一種壓力鑄造極坐標3d打印設備與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于三維增材制造技術(shù)領(lǐng)域，，特別涉及一種壓力鑄造3D打印設備。
【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)領(lǐng)域里，鑄造是最基本的專業(yè)，為機械制造業(yè)提供毛坯或半成品，傳統(tǒng)鑄件的生產(chǎn)模式是先制作木模、型芯或臘模(精密澆鑄用)，然后造型(砂型)、烘干砂型、刷涂料、澆注、冷卻，然后對鑄件進行清理，去冒口、打磨、噴沙等后續(xù)處理;眾所周知鑄造業(yè)目前存在最大問題是:1.工人的勞動強度大;2.工作環(huán)境惡劣:臟亂差、粉塵大(打磨的金屬粉末和造型砂塵粉末)；3.產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量難控制和廢品率高，雖然近些年來鑄造有了一定的發(fā)展，但受本專業(yè)特殊性的限制及中國勞動力的匱乏，鑄造業(yè)也陷入了艱難的境地。機械零部件要是能直接打印出來，不用加工或少加工，這便是未來工業(yè)4.0革命的目標。
[0003]目前快速成型制造技術(shù)發(fā)展比較塊，具體工藝很多，但金屬材料快速成型目前有兩種方法:直接法和間接法。I.間接法選域激光燒結(jié):是將有機粘結(jié)劑粉末和有金屬粉末按一定比例組成機械混合物，或有機粘結(jié)劑覆膜和金屬粉末所得到的物質(zhì)作；由于有機粘結(jié)劑或有機粘結(jié)劑覆膜的熔點比金屬低很多，因此在激光掃描時粘結(jié)劑先熔化，將金屬粉末顆粒粘結(jié)起來，形成金屬零件的坯體制件。間接法燒結(jié)工藝還需要復雜的后續(xù)處理工藝才能作為金屬制件，這種方法配料復雜，工藝操作麻煩，制件易變形，所以僅適應小件和少量生產(chǎn)，零件力學性能(強度)和精度都比較差，尤其是制件成本高。2.直接選域激光燒結(jié)法:采用單一純金屬粉末或由高熔點金屬粉末和低熔點金屬粉末混合而成的粉末作為燒結(jié)用的材料，利用高能量激光燒結(jié)直接獲得金屬零件，直接燒結(jié)法也需要復雜的后續(xù)處理工藝，所得制件的密度及力學性能很難滿足零件的功能要求，表面質(zhì)量也差，目前在鈦合金、不銹鋼等特殊材料中進行試驗者較多。綜上金屬粉末SLS技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域里現(xiàn)在只是開始(試驗嘗試階段)，燒結(jié)的三維制件普遍存在力學性能、表面質(zhì)量、密度、精度比較差，還不能作為功能性機械零部件直接使用，有待于新材料、新工藝和新智能裝備的開發(fā)和運用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]基于此，本發(fā)明公開了一種壓力鑄造極坐標3D打印設備，所述打印設備包括:
[0005]打印頭及送料裝置，用于高溫熔融狀態(tài)鋁及鋁合金的保溫、傳送及定量擠出；
[0006]極坐標運動控制裝置，用于實現(xiàn)工作臺在公轉(zhuǎn)半徑內(nèi)的經(jīng)線方向的運動和工作臺的回轉(zhuǎn)曲線運動；
[0007]平面坐標運動控制裝置，用于和極坐標相配合，實現(xiàn)打印設備的逐層堆積打印制造的過程，并且能夠?qū)崿F(xiàn)打印頭經(jīng)線方向和Z向的運動；
[0008]運動控制及工藝控制系統(tǒng)，利用二維輪廓數(shù)據(jù)驅(qū)動極坐標運動控制裝置、平面坐標運動控制裝置及打印頭及送料裝置，實現(xiàn)鋁及鋁合金的3D打印。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明一個實施例中壓力鑄造3D打印設備的示意圖；其中:1.底板;2.立板；
3.第一電機;4.第一絲杠;5.橫梁及絲杠螺母;6.第二電機;7.第二絲杠;8.滑塊和打印頭；
9.輸送管；10.熔化爐；11工作臺；12.第四電機;13.第三絲杠;14.第三電機;15.搖臂；16.第五電機;17.極坐標滑塊18.支撐滾輪。
【具體實施方式】
