[实用新型]高频感应加热辅助冷喷涂沉积金属3D打印机

说明书

本实用新型涉及一种高频感应加热辅助冷喷涂沉积金属3D打印机，特点是包括机箱、打印托盘底板、打印托盘安装座、打印托盘、打印喷头、水平面运动组件、Z向运动组件、高频加热部件安装板、磁通集中装置、感应线圈、绝缘材料、温度传感器、气体加热装置、第一减压阀、第一气动球阀、第二减压阀、第二气动球阀、供气装置、金属粉末储存罐、送粉器、加热套及金属粉末收集装置，机箱的开口处设有密封门。其具有设备制造和维护成本低，适用于各种金属材料等优点。

技术领域

本实用新型涉及一种高频感应加热辅助冷喷涂沉积金属3D打印机。

背景技术

冷喷涂沉积零件成型方法起源自冷喷涂技术 ( Cold Gas DynamicSpray，CGDS)，该技术是20 世纪80 年代中后期，前苏联科学院西伯利亚分院理论与应用力学研究所的研究人员A.N.Papyrin及其同事利用示踪粒子进行超音速风洞实验时发现，当速度超过某个临界值时，示踪粒子将沉积在靶材表面，他们于1990 年提出冷喷涂的概念，并发表了第一篇关于冷喷涂的论文以及申请了首项冷喷涂方面的专利。

具体而言，冷喷涂技术是将高压气体( 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, 从而形成一层近似非渗透性结合的涂层沉积在基体表面。由于冷喷涂时颗粒加热温度低，喷涂过程颗粒始终保持固态，固态颗粒在极高应力、应变和应变速率条件下通过绝热剪切失稳引起的塑性流变或者通过剧烈变形等机械过程，实现了在工件表面的沉积。因此，冷喷涂技术具有很多优点: (1) 沉积层的化学成分以及显微组织结构与颗粒原材料保持一致；(2) 沉积层致密，孔隙率低；(3) 沉积层的残余应力较低，主要为压应力；(4) 沉积速度快；(5) 可沉积的涂层种类繁多；(6) 基体选择范围广，在金属、塑料、陶瓷等基体上都可以实现沉积。

虽然冷喷涂在保持沉积层材料原始成分、减少热影响等方面具有独特的优势，但由于其沉积完全依靠喷涂颗粒的塑性变形，因此早期的冷喷涂涂层以低硬度材料为主，若要用冷喷涂技术沉积硬度较高的涂层材料，就必须以氦气为工作气体，这样不但成本较高，而且沉积层的结合强度也较低。2004年A.Hamid、M. Gurjieie等人的进一步研究表明，冷喷涂沉积效率和结合强度随金属粉末颗粒的喷射速度、金属粉末颗粒的温度以及基板的温度的增加而增加。基于这一规律，2008年英国剑桥大学William O′Neill 课题组提出了超音速激光沉积技术(SLD)，将激光束同步引入冷喷涂加工过程，利用激光辐照对喷涂颗粒、基材或两者同时加热软化，瞬间调节和改善材料的力学性能和碰撞沉积状态，从而提高低压冷喷涂层的厚度、沉积效率、致密度和结合强度，进而提高涂层的性能。此外，由于激光加热对喷涂颗粒和基材的软化作用，喷涂颗粒的临界沉积速度降至原来的一半，因此可用价格低廉的氮气替代昂贵的氦气，实现高硬度材料的沉积，在降低成本的同时也拓宽了冷喷涂沉积材料的范围。剑桥大学利用超音速激光沉积技术实现了Ti、Cu、Al等金属材料的沉积，并对沉积涂层的组织成分、致密度、耐磨性等进行了研究，证明了该技术的可行性和良好的应用潜力。

随着冷喷涂技术的不断发展，研究人员开始将该技术用于金属零件的3D打印制造。在目前的 3D打印设备中，打印喷头通过箱体内的X向组件及Y相组件从而能在箱体内水平移动，该X向运动组件由导柱、导套、齿形带、同步齿轮、步进电机、喷头安装座、导柱安装座组成，其导柱通过两端的导柱安装座安装在Y向运动组件的移动座上；该Y向运动组件由导柱、导套、齿形带、同步齿轮、步进电机、Y向移动座、导柱安装座组成，其导柱通过两端的导柱安装座安装在机箱1上；打印喷头安装在喷头安装座上，打印托盘座设在Z向运动组件上， Z向运动组件由导柱、导套、滚珠丝杆、螺母、步进电机、导柱安装座组成。