基于磁場調控的3d金屬打印系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電子設備技術領域，特別涉及一種3D金屬打印系統(tǒng)，可用于模型制造、鈦合金零件加工或者定制性產品制造領域。
技術背景
[0002]3D打印是制造業(yè)領域正在迅速發(fā)展的一項新興技術，被英國《經濟學人》雜志稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術”，它通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，可以有效地縮短產品研發(fā)周期、提高產品質量并減少生產成本。
[0003]針對3D金屬打印領域而言，現在主流的3D金屬打印技術主要有五種:選擇性激光燒結SLS、選擇性激光熔化技術SLM、直接金屬燒結技術DMLS、電子束熔煉EBM和電子束直接制造EBMD。其中前三種的技術原理和加工方法基本相同，都是將快速原型制造技術和激光熔覆表面強化技術相結合，利用高能束在金屬基本體上形成熔池，將通過送粉裝置輸送到熔池的金屬粉末熔化，快速凝固于基本體形成模型；后兩種利用電子束進行加熱。
[0004]但是，這些3D金屬打印技術都不能直接形成符合要求的零件，因為這五種熔煉技術都要在金屬粉末表面形成熔池，熔池會粘連不需要的粉末降低精度，目前3D金屬打印產生的零件精度都在0.1mm到5mm之間，無法再提高；打印速度最快的電子束直接制造EBMD的速度只有20kg/h，要實現規(guī)?；a這個速度是遠遠不夠的；這些技術利用的熱源是激光和電子束，而這兩種熱源都比較昂貴，提高了系統(tǒng)價格。
[0005]總而言之，上述3D金屬打印技術主要問題有:第一:激光器和電子束熱源昂貴；第二:制造精度不能達到直接使用的標準；第三:打印速度慢，無法適應大規(guī)模生產應用；第四，只能利用微米級的超微金屬粉末作為打印原材料，成本高。
[0006]除了通用的激光和電子束3D金屬打印機之外，還有兩種利用到磁場的3D金屬打印機專利申請。
[0007]第一種:“基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置及方法”，專利申請?zhí)柺?201310120868.0。此專利申請根據磁流變原理，首先利用機械裝置將原材料擠出到模型對應的位置上，然后利用磁場使常溫液態(tài)原材料直接固化成固體。該專利申請的缺點是不能對鈦合金和鐵合金等常溫是固體的金屬材料進行打印，因而極大限制了該技術的應用。
[0008]第二種:“一種金屬零件在磁場作用下3D打印成形方法裝置”，專利申請?zhí)柺?201410420932.1。該專利申請利用高能束熔化金屬粉末形成熔池，然后利用磁場吸引金屬的原理，調節(jié)磁場的大小和方向，使液態(tài)金屬得到攪拌，達到使打印成形的金屬模型更加致密的效果。該專利申請雖然使用了磁場，但是磁場的作用是達到攪拌熔池內金屬液體的目的，只是對于傳統(tǒng)3D金屬打印機的部分改進，具有傳統(tǒng)3D打印機的缺點:利用了高能束和金屬粉末，成本高；仍然會形成熔池，降低精度；打印速度慢。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的在于針對現有3D金屬打印技術存在的問題，提出一種基于磁場調控的3D金屬打印系統(tǒng)，以提高打印精度，降低成本，加快打印速度。
[0010]本發(fā)明是通過以下技術方案實現的:
[0011]本發(fā)明利用洛倫茲力，通過磁場控制熔融帶電金屬微滴的飛行軌跡，使得原材料到達指定的位置完成打印，其技術方案如下:
[0012]1.一種基于磁場調控的3D金屬打印系統(tǒng)，包括
[0013]原材料送出加熱裝置，用于將原材料送入打印機并使之升溫變成熔融液態(tài)金屬，輸送給打印定位裝置；
[0014]打印定位裝置，用于將熔融液態(tài)金屬液滴堆疊到模型放置裝置的對應位置上；