[0010]圖下面結(jié)合附圖及具體的實施例對本發(fā)明進行進一步的說明；
[0011]在一個實施例中，本發(fā)明公開了一種壓力鑄造極坐標3D打印設備，所述打印設備包括:
[0012]打印頭及送料裝置，用于高溫熔融狀態(tài)鋁及鋁合金的保溫、傳送及定量擠出；
[0013]極坐標運動控制裝置，用于實現(xiàn)工作臺在公轉(zhuǎn)半徑內(nèi)的經(jīng)線方向的運動和工作臺的回轉(zhuǎn)曲線運動；
[0014]平面坐標運動控制裝置，用于和極坐標相配合，實現(xiàn)打印設備的逐層堆積打印制造的過程，并且能夠?qū)崿F(xiàn)打印頭經(jīng)線方向和Z向的運動；
[0015]運動控制及工藝控制系統(tǒng)，利用二維輪廓數(shù)據(jù)驅(qū)動極坐標運動控制裝置、平面坐標運動控制裝置及打印頭及送料裝置，實現(xiàn)鋁及鋁合金的3D打印。
[0016]本發(fā)明所述的設備用于鋁及鋁合金的精密鑄造，在此基礎上也可發(fā)展其它材料的精密鑄造，所述設備利用極坐標3D打印機作為鑄造操作平臺，而創(chuàng)建壓力鑄造成型的思想，并且在此基礎上提出鋁及鋁合金壓力鑄造的3D打印技術(shù)。壓力鑄造3D極坐標打印機將是鑄造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的起點，也是未來工業(yè)的發(fā)展方向。
[0017]本發(fā)明壓力鑄造3D打印設備的發(fā)明和問世將為實現(xiàn)鑄造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和開啟中國機器人及智能裝備2.0增添光輝的一頁，實現(xiàn)高效、節(jié)材和節(jié)能環(huán)保的少無切削加工，也將徹底改變落后的鑄造行業(yè)。
[0018]在一個實施例中，所述打印頭及送料裝置包括:打印頭、輸送管、熔化爐及安裝在熔化爐內(nèi)的定量栗;所述輸送管一端與熔化爐可操作耦合，另一端與打印頭可操作的耦合。
[0019]本實施例所述的輸送管用于輸送熔化爐內(nèi)的打印材料，定量栗用于對打印材料進行定量輸出；本實施例所述的裝置能夠滿足不同金屬材料的打印需求，熔化爐能夠?qū)⒉煌娜廴跔顟B(tài)下的金屬材料進行保溫，定量栗根據(jù)打印需求定量的通過輸送管輸出打印材料，打印頭將打印材料送到待打印處。
[0020]在一個實施例中，所述極坐標運動控制裝置包括:工作臺、第三電機、第四電機、第三絲杠、極坐標滑塊；
[0021]所述工作臺和第四電機安裝在極坐標滑塊上;所述第三絲杠在第三電機的帶動下使圓形工作臺整體沿第三絲杠方向直線移動，實現(xiàn)工作臺在公轉(zhuǎn)半徑內(nèi)的經(jīng)線方向運動；同時工作臺在第四電機的帶動下作旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)曲線運動。
[0022]更優(yōu)的，本實施例所述的工作臺為圓形工作臺；如圖1所示:圓形工作臺和電機4安裝在極坐標滑塊上，極坐標滑塊在絲杠3帶動下使工作臺沿極軸(絲杠3)做徑向移動P;同時工作臺在電機4帶動下做旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)工作臺的自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)角度O?360，工作臺自轉(zhuǎn)實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)曲線的打印。
[0023]在一個實施例中，所述平面坐標運動控制裝置包括:橫梁及絲杠螺母、第一電機、第一絲杠、滑塊與打印頭、第二電機與第二絲杠；
[0024]所述第一絲杠在第一電機的帶動下做旋轉(zhuǎn)運動，并所述橫梁帶動滑塊和打印頭沿第一絲杠做Z向整體移動，實現(xiàn)逐層堆積打印制造的過程；
[0025]所述滑塊和打印頭在第二電機及第二絲杠的帶動下做與Z向垂直的X向運動，并與極坐標配合使打印頭做經(jīng)線方向和Z向的運動。
[0026]在本實施例中，如附圖1所示:打印頭安裝在上橫梁滑塊上，滑塊隨絲杠2在橫梁導軌上左右運動，實現(xiàn)平面上的直線打?。煌瑫r電機I帶動絲杠I使橫梁沿Z軸方向上下移動.
