冷喷涂沉积3D打印去除支撑金属的方法与设备

本发明涉及一种冷喷涂沉积3d打印去除支撑金属的方法与设备。

背景技术：

金属冷喷涂沉积成型方法起源自冷喷涂技术(coldgasdynamicspray，cgds)，它是将高压气体(氮气、氦气、空气或混合气体等)直接或经过气体加热器进入缩放的拉瓦尔喷嘴，形成超音速气流，从而带动粉末粒子(5～50μm)在低温(一般低于600℃)下进入拉瓦尔喷嘴，经拉瓦尔喷嘴加速后以极高的速度(300～1200m/s)碰撞基板，使颗粒发生强烈的塑性变形，其动能转变成为热能,从而沉积在基体表面。冷喷涂沉积成型具有颗粒温度低、成型过程颗粒始终保持固态、沉积层致密、孔隙率低、沉积速度快等多个优点。

由于金属冷喷涂沉积成型过程中基材与喷射的金属颗粒均保持固态，因此基于冷喷涂沉积成型的金属3d打印技术具有一个很重要的优点，就是较容易实现两种以上的不同金属材料的沉积成型，这是其他金属3d打印方法较难做到的，利用这一特点，用熔点较高的金属做模型材料，用熔点较低的金属做支撑材料，成型后通过加热去除支撑材料，从而实现复杂工件的打印成型，解决目前金属3d打印技术中支撑材料去除困难的问题。

现有技术中，支撑金属的去除是在加热炉中通过加热使其熔化，在重力的作用下滴落去除。这种方法简单方便，不需要专用设备，但由于处于固态的模型金属与处于液态的支撑金属经常处于浸润状态，从而液态的支撑金属材料会延展附着在固体工件表面，导致仅靠重力作用支撑金属材料无法去除干净，出现留挂现象，去除速度也较慢，需要有更好的方法和专用的设备将支撑材料去除干净。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种冷喷涂沉积3d打印去除支撑金属的方法与设备，依靠工件旋转产生的离心力去除支撑金属，不但去除效率高，而且避免现有方法因液态的支撑金属与固态的模型金属出现浸润而很难完全清除、出现流挂等问题，对于一些形状复杂的工件，效果更为明显。

为了达到上述目的，本发明的第一种技术方案是这样实现的，其是一种利用离心力高效去除冷喷涂沉积3d打印支撑金属的方法，包括：

步骤一安装工件和平衡块

①将三块挡板卡装接料盘上，三块挡板分别位于接料盘的左侧、右侧

及后侧；

②将打印好的工件安装在转盘上，并用螺栓、螺母、垫圈进行固定；

③调整平衡块在转盘上的位置，直到转盘转动时控制器检测到炉架的

振动位移值不超过0.5mm后，将平衡块进行固定；

④将第四块挡板卡装在接料盘上，第四块挡板位于接料盘的前侧。

步骤二加热熔化支撑金属

①通过控制器开启加热，使炉温升至tr=tm+（50-80）℃，tm为支撑金属的熔点；

②保持温度在tr±10℃30-60分钟，使支撑金属熔化，并逐渐滴落接料盘内；

步骤三用离心力去除支撑金属

①启动减速电机，带动转盘转动，并使转盘逐渐加速至200-600r/min；

②在旋转产生的离心力作用下，工件表面附着的液态支撑金属被迅速甩出去，转盘旋转3-5分钟后停止转动；

步骤四工件后处理

①松开工件及平衡块，卸下工件；

②对工件表面进行清理。

在本技术方案中，当所述振动传感器检测到炉架的振动位移值超过1.5mm时，控制系统对减速电机进行紧急制动，待重新调整平衡块位置后再启动。

为了达到上述目的，本发明的第二种技术方案是这样实现的，其是一种利用离心力高效去除冷喷涂沉积3d打印支撑金属的设备，其特征在于包括：

加热炉；所述加热炉包括炉架、炉门、加热元件及保温材料；在所述炉架中设有加热腔室，所述炉门安装在加热腔室的开口处从而打开或关闭加热腔室，所述保温材料包裹加热腔室，所述加热元件位于加热腔室外壁处从而对加热腔室加热；

