CN110814350B - 一种铝合金超声辅助3d打印装置及其打印方法 - Google Patents

Abstract

一种铝合金超声辅助3D打印装置及其打印方法，它涉及一种3D打印装置及打印方法。本发明为了解决现有超声辅助的液态双金属直接3D打印装置和方法，不但存在无法发挥超声促进液态金属润湿与结合的作用，还存在不利于获得属性一致的金属材料的问题。本发明将粉体或块状形式的纯铝或铝合金金属作为原材料放置于储料罐内，加热熔化后，施加一定的气压，气体挤压力使液态金属向喷头处流动，流出喷头后，在超声的作用下实现破除液态铝和前一层铝或基板铝表面的氧化膜实现微熔连接。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。本发明用于铝合金打印。

Description

一种铝合金超声辅助3D打印装置及其打印方法

技术领域

本发明涉及一种超声3D打印装置及方法，具体涉及一种铝合金超声辅助3D打印装置及其打印方法，属于3D打印技术领域。

背景技术

3D打印技术又称增材制造技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。近年来，该技术发展迅猛，其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。

虽然3D打印技术目前发展迅速，但是铝合金的3D打印还是受到了很大的限制。铝合金具有易氧化、高反射和高导热等性能，严重限制了激光、电弧等热源在3D打印中的应用。目前，对于铝合金的激光3D打印，只能通过对Al-Si粉或者Al-Mg-Si粉激光烧结的办法来实现，金属粉末的制备在很大程度上提高了其制造成本，这严重限制了其它种类铝合金在3D打印中的应用。

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，该专利所选用的原材料为金属粉末和陶瓷粉末混合体，施加于打印基板下方的超声波，主要用于预制体中粉末的均匀混合，最后将预制体烧结成零件。

中国发明专利201910571184.X中提出一种基于超声分散复合材料的螺旋杆式定向调控3D打印方法，该方法中所采用的超声作用是促进不同种类粉末的均匀混合，原材料必须是金属粉末才能实现3D打印。

中国发明专利CN201910429974.4公开了一种超声辅助的液态双金属直接3D打印装置及打印方法，该专利中所述打印机有两种金属液体的喷射装置，需要在惰性气体保护下对金属液体进行进喷射，超声振动装置与下基板端面接触，在基板下方施加超声振动，以调节不同金属的润湿性并细化晶粒。

超声通过下基板传输，声能必定会造成声能的衰减，同时，超声传输效率与零件尺寸关系很大，随着打印的不断进行，零件的尺寸将产生很大变化，打印处超声场也会随之改变，甚至会产生声能很小的情况，无法发挥超声促进液态金属润湿与结合的作用。同时，也不适合于任何金属，如铜，对于超声波的衰减很大，无法应用于该装置的3D打印，这将为获得属性一致的金属材料带来了巨大难度。

综上所述，现有超声辅助的液态双金属直接3D打印装置和方法，不但存在无法发挥超声促进液态金属润湿与结合的作用，还存在不利于获得属性一致的金属材料的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有超声辅助的液态双金属直接3D打印装置和方法，不但存在无法发挥超声促进液态金属润湿与结合的作用，还存在不利于获得属性一致的金属材料的问题。进而提供一种铝合金超声辅助3D打印装置及其打印方法。

本发明的技术方案是：一种铝合金超声辅助3D打印装置，它的工作原理是：将粉体或块状形式的铝合金金属作为原材料放置于储料罐内，加热熔化后，施加一定的气压，气体挤压力使液态金属向喷头处流动，流出喷头后，在超声的作用下实现破除液态铝和前一层铝的氧化膜实现微熔连接，或者实现破除液态铝和基板铝表面的氧化膜实现微熔连接。