[0015]模型放置裝置，用于承接和放置待打印的模型；
[0016]控制驅動電路，用于給各個裝置提供控制信號，使其協(xié)同工作；
[0017]其特征在于:
[0018]原材料送出加熱裝置，由步進電機、定滑輪、陶瓷導引管、高頻加溫線圈、鎢質擠出頭和感應加速極板組成；金屬絲經過定滑輪和步進電機的摩擦送入陶瓷導引管，通過吸收高頻線圈的熱量變成熔融金屬液體，通過感應加速極板電場的感應作用使其帶上電荷，再通過電場的吸引力使金屬液體飛離擠出頭形成帶電金屬微滴，該金屬微滴穿過打印定位裝置的磁場，滴到模型放置裝置上；
[0019]打印定位裝置，由偏轉磁場線圈和偏轉磁場鐵芯組成，偏轉磁場鐵芯用來增強偏轉磁場的強度；通過控制偏轉磁場線圈的電流強度，改變帶電金屬微滴射在模型放置裝置上的位置；
[0020]模型放置裝置，由平臺和擋板組成，平臺通過校準導線連接到送絲定滑輪的金屬軸上；擋板用于在帶電金屬微滴射到平臺之前為控制驅動電路提供校準觸發(fā)信號；
[0021]控制驅動電路，用于給該系統(tǒng)中的各個電器裝置提供控制信號和驅動電力，使其協(xié)同工作。
[0022]2.一種基于權利要求1打印系統(tǒng)的打印方法，包括如下步驟:
[0023]1)設計待打印模型，送入打印系統(tǒng):
[0024]在計算機上利用3D軟件設計出所需打印的模型結構，并生成描述模型結構參數文件，下載到系統(tǒng)控制芯片中；
[0025]系統(tǒng)控制芯片根據模型文件描述的結構參數進行計算，得出模型所需的帶電微滴數量以及每個帶電微滴對應的偏轉距離；
[0026]2)將金屬絲熔化成金屬液體:
[0027]啟動3D打印機的電源，將金屬絲的一端放入步進電機輪和定滑輪形成的夾縫中，通過旋轉步進電機，使金屬絲被送入陶瓷導引管中；
[0028]再給高頻線圈通入高頻電流使其產生熱量以對金屬絲進行加溫，使金屬絲變成熔融金屬液體；
[0029]繼續(xù)旋轉步進電機使熔融金屬液體從擠出頭中擠出；
[0030]3)給金屬液體帶上電荷，使其變?yōu)閹щ娊饘傥⒌?
[0031]給感應加速極板加載上感應電壓，使之產生電場，利用電場的感應作用使擠出的熔融金屬液體帶上電荷；
[0032]繼續(xù)增大感應加速極板電壓到達加速電壓，使帶電的金屬液體所受到的吸引力增加并飛離擠出頭，形成帶電金屬微滴；
[0033]保持感應加速極板的電壓為加速電壓，使帶電金屬微滴穿過感應加速極板上的孔，射入偏轉磁場；
[0034]降低感應加速極板的電壓到感應電壓，等待下一個金屬微滴落下，再次執(zhí)行上述感應和加速步驟，循環(huán)此過程，可以使所需的帶電金屬微滴依次落下；
[0035]4)調節(jié)偏轉磁場的電流強度，進行打印:
[0036]系統(tǒng)控制芯片結合偏轉磁場電流與偏轉距離的比例系數，以及每個帶電微滴對應的偏轉距離，不斷改變偏轉磁場的電流強度，使依次落下的帶電金屬微滴在平臺上堆疊到達各自對應的三維坐標上，形成所需的模型，完成打印。
[0037]本發(fā)明與現有技術相比具有如下優(yōu)點:
[0038]1.本發(fā)明通過使用帶電金屬微滴作為打印的單元，只熔化需要打印的原材料，相對于激光和電子束3D打印技術形成熔池而言，精度高；
[0039]2.本發(fā)明通過使用帶電金屬微滴作為打印的單元，可以使用金屬絲作為打印原材料，不必使用微米級別的金屬粉末作為原材料，成本低。
[0040]3.本發(fā)明通過使用帶電金屬微滴作為打印的單元，可獲得帶電金屬微滴質量大小可調的特性，在打印模型內部實體時，可使用質量大的帶電金屬微滴以加快打印速度；在打印模型外表面時，使用質量小的帶電金屬微滴以提高打印精度；相對于激光和電子束3D打印技術使用固定質量的金屬粉末，本發(fā)明可以兼有打印速度快和打印精度高的優(yōu)點。
[0041]4.本發(fā)明通過使用洛倫茲力作為改變帶電金屬微滴運動軌跡的控制力，相對于激光和電子束3D打印技術而言，本發(fā)明使用高頻磁場作為熱源，降