一種非晶合金材料制備與成形一體化的3D打印裝置制造方法及圖紙

本實用新型專利技術涉及一種非晶合金材料制備與成形一體化的3D打印裝置，屬于微滴噴射增材制造與非晶合金制備技術領域。通過金屬熔滴噴射增材制造技術直接噴射晶態熔融金屬，并采用可旋轉式雙噴液氮冷卻裝置結合冷基板的方法，實現金屬熔滴噴射前基板環境冷卻和金屬熔滴噴射后沉積熔滴冷卻，兩次“點對點”冷卻方法能夠使熔融金屬驟冷并發生非晶轉變，實現非晶合金材料制備及大體積復雜結構三維成形一體化。本實用新型專利技術克服了傳統非晶合金制備方法對塊狀非晶合金成形臨界尺寸的限制；避免非晶合金粉末選擇性激光熔融3D打印過程中產生晶化行為、翹曲變形的缺陷；解決非晶合金材料機械加工困難的問題，實現非晶合金材料制備及結構成形一體化3D打印。

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及微滴噴射增材制造與非晶合金制備
，具體涉及一種非晶合金材料制備和結構成形一體化的3D打印裝置。
技術介紹
非晶合金兼有金屬和玻璃優點，又克服了它們各自的弊病?，F已開發出的塊體非晶合金材料體系有La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pd基、Fe基、Cu基、Ce基等。因其優異的力學、物理和化學性能，在工業生產、體育器材、生物醫學、消費電子領域得到了廣泛的應用。3D打印是快速成形技術的一種，它運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過一層又一層的多層打印方式來構造零部件。金屬零件的3D打印方法，主要有激光選區燒結、激光選區熔化、電子速選區熔化、金屬沉積成形、噴墨3D打印、微滴噴射技術等。金屬零部件的近凈成形為解決工業裝備中難加工金屬構件的制造提供了一條快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技術新途徑。目前，塊狀非晶合金成形方法主要有水淬法、銅模鑄造法、高壓模鑄法、吸鑄法、壓鑄法等。非晶合金材料制備受冷卻介質熱傳導速率和自身玻璃態形成能力的影響，傳統方法制備非晶合金臨界尺寸僅達10余毫米。同時非晶合金材料具有的高硬度、高耐磨性與易脆性，使其很難利用機械加工技術獲得復雜的零件?，F有的非晶合金3D打印基于選擇性激光熔融技術成形非晶合金粉末，該方法需要先制備均勻精細的非晶合金粉末，再利用高能束激光加熱熔融粉末成形，產生的高溫會使部分成形材料溫度超過過冷液態溫區，導致部分材料晶化、翹曲變形。現有方法技術不能同時實現非晶合金材料制備及復雜結構三維成形。
技術實現思路
本技術提供一種非晶合金材料制備與成形一體化的3D打印裝置，以解決傳統制備方法對塊狀非晶合金臨界尺寸的限制、非晶合金粉末選擇性激光熔融3D打印過程中產生晶化行為、翹曲變形的問題。本技術采取的技術方案是，高壓液氮罐通過液氮管7分別與液氮噴頭一、液氮噴頭二相連，液氮管上設置有開關一，惰性氣體壓力儲存瓶通過惰性氣體管一與坩堝相連，用于盛放熔融金屬的坩堝外設置有環形加熱爐，坩堝通過送料管與金屬熔滴噴頭連接，送料管上設置有開關二，惰性氣體壓力儲存瓶通過惰性氣體管二經過氣壓控制器與金屬熔滴噴頭相連，沉積基板固定在三軸運動平臺的底座上，半導體制冷裝置安裝在沉積基板下方，圓形轉盤用螺栓固定在中空旋轉平臺上方，金屬熔滴噴頭和液氮噴管一、液氮噴管二通過中空旋轉平臺和圓形轉盤固定在三軸運動平臺的Z軸上，金屬熔滴噴頭設置有隔熱裝置，環形加熱器和熱電偶安裝在金屬熔滴噴頭的隔熱裝置內側。