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超声换能器、变幅杆、超声工具头、喷嘴、基板、第一温度传感器、第三温度传感器、第一加热模块、第三加热模块和隔热瓦，三维移动模块的Z轴支架和XY轴支架上下设置，超声换能器固定安装在三维移动模块的Z轴支架上，超声换能器的下端与变幅杆的上端连接，变幅杆上开设冷却水出水口和冷却水进水口，变幅杆的下端与超声工具头连接，超声工具头的下部设有第一温度传感器，超声工具头的下端为喷嘴，喷嘴的正下方设有安装在XY轴支架上的可加热基板，第三加热模块安装在基板上，第三温度传感器安装在基板的上部；其中，喷嘴处的液态金属流出管的直径范围为20μm-1000μm，喷嘴内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；第一加热模块套装在超声工具头上，第一温度传感器安装在超声工具头的下部，隔热瓦包裹在变幅杆和超声工具头上；粉体或块状形式的铝合金金属作为原材料，放置于安装在Z轴支架上的储料输送模块的储料罐内，且储料输送模块安装在超声辅助打印模块的一侧，并将原材料输送到喷嘴内，原材料流出喷嘴后，在超声的作用下实现破除液态铝和前一层铝的氧化膜实现微熔连接，或者实现破除液态铝和基板铝表面的氧化膜实现微熔连接，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。

优选地，喷嘴的下端外沿四周为圆倒角，所述的倒角半径为200-1000μm。

进一步地，超声工具头的材质为钼合金或纯铌或钛合金或钨合金。

进一步地，超声工具头内设置有液态金属通道。

进一步地，储料输送模块包括储料罐、金属传输管、第二温度传感器、第二加热模块、电磁阀、流量调节器、氩气瓶和泄压电磁阀，储料罐安装在三维移动模块的Z轴支架上，原材料放置在储料罐内，第二加热模块套装在储料罐内并被隔热瓦包裹，泄压电磁阀安装在储料罐的上盖上，氩气瓶通过管线与储料罐的上盖连接，电磁阀和流量调节器安装在管线上，第二温度传感器安装在储料罐的下部，储料罐的下端设有排料孔，金属传输管的一端与储料罐的出液口连接，金属传输管的另一端与液态金属通道连接。

进一步地，原材料为颗粒状、条状、丝状或块状。

进一步地，第二加热模块的加热温度大于原材料的熔点。

进一步地，原材料为Cu合金、Zn合金或Sn合金。

进一步地，三维移动模块包括激光测距仪、Z轴同步电机、XY轴同步电机、XY轴支架和Z轴支架，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轴支架连接并带动XY轴支架及XY轴支架上的基板水平移动，激光测距仪安装在固定在Z轴支架上。

本发明还提供了一种使用铝合金超声辅助3D打印装置的打印方法，它包括以下打印步骤：

步骤一：绘制需要打印的铝合金零件的三维模型，将三维模型导入3D打印装置中的软件中，转化为路径文件；

步骤二：将铝合金的原材料加入储料罐中；

步骤三：将储料罐中的铝合金进行加热至熔化；在气压的作用下将液态金属输送到变幅杆上的喷嘴处，在超声的作用下实现铝合金层与层之间微熔连接；

其中，超声工具头的振幅为2-10μm可调，频率15-100kHz可调；

打印温度为高于所需打印金属原材料熔点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；

步骤四：打印完一层后，通过激光测距仪校准距离后打印下一层；

步骤五：重复步骤三和步骤四，直至完成铝合金零件的打印。

进一步地，步骤二中，加入储料罐的铝合金原材料不受尺寸及形状的影响；铝合金原材料的形状为：金属粉末、金属块体或金属丝；铝合金原材料的尺寸为：小于储料罐的直径；铝合金原材料的材质为：任何材质的铝合金均能进行3D打印，对于其他金属，只要设备满足温度要求均能进行3D打印。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、将超声波施加在喷嘴处，对液态铝进行超声处理，超声作用下的液态铝中会产生空化效应，空化泡的高温高压微射流快速去除液态铝和上层铝合金表面的氧化膜，实现冶金结合，同时超声作用具有细化晶粒的作用，从而可以获得高力学性能的零件，超声作用时间很短，仅1s内完成，因而铝合金层与层之间为微熔连接，在很大程度上可以提高3D打印的零件精度，超声施加在喷嘴处，能够保证3D打印的每个区域超声振幅一致，获得材料属性分布一致的铝合金零件。

