厚度），继续以扫描填充的方式逐层堆积材料直至整个实体成形完毕。fdm工艺能兼容多种类型的材料且更换方便，维护成本低，可以快速成形厚度较薄的实体，在成形过程中不需要人工干预，设备尺寸紧凑，适于低温运行。

立体光固化成型（sla）作为粘合型3d打印的代表技术，相比于沉积型3d打印技术，其具备更高的精度和材料利用率。sla的基本加工原理是利用光能将加工材料进行选择性固化，通过层层累积的方式获得最终成品，其加工的基本工艺流程如下：（1）将三维立体添加必要支撑。（2）将添加支撑后的立体进行分层和加工路径规划。（3）激光器按照规划路径对一个层面内的加工材料进行选择性固化。（4）加工工作台下降一个厚度，并对零件液面进行涂覆。（5）重复以上两个步骤纸质所有层面加工完毕，工作台上升。（6）对工件进行支撑、清洗，获得所需工件。sla工艺的台阶效应较弱，其成型速度更快、效率更高。

选择性激光烧结工艺（sls）是通过利用激光能有选择性地融化粉末材料来成型，可针对非金属外壳体介质进行高可控精确快速3d打印。sls型3d打印设备具体运行原理如下：（1）粉末温度控制器一般由４根加热灯管组成，在成型室和铺粉预备区域自由移动，保证烧结粉末的温度控制；（2）设备没烧结完成一层，滚粉筒从右至左重新给成型室铺一层待烧结粉，该过程中成型室升降台下移层厚距离，铺粉预备区域升降台上移层厚距离；（3）激光在多自由度移动旋转扫描振镜的反射下，对成型室的烧结粉末加热；（4）进、出气口等结构保证了整个打印设备的环境温湿度。

层叠制造（lom）是以pvc塑料薄膜为打印主材，以专用胶水、解胶水及解胶笔为打印辅材。其工艺原理是根据零件分层几何信息切割塑料薄膜，将所获得的层片粘接成三维实体。其工艺过程是：首先铺上一层塑料薄膜，然后用机械刀具在计算机控制下切出本层轮廓，当本层完成后，用解胶笔蘸取解胶水预涂在不需要的部分，在铺上下一层塑料薄膜，同时通过8根喷胶管将专用胶水涂覆在两层薄膜之间，使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复知道加工完毕，最后去除不要的部分得到完整的零件。

当前的这些增材制造方法在打印效率、制造精度、打印材料、产品复杂度、设备成本等方面都还存在着很大的限制，无法短时间制造出高精度的复杂金属产品。

技术实现要素：

本发明提供了一种新型增材制造方法，使用平面阵列式磁控增材制造方法，在增材制造分层打印的过程中，可以进行整个面的同步增材制造；此方法可以大幅提高产品的制造速度，提高工厂生产效率。

本发明提出的工艺试验需要在三维打印设备上进行，桁架机构安装在可以水平、竖直方向运动的导轨上，通过控制桁架机构的运动能够实现在铁粉原料区、粘接材料区、已成型区往复移动和打印的功能。

