阅读说明：本技术 一种3d打印金属成型装置及方法 (3D printing metal forming device and method ) 是由 刘鹏 *** 杜霆 胡建宇 于 2019-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种3D打印金属成型装置,包括粉末库、料架、注射打印喷头、烧结炉和出料平台,粉末库的顶部设置粉末轧辊,粉末轧辊能够沿料架滚动并将金属粉末铺至料架上,料架的底部分别设置升降平台,升降平台能够带动料架上下运动；注射打印喷头能够向料架上喷射液体粘结剂,烧结炉能够对金属成型件进行加热烧结。本发明还提供一种3D打印金属成型方法,粉末轧辊在粉末库上滚动,金属粉末粘在粉末轧辊的表面,粉末轧辊在料架上滚动,将金属粉末铺设在料架上,注射打印喷头向金属粉末喷出液体粘结剂,粘合金属粉末材料层,重复上述步骤直至金属制件成型,将金属成型件送入烧结炉中,金属成型件在烧结炉中去除粘结剂,并烧结成型。(The invention discloses a 3D printing metal forming device which comprises a powder warehouse, a material rack, an injection printing spray head, a sintering furnace and a discharging platform, wherein a powder roller is arranged at the top of the powder warehouse, the powder roller can roll along the material rack and spread metal powder on the material rack, lifting platforms are respectively arranged at the bottoms of the material racks, and the lifting platforms can drive the material rack to move up and down; the injection printing nozzle can spray liquid binder on the work or material rest, and the fritting furnace can heat the sintering to the metal forming part. The invention also provides a 3D printing metal forming method, wherein a powder roller rolls on a powder storage, metal powder is adhered to the surface of the powder roller, the powder roller rolls on a material rack, the metal powder is laid on the material rack, a liquid adhesive is sprayed to the metal powder by an injection printing spray head to adhere a metal powder material layer, the steps are repeated until a metal product is formed, the metal formed part is sent into a sintering furnace, the adhesive is removed from the metal formed part in the sintering furnace, and the metal formed part is sintered and formed.)

一种3D打印金属成型装置及方法

技术领域

本发明涉及快速成型技术领域，特别是涉及一种3D打印金属成型装置及方法。

背景技术

3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前，3D打印最常用的是激光粉末烧结打印和粘合剂喷射打印。其中，激光粉末烧结技术目前存在以下缺点：1)能耗大，是通过高能耗的激光不断的给材料加热，使其熔接在一起；2)周期长，稍微复杂一些的零部件，能会需要几天时间；3)表面粗糙，由于通过激光熔融，使得零部件表面有很明显的熔接痕迹，因此在实际使用前，需要后处理；4)设备单价高，普通设备的单价高达几十万甚至上百万不等。

粘合剂喷射打印技术是一种增材制造工艺，其中选择性地沉积液体粘合剂以连接粉末颗粒。然后粘合材料层以形成物体。打印头选择性地将粘合剂滴入粉末中。工作箱降低，然后涂上另一层粉末并加入粘合剂。随着时间的推移，该部件通过粉末和粘合剂的分层而发展。粘合剂喷射打印技术能够印刷各种材料，包括金属，沙子和陶瓷。一些材料，如沙子，不需要额外的处理。根据应用，其他材料通常被固化和烧结，并且有时用另一种材料渗透。可以采用热等静压来实现固体金属的高密度。粘合剂喷射打印技术类似于传统的纸张印刷。粘合剂的作用类似于墨水，因为它在粉末层上移动，像纸一样，形成最终产品。粘结剂喷射金属成型后续需要烧结，而且涉及材料收缩问题，在一次制造高精度小型零件方面存在弊端。

