一种金属3D打印设备和方法技术

一种金属3D打印设备和方法，属于3D打印技术领域。本发明专利技术通过采取将金属3D打印设备的供料系统和出料系统分离、打印成形区域与冷却介质分开、供料系统置于成形室外以及喷嘴的出料口大小可根据产品的尺寸进行调控等措施，基于熔体直接供料和冷却介质冷却高效低成本3D打印成形高质量金属产品，特别适用于大型金属产品的高效成形。本发明专利技术的3D打印设备机构动作灵活、运行速度快、灵活度高、柔性大、制造成本低，3D打印成形过程效率高、工艺参数易于控制，打印成形的金属产品质量和可重复性好、生产成本低。

High efficiency metal 3D printing device and method

The utility model relates to an efficient metal 3D printing device and a method, belonging to the technical field of 3D printing. The present invention will adopt feeding system for metal 3D printing equipment and discharging system separation, printing area and cooling medium separately, feeding system in forming outdoor and nozzle outlet size can be adjusted according to the measures of the size of the products, direct melt feeding and cooling medium with high efficiency and low cost 3D high quality printing metal based products, especially suitable for forming large metal products. The invention of the 3D printing device mechanism action flexible, fast running speed, high flexibility, high flexibility, low cost, high efficiency, the forming process of 3D printing technology parameter is easy to control, printing metal product quality and good repeatability and low production cost.

【技术实现步骤摘要】
一种高效金属3D打印设备和方法
本专利技术属于3D打印
，具体涉及一种高效金属3D打印设备和方法。技术背景3D打印技术是20世纪80年代初期发展起来的一种新型材料成形技术，其原理是首先利用计算机建立所需成形产品的三维实体模型，再使用分层切片软件将该产品的三维实体模型处理成一系列二维截面，然后采用3D打印设备将材料按二维截面的形状逐层堆积，最终成形得到三维实体产品。3D打印技术具有生产流程短、材料利用率高等特点，能够实现形状复杂、小批量、个性化产品的近终形生产。3D打印技术自诞生以来，就以金属材料、无机非金属材料或高分子材料等为原料，在国民经济、国防军工和日常生活等领域的产品生产中得到推广应用。