所述半導體制冷裝置由上電極，散熱片、變阻器、風扇、電源、半導體，下電極組成，上電極安裝在沉積基板下方，上電極下方依次設置半導體、下電極、散熱片和風扇，電源的正負極與下電極左右兩側相連，形成回路，回路上設置有變阻器。本技術采用冷基板和雙噴液氮冷卻裝置，結合金屬熔滴噴射增材制造技術實現非晶合金材料制備和大尺寸復雜結構成形一體化。通過冷基板和可旋轉雙液氮噴射，實現金屬熔滴噴射前基板環境冷卻和金屬熔滴噴射后沉積熔滴冷卻，兩次“點對點”冷卻方法更好保證成形零件的非晶特性。本技術的優點如下：（1）本技術采用冷基板和雙噴液氮冷卻裝置，結合3D打印技術制備非晶合金材料同時成形大體積復雜形狀非晶合金零件。該方法實現非晶合金材料制備和結構成形一體化，節省加工工序，提高工作效率。（2）水淬法、銅模鑄造法僅能成形10余毫米結構簡單的非晶合金零件，而本技術結合3D打印技術制造出結構復雜、更大尺寸的非晶合金零件，比水淬法、銅模鑄造法制造的非晶合金零件尺寸至少大10mm。（3）與非晶合金粉末選擇性激光熔融3D打印相比，本技術節省了非晶合金粉末的制備過程，同時避免了高能束激光加熱熔融粉末過程中晶化行為和翹曲變形。（4）采用可旋轉式前、后置雙噴液氮裝置，實現金屬熔滴噴射前基板環境冷卻和金屬熔滴噴射后沉積熔滴冷卻，兩次“點對點”冷卻更好保證成形零件的非晶特性。（5）打印基板下設置半導體制冷裝置，根據實驗冷卻環境要求，調節變阻器控制基板溫度。若需要熱基板，也可改變電流方向實現基板制熱效果。附圖說明圖1是本技術的結構示意圖；圖2是本技術半導體制冷裝置結構示意圖；圖3是本技術中空旋轉平臺結構示意圖，因中空旋轉平臺位于圓形轉盤，為清楚表達中空旋轉平臺，將圓形轉盤畫成透明；圖4是本技術噴頭處局部放大圖。具體實施方式一種非晶合金材料制備及結構成形一體的3D打印裝置，高壓液氮罐21通過液氮管7與液氮噴頭一15、液氮噴頭二16相連，為液氮噴頭一16、液氮噴頭二15提供高壓液氮，液氮管7上設置有開關一8，控制液氮噴管7的開啟閉合，實現按需噴射，“點對點”精確冷卻，惰性氣體壓力儲存瓶5通過惰性氣體管一4與坩堝2相連，提供送料動力，熔融金屬1放置在坩堝2內，坩堝2外設置有環形加熱爐3，對坩堝2加熱以保持熔融金屬1的流動性，坩堝2通過送料管6與金屬熔滴噴頭10連接，送料管6上設置有開關二23，控制送料管6開閉為金屬熔滴噴頭10供料，惰性氣體壓力儲存瓶5通過惰性氣體管二13經過氣壓控制器9與金屬熔滴噴頭10相連，通過壓力調節實現熔融金屬1微滴噴射，沉積基板19固定在三軸運動平臺12的底座上，能實現XY方向的運動，半導體制冷裝置20安裝在沉積基板19下方，對沉積基板19進行制冷，圓形轉盤14用螺栓固定在中空旋轉平臺22上方，金屬熔滴噴頭10和液氮噴管一15、液氮噴管二16通過中空旋轉平臺22和圓形轉盤14固定在三軸運動平臺12的Z軸上，能實現Z軸方向的運動，中空旋轉平臺22帶動液氮噴管一15、液氮噴管二16轉動，實現金屬熔滴噴頭10、液氮噴管一15、液氮噴管二16所在直線，同運動平臺運動方向一致，金屬熔滴噴頭10設置有隔熱裝置11，避免熔融金屬1受到冷環境影響，環形加熱器18和熱電偶17安裝在金屬熔滴噴頭的隔熱裝置11內側，外接溫度控制器，通過熱電偶17檢測熔融金屬1溫度反饋給溫度控制器，來控制環形加熱器18是否工作。