因此，如何改变现有技术中，3D打印金属成型技术中存在的能耗大、精度低以及造价高的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D打印金属成型装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，降低3D打印金属成型的能耗和造价，提高3D打印金属成型的精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种3D打印金属成型装置，包括粉末库、料架、注射打印喷头、烧结炉和出料平台，所述粉末库能够容纳金属粉末，所述粉末库的顶部设置粉末轧辊，所述粉末轧辊能够沿所述料架滚动并将金属粉末铺至所述料架上，所述料架由耐高温材料制成，所述料架的底部分别设置升降平台，所述升降平台能够带动所述料架上下运动；所述注射打印喷头连接有液体粘结剂料箱，所述注射打印喷头能够向所述料架上喷射液体粘结剂，所述烧结炉能够对金属成型件进行加热烧结，所述烧结炉内设置加热元件，所述烧结炉连接所述出料平台。

优选地，所述3D打印金属成型装置还设置有粉末回收器，所述粉末回收器能够回收所述料架上的金属粉末。

优选地，所述烧结炉连接有进气系统和真空系统，所述进气系统包括进气口，所述进气口与所述烧结炉的内腔相连通，所述进气口与所述烧结炉之间设置进气阀门；所述真空系统包括真空泵和阀门，所述真空泵能够对所述烧结炉进行抽真空，所述阀门设置于所述真空泵与烧结炉之间。

优选地，所述料架为顶端开口的容器，多个所述料架能够叠加放置，所述料架的深度较金属成型件的高度大。

优选地，所述3D打印金属成型装置还包括机械手，所述机械手设置于所述料架与所述烧结炉之间，所述机械手能够将所述料架放置于所述升降平台上，所述机械手能够将金属成型件送入所述烧结炉中或从所述烧结炉中取出。

优选地，所述烧结炉为长方体结构，所述烧结炉设置顶部闸门和侧闸门，所述顶部闸门设置于所述烧结炉的顶部，所述侧闸门设置于所述烧结炉的侧面；所述烧结炉还连接有推杆机构，所述推杆机构能够推动所述烧结炉内的金属成型件。

优选地，所述升降平台与所述烧结炉之间设置传送机构，所述传送机构能够将金属成型件和所述料架输送至所述烧结炉内。

优选地，所述加热元件设置于所述烧结炉的侧壁上。

本发明还提供一种3D打印金属成型方法，利用上述3D打印金属成型装置，包括如下步骤：

步骤一、粉末轧辊在粉末库上滚动，金属粉末粘在粉末轧辊的表面，粉末轧辊在料架上滚动，将金属粉末铺设在料架上，注射打印喷头向料架上的金属粉末喷出液体粘结剂，粘合金属粉末材料层；

步骤二、第一层喷射完成后，粉末轧辊复位，升降平台带动料架下降，并重复步骤一的操作，直至金属制件成型；

步骤三、将金属成型件送入烧结炉中，金属成型件在烧结炉中去除粘结剂，并烧结成型，取出金属成型件放置于出料平台处。

优选地，当一次成型多个金属成型件时，当一组金属成型件成型后，在料架上继续叠加放置另一料架，继续进行步骤一和步骤二的操作，最终将所有金属成型件送入烧结炉中进行步骤三的操作。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的3D打印金属成型装置，包括粉末库、料架、注射打印喷头、烧结炉和出料平台，粉末库能够容纳金属粉末，粉末库的顶部设置粉末轧辊，粉末轧辊能够沿料架滚动并将金属粉末铺至料架上，料架由耐高温材料制成，料架的底部分别设置升降平台，升降平台能够带动料架上下运动；注射打印喷头连接有液体粘结剂料箱，注射打印喷头能够向料架上喷射液体粘结剂，烧结炉能够对金属成型件进行加热烧结，烧结炉内设置加热元件，烧结炉连接出料平台。本发明还提供一种3D打印金属成型方法，粉末轧辊在粉末库上滚动，金属粉末粘在粉末轧辊的表面，粉末轧辊在料架上滚动，将金属粉末铺设在料架上，注射打印喷头向料架上的金属粉末喷出液体粘结剂，粘合金属粉末材料层，重复上述步骤直至金属制件成型，将金属成型件送入烧结炉中，金属成型件在烧结炉中去除粘结剂，并烧结成型。利用本发明的3D打印金属成型装置进行金属制件成型，采用粘结剂与金属粉末叠加成型，提高了表面精度，而现有技术中，激光粉末烧结的成型件表面粗糙，必须经过二次加工；本发明采用向金属粉末喷射粘结剂成型金属制件，成型后利用烧结炉烧结，粘结剂喷射成型相较于激光粉末烧结，降低了能耗和生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的3D打印金属成型装置的结构示意图；

