[发明专利]一种熔融挤出快速成型金属部件的系统及其实现方法

说明书

技术领域

本发明属于快速成型领域，具体涉及一种熔融挤出快速成型金属部件的系统及其实现方法。

背景技术

经过20多年的发展，三维打印(即快速成型)技术发展迅速。以打印材料分类，可分为金属、非金属、陶瓷材料、复合材料以及生物材料的三维打印技术；以成型方式分类，可分为粉末烧结技术(SLS)、粉末熔融技术(SLM)、激光近成型技术(LENS)以及挤出熔融技术(FDM)。因金属材料熔点相对较高，一般都是选择高能束烧结/熔化的方式，例如SLM、LENS以及EBM技术，同时还需将材料制成粒度为10微米到100微米的球形粉。球形粉的制备需经过等离子体球化等特殊方法处理，导致原料成本大幅提升；而且，以电子束、激光束等高能束为基础的成型技术，由于用到的激光系统以及电子束系统昂贵且复杂，导致整体成型成本高且成型效率低，阻碍了金属材料快速成型技术的广泛推广。

FDM技术所用的材料一般为丝材或者带材，成型效率高，材料成本低廉；而FDM技术本身设备成本也比较低，从而使得FDM技术的整体成本低廉；然而FDM设备的输出功率有限，故现有技术中大都是应用于塑料材质的快速成型上。因此，若能将FDM的低成本、高效率及金属材料的优异性能相结合，必将极大推动快速成型技术的广泛推广，改变目前金属部件的制造方式。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构简单，适用于成型金属制件的熔融挤出快速成型系统及其实现方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种熔融挤出快速成型金属部件的系统，包括密闭的箱体、抽真空系统及气体流量控制系统，所述密闭箱体内设有打印机构、基板、用于储存金属丝/带材的线轴及运动控制系统，所述打印机构包括用于熔融金属的坩埚及挤出喷头，所述基板上设有加热管、保温装置及隔热罩，所述隔热罩将打印机构包覆在内，所述运动控制系统分别与打印机构及基板相连。

进一步，所述坩埚由氧化钇基陶瓷材料、氧化锆基陶瓷材料、氧化铝基陶瓷材料、氧化镁基陶瓷材料、碳化硅陶瓷材料、氮化硅陶瓷材料、氮化硼基陶瓷材料、石墨、铁、不锈钢、高温镍基合金及铜中一种或多种材料复合制成。

进一步，所述金属丝材直径为0.05mm～10mm，金属带材截面积为0.01mm²～100mm²。

进一步，所述保温装置由若干层铺设在基板上的保温层组成，所述保温层为不锈钢板、镍板、石墨毡、铜板、石棉、钛酸铝陶瓷板、云母纸或磨砂石英玻璃板的一层或多层组合；所述隔热罩为不锈钢板、镍板、石墨毡、铜板、石棉、钛酸铝陶瓷板、云母纸或磨砂石英玻璃板的一层或多层组合。

一种利用上述成型系统熔融挤出金属部件的实现方法，主要包括以下实现步骤：(1)对箱体内的环境进行抽真空及充惰性气体，排出箱体内的空气；(2)线轴滚动，将储存的金属丝/带材输送至打印机构中的坩埚内，坩埚对金属丝/带进行加热熔化，形成金属熔体，金属熔体温度为25～3500℃；(3)预热基板至25～1500℃；(4)对金属熔体施加压力，使坩埚内的金属熔体从喷头中挤出；(5)运动控制系统控制挤出喷头与基板之间的相对运动，实现金属熔体在基板上的铺设及层层累积。

进一步，所述步骤(1)中真空范围为10^-8Pa～10⁵Pa，惰性气体为氦气、氩气或氮气。

进一步，所述步骤(1)中坩埚内金属丝/带材的加热方式为电阻加热、等离子体加热、感应加热、电弧加热或光照加热。

进一步，步骤(2)中对金属熔体施加压力的方式为机械挤压或气体加压。

本发明的有益效果在于：金属丝/带材的加热熔化方式多，功率容量大(最大可达到几十千瓦)，可以轻易实现金属的熔融；采用密闭箱体对熔融金属挤出过程进行保护，有效避免了金属的氧化问题；金属材料采用丝材或带材，制造成本低、加热熔化过程快，输送方便，进料速度可控，提高了打印精度；设置了独立的加热管、保温装置与隔热罩，热辐射小，热流失量少；本发明将金属的优异性能及熔融挤出这种低成本、高效率的成型方式进行有效结合，成型成本低且成型效率高，适于大规模推广应用。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。