一种骨架增强金属材料3D打印成型装置论文和设计-周宏伟

全文摘要

本实用新型提出一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，主要包括打印腔、供粉腔、连杆、活塞、金属粉、铺粉辊、工作台、激光器、扫描镜、机械臂、机械手、吸盘、金属网和金属网平台等。连杆和活塞安装在打印腔和供粉腔里，打印腔、供粉腔和激光器直接安装在工作台上；铺粉辊安装在供粉腔平台上；旁边的机械手安装在机械臂上，机械手的运动带动吸盘运动；吸盘抓取放于金属网平台上的金属网。本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置的核心技术在于在烧结金属粉的同时，在适当的断面上加入一种“钢筋结构”的金属网，提高了金属制品的强度，较于传统锻造、铸造工艺，具有较短成型周期，本实用新型可成型更加复杂、具有中空减重增强结构的制品。

主设计要求

1.一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，其特征在于：主要包括打印腔、供粉腔、连杆、活塞、金属粉、铺粉辊、工作台、激光器、扫描镜、机械臂、机械手、吸盘、金属网和金属网平台等装置，连杆和活塞安装在打印腔和供粉腔里，打印腔、供粉腔和激光器直接安装在工作台上；铺粉辊安装在供粉腔平台上；旁边的机械手安装在机械臂上，机械手的运动带动吸盘运动；吸盘抓取放于金属网平台上的金属网。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，其特征在于：供粉腔的腔室可配置一个或多个。

3.根据权利要求1所述的一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，其特征在于：扫描镜设计的个数为一个或为多个。

4.根据权利要求1所述的一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，其特征在于：机械手为平行机械手，还可为关节式机械手、助力机械手等。

5.根据权利要求1所述的一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，其特征在于：所述金属网由极细金属丝编织而成，且其厚度接近单层铺粉厚度，各层金属网的编织密度不同，粗细间隔，或者编织网时丝的角度不同，与各层间载荷承载的载荷相适应，或者编织的丝粗细相间隔，粗丝承载载荷、细丝主要起与打印材料更好粘合的作用。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及金属3D打印技术领域，具体涉及一种骨架增强金属材料3D打印成型方法。特别是，本实用新型通过一种骨架增强金属材料3D打印成型方法成型注塑机铸造模板。

背景技术

在大型金属构件的生产中，尤其是注塑机动模板和定模板的生产中，大多采用铸造或锻造等传统方法。这些方法制造的制品大多比较厚重，而且难以生产结构复杂的金属制品、成型周期较长、制造成本高，特别是中空减重制品以及大型化制品。随着3D打印技术的快速发展，选择性激光烧结技术（SLS）在金属制品的生产中应用越来越多。SLS工艺使用的是粉末状材料，激光器在计算机控制下对粉末有选择性地扫描实现材料的烧结粘合，就这样材料层层堆叠生产所需形状的制品，该方法可以成型金属、陶瓷、高分子材料等多种粉末材料。SLS技术具有加工周期短、可成型复杂结构制品、材料利用率高等优点。但该方法成型的制品微观结构疏松，致密度较低，机械性能还远远达不到要求，必须提高制品的强度和刚度，该方法才能在市场上得到批量化大规模生产。

为解决上述问题，专利“一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法（专利申请号：201710845116.9）”提出一种消失模铸造工艺及其后处理方法。运用SLS技术得到的浇注系统模壳模型，然后脱模、特殊金属液补缩、再清理、打磨、抛光得到制品。该方法提高了SLS制造金属制品的强度，但其流程复杂、工艺繁琐、且具有金属补缩液费用高、污染环境等缺点。

本实用新型提出一种骨架增强金属材料3D打印成型方法，运用优化的SLS技术成型高强度的金属制品，本实用新型的具体制品是铸造件，特别是注塑机铸造模板。

实用新型内容

本实用新型为解决3D打印成型金属制品强度不够，铸造成型金属制品质量重、结构受限等问题而提供的一种骨架增强金属材料3D打印成型方法，实现特大型金属制品的轻量化、强度化。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，主要包括打印腔、供粉腔、连杆、活塞、金属粉、铺粉辊、工作台、激光器、扫描镜、机械臂、机械手、吸盘、金属网和金属网平台等装置。连杆和活塞安装在打印腔和供粉腔里，打印腔、供粉腔和激光器直接安装在工作台上；铺粉辊安装在供粉腔平台上；旁边的机械手安装在机械臂上，机械手的运动带动吸盘运动；吸盘抓取放于金属网平台上的金属网。

本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，供粉腔的腔室可配置一个或多个，当多个时，可打印不同金属粉的复合制品，实现梯度空间结构的金属制品复合成型。

本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，扫描镜设计的个数为一个，也可以为多个，当多个时，可提高激光烧结的速度，提高成型周期。

本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，所设计的机械手为平行机械手，还可为关节式机械手、助力机械手等。

采用本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置进行3D打印成型方法，包括以下步骤：第一步，运用UG、SolidWorks等软件设计金属构件三维模型的STL文件并在3D打印机的工控机上对STL文件的三维实体模型进行切片处理；第二步，在供粉腔平台上用铺粉辊铺一层金属粉末到打印腔；第三步，由激光器发出的激光束经扫描镜发出扫描金属粉末烧结成型；第四步，连杆带动活塞推动打印腔和供粉腔平台上升一定距离；第五步，每隔固定周期，由固定于机械臂上的机械手带动吸盘吸住一层金属网铺在打印腔上的金属半成品上；第六步，重复第二步，直到打印所需金属制品，即本实用新型的注塑机铸造模板。