图2为本发明的3D打印金属成型装置的部分结构的俯视示意图；

图3为本发明的3D打印金属成型装置的其他实施方式的结构示意图；

图4为本发明的3D打印金属成型装置的其他实施方式的部分结构的俯视示意图；

图5为本发明的3D打印金属成型装置的另一实施方式的结构示意图；

其中，1为粉末库，2为料架，3为注射打印喷头，4为烧结炉，401为顶部闸门，402为侧闸门，5为出料平台，6为粉末轧辊，7为升降平台，8为液体粘结剂料箱，9为粉末回收器，10为进气系统，11为真空系统，12为机械手，13为推杆机构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种3D打印金属成型装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，降低3D打印金属成型的能耗和造价，提高3D打印金属成型的精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-4，其中，图1为本发明的3D打印金属成型装置的结构示意图，图2为本发明的3D打印金属成型装置的部分结构的俯视示意图，图3为本发明的3D打印金属成型装置的其他实施方式的结构示意图，图4为本发明的3D打印金属成型装置的其他实施方式的部分结构的俯视示意图，图5为本发明的3D打印金属成型装置的另一实施方式的结构示意图。

本发明提供一种3D打印金属成型装置，包括粉末库1、料架2、注射打印喷头3、烧结炉4和出料平台5，粉末库1能够容纳金属粉末，粉末库1的顶部设置粉末轧辊6，粉末轧辊6能够沿料架2滚动并将金属粉末铺至料架2上，料架2由耐高温材料制成，料架2的底部分别设置升降平台7，升降平台7能够带动料架2上下运动；注射打印喷头3连接有液体粘结剂料箱8，注射打印喷头3能够向料架2上喷射液体粘结剂，烧结炉4能够对金属成型件进行加热烧结，烧结炉4内设置加热元件，烧结炉4连接出料平台5。

利用本发明的3D打印金属成型装置成型金属制件时，粉末轧辊6在粉末库1上滚动，金属粉末粘在粉末轧辊6的表面，粉末轧辊6在料架2上滚动，将金属粉末铺设在料架2上，注射打印喷头3向料架2上的金属粉末喷出液体粘结剂，粘合金属粉末材料层，重复上述步骤直至金属制件成型，将金属成型件送入烧结炉4中，金属成型件在烧结炉4中去除粘结剂，并烧结成型。本发明采用粘结剂与金属粉末叠加成型，提高了表面精度，可以到达30-200μm，而现有技术中，激光粉末烧结的成型件表面粗糙，必须经过二次加工；本发明采用向金属粉末喷射粘结剂成型金属制件，成型后利用烧结炉4烧结，粘结剂喷射成型相较于激光粉末烧结，降低了能耗和生产成本。

另外，3D打印金属成型装置还设置有粉末回收器9，粉末回收器9能够回收料架2上的金属粉末，粉末回收器9能够回收铺设的多余的金属粉末，回收后再利用，节约生产成本。

具体地，烧结炉4连接有进气系统10和真空系统11，进气系统10包括进气口，进气口与烧结炉4的内腔相连通，烧结炉4通过进气口与外界环境相连通，进气口与烧结炉4之间设置进气阀门，便于控制进气口的开闭；真空系统11包括真空泵和阀门，真空泵能够对烧结炉4进行抽真空，阀门设置于真空泵与烧结炉4之间，在对金属制件进行烧结时，操作者能够根据实际工况决定是否对烧结炉4内进行抽真空。