旋转机构；所述旋转机构包括减速电机、传动轴、安装套筒及端盖；所述安装套筒安装在炉架上，所述减速电机安装在安装套筒的支座上，所述传动轴转动的安装在安装套筒中，且传动轴的下部穿过炉架、保温材料及加热腔室后位于加热腔室中，减速电机的输出端与传动轴的上部连接从而带动传动轴转动，所述端盖盖在安装套筒的上开口处使传动轴轴向定位；

转盘机构；所述转盘机构包括转盘、工件、平衡块、接料盘及四块挡板；转盘安装在传动轴的下部从而使传动轴带动转盘转动；工件和平衡块紧固在转盘上并位于转盘的两侧部，所述转盘的盘面沿圆周方向开有6-12条用于安装工件或平衡块的长槽，转盘的外圆周设有5-10mm高的用于承受工件或平衡块的离心力的凸缘；所述接料盘为矩形盒，接料盘放置于加热腔室的底部，接料盘用于储存熔化滴下或旋转甩出的工件支撑金属；所述四块挡板分别卡装在接料盘上，并位于接料盘的前侧、后侧、左侧及右侧从而使甩出去的液态支撑金属经四周的挡板导入接料盘内；以及

控制系统；所述控制系统包括控制器、温度传感器及振动传感器；所述温度传感器位于加热腔室中从而监控加热腔室的温度，所述振动传感器安装在炉架的外壁上从而监控炉架和转盘的振动幅度。

在本技术方案中，还包括传动轴密封件，所述传动轴密封件位于传动轴与保温材料之间，所述传动轴密封件采用无尘石棉布制成。

在本技术方案中，还包括第一传动齿轮及第二传动齿轮，所述第一传动齿轮与减速电机的输出轴连接，所述第二传动齿轮套装在传动轴的上部，第一传动齿轮与第二传动齿轮啮合使减速电机带动传动轴转动，所述第一传动齿轮与第二传动齿轮的润滑均采用高温润滑脂。

在本技术方案中，还包括第一轴承、第二轴承及第三轴承，所述第一轴承、第二轴承及第三轴承依次从上至下安装在安装套筒中，所述传动轴通过第一轴承、第二轴承及第三轴承安装在安装套筒中，第一轴承为深沟球或圆柱滚子轴承，第二轴承为调心轴承，第三轴承为推力球轴承，所述第一轴承、第二轴承、第三轴承的润滑均采用高温润滑脂。

在本技术方案中，还包括键、锁紧垫圈、锁紧螺母、夹紧螺栓、螺母及垫圈；所述转盘通过锁紧垫圈和锁紧螺母安装到传动轴上从而带动转盘转动，所述工件和平衡块通过夹紧螺栓、螺母及垫圈紧固在转盘上，所述键安装在传动轴的下部，在传动轴和转盘上开有键槽，所述键装入键槽内从而使传动轴带动转盘转动。

在本技术方案中，所述温度传感器采用热电偶温度传感器。

本发明与现有技术相比的优点为：与常规仅靠加热后支撑金属在重力作用下滴落的方法相比，本发明依靠工件旋转产生的离心力去除支撑金属，不但去除效率高，而且避免现有方法因液态的支撑金属与固态的模型金属出现浸润而很难完全清除、出现流挂等问题，对于一些形状复杂的工件，其优点更为明显。

附图说明

图1是本发明去除冷喷涂沉积3d打印支撑金属的设备结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明转盘零件的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

在本发明描述中,术语“左”、“右”、“前”、“后”、“上”及“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“第一”及“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

如图1至图3所示，其是一种利用离心力高效去除冷喷涂沉积3d打印支撑金属的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一安装工件和平衡块