采用本实用新型的一种骨架增强金属材料3D打印成型方法的制品为注塑机铸造模板。其设计有进胶流道和拉杆孔等结构，还可以在适当位置设计有减重孔，例如“L型”减重孔，这些孔可以是中空孔或盲孔，也可以是开口孔。该孔减少制品重量的同时，其“L型”结构还起着加强作用，是SLS技术优于传统铸造，锻造等工艺的关键点之一。

本实用新型打印成型方法的核心技术在于在烧结金属粉的同时，在适当的断面上加入一种“钢筋结构”的金属网，大大提高了金属制品，即本实用新型中的注塑机铸造模板的强度。

较优地，所述减重孔除“L型”结构，还可以设计成“T型”、“I型”等中空结构，都可减重的同时起加强筋的作用，并保持制品外观简洁。

较优地，所述金属网包括各种高强度金属，比如：黑色金属（钢材），有色金属，钛、铜、铝等及其合金。

较优地，所述金属网的结构不仅包括一致的形状、更包括结构梯度变化的形状，如本实用新型的注塑机铸造模板，随着进胶流道的变化，金属网的结构随之变化，更利于制品强度均匀分布、提高制品寿命。

较优地，所述金属网由极细金属丝编织而成，且其厚度接近单层铺粉厚度。各层金属网的编织密度不同，粗细间隔，或者编织网时丝的角度不同，与各层间载荷承载的载荷相适应，或者编织的丝粗细相间隔，粗丝承载载荷、细丝主要起与打印材料更好粘合的作用。

本实用新型的有益效果是：本实用新型相较于传统的锻造、铸造工艺，更具有较短的成型周期、可成型更加复杂、具有中空减重增强结构的制品。相较于传统的SLS技术，本实用新型的技术可以大大提高制品的强度；相较于繁琐的后处理加强工序，本实用新型更具有环保、简易等优点。

附图说明

图1为本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置的成型工艺装置图。

图2为本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置的制品减重设计图。

图3为本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置的制品的加强设计图。

图中：1.吸盘，2.机械手，3.扫描镜，4.机械臂，5.激光器，6.工作台，7.铺粉辊，8.金属粉，9.供粉腔，10.打印腔，11.金属制品（注塑机铸造模板），12.连杆，13.活塞，14.激光束， 15.金属网平台，16.金属网，17.减重孔，18.拉杆孔，19.进胶道。

具体实施方式

本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置如图1所示，主要包括打印腔10、供粉腔9、连杆12、活塞13、金属粉8、铺粉辊7、工作台6、激光器5、扫描镜3、机械臂4、机械手2、吸盘1、金属网16、金属网平台15等装置。连杆12和活塞13安装在打印腔10和供粉腔9里，打印腔10、供粉腔9和激光器5直接安装在工作台6上；铺粉辊7安装在供粉腔平台上；旁边的机械手2安装在机械臂4上，机械手2的运动带动吸盘1运动；吸盘1抓取放于金属网平台15的金属网16。

工艺主要包括以下步骤：第一步，运用UG、SolidWorks等软件设计金属构件三维模型的STL文件并在3D打印机的工控机上对STL文件的三维实体模型进行切片处理；第二步，在供粉腔平台上用铺粉辊7铺一层金属粉8末到打印腔10；第三步，由激光器5发出的激光束14经扫描镜3发出扫描金属粉末烧结成型；第四步，连杆12带动活塞13推动打印腔10和供粉腔9平台上升一定距离；第五步，每隔固定周期，由固定于机械臂4上的机械手2带动吸盘1吸住一层金属网16铺在打印腔上的金属半成品上；第六步，重复第二步，直到打印所需金属制品11，即本实用新型的注塑机铸造模板11。

本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，供粉腔的腔室10可配置一个或多个，当多个时，可打印不同金属粉8的复合制品，实现梯度空间结构的金属制品复合成型。

本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，扫描镜3设计的个数为一个，也可以为多个，当多个时，可提高激光烧结的速度，提高成型周期。

本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，所设计的机械手2为平行机械手，还可为关节式机械手、助力机械手等。

本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，制品减重设计如图2所示，其设计有进胶流道19和拉杆孔18等结构，主要设计有一种减重孔17（可以是中空孔，也可以是开口孔）。该孔减少制品重量的同时，其“L型”结构还起着加强作用，是SLS技术优于传统铸造，锻造等工艺的关键点之一。

本实用新型一种骨架增强金属材料3D打印成型装置，制品的加强设计如图3所示，在烧结金属粉8的同时，在适当的断面上加入一种“钢筋结构”的金属网16，大大提高了金属制品，即本实用新型中的注塑机铸造模板11的强度。

较优地，所述减重孔17除“L型”结构，还可以设计成“T型”、“I型”等中空结构，都可减重的同时起加强筋的作用，并保持制品外观简洁。

较优地，所述金属网16包括：各种高强度金属，比如：黑色金属（钢材）、有色金属：钛、铜、铝等及其合金。

较优地，所述金属网16的结构不仅包括一致的形状、更包括结构梯度变化的形状，如本实用新型的注塑机铸造模板11，随着进胶流道19的变化，金属网16的结构随之变化，更利于制品强度均匀分布、提高制品寿命。

较优地，所述金属网16由极细金属织网而成，且其厚度接近单层铺粉厚度。

以上所述为本实用新型的具体设备及工艺情况，配合各图予以说明。但是本实用新型并不局限于以上所述的具体设备及工艺过程，任何基于上述所说的对于相关设备修改或替换，任何基于上述所说的对于相关工艺的局部调整，只要在本实用新型的精神领域范围内，均属于本实用新型。

设计图

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