在本具体实施方式中，料架2为顶端开口的容器，多个料架2能够叠加放置，料架2的深度较金属成型件的高度大，避免多个料架2叠加设置时损伤金属成型件。在成型件体积较小的情况下，也可以在一个料架2上成型多个金属制件，料架2内可设置间隔板，避免相邻金属制件摩擦损坏，提高金属制件的成型质量。

为了提高工作效率，3D打印金属成型装置还包括机械手12，机械手12设置于料架2与烧结炉4之间，机械手12能够将料架2放置于升降平台7上，机械手12能够将金属成型件送入烧结炉4中或从烧结炉4中取出，实际生产中，可根据具体操作以及生产线的规格设置一个或多个机械手12。

更具体地，烧结炉4为长方体结构，烧结炉4设置顶部闸门401和侧闸门402，顶部闸门401设置于烧结炉4的顶部，打开顶部闸门401，可将金属制件放入烧结炉4中，侧闸门402设置于烧结炉4的侧面，金属制件烧结完成后，为了便于转移至出料平台5上，可以通过侧闸门402输出；烧结炉4还连接有推杆机构13，推杆机构13能够推动烧结炉4内的金属成型件，减轻操作人员工作负担，侧闸门402的位置可以根据出料平台5具体设置，侧闸门402的数量至少是一个。

在设置了侧闸门402的前提下，升降平台7与烧结炉4之间设置传送机构，传送机构能够将金属成型件和料架2输送至烧结炉4内，简化金属制件转移步骤，提高生产效率。在本发明的其他具体实施方式中，传送机构可以采用带式传送，带式传送输送能力强，便于维护，当在烧结炉4中设置传送机构时，带式传送的传输带采用耐高温传输带，避免烧结炉4内高温影响传送机构的正常运转。

在本具体实施方式中，加热元件设置于烧结炉4的侧壁上，均匀地对金属制件进行加热。

本发明还提供一种3D打印金属成型方法，利用上述3D打印金属成型装置，包括如下步骤：

步骤一、粉末轧辊6在粉末库1上滚动，金属粉末粘在粉末轧辊6的表面，粉末轧辊6在料架2上滚动，将金属粉末铺设在料架2上，注射打印喷头3向料架2上的金属粉末喷出液体粘结剂，粘合金属粉末材料层；

步骤二、第一层喷射完成后，粉末轧辊6复位，升降平台7带动料架2下降，并重复步骤一的操作，直至金属制件成型；

步骤三、将金属成型件送入烧结炉4中，金属成型件在烧结炉4中去除粘结剂，并烧结成型，取出金属成型件放置于出料平台5处。

进一步地，当一次成型多个金属成型件时，当一组金属成型件成型后，在料架2上继续叠加放置另一料架2，继续进行步骤一和步骤二的操作，最终将所有金属成型件送入烧结炉4中进行步骤三的操作。

本发明与现有技术中的3D打印相比，有诸多优点：a、粘合剂喷射打印在加工过程中不会产生热量，而激光粉末烧结技术是依靠热量将粉末熔融在一起，热量会在零件中产品残余应力，所以激光粉末烧结技术后必须要做去应力处理；b、精度高。粘合剂喷射打印是通过粘结剂与金属粉末叠加的方式进行的，因此表面精度很高，目前可以到达30-200μm，而激光粉末烧结通过金属熔融进行的，表面非常粗糙，必须要通过二次加工才可以使用；c、能耗小。激光粉末烧结时，必须使用大功率激光长期输出，而本发明通过粘合剂喷射打印加烧结的方式能耗会远远小于激光粉末烧结技术；d、周期短。激光粉末烧结技术对于较大的零件会需要几天的时间，而且一次只能打印一个零件，而发明可以同时打印几十个甚至数百个零件，然后一次性烧结，因此在时间上有很大的优势；e、成本低。普通的激光粉末烧结技术设备的单价高达几十万甚至上百万不等，而本发明可以大幅度的降低设备的成本；f、浪费少。作为多余的金属粉末可以回收继续使用。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。