①将三块挡板25卡装接料盘24上，三块挡板25分别位于接料盘24的左侧、右侧及后侧；

②将打印好的工件19安装在转盘15上并固定；

③调整平衡块20在转盘15上的位置，直到转盘15转动时控制器25检测到炉架1的振动位移值不超过0.5mm后，将平衡块20进行固定；

④将第四块挡板25卡装在接料盘24上，第四块挡板25位于接料盘24的前侧。

步骤二加热熔化支撑金属

①通过控制器25开启加热，使炉温升至tr=tm+50-80℃，tm为支撑金属191的熔点；

②保持温度在tr±10℃30-60分钟，使支撑金属191熔化，并逐渐滴落接料盘24内；

步骤三用离心力去除支撑金属

①启动减速电机6，带动转盘15转动，并使转盘15逐渐加速至200-600r/min；

②在旋转产生的离心力作用下，工件19表面附着的液态支撑金属191被迅速甩出去，转盘15旋转3-5分钟后停止转动；

步骤四工件后处理

①松开工件19及平衡块20，卸下工件19；

②对工件表面进行清理。

使用时，利用离心力高效去除冷喷涂沉积3d打印支撑金属的设备，包括：

加热炉；所述加热炉包括炉架1、炉门2、加热元件3及保温材料4；在所述炉架1中设有加热腔室1a，所述炉门2安装在加热腔室1a的开口处从而打开或关闭加热腔室1a，所述保温材料4包裹加热腔室1a，所述加热元件3位于加热腔室1a外壁处从而对加热腔室1a加热；

旋转机构；所述旋转机构包括减速电机6、传动轴9、安装套筒10及端盖11；所述安装套筒10安装在炉架1上，所述减速电机6安装在安装套筒10的支座上，所述传动轴9转动的安装在安装套筒10中，且传动轴9的下部穿过炉架1、保温材料4及加热腔室1a后位于加热腔室1a中，减速电机6的输出端与传动轴9的上部连接从而带动传动轴9转动，所述端盖11盖在安装套筒10的上开口处使传动轴9轴向定位；

转盘机构；所述转盘机构包括转盘15、工件19、平衡块20、接料盘24及四块挡板25；转盘15安装在传动轴9的下部从而使传动轴9带动转盘15转动；工件19和平衡块20紧固在转盘15上并位于转盘15的两侧部，所述转盘15的盘面沿圆周方向开有6-12条用于安装工件19或平衡块20的长槽，转盘15的外圆周设有5-10mm高的用于承受工件19或平衡块20的离心力的凸缘；所述接料盘24为矩形盒，接料盘24放置于加热腔室1a的底部，接料盘24用于储存熔化滴下或旋转甩出的工件支撑金属191；所述四块挡板25分别卡装在接料盘24上，并位于接料盘24的前侧、后侧、左侧及右侧从而使甩出去的液态支撑金属经四周的挡板25导入接料盘24内；以及

控制系统；所述控制系统包括控制器25、温度传感器26及振动传感器27；所述温度传感器26位于加热腔室1a中从而监控加热腔室1a的温度，所述振动传感器27安装在炉架1的外壁上从而监控炉架1和转盘15的振动幅度。

在本实施例中，当振动传感器27检测到的振动位移值超过1.5mm时，控制系统对减速电机6进行紧急制动，待重新调整平衡块20位置后再启动。

实施例二

如图1至图3所示，其是一种利用离心力高效去除冷喷涂沉积3d打印支撑金属的设备，其特征在于包括：

加热炉；所述加热炉包括炉架1、炉门2、加热元件3及保温材料4；在所述炉架1中设有加热腔室1a，所述炉门2安装在加热腔室1a的开口处从而打开或关闭加热腔室1a，所述保温材料4包裹加热腔室1a，所述加热元件3位于加热腔室1a外壁处从而对加热腔室1a加热；

旋转机构；所述旋转机构包括减速电机6、传动轴9、安装套筒10及端盖11；所述安装套筒10安装在炉架1上，所述减速电机6安装在安装套筒10的支座上，所述传动轴9安装在安装套筒10中，且传动轴9的下部穿过炉架1、保温材料4及加热腔室1a后位于加热腔室1a中，减速电机6的输出端与传动轴9的上部连接从而带动传动轴9转动，所述端盖11盖在安装套筒10的上开口处使传动轴9轴向定位；