一种平面阵列式磁控增材制造方法，如图1所示，包含以下步骤：

步骤一、建立产品实体几何模型，将产品实体几何模型导入计算机的增材制造计算机辅助制造（cam）系统中进行分层切片处理，对需要打印的切片进行分析；

步骤二、在桁架运动机构的右端设置一个平面装置，此平面装置移动到加热态的粘接材料区，再通过z方向运动，在其表面涂覆上粘接材料；

步骤三、将上述平面装置移动至已成型区上方，通过z方向运动将粘接材料涂覆在已成型区产品表面，粘接材料在冷态下的已成型区凝固粘接；

步骤四、在桁架机构左端设置一个磁控平面，在所述磁控平面内布置大量呈x、y方向阵列式规则排列的磁针，每根磁针尾端设有线圈，可通过通断电实现磁性的获得或消失；

步骤五、将上述呈阵列平面排列的磁针头部统一朝下，通过运动桁架机构将此阵列平面移动至铁粉原料区；

步骤六、使用一个带有刮刀的运动机构在往复运动的状态下将铁粉原料区刮平；

步骤七、cam系统根据分析出来的切片模型来控制阵列平面相应位置的磁针吸附铁粉；

步骤八、已吸附铁粉的阵列平面运动至已成型区正上方，通过z方向运动接近成型表面，然后释放磁力，将铁粉置留成型区表面，由粘接材料实现粘接；

步骤九、循环步骤二至步骤八，一层一层不断打印，直到产品成型；整体成型后，通过等静压和高温烧结处理，实现致密化，去除粘接材料，实现整体完成。

在所述步骤一中，三维模型以stl格式导入cam系统中，进行分层切片处理，系统自动计算出每一层的切片图形，然后再根据信息对磁控平面磁针进行控制，以达到每次吸附的铁粉原料都能形成相应的形状。再根据切片的层厚，来控制吸附铁粉原料的量。

在所述步骤四中，cam系统通过控制plc来对分布在磁控平面的微小磁针进行实时通断电控制，快速增材制造各种复杂图形。所有微小磁针以相同的姿态阵列式排布在x、y平面，以产生一个竖直向上的磁场力，来吸附铁粉原料区的粉末。

在所述步骤五中，桁架机构用来定位固定住所有的微小磁针，使得所有磁针在同一平面，并带动左右两端平面在铁粉原料区、粘接材料区、已成型区来回移动，来快速打印产品。

在所述步骤六中，每次吸附铁粉之前，都应该使用刮刀刮平铁粉原料区上表面，使得微小磁针能够准确吸附适量的铁粉、形成相应的形状以及层厚。

本方法打印的产品，在通过分层打印的方式使得产品整体成型后，通过控制适当的压力和温度进行静压和高温烧结处理，可以使得残留在每一层中的粘接剂被挤压出来，而基本不影响打印产品的精度。

有益效果：本方法提供一种平面阵列式磁控增材制造方法，可以通过控制磁力从铁粉原料区吸附每一层对应切片图形的铁粉，进行整个面的增材制造，从而大大提高了打印速度。同时使用的设备简单、成本低廉，可以制造出复杂度较大的产品，制造出来的产品表面粗糙度也较高。因此，本发明作为一种新型的增材制造方法具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述的一种平面阵列式磁控增材制造方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

1、建立好三维产品模型，将模型以stl格式导入到增材制造cam系统中，然后进行切片处理，计算出产品打印的层数、层厚以及每一层切片的形状。

2、搭建一个固定的支架，使得桁架机构能够在支架上水平移动和竖直移动。

3、桁架机构是一个运动装置，同时机构的两侧分别设置一个平面装置。左侧是一个由大量微小磁针组成的阵列式磁控平面装置，用于吸附铁粉。右侧是一个用于涂覆粘接剂的平面，然后将粘接剂传递到已成型区产品表面。

4、桁架机构水平运动，使得桁架机构右侧平面移动至粘接材料区正上方，然后平面下移，涂覆粘接剂，再运动到已成型产品区，将粘接剂涂覆到产品表面。

5、使用刮刀，将原料铁粉区上表面刮平，保证每一处与磁控平面的距离都相等，为阵列式磁控平面吸附原料铁粉做准备。

6、桁架机构水平运动，使得桁架机构左侧阵列式磁控平面装置运动到原料铁粉区的正上方，然后系统根据切片信息控制对应磁针上电吸附铁粉。

7、桁架运动机构水平移动，使得磁控平面运动到已成型区正上方，再竖直移动，使得由大量微小磁针组成的磁控平面移动到已成型区产品表面上方微小距离处。

8、增材制造cam系统控制磁针断电，吸附的铁粉滞留在已成型区产品表面，由粘接剂实现粘接。至此，完成产品的本层打印。

9、判断此时是否完成产品的全部加工，如果否，返回至第4步；通过一层一层不断打印，直到产品整体成型。

整体成型后，通过等静压和高温烧结处理，实现致密化，去除粘接材料，实现整体完成。