[0027]通過這套裝置打印頭在極坐標系下理論上可以完成工作行程內(nèi)任意曲線及直線的打印，屬于結(jié)構(gòu)簡單的5軸聯(lián)動裝置，每打印一層打印頭沿Z軸方向移動一層;本發(fā)明所述設備的層厚、液態(tài)金屬凝固狀況和精度、速度要求在三維數(shù)據(jù)專用分層軟件中設定。
[0028]在一個實施例中，所述打印設備裝置還包括第五電機、搖臂與支撐滾輪；
[0029]所述工作臺在第五電機的帶動下，通過搖臂在支撐滾輪的配合下，實現(xiàn)極角Θ轉(zhuǎn)動。
[0030]更優(yōu)的，如圖1所示:件號11、12、17、13、14安裝固定在搖臂(件號15)上，搖臂圍繞著電機5做旋轉(zhuǎn)運動，即公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)角度O?360度，這樣在電機5帶動下通過搖臂實現(xiàn)了工作臺的極角Θ轉(zhuǎn)動。
[0031 ]在一個實施例中，所述打印頭打印出材料的直徑由打印時的送料壓力、打印的材質(zhì)及其半熔融狀態(tài)下的表面張力決定。
[0032]在本實施例中，常規(guī)FDM3D打印機所用材料多為塑料之類，打印頭直徑一般為
0.4mm，而壓力鑄造3D打印機打印頭直徑大小取決于壓力和材質(zhì)，目前常規(guī)壓力鑄造最小壁厚為2mm，鑒于鋁及鋁合金熔融狀態(tài)的流動性和材料能夠順利噴出，本發(fā)明暫定打印頭直徑為2mm(也有壓力增大最小壁厚可做到0.8mm的特例)，當然打印頭直徑越小打印精度越高，隨著實際應用和深度發(fā)展，可以通過研究打印頭噴出半熔融狀態(tài)表面張力、凝固性能、打印頭結(jié)構(gòu)的配合關(guān)系及其它高溫微噴技術(shù)的研究逐步實現(xiàn)更小直徑的打印頭，以提高鑄件精度和應用范圍。
[0033]在一個實施例中，所述第一絲杠、第二絲杠、第三絲杠均采用滾珠絲杠。
[0034]在本實施例中，由于鋁及鋁合金鑄造溫度在660?760度之間，而現(xiàn)有3D打印機的傳動機構(gòu)基本采用高精度單齒面或雙齒面同步帶帶傳動，已不能勝任高溫環(huán)境的傳動，因此在3D極坐標鑄造打印結(jié)構(gòu)里，全部采用滾珠絲杠作為動力傳送件，且整個構(gòu)件從選用的材料及其特殊處理上均要滿足耐熱和力學性能穩(wěn)定之要求。
[0035]在一個實施例中，所述工作臺內(nèi)設置有加熱裝置，用于確保打印層的起始溫度及堆積層溫度不得低于175°C。
[0036]本實施例中加熱裝置可位于工作臺的底部，用于使工作臺保持一定的溫度，此溫度要能夠使置于工作臺上的打印層和堆積層的溫度不低于175°C，以避免快速降溫冷卻給剛打印出的打印鑄件帶來的龜裂、晶粒變粗等缺陷。
[0037]在一個實施例中，所述打印設備的工作環(huán)境為密封結(jié)構(gòu)，用于防止層與層之間空氣溶入產(chǎn)生氣孔及發(fā)生氧