本發(fā)明屬于3d打印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于多種材料的微波燒結(jié)3d打印裝置及其打印工藝。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)4.0概念及中國制造2025計(jì)劃的提出，3d打印這一新形技術(shù)逐漸走入人們的視野。它以數(shù)字模形文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。目前3d打印的應(yīng)用領(lǐng)域正在迅速擴(kuò)張。在消費(fèi)電子、航空航天、醫(yī)學(xué)和汽車制造等行業(yè)，3d打印可以以較短的生產(chǎn)周期和較高的自由度生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復(fù)雜而精細(xì)的造形。

現(xiàn)有金屬3d打印設(shè)備的主要技術(shù)是粉床高能束選區(qū)燒結(jié)，即在粉床上鋪設(shè)一層金屬粉末，然后采用精密聚焦的激光束或電子束等高能束在事先設(shè)定好的路徑上進(jìn)行選擇性掃描燒結(jié)，通過重復(fù)的逐層鋪粉、逐層選擇性燒結(jié)，最終實(shí)現(xiàn)零件成形。然而，這種粉床高能束選區(qū)燒結(jié)存在以下不足：（1）金屬3d打印設(shè)備的工作原理是通過重復(fù)的逐層鋪粉、逐層選擇性燒結(jié)，最終實(shí)現(xiàn)零件成形，這種打印方式不僅耗時長，而且會造成不必要的能源的浪費(fèi)。（2）零件因高能束產(chǎn)生較大溫度梯度和熱應(yīng)力導(dǎo)致零件的變性、開裂等原因造成成形困難；（3）打印所用材料單一，打印工件類型受限；（4）原料粉末用量大，造成浪費(fèi)；（5）傳統(tǒng)的金屬3d打印普遍都需要一臺高質(zhì)量的激光器，目前國內(nèi)基本依賴進(jìn)口，價格昂貴，給3d打印技術(shù)民用化進(jìn)程造成了阻礙，成本高。

近年來發(fā)展起來并受到高度關(guān)注的微波燒結(jié)技術(shù)，其利用微波具有的特殊波段與材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)耦合而產(chǎn)生熱量，材料在電磁場中的介質(zhì)損耗使其整體被加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化。與傳統(tǒng)加熱方式不同，它是一種整體加熱，具有升溫速度快、燒結(jié)時間短、效率高，加熱材料多樣并可選擇以及安全、靈活、可控等特點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提出一種適用于多種材料的微波燒結(jié)3d打印裝置，該裝置采用微波燒結(jié)技術(shù)結(jié)合其他技術(shù)，本發(fā)明的3d打印裝置適用范圍更廣，即裝置可以制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積更大和高度更高的工件。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本實(shí)施例提供一種適用于多種材料的微波燒結(jié)3d打印裝置，所述微波燒結(jié)3d打印裝置包括送粉布料系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、微波屏蔽室、液壓系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)；如圖1所示，所述3d打印裝置還包括一成形系統(tǒng)；

所述成形系統(tǒng)包括一微波發(fā)生器，所述微波發(fā)生器用于對3d打印工件進(jìn)行一次性燒結(jié)。

進(jìn)一步地，所述送粉布料系統(tǒng)、所述液壓系統(tǒng)和所述成形系統(tǒng)設(shè)置在所述真空系統(tǒng)中；所述真空系統(tǒng)設(shè)置在所述微波屏蔽室中；所述電源系統(tǒng)與所述計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)連接并均設(shè)置在所述真空系統(tǒng)及所述微波屏蔽室外；所述電源系統(tǒng)通過航空插頭穿過所述真空系統(tǒng)和所述微波屏蔽室后，分別與所述送粉布料系統(tǒng)、所述成形系統(tǒng)和所述液壓系統(tǒng)連接；所述計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通過航空插頭穿過所述真空系統(tǒng)和所述微波屏蔽室后，與所述送粉布料系統(tǒng)、所述成形系統(tǒng)及所述液壓系統(tǒng)連接。

進(jìn)一步地，所述成形系統(tǒng)還包括：上壓力導(dǎo)柱、上基板、成形室、下基板和下壓力導(dǎo)柱；

所述微波發(fā)生器設(shè)置在所述上基板的上側(cè)平面；所述上壓力導(dǎo)柱從所述微波發(fā)生器穿過并與所述上基板上側(cè)平面的中間位置連接；所述成形室內(nèi)底部設(shè)置作為底部支撐的所述下基板；所述下壓力導(dǎo)柱與所述下基板下側(cè)平面的中間位置連接；所述上壓力導(dǎo)柱和所述下壓力導(dǎo)柱與所述液壓系統(tǒng)連接。