2、本发明的3D打印装置对于金属原材料的尺寸放宽，金属粉末、金属丝、块体金属均能在该装置中实现3D打印；

3、本发明实现了超声波输入与打印一体化，可以保证超声波输入每个3D打印位置的声能一致，因而获得的铝合金零件的每个部位属性一致；

4、本发明在超声波作用下铝合金的晶粒细化作用能够获得高力学性能的铝合金零件。

5、本发明的打印方法由于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。能够实现不受铝合金原材料尺寸限制的铝合金及零件的打印。

附图说明

图1是本发明装置整体结构示意图；

图2是超声波辅助打印部分结构示意图；

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；21、超声换能器；22、冷却水出水口；23、冷却水进水口；24、变幅杆；25、超声工具头；26、喷嘴；261、圆倒角；262、工作平面；263、圆倒角；27、第一温度传感器；43、基板；47、第三温度传感器；51、铝合金零件；61、第一加热模块；63、第三加热模块；64、隔热瓦；31、储料罐；32、输料管；33、排料孔；34、第二温度传感器；52、液态铝合金；62、第二加热模块；71、电磁阀；72、流量调节器；73、氩气瓶；74、泄压电磁阀。41、激光测距仪；42、Z轴同步电机；44、XY轴同步电机；45、XY轴支架；46、Z轴支架。

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，本实施方式的铝合金超声辅助3D打印装置包括工控柜1、超声辅助打印模块、储料输送模块和三维移动模块，工控柜是整个设备的计算机控制系统，超声辅助打印模块、储料输送模块的金属储料罐31均固定在三维移动模块上，实现三维打印。

超声辅助打印模块包括超声换能器21、冷却水出水口22、冷却水进水口23、变幅杆24、超声工具头25、喷嘴26、基板43、第一温度传感器27、第三温度传感器47、铝合金零件51、第一加热模块61、第三加热模块63和隔热瓦64，超声换能器21固定在Z轴支架46上，实现上下移动，所述的超声换能器21与变幅杆24通过螺栓紧密连接，变幅杆24上冷却水出水口22、冷却水进水口23用来冷却变幅杆的温度以保护超声换能器21的正常运行，变幅杆24与超声工具头25之间通过螺栓紧密连接，超声工具头25置于第一加热模块61内，第一温度传感器27对超声工具头25上的温度进行测定并调控，隔热瓦64包覆第一加热模块61和第二加热模块62周围，起到保温隔热的作用。

储料输送模块包括储料罐31、金属传输管32、排料孔33、第二温度传感器34、液态铝合金52、第二加热模块62、电磁阀71、流量调节器72、氩气瓶73和泄压电磁阀74。储料罐31固定在支架46上在Z轴同步电机42的带动下上下移动，储料罐31置于第二加热模块62内，第二温度传感器34对储料罐31进行温度测定，并反馈给工控柜1对第二加热模块62进行调控，当加热到指定温度后，调节好流量调节器72，打开电磁阀71，液态铝合金52在氩气压力的作用下，通过金属传输管32到达打印喷嘴26。

三维移动模块主要包括激光测距仪41、Z轴同步电机42、XY轴同步电机44、XY轴支架45、Z轴支架46。所述的激光测距仪41固定在Z轴支架46上测定距离，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，所述的Z轴同步电机42带动Z轴支架46上下移动，所述的XY轴同步电机44带动XY轴支架45水平移动，所述的XY轴支架45上加装有基板43。