由于金属产品在人们生产生活中具有广泛用途，因此金属3D打印技术在3D打印领域占有极其重要的地位，被称为“3D打印王冠上的明珠”，是门槛最高、前景最好、最前沿的3D打印技术之一。传统的金属3D打印技术主要包括选区激光熔化技术、选区激光烧结技术、激光工程化净成形技术、选区电子束熔化技术和电弧3D打印技术等，通常需要采用激光、电子束或电弧等高能量密度热源来熔化金属，其原料也均需预先制成一定形状尺寸的线材或粉体，从而导致设备及原料的成本均较高；另外，由于冷却条件及技术条件的限制，现有金属3D打印技术每道次的成形宽度和厚度一般都在微米级或毫米级，使得生产较大尺寸产品时的成形效率较低，生产成本较高。由于上述突出问题的存在，严重制约了金属3D打印技术的快速发展和推广应用。因此，采用金属熔体直接供料，并使金属熔体以液流形式连续喷出打印，同时利用冷却介质(如冷却气体、冷却水、液态金属等)进行快速冷却的成形方式，成为了目前金属3D打印的发展方向和应用趋势。但是，这类采用金属熔体直接供料和冷却介质冷却的金属3D打印技术仍然存在着一些明显的缺点：采用冷却气体进行冷却时金属熔体凝固速率较低且费用较高，采用冷却水进行冷却时每层金属表面氧化严重且成形产品质量较差，现有的将喷嘴置于液态金属中直接打印并冷却的方式使得快速凝固得到的金属产品的层间结合强度较低、液态金属对金属产品污染严重、金属液流和喷嘴的温度打印效率偏低、打印产品精度不易控制；从供料到打印成形整个机构都安装在密闭腔体中，连续加料不便、设备投资大；打印成形金属产品的可重复性差和质量难以保证，生产成本较高。因此，开发生产成本低、设备机构动作灵活、运行速度快、打印效率高、工艺参数易于控制、成形产品质量和可重复性好的新型金属3D打印技术，具有十分迫切而重要的意义。
技术实现思路
本专利技术针对现有的采用熔体直接供料和冷却介质冷却的金属3D打印技术存在的生产成本高、设备机构动作灵活性较差、运行速度较慢、打印效率低、工艺参数不易控制以及成形产品质量和可重复性较差等不足，提出将设备的供料系统和出料系统分离、打印成形区域与冷却介质分开、供料系统置于成形室外以及喷嘴的出料口大小可根据产品的尺寸进行调控等新方法，在此基础上开发一种新型的金属3D打印技术。本专利技术的目的是提供一种高效金属3D打印设备和方法，特别适用于大型金属产品的高效成形。一种高效金属3D打印设备，其特征在于，该设备由气氛调控系统、供料系统、出料系统、冷却系统、运动系统和控制系统组成。所述的气氛调控系统包括成形室、抽真空系统和充气系统。其特征在于，所述的成形室内安装了所述的出料系统、所述的冷却系统和所述的运动系统，利用所述的成形室将其外部的空气与所述的出料系统、所述的冷却系统和所述的运动系统隔绝；所述的抽真空系统与所述的成形室相连，用于将所述的成形室内的空气抽至所述的成形室外，使所述的成形室内获得所需的真空度；所述的充气系统与所述的成形室相连，用于向所述的成形室内充入保护气体。所述的供料系统包括熔化炉、保温炉、熔体传输管道、熔化炉塞杆、保温炉液位探针、供料压块、供料管道、密封挡板、熔化炉加热器、保温炉加热器、熔体传输管道加热器和供料管道加热器。其特征在于，所述的供料系统位于所述的成形室上方，用于向所述的出料系统连续提供金属熔体；所述的熔化炉用于盛装和加热熔化固体金属原料，并向所述的保温炉输送金属熔体；所述的保温炉安装在所述的熔化炉的一侧，用于控制和稳定来自所述的熔化炉的金属熔体的温度，并向所述的出料系统输送金属熔体；所述的熔体传输管道位于所述的熔化炉和所述的保温炉之间，其一端与所述的熔化炉底部的出液口相连，另一端与所述的保温炉侧面下部的进液口相连，是金属熔体从所述的熔化炉流入所述的保温炉的通道；所述的熔化炉塞杆位于所述的熔化炉内部，与所述的熔化炉底部的出液口保持对中，用于控制从所述的熔化炉中流入