一種熔融金屬3d打印裝置及打印方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熔融金屬3D打印裝置及打印方法，屬于3D打印技術領域。
【背景技術】
[0002]目前國內外3D打印技術主要包括粉末或絲狀材料高能束燒結、熔化成型，絲材擠出熱熔成型，液態(tài)樹脂光固化成型，液體噴印成型，片/板/塊粘接或焊接成型等五種形式。
[0003]金屬是3D打印最為廣闊的市場。目前對金屬材料進行3D打印通常采用的現(xiàn)有方法有:直接金屬激光燒結(DMLS)、電子束熔化燒結(EBM)、選擇性激光熔化成型(SLM)、選擇性激光燒結(SLS)以及尚未成熟的基于熔焊方法的金屬3D打印。但在用現(xiàn)有技術對金屬材料打印時，僅支持十多種金屬進行加工，如特定的幾種招娃合金、鈦合金、鎳合金和不銹鋼，且需要預先制成專用的金屬粉末；打印出的金屬制品致密度低，最高能達到鑄件的98%，遠低于鍛造件的力學性能；打印制品表面精度差，需要后續(xù)處理；而且通過激光或是電子束進行3D打印，生產(chǎn)效率極低，但成本卻很高，若是通過基于熔焊方法的3D打印，效率雖然變高了，也不用制成金屬粉末，但打印時金屬熔滴一滴滴的滴落不僅使打印過程變得極不穩(wěn)定，而且打印出來的制品精度極差。目前金屬材料打印產(chǎn)品極少能作為零部件直接組裝應用。

【發(fā)明內容】

[0004]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種熔融金屬3D打印裝置。
[0005]本發(fā)明還提供一種利用該裝置的打印方法。
[0006]本發(fā)明的技術方案如下:
[0007]—種熔融金屬3D打印裝置，包括殼體、第一噴嘴、熔化極焊接電極和非熔化極焊接電極，第一噴嘴與殼體一端相連，殼體中部中空形成空腔，殼體內設有第一密封板和第二密封板，熔化極焊接電極和非熔化極焊接電極位于殼體空腔內，熔化極焊接電極和非熔化極焊接電極貫穿兩個密封板設置，所述第一密封板設有氣體入口，所述第二密封板設有氣體出口，氣體入口、氣體出口用以流通惰性氣體。第一密封板、第二密封板的表面積與殼體橫截面積一致，兩個密封板配合兩個電極形成一個密封艙，通過氣體入口、氣體開口通入惰性氣體，一來通入惰性氣體用以保護熔化極焊接電極產(chǎn)生的液態(tài)熔滴，二來通過調節(jié)氣壓及氣體流速使熔化極焊接電極產(chǎn)生的液態(tài)熔滴流出第一噴嘴。
[0008]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述惰性氣體為氬氣。為了防止液態(tài)熔滴在打印過程中發(fā)生氧化，產(chǎn)生有害組織，一般均要采用惰性氣體進行保護。在所有的惰性氣體中，一般用于保護氣的氣體主要是氦氣以及氬氣。就保護性能而言，氬氣比氦氣更好，電弧燃燒更穩(wěn)定，但氦氣做保護氣時，電弧溫度高，焊接速度快。就成本而言，氦氣的價格是氬氣的好幾倍。所以從各方面綜合考慮，選用氬氣做保護氣。
[0009]進一步優(yōu)選的，所述氬氣純度為99.999%。氬氣采用實驗室常用的99.999%純度的即可。
[0010]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述熔化極焊接電極為MIG焊槍。
[0011 ] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述非熔化極焊接電極為TIG焊槍，TIG焊槍為直柄焊槍，TIG焊槍內設有循環(huán)水冷裝置。
[0012]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述第一噴嘴為銅噴嘴。因為銅的加工性能好，簡單易得；還有就是銅噴嘴導熱性能好，塑性較好，不易發(fā)裂。
[0013]進一步優(yōu)選的，銅噴嘴外部設有水冷裝置。以防止銅噴嘴過熱。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述第一噴嘴一端設有內螺紋，所述殼體一端設有外螺紋，第一噴嘴與殼體螺紋連接。由于在3D打印中，噴嘴將長時間處于高溫高壓的工作狀態(tài)，噴嘴的性能及使用壽命最先受到影響，將噴嘴與殼體通過內外螺紋匹配連接，便于更換噴嘴，降低維護成本。