具体实施方式二：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的超声工具头25上的喷嘴26，打印喷嘴处的液态金属流出管的直径范围为20μm-1000μm，打印喷嘴内流出管与平面262以第一圆倒角261过渡，第一圆倒角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将超声波输入液态金属产生空化效应，在低温下快速实现破除铝表面的氧化膜实现微熔连接。打印喷嘴四周为第二圆倒角263，所述的第二圆倒角263的倒角半径为200-1000μm。所述的基板43上配备有第三温度传感器47和第三加热模块63，所有的加热模块的加热速度通过调控加热模块电流控制，加热速度最大为10℃/s。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。可以实现不受铝合金原材料尺寸限制的铝合金及零件的打印。

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：

步骤一：绘制需要打印的铝合金零件的三维模型，将三维模型导入3D打印装置中的软件中，转化为路径文件；

步骤二：将铝合金的原材料加入储料罐中；

步骤三：将储料罐中的铝合金进行加热至熔化；在气压的作用下将液态金属输送到变幅杆上的喷嘴处，在超声的作用下实现铝合金层与层之间微熔连接；

其中，超声工具头振幅2-10μm可调，频率15-100kHz可调；

打印温度为高于所需打印金属原材料熔点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；

步骤四：打印完一层后，通过激光测距仪校准距离后打印下一层；

步骤五：重复步骤三和步骤四，直至完成铝合金零件的打印。

具体实施方式五：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的步骤二中，加入储料罐的铝合金原材料不受尺寸及形状的影响；铝合金原材料的形状为：金属粉末、金属块体或金属丝；铝合金原材料的尺寸为：小于储料罐31的直径；铝合金原材料的材质为：任何材质的铝合金均能进行3D打印，对于其他金属，只要设备满足温度要求均能进行3D打印。3D打印的适用范围广。

具体实施方式六：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的原材料为Al合金、Cu合金、Zn合金或Sn合金。超声工具头设置在3D打印件上方，直接对液态金属施加超声。

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3D打印2024Al合金零件。

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31中加入块体2024铝合金(或者铝合金粉末、丝等)，该实例中铝合金的尺寸为直径小于6cm；

步骤三：调节流量调节器72可以改变气体的流速，用来控制液态铝合金的流速，气体流速范围为0-25L/min，该实例中，该实例中流量调节器72调为10L/min。

步骤四：打开工控柜1上的第一加热模块61、第二加热模块62和第三加热模块63的开关对超声工具头25、储料罐31、和基板43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31和超声工具头25的温度为680℃，基板54的温度设定为400℃。

步骤五：将超声工具头25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。

步骤六：打开超声换能器21电源，然后打开电磁阀71，当有液态金属流出时打开三维移动系统进行打印，振幅2-10μm可调，频率20-100kHz可调，该实例中振幅为4μm，频率为20kHz。

步骤七：打印完一层后，冷却5s后再打印下一层，避免前一层液态铝没有凝固导致打印平面出现塌陷。

步骤七：重复步骤五和六，直至完成铝合金零部件的打印。

步骤八：取下铝合金零件51，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2024铝合金零件。

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。

Claims (8)

1.一种铝合金超声辅助3D打印装置，它包括三维移动模块，其特征在于：它还包括工控柜(1)、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超声换能器(21)、变幅杆(24)、超声工具头(25)、喷嘴(26)、基板(43)、第一温度传感器(27)、第三温度传感器(47)、第一加热模块(61)、第三加热模块(63)和隔热瓦(64)，

三维移动模块的Z轴支架(46)和XY轴支架(45)上下设置，超声换能器(21)固定安装在三维移动模块的Z轴支架(46)上，超声换能器(21)的下端与变幅杆(24)的上端连接，变幅杆(24)上开设冷却水出水口(22)和冷却水进水口(23)，变幅杆(24)的下端与超声工具头(25)连接，超声工具头(25)的下部设有第一温度传感器(27)，超声工具头(25)的下端为喷嘴(26)，喷嘴(26)的正下方设有安装在XY轴支架(45)上的可加热基板(43)，第三加热模块(63)安装在基板(43)上，第三温度传感器(47)安装在基板(43)的上部；