所述的保温炉中的金属熔体的量；所述的保温炉液位探针位于所述的保温炉内部，用于测量所述的保温炉内的金属熔体的液面高度，以便对所述的保温炉中金属熔体的量进行控制并防止金属熔体从所述的保温炉中溢出；所述的供料压块安装于所述的保温炉内部，用于精确控制提供给所述的出料系统的金属熔体的量；所述的供料管道是连接所述的供料系统与所述的出料系统的通道，其中部为倒U型结构，一端与所述的保温炉侧面上部的出液口相连，另一端从所述的成形室上方穿过所述的成形室的顶盖进入所述的成形室中，用于向所述的出料系统输送金属熔体并在所述的供料管道的倒U型结构中形成液封；所述的密封挡板安装于所述的保温炉的出液口上方，可上下运动用于开关所述的保温炉的出液口；所述的熔化炉加热器位于所述的熔化炉外部周围，用于加热和熔化所述的熔化炉内金属原料；所述的保温炉加热器位于所述的保温炉外部周围，用于控制和稳定所述的保温炉内金属熔体的温度；所述的熔体传输管道加热器位于所述的熔体传输管道外部周围，用于控制和稳定所述的熔体传输管道的温度；所述的供料管道加热器位于所述的供料管道外部周围，用于控制和稳定所述的供料管道的温度。所述的出料系统包括喷嘴、喷嘴顶盖、喷嘴液位探针、喷嘴塞杆、喷嘴补料管道、喷嘴加热器和喷嘴补料管道加热器。其特征在于，所述的喷嘴位于所述的供料系统的下方，用于盛装来自所述的保温炉的金属熔体并通过其底部的出料口喷出金属熔体；所述的喷嘴顶盖位于所述的喷嘴上方，用于防止所述的喷嘴中金属蒸汽和热量的扩散；所述的喷嘴液位探针位于所述的喷嘴内部，用于测量所述的喷嘴内金属熔体的液面高度；所述的喷嘴塞杆位于所述的喷嘴内部，与所述的喷嘴的出料口保持对中，用于控制出料的启停以及调控出料的流量；所述的喷嘴补料管道从所述的喷嘴顶盖的上方穿过所述的喷嘴顶盖进入所述的喷嘴内，是金属熔体通过所述的供料管道后流入所述的喷嘴的通道；所述的喷嘴加热器位于所述的喷嘴外部周围，用于控制和稳定所述的喷嘴内金属熔体的温度；所述的喷嘴补料管道加热器位于所述的喷嘴补料管道外部周围，用于控制和稳定所述的喷嘴补料管道的温度。所述的冷却系统包括冷却槽、基板、液态金属和液态金属回收槽。其特征在于，所述的冷却槽位于所述的出料系统的下方，其侧壁内部通有冷却介质，所述的冷却槽用于盛放及冷却所述的液态金属；所述的基板位于所述的冷却槽内的中上部，其底部浸在所述的液态金属中，用于沉积由所述的喷嘴的出料口喷出的金属熔体；所述的液态金属装在所述的冷却槽内，用于冷却所述的基板及沉积的金属熔体；所述的液态金属回收槽位于所述的冷却槽外部周围，用于回收从所述的冷却槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效金属3D打印设备，其特征在于，由气氛调控系统、供料系统、出料系统、冷却系统、运动系统和控制系统组成；所述的气氛调控系统包括成形室(13)、抽真空系统(28)和充气系统(27)；成形室(13)内安装了所述的出料系统、所述的冷却系统和所述的运动系统，利用成形室(13)将其外部的空气与所述的出料系统、所述的冷却系统和所述的运动系统隔绝；抽真空系统(28)与成形室(13)相连，用于将成形室(13)内的空气抽至成形室(13)外，使成形室(13)内获得所需的真空度；充气系统(27)与成形室(13)相连，用于向成形室(13)内充入保护气体；所述的供料系统包括熔化炉(2)、保温炉(9)、熔体传输管道(4)、熔化炉塞杆(1)、保温炉液位探针(8)、供料压块(6)、供料管道(11)、密封挡板(7)、熔化炉加热器(3)、保温炉加热器(10)、熔体传输管道加热器(5)和供料管道加热器(12)，位于成形室(13)上方，用于向所述的出料系统连续提供金属熔体；熔化炉(2)用于