進(jìn)一步地，所述送粉布料系統(tǒng)包括微型螺旋送料裝置、機(jī)械臂和震蕩送粉頭；

所述微型螺旋送料裝置設(shè)置在所述機(jī)械臂上；所述震蕩送粉頭與所述微型螺旋送料裝置連接。

進(jìn)一步地，所述送粉布料系統(tǒng)還包括一轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)與所述微型微型螺旋送料裝置的底部連接。

進(jìn)一步地，所述微型螺旋送料裝置為雙通道結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述雙通道結(jié)構(gòu)中兩通道填充的粉體材料相同或不同。

進(jìn)一步地，所述電源系統(tǒng)包括微波管電源。

進(jìn)一步地，所述的微波燒結(jié)3d打印裝置適用的多種材料為金屬材料、高分子材料、陶瓷或陶瓷復(fù)合材料。

一種應(yīng)用適用于多種材料的微波燒結(jié)3d打印裝置的打印工藝，步驟如下：

（1）預(yù)置第一層粉體的厚度：所述下基板從所述成形室底部上升直至所述成形室與所述下基板之間形成的深度與預(yù)填充的第一層粉體的厚度相等，此時，第一層粉體的厚度預(yù)置完畢；

（2）一層粉體填充：所述微型螺旋送料裝置將工件原材料粉末和微波透明粉體送入所述震蕩送粉頭中，所述震蕩送粉頭由所述機(jī)械臂帶動，所述震蕩送粉頭沿平面內(nèi)指定路徑選擇性送出工件原材料粉末以及作為支撐粉末的所述微波透明粉體，所述微波透明粉體通過震蕩送粉頭輸出后填充在所述成形室內(nèi)，形成成形工件的型腔；在此層進(jìn)行逐行填充，直至得到此層所在的3d打印切片的形狀后，一層粉體填充完畢；

（3）一層粉體的壓實(shí)：當(dāng)一層粉體填充完畢后，所述送粉布料系統(tǒng)從側(cè)面撤出，隨后，所述上基板下降至與此層粉體接觸后，由所述上壓力導(dǎo)柱和所述下壓力導(dǎo)柱同時施加壓力，此時，所述上基板呈壓下狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)此層粉體的壓實(shí)；

（4）預(yù)置下一層粉體的厚度：單層粉體壓實(shí)預(yù)成形后，所述上基板升起，同時，所述下基板下降至所述成形室與上一層粉體表面之間形成的深度與預(yù)填充的下一層粉體的厚度相等，隨后，所述送粉布料系統(tǒng)進(jìn)入所述成形室上方，準(zhǔn)備開始下一層粉體的填充；

（5）工件的預(yù)成形：重復(fù)步驟（2）、（3）和步驟（4），直至最后一層粉末填充及壓實(shí)完畢，完成工件的預(yù)成形；

（6）微波一次性燒結(jié)定形：當(dāng)最后一層粉末填充及壓實(shí)完畢后，保持所述上基板壓下狀態(tài)，同時，所述微波發(fā)生器對所述成形室內(nèi)的預(yù)成形工件整體通過一次性微波燒結(jié)完成工件的成形及致密化；

（7）熱處理：當(dāng)步驟中的微波燒結(jié)過程結(jié)束后，保持所述上基板壓下狀態(tài)，對所述成形室內(nèi)的工件整體進(jìn)行熱處理，以提高工件的質(zhì)量。工件的3d打印完成。

進(jìn)一步地，所述微波透明粉體材料為：微晶材料、硅硼材料或陶瓷材料。

本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果是：

（1）本發(fā)明的微波燒結(jié)3d打印裝置及打印工藝采用逐層壓實(shí)、一次性微波燒結(jié)的方式，結(jié)合裝置其他設(shè)備，可以制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積更大和高度更高的工件。

（2）本發(fā)明采用了選擇性送粉和微波燒結(jié)的打印工藝，實(shí)現(xiàn)多層金屬、陶瓷及其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工件制造。

