[發明專利]基于磁場調控的3D金屬打印系統及其打印方法

有效

• 申請號: 201510966964.6
• 申請日: 2015-12-21
• 公開（公告）號: CN105364073B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 趙博然;石光明;張犁;李甫;王紅林;胡晨光
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心61205
• 代理人: 王品華,黎漢華

技術領域

本發明屬于電子設備技術領域，特別涉及一種3D金屬打印系統及其打印方法，可用于模型制造、鈦合金零件加工或者定制性產品制造領域。

技術背景

3D打印是制造業領域正在迅速發展的一項新興技術，被英國《經濟學人》雜志稱為“具有工業革命意義的制造技術”，它通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，可以有效地縮短產品研發周期、提高產品質量并減少生產成本。

針對3D金屬打印領域而言，現在主流的3D金屬打印技術主要有五種：選擇性激光燒結SLS、選擇性激光熔化技術SLM、直接金屬燒結技術DMLS、電子束熔煉EBM和電子束直接制造EBMD。其中前三種的技術原理和加工方法基本相同，都是將快速原型制造技術和激光熔覆表面強化技術相結合，利用高能束在金屬基本體上形成熔池，將通過送粉裝置輸送到熔池的金屬粉末熔化，快速凝固于基本體形成模型；后兩種利用電子束進行加熱。

但是，這些3D金屬打印技術都不能直接形成符合要求的零件，因為這五種熔煉技術都要在金屬粉末表面形成熔池，熔池會粘連不需要的粉末降低精度，目前3D金屬打印產生的零件精度都在0.1mm到5mm之間，無法再提高；打印速度最快的電子束直接制造EBMD的速度只有20kg/h，要實現規模化生產這個速度是遠遠不夠的；這些技術利用的熱源是激光和電子束，而這兩種熱源都比較昂貴，提高了系統價格。

總而言之，上述3D金屬打印技術主要問題有：第一：激光器和電子束熱源昂貴；第二：制造精度不能達到直接使用的標準；第三：打印速度慢，無法適應大規模生產應用；第四，只能利用微米級的超微金屬粉末作為打印原材料，成本高。

除了通用的激光和電子束3D金屬打印機之外，還有兩種利用到磁場的3D金屬打印機專利申請。

第一種：“基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置及方法”，專利申請號是：201310120868.0。此專利申請根據磁流變原理，首先利用機械裝置將原材料擠出到模型對應的位置上，然后利用磁場使常溫液態原材料直接固化成固體。該專利申請的缺點是不能對鈦合金和鐵合金等常溫是固體的金屬材料進行打印，因而極大限制了該技術的應用。

第二種：“一種金屬零件在磁場作用下3D打印成形方法裝置”，專利申請號是：201410420932.1。該專利申請利用高能束熔化金屬粉末形成熔池，然后利用磁場吸引金屬的原理，調節磁場的大小和方向，使液態金屬得到攪拌，達到使打印成形的金屬模型更加致密的效果。該專利申請雖然使用了磁場，但是磁場的作用是達到攪拌熔池內金屬液體的目的，只是對于傳統3D金屬打印機的部分改進，具有傳統3D打印機的缺點：利用了高能束和金屬粉末，成本高；仍然會形成熔池，降低精度；打印速度慢。

發明內容

本發明的目的在于針對現有3D金屬打印技術存在的問題，提出一種基于磁場調控的3D金屬打印系統及其打印方法，以提高打印精度，降低成本，加快打印速度。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明利用洛倫茲力，通過磁場控制熔融帶電金屬微滴的飛行軌跡，使得原材料到達指定的位置完成打印，其技術方案如下：

1.一種基于磁場調控的3D金屬打印系統，包括

原材料送出加熱裝置，用于將原材料送入打印機并使之升溫變成熔融液態金屬，輸送給打印定位裝置；

打印定位裝置,用于將熔融液態金屬液滴堆疊到模型放置裝置的對應位置上；

模型放置裝置,用于承接和放置待打印的模型；

控制驅動電路，用于給各個裝置提供控制信號，使其協同工作；

其特征在于：

原材料送出加熱裝置，由步進電機、定滑輪、陶瓷導引管、高頻加溫線圈、鎢質擠出頭和感應加速極板組成；金屬絲經過定滑輪和步進電機的摩擦送入陶瓷導引管，通過吸收高頻線圈的熱量變成熔融金屬液體，通過感應加速極板電場的感應作用使其帶上電荷，再通過電場的吸引力使金屬液體飛離擠出頭形成帶電金屬微滴，該金屬微滴穿過打印定位裝置的磁場，滴到模型放置裝置上；

打印定位裝置，由偏轉磁場線圈和偏轉磁場鐵芯組成，偏轉磁場鐵芯用來增強偏轉磁場的強度；通過控制偏轉磁場線圈的電流強度，改變帶電金屬微滴射在模型放置裝置上的位置；

模型放置裝置,由平臺和擋板組成，平臺通過校準導線連接到送絲定滑輪的金屬軸上；擋板用于在帶電金屬微滴射到平臺之前為控制驅動電路提供校準觸發信號；

控制驅動電路，用于給該系統中的各個電器裝置提供控制信號和驅動電力，使其協同工作。

2.一種基于磁場調控的3D金屬打印系統的打印方法，包括如下步驟：