盛装和加热熔化固体金属原料，并向保温炉(9)输送金属熔体；保温炉(9)安装在熔化炉(2)的一侧，用于控制和稳定来自熔化炉(2)的金属熔体的温度，并向所述的出料系统输送金属熔体；熔体传输管道(4)位于熔化炉(2)和保温炉(9)之间，其一端与熔化炉(2)底部的出液口相连，另一端与保温炉(9)侧面下部的进液口相连，是金属熔体从熔化炉(2)流入保温炉(9)的通道；熔化炉塞杆(1)位于熔化炉(2)内部，与熔化炉(2)底部的出液口保持对中，用于控制从熔化炉(2)中流入保温炉(9)中的金属熔体的量；保温炉液位探针(8)位于保温炉(9)内部，用于测量保温炉(9)内的金属熔体的液面高度，以便对保温炉(9)中金属熔体的量进行控制并防止金属熔体从保温炉(9)中溢出；供料压块(6)安装于保温炉(9)内部，用于精确控制提供给所述的出料系统的金属熔体的量；供料管道(11)是连接所述的供料系统与所述的出料系统的通道，其中部为倒U型结构，一端与保温炉(9)侧面上部的出液口相连，另一端从成形室(13)上方穿过成形室(13)的顶盖进入成形室(13)中，用于向所述的出料系统输送金属熔体并在供料管道(11)的倒U型结构中形成液封；密封挡板(7)安装于保温炉(9)的出液口上方，可上下运动用于开关保温炉(9)的出液口；熔化炉加热器(3)位于熔化炉(2)外部周围，用于加热和熔化熔化炉(2)内金属原料；保温炉加热器(10)位于保温炉(9)外部周围，用于控制和稳定保温炉(9)内金属熔体的温度；熔体传输管道加热器(5)位于熔体传输管道(4)外部周围，用于控制和稳定熔体传输管道(4)的温度；供料管道加热器(12)位于供料管道(11)外部周围，用于控制和稳定供料管道(11)的温度；所述的出料系统包括喷嘴(18)、喷嘴顶盖(15)、喷嘴液位探针(16)、喷嘴塞杆(17)、喷嘴补料管道(20)、喷嘴加热器(21)和喷嘴补料管道加热器(19)；喷嘴(18)位于所述的供料系统的下方，用于盛装来自保温炉(9)的金属熔体并通过其底部的出料口喷出金属熔体；喷嘴顶盖(15)位于喷嘴(18)上方，用于防止喷嘴(18)中金属蒸汽和热量的扩散；喷嘴液位探针(16)位于喷嘴(18)内部，用于测量喷嘴(18)内金属熔体的液面高度；喷嘴塞杆(17)位于喷嘴(18)内部，与喷嘴(18)的出料口保持对中，用于控制出料的启停以及调控出料的流量；喷嘴补料管道(20)从喷嘴顶盖(15)的上方穿过喷嘴顶盖(15)进入喷嘴(18)内，是金属熔体通过供料管道(11)后流入喷嘴(18)的通道；喷嘴加热器(21)位于喷嘴(18)外部周围，用于控制和稳定喷嘴(18)内金属熔体的温度；喷嘴补料管道加热器(19)位于喷嘴补料管道(20)外部周围，用于控制和稳定喷嘴补料管道(20)的温度；所述的冷却系统包括冷却槽(22)、基板(24)、液态金属(25)和液态金属回收槽(23)；冷却槽(22)位于所述的出料系统的下方，其侧壁内部通有冷却介质，冷却槽(22)用于盛放及冷却液态金属(25)；基板(24)位于冷却槽(22)内的中上部，其底部浸在液态金属(25)中，用于沉积由喷嘴(18)的出料口喷出的金属熔体；液态金属(25)装在冷却槽(22)内，用于冷却基板(24)及沉积的金属熔体；液态金属回收槽(23)位于冷却槽(22)外部周围，用于回收从冷却槽(22)中溢出的液态金属(25)；所述的运动系统包括水平方向运动装置(14)和竖直方向运动装置(26)；水平方向运动装置(14)位于所述的出料系统上方，与喷嘴(18)固定在一起，用于控制喷嘴(18)做水平方向运动；竖直方向运动装置(26)位于基板(24)下方，从下向上依次穿过成形室(13)的底板、液态金属回收槽(23)的底板、冷却槽(22)的底板和液态...