所述半導體制冷裝置20由上電極2001，散熱片2002、變阻器2003、風扇2004、電源2005、半導體2006，下電極2007組成，上電極2001安裝在沉積基板19下方，上電極下方依次設置半導體2006、下電極2007、散熱片2002和風扇2004，電源2005的正負極與下電極左右兩側相連，形成回路，回路上設置有變阻器2003。工作原理如下：（1）坩堝2外環形加熱爐3將晶態合金加熱至熔融狀態，調控半導體制冷裝置20，設定沉積基板19的溫度為零攝氏度到零下30攝氏度；（2）建立要打印的非晶合金零件的三維模型，切片分層處理形成STL格式文件，通過控制金屬熔滴噴射頻率和運動平臺速度，按掃描路徑逐滴沉積成形；（3）液氮噴管二16和液氮噴管一15位于中空旋轉平臺上，當噴射路徑發生改變時，中空旋轉平臺22旋轉一定角度，保證金屬熔滴噴頭10、液氮噴管二16和液氮噴管一15所在直線同運動平臺運動方向始終一致，金屬熔滴噴頭10運動到指定位置后，惰性氣體壓力儲存瓶5其壓力為0.8MPa，通過惰性氣體管4將坩堝2內熔融金屬1經送料管6壓至金屬熔滴噴頭10處，熱電偶17檢測熔融金屬溫度低于設定溫度時，環形加熱器18啟動保證熔融金屬較好流動性，氣壓控制器9啟動，帶有壓力的惰性氣體推動活塞實現金屬熔滴噴射本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種非晶合金材料制備與成形一體化的3D打印裝置，其特征在于：高壓液氮罐通過液氮管7分別與液氮噴頭一、液氮噴頭二相連，液氮管上設置有開關一，惰性氣體壓力儲存瓶通過惰性氣體管一與坩堝相連，用于盛放熔融金屬的坩堝外設置有環形加熱爐，坩堝通過送料管與金屬熔滴噴頭連接，送料管上設置有開關二，惰性氣體壓力儲存瓶通過惰性氣體管二經過氣壓控制器與金屬熔滴噴頭相連，沉積基板固定在三軸運動平臺的底座上，半導體制冷裝置安裝在沉積基板下方，圓形轉盤用螺栓固定在中空旋轉平臺上方，金屬熔滴噴頭和液氮噴管一、液氮噴管二通過中空旋轉平臺和圓形轉盤固定在三軸運動平臺的Z軸上，金屬熔滴噴頭設置有隔熱裝置，環形加熱器和熱電偶安裝在金屬熔滴噴頭的隔熱裝置內側。

【技術特征摘要】
1.一種非晶合金材料制備與成形一體化的3D打印裝置，其特征在于：高壓液氮罐通過液氮管7分別與液氮噴頭一、液氮噴頭二相連，液氮管上設置有開關一，惰性氣體壓力儲存瓶通過惰性氣體管一與坩堝相連，用于盛放熔融金屬的坩堝外設置有環形加熱爐，坩堝通過送料管與金屬熔滴噴頭連接，送料管上設置有開關二，惰性氣體壓力儲存瓶通過惰性氣體管二經過氣壓控制器與金屬熔滴噴頭相連，沉積基板固定在三軸運動平臺的底座上，半導體制冷裝置安裝在沉積基板下方，圓形轉盤用螺栓固定在中空旋轉平臺上方，金...

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳文征，郭曉鈺，杜海東，王博凡，武子超，王玉磊，趙繼，
申請(專利權)人：吉林大學，
類型：新型
國別省市：吉林;22