[0015]進一步優(yōu)選的，所述第一噴嘴一端還設有第二噴嘴。
[0016]進一步優(yōu)選的，所述第二噴嘴為氧化鋁陶瓷噴嘴。由于氧化鋁陶瓷噴嘴的熔點高達1700°C，而銅噴嘴無法承受如此高溫，所以必須在銅噴嘴的內部加設一個可以承受如此高溫的氧化鋁陶瓷噴嘴。由于氧化鋁陶瓷加工性能不好，所以只能是與銅噴嘴一起配合作為該槍體的噴嘴。同時氧化鋁陶瓷噴嘴內部為漏斗狀，用于3D打印過程中儲存一定量的液態(tài)金屬，使過渡過程更加平緩，通過控制氣壓使液態(tài)金屬緩慢過渡，實現(xiàn)3D打印。
[0017]焊絲可以為不銹鋼絲，此處不銹鋼絲僅作為一種實驗材料，并不是所有的3D打印都必須使用不銹鋼絲，不銹鋼絲成本不高，簡單易得。
[0018]一種利用上述裝置進行3D打印的方法，即液態(tài)金屬在打印裝置中擠出的方法，包括步驟如下:
[0019](1)、預熱:將第一噴嘴預先加熱；3D打印前給將要承受高溫熔融金屬的部位加熱到一定的初始溫度，用以防止高溫液滴對裝置產(chǎn)生過大的熱沖擊而使裝置發(fā)裂；由于氧化鋁陶瓷較脆，在很大的熱沖擊作用下易出現(xiàn)發(fā)裂的現(xiàn)象。
[0020](2)、將打印裝置與焊接機器人相連，設定工作參數(shù)，所述工作參數(shù)包括電壓參數(shù)、電流參數(shù)、氣流量、送絲速度；根據(jù)要打印的3D作品對焊接機器人進行離線編程；焊接機器人選取日產(chǎn)MotoMan UP6。
[0021](3)、接通電源，通入惰性氣體，在兩個電極之間接觸引弧，通過焊接機器人利用本打印裝置進行3D打印。
[0022]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟⑴中，在第一噴嘴外部設置高頻感應線圈，使第一噴嘴發(fā)熱。進而也可以使第二噴嘴一起預熱。
[0023]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟⑴中，加熱到400?500攝氏度。
[0024]本發(fā)明中，通過兩個電極之間接觸引弧熔化不銹鋼焊絲，產(chǎn)生液態(tài)不銹鋼熔滴滴入第二噴嘴中，隨著熔滴不斷下落，在第二噴嘴中會積累一定量的液態(tài)不銹鋼，再往密封的焊槍中通入氬氣，將熔融不銹鋼液體擠出噴嘴，通過控制電源參數(shù)以及氣流量等，使熔融的液態(tài)不銹鋼穩(wěn)定的過渡到工作臺上，并通過焊接機器人離線編程，完成制品的3D打印過程。
[0025]本發(fā)明的有益效果在于:
[0026]1、本發(fā)明的技術方案創(chuàng)造性地結合絲材擠出熱熔成型以及基于熔焊的熔化成型，通過焊接電弧產(chǎn)生的高溫促使高熔點金屬絲材熔化成熔融液態(tài)金屬再通過殼體、噴嘴的內部壓力的擠壓作用使金屬液穩(wěn)定、快速地流出從而實現(xiàn)3D打印。
[0027]2、本發(fā)明的技術方案中，兩個電極分別采用的是惰性氣體保護焊焊槍做陽極，鎢極氬弧焊焊槍做陰極，由于陽極吸收電子發(fā)熱量大，陰極發(fā)射電子發(fā)熱量小，以此既增加了陽極不銹鋼焊絲的熔化速度，同時也防止鎢極過熱；兩電極之間形成回路，通過焊絲的送進接觸引弧。
[0028]3、利用本發(fā)明的技術方案，焊接過程穩(wěn)定，熔敷率高，可產(chǎn)生射流過渡，避免了金屬熔滴滴落帶來的焊接過程不穩(wěn)定，防止3D打印制品的不連續(xù)，精度差，表面粗糙度過大等缺陷。
[0029]4、利用本發(fā)明的技術方案，可平穩(wěn)的進行多種金屬材料的3D打印，尤其適用于3D打印航空、航天、核電等重大工程領域中各類形狀較復雜、精密元件，可打印材料包括鈦合金、不銹鋼、銅合金等，應用廣泛。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明打印裝置的結構示意圖；
[0031]其中，1、殼體，2、第一噴嘴，3、第二噴嘴，4、熔化極焊接電極，5、非熔化極焊接電極，6、第一密封板，7