其中，喷嘴(26)处的液态金属流出管的直径范围为20μm-1000μm，喷嘴(26)内流出管与平面(262)以第一圆倒角(261)过渡，第一圆倒角(261)的半径为50-600μm，打印间距为100-300μm；第一加热模块(61)套装在超声工具头(25)上，第一温度传感器(27)安装在超声工具头(25)的下部，隔热瓦(64)包裹在变幅杆(24)和超声工具头(25)上；

粉体或块状形式的铝合金金属作为原材料，放置于安装在Z轴支架(46)上的储料输送模块的储料罐(31)内，且储料输送模块安装在超声辅助打印模块的一侧，并将原材料输送到喷嘴(26)内，原材料流出喷嘴(26)后，在超声的作用下实现破除液态铝和前一层铝的氧化膜实现微熔连接，或者实现破除液态铝和基板铝表面的氧化膜实现微熔连接，工控柜(1)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；

储料输送模块包括储料罐(31)、金属传输管(32)、第二温度传感器(34)、第二加热模块(62)、电磁阀(71)、流量调节器(72)、氩气瓶(73)和泄压电磁阀(74)，

储料罐(31)安装在三维移动模块的Z轴支架(46)上，原材料放置在储料罐(31)内，第二加热模块(62)套装在储料罐(31)内并被隔热瓦(64)包裹，泄压电磁阀(74)安装在储料罐(31)的上盖上，氩气瓶(73)通过管线与储料罐(31)的上盖连接，电磁阀(71)和流量调节器(72)安装在管线上，第二温度传感器(34)安装在储料罐(31)的下部，储料罐(31)的下端设有排料孔(33)，金属传输管(32)的一端与储料罐(31)的出液口连接，金属传输管(32)的另一端与液态金属通道连接。

2.根据权利要求1所述的铝合金超声辅助3D打印装置，其特征在于：喷嘴(26)的下端外沿四周为第二倒角(263)，所述的第二倒角(263)的倒角半径为200-1000μm。

3.根据权利要求1或2所述的铝合金超声辅助3D打印装置，其特征在于：超声工具头(25)的材质为钼合金或纯铌或钛合金或钨合金。

4.根据权利要求3所述的铝合金超声辅助3D打印装置，其特征在于：超声工具头(25)内设置有液态金属通道。

5.根据权利要求4所述的铝合金超声辅助3D打印装置，其特征在于：第二加热模块(62)的加热温度大于原材料的熔点。

6.根据权利要求5所述的铝合金超声辅助3D打印装置，其特征在于：三维移动模块包括激光测距仪(41)、Z轴同步电机(42)、XY轴同步电机(44)、XY轴支架(45)和Z轴支架(46)，Z轴同步电机(42)安装在Z轴支架(46)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(44)与XY轴支架(45)连接并带动XY轴支架(45)及XY轴支架(45)上的基板(43)水平移动，激光测距仪(41)固定安装在Z轴支架(46)上。

7.一种使用权利要求1至6中任意一项权利要求所述的铝合金超声辅助3D打印装置的打印方法，其特征在于：它包括以下打印步骤：

步骤一：绘制需要打印的铝合金零件的三维模型，将三维模型导入3D打印装置中的软件中，转化为路径文件；

步骤二：将铝合金的原材料加入储料罐(31)中；

步骤三：将储料罐(31)中的铝合金进行加热至熔化；在气压的作用下将液态金属输送到变幅杆上的喷嘴处，在超声的作用下实现铝合金层与层之间微熔连接；

其中，超声工具头(25)的振幅为2-10μm可调，频率15-100kHz可调；

打印温度为高于所需打印金属原材料熔点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；

步骤四：打印完一层后，通过激光测距仪校准距离后打印下一层；

步骤五：重复步骤三和步骤四，直至完成铝合金零件的打印。

8.根据权利要求7所述的使用铝合金超声辅助3D打印装置的打印方法，其特征在于：步骤二中，加入储料罐的铝合金原材料不受尺寸及形状的影响；

铝合金原材料的尺寸为：小于储料罐(31)的直径；

铝合金原材料的材质为：任何材质的铝合金均能进行3D打印。

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