（3）本發(fā)明的裝置的微型螺旋送料裝置為雙通道結(jié)構(gòu)，因而，裝置可實(shí)現(xiàn)多通道、多工位同步逐層布料，高通量制備塊體金屬、陶瓷及其復(fù)合材料。

（4）本發(fā)明采用了高精度的微型螺旋送料裝置，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋪粉滾輪或者鋪粉刷結(jié)構(gòu)，從而有效防止了周邊飛濺氧化物在鋪粉過程中的污染，提高了粉體原材料的利用率。

（5）本發(fā)明的微波燒結(jié)3d打印裝置的打印工藝在3d成形過程中通過上基板的壓粉作用，得到精度更高、質(zhì)量更好的3d打印工件。

（6）本發(fā)明的裝置與傳統(tǒng)3d打印機(jī)相比，制作成本大大降低，為新材料的增材制造技術(shù)開發(fā)提供了新的裝置和方法，對3d打印技術(shù)的推廣普及具有重要意義。

（7）本發(fā)明的適用于多種材料的微波燒結(jié)3d打印裝置及其打印工藝鋪粉靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，可以完成目前粉床高能束選擇性燒結(jié)3d打印較難做到的“三明治”結(jié)構(gòu)，甚至更加復(fù)雜的多層金屬、陶瓷及其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，用途廣泛。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種適用于多種材料的微波燒結(jié)3d打印裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明：1-上壓力導(dǎo)柱，2-微波發(fā)生器，3-上基板，4-送粉導(dǎo)管，5-震蕩送粉頭，6-機(jī)械臂，7-微型螺旋送料裝置，8-成形室，9-成形工件，10-微波透明粉體，11-下基板，12-下壓力導(dǎo)柱，13-真空系統(tǒng)，14-微波屏蔽室。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對本發(fā)明有更好的了解，在下文對本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種適用于多種材料的微波燒結(jié)3d打印裝置，所述3d打印裝置包括送粉布料系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)13、微波屏蔽室14、液壓系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)；如圖1所示，所述微波燒結(jié)3d打印裝置還包括一成形系統(tǒng)；

所述成形系統(tǒng)包括一微波發(fā)生器2，所述微波發(fā)生器2用于對3d打印工件進(jìn)行一次性燒結(jié)。

所述送粉布料系統(tǒng)、所述液壓系統(tǒng)和所述成形系統(tǒng)設(shè)置在所述真空系統(tǒng)中；所述真空系統(tǒng)13設(shè)置在所述微波屏蔽室14中；所述電源系統(tǒng)與所述計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)連接并均設(shè)置在所述真空系統(tǒng)13及所述微波屏蔽室14外；所述電源系統(tǒng)通過航空插頭穿過所述真空系統(tǒng)13和所述微波屏蔽室14后，分別與所述送粉布料系統(tǒng)、所述成形系統(tǒng)和所述液壓系統(tǒng)連接；所述計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通過航空插頭穿過所述真空系統(tǒng)13和所述微波屏蔽室14后，與所述送粉布料系統(tǒng)、所述成形系統(tǒng)及所述液壓系統(tǒng)連接。

所述成形系統(tǒng)還包括：上壓力導(dǎo)柱1、上基板3、成形室8、下基板11和下壓力導(dǎo)柱12；

所述微波發(fā)生器2設(shè)置在所述上基板3的上側(cè)平面；所述上壓力導(dǎo)柱1從所述微波發(fā)生器2穿過并與所述上基板3上側(cè)平面的中間位置連接；所述成形室8內(nèi)底部設(shè)置作為底部支撐的所述下基板11；所述下壓力導(dǎo)柱12與所述下基板11下側(cè)平面的中間位置連接；所述上壓力導(dǎo)柱1和所述下壓力導(dǎo)柱12與所述液壓系統(tǒng)連接。

所述送粉布料系統(tǒng)包括微型螺旋送料裝置7、機(jī)械臂6和震蕩送粉頭5；

所述微型螺旋送料裝置7設(shè)置在所述機(jī)械臂6上；所述震蕩送粉頭5與所述微型螺旋送料裝置7連接。

所述送粉布料系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制完成指定路徑以及不同粉體的協(xié)同送出。

所述送粉布料系統(tǒng)還包括一轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)與所述微型微型螺旋送料裝置7的底部連接。