转盘机构；所述转盘机构包括转盘15、工件19、平衡块20、接料盘24及四块挡板25；转盘15安装在传动轴9的下部从而使传动轴9带动转盘15转动；工件19和平衡块20紧固在转盘15上并位于转盘15的两侧部，所述转盘15的盘面沿圆周方向开有6-12条用于安装工件19或平衡块20的长槽，转盘15的外圆周设有5-10mm高的用于承受工件19或平衡块20的离心力的凸缘；所述接料盘24为矩形盒，接料盘24放置于加热腔室1a的底部，接料盘24用于储存熔化滴下或旋转甩出的工件支撑金属191；所述四块挡板25分别卡装在接料盘24上，并位于接料盘24的前侧、后侧、左侧及右侧从而使甩出去的液态支撑金属经四周的挡板25导入接料盘24内；以及

控制系统；所述控制系统包括控制器25、温度传感器26及振动传感器27；所述温度传感器26位于加热腔室1a中从而监控加热腔室1a的温度，所述振动传感器27安装在炉架1的外壁上从而监控炉架1和转盘15的振动幅度。

工作时，利用离心力高效去除冷喷涂沉积3d打印支撑金属的方法，包括如下步骤：

步骤一安装工件和平衡块

①将三块挡板25卡装接料盘24上，三块挡板25分别位于接料盘24的左侧、右侧及后侧；

②将打印好的工件19安装在转盘15上并固定；

③调整平衡块20在转盘15上的位置，直到转盘15转动时控制器25检测到转盘15的振动位移值不超过0.5mm后，将平衡块20进行固定；

④将第四块的挡板25卡装在接料盘24上，第四块挡板25位于接料盘24的前侧。

步骤二加热熔化支撑金属

①通过控制器25开启加热，使炉温升至tr=tm+50-80℃，tm为支撑金属191的熔点；

②保持温度在tr±10℃30-60分钟，使支撑金属191熔化，并逐渐滴落接料盘24内；

步骤三用离心力去除支撑金属

①启动减速电机6，带动转盘15转动，并使转盘15逐渐加速至200-600r/min；

②在旋转产生的离心力作用下，工件19表面附着的液态支撑金属191被迅速甩出去，转盘15旋转3-5分钟后停止转动；

步骤四工件后处理

①松开工件19及平衡块20，卸下工件19；

②对工件表面进行清理。

在本实施例中，还包括传动轴密封件5，所述传动轴密封件5位于传动轴9与保温材料4之间，所述传动轴密封件5采用无尘石棉布制成。

在本实施例中，还包括第一传动齿轮7及第二传动齿轮8，所述第一传动齿轮7与减速电机6的输出轴连接，所述第二传动齿轮8套装在传动轴9的上部，第一传动齿轮7与第二传动齿轮8啮合使减速电机6带动传动轴9转动，所述第一传动齿轮7与第二传动齿轮8的润滑均采用高温润滑脂。

在本实施例中，还包括第一轴承12、第二轴承13及第三轴承14，所述第一轴承12、第二轴承13及第三轴承14依次从上至下安装在安装套筒10中，所述传动轴9通过第一轴承12、第二轴承13及第三轴承14安装在安装套筒10中，第一轴承12为深沟球或圆柱滚子轴承，第二轴承13为调心轴承，第三轴承14为推力球轴承，所述第一轴承12、第二轴承13、第三轴承14的润滑均采用高温润滑脂。

在本实施例中，还包括键16、锁紧垫圈17、锁紧螺母18、夹紧螺栓21、螺母22及垫圈23；所述转盘15通过锁紧垫圈17和锁紧螺母18安装到传动轴9上从而带动转盘15转动，所述工件19和平衡块20通过夹紧螺栓21、螺母22及垫圈23紧固在转盘15上，所述键16安装在传动轴9的下部，在传动轴9和转盘15上开有键槽，所述键16装入键槽内从而使传动轴9带动转盘15转动。

在本实施例中，所述温度传感器26采用热电偶温度传感器。

以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换及变形仍落入在本发明的保护范围内。