所述微型螺旋送料裝置7為雙通道結(jié)構(gòu)。

所述雙通道結(jié)構(gòu)中兩通道填充的粉體材料相同或不同。

所述電源系統(tǒng)包括微波管電源。

所述的微波燒結(jié)3d打印裝置適用的多種材料為金屬材料、高分子材料、陶瓷或陶瓷復(fù)合材料。

一種應(yīng)用適用于多種材料的微波燒結(jié)3d打印裝置的打印工藝，步驟如下：

（1）預(yù)置第一層粉體的厚度：所述下基板11從所述成形室8底部上升直至所述成形室8與所述下基板11之間形成的深度與預(yù)填充的第一層粉體的厚度相等，此時，第一層粉體的厚度預(yù)置完畢；

（2）一層粉體填充：所述微型螺旋送料裝置7將工件原材料粉末和微波透明粉體10送入所述震蕩送粉頭5中，所述震蕩送粉頭5由所述機(jī)械臂6帶動，所述震蕩送粉頭5沿平面內(nèi)指定路徑選擇性送出工件原材料粉末以及作為支撐粉末的所述微波透明粉體10，所述微波透明粉體10通過震蕩送粉頭5輸出后填充在所述成形室8內(nèi)，形成成形工件的型腔；在此層進(jìn)行逐行填充，直至得到此層所在的3d打印切片的形狀后，一層粉體填充完畢；

（3）一層粉體的壓實(shí)：當(dāng)一層粉體填充完畢后，所述送粉布料系統(tǒng)從側(cè)面撤出，隨后，所述上基板3下降至與此層粉體接觸后，由所述上壓力導(dǎo)柱1和所述下壓力導(dǎo)柱12同時施加壓力，此時，所述上基板3呈壓下狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)此層粉體的壓實(shí)；

（4）預(yù)置下一層粉體的厚度：單層粉體壓實(shí)預(yù)成形后，所述上基板3升起，同時，所述下基板11下降至所述成形室與上一層粉體表面之間形成的深度與預(yù)填充的下一層粉體的厚度相等，隨后，所述送粉布料系統(tǒng)進(jìn)入所述成形室8上方，準(zhǔn)備開始下一層粉體的填充；

（5）工件的預(yù)成形：重復(fù)步驟（2）、（3）和步驟（4），直至最后一層粉末填充及壓實(shí)完畢，完成工件的預(yù)成形；

（6）微波一次性燒結(jié)定形：當(dāng)最后一層粉末填充及壓實(shí)完畢后，保持所述上基板3壓下狀態(tài)，同時，所述微波發(fā)生器2對所述成形室8內(nèi)的預(yù)成形工件整體通過一次性微波燒結(jié)完成工件的成形及致密化；

（7）熱處理：當(dāng)步驟（6）中的微波燒結(jié)過程結(jié)束后，保持所述上基板3壓下狀態(tài)，對所述成形室8內(nèi)的工件整體進(jìn)行熱處理，以提高工件的質(zhì)量。工件的3d打印完成。

所述微波透明粉體10材料為微晶材料、硅硼材料或陶瓷材料。

本發(fā)明的3d打印裝置及打印工藝采用逐層壓實(shí)、一次性微波燒結(jié)的方式制造工件，制造過程簡述為：首先，裝置打印工藝采用預(yù)設(shè)路徑的逐層選擇性鋪粉方式鋪設(shè)所述工件原材料粉末，所述工件原材料粉末周圍區(qū)域采用上述鋪粉方式填充所述微波透明粉體10；裝置通過所述上基板3、所述上壓力導(dǎo)柱1和所述下壓力導(dǎo)柱12的壓實(shí)作用，逐層完成工件在所述成形室8內(nèi)的預(yù)成形；隨后，采用微波燒結(jié)技術(shù)對所述成形室8內(nèi)預(yù)成形粉體進(jìn)行一次性固化燒結(jié)，最終實(shí)現(xiàn)工件的整體成形及致密化。本發(fā)明的3d打印裝置采用微波燒結(jié)技術(shù)并結(jié)合裝置其他設(shè)備，可以制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積更大和高度更高的工件。

本發(fā)明所述打印工藝的整個過程中，工件的三維模形（stl文件）由cad制圖軟件制作并進(jìn)行切片處理，所述送粉布料系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制完成指定路徑以及不同粉體的協(xié)同送出。