【技术特征摘要】
1.一种高效金属3D打印设备，其特征在于，由气氛调控系统、供料系统、出料系统、冷却系统、运动系统和控制系统组成；所述的气氛调控系统包括成形室(13)、抽真空系统(28)和充气系统(27)；成形室(13)内安装了所述的出料系统、所述的冷却系统和所述的运动系统，利用成形室(13)将其外部的空气与所述的出料系统、所述的冷却系统和所述的运动系统隔绝；抽真空系统(28)与成形室(13)相连，用于将成形室(13)内的空气抽至成形室(13)外，使成形室(13)内获得所需的真空度；充气系统(27)与成形室(13)相连，用于向成形室(13)内充入保护气体；所述的供料系统包括熔化炉(2)、保温炉(9)、熔体传输管道(4)、熔化炉塞杆(1)、保温炉液位探针(8)、供料压块(6)、供料管道(11)、密封挡板(7)、熔化炉加热器(3)、保温炉加热器(10)、熔体传输管道加热器(5)和供料管道加热器(12)，位于成形室(13)上方，用于向所述的出料系统连续提供金属熔体；熔化炉(2)用于盛装和加热熔化固体金属原料，并向保温炉(9)输送金属熔体；保温炉(9)安装在熔化炉(2)的一侧，用于控制和稳定来自熔化炉(2)的金属熔体的温度，并向所述的出料系统输送金属熔体；熔体传输管道(4)位于熔化炉(2)和保温炉(9)之间，其一端与熔化炉(2)底部的出液口相连，另一端与保温炉(9)侧面下部的进液口相连，是金属熔体从熔化炉(2)流入保温炉(9)的通道；熔化炉塞杆(1)位于熔化炉(2)内部，与熔化炉(2)底部的出液口保持对中，用于控制从熔化炉(2)中流入保温炉(9)中的金属熔体的量；保温炉液位探针(8)位于保温炉(9)内部，用于测量保温炉(9)内的金属熔体的液面高度，以便对保温炉(9)中金属熔体的量进行控制并防止金属熔体从保温炉(9)中溢出；供料压块(6)安装于保温炉(9)内部，用于精确控制提供给所述的出料系统的金属熔体的量；供料管道(11)是连接所述的供料系统与所述的出料系统的通道，其中部为倒U型结构，一端与保温炉(9)侧面上部的出液口相连，另一端从成形室(13)上方穿过成形室(13)的顶盖进入成形室(13)中，用于向所述的出料系统输送金属熔体并在供料管道(11)的倒U型结构中形成液封；密封挡板(7)安装于保温炉(9)的出液口上方，可上下运动用于开关保温炉(9)的出液口；熔化炉加热器(3)位于熔化炉(2)外部周围，用于加热和熔化熔化炉(2)内金属原料；保温炉加热器(10)位于保温炉(9)外部周围，用于控制和稳定保温炉(9)内金属熔体的温度；熔体传输管道加热器(5)位于熔体传输管道(4)外部周围，用于控制和稳定熔体传输管道(4)的温度；供料管道加热器(12)位于供料管道(11)外部周围，用于控制和稳定供料管道(11)的温度；所述的出料系统包括喷嘴(18)、喷嘴顶盖(15)、喷嘴液位探针(16)、喷嘴塞杆(17)、喷嘴补料管道(20)、喷嘴加热器(21)和喷嘴补料管道加热器(19)；喷嘴(18)位于所述的供料系统的下方，用于盛装来自保温炉(9)的金属熔体并通过其底部的出料口喷出金属熔体；喷嘴顶盖(15)位于喷嘴(18)上方，用于防止喷嘴(18)中金属蒸汽和热量的扩散；喷嘴液位探针(16)位于喷嘴(18)内部，用于测量喷嘴(18)内金属熔体的液面高度；喷嘴塞杆(17)位于喷嘴(18)内部，与喷嘴(18)的出料口保持对中，用于控制出料的启停以及调控出料的流量；喷嘴补料管道(20)从喷嘴顶盖(15)的上方穿过喷嘴顶盖(15)进入喷嘴(18)内，是金属熔体通过供料管道(11)后流入喷嘴(18)的通道；喷嘴加热器(21)位于喷嘴(18)外部周围，用于控制和稳定喷嘴(18)内金属熔体的温度；喷嘴补料管道加热器(19)位于喷嘴补料管道(20)外部周围，用于控制和稳定喷嘴补料管道(20)的温度；所述的冷却系统包括冷却槽(22)、基板(24)、液态金属(25)和液态金属回收槽(23)；冷却槽(22)位于所述的出料系统的下方，其侧壁内部通有冷却介质，冷却槽(22)用于盛放及冷却液态金属(25)；基板(24)位于冷却槽(22)内的中上部，其底部浸在液态金属(25)中，用于沉积由喷嘴(18)的出料口喷出的金属熔体；液态金属(25)装在冷却槽(22)内，用于冷却基板(24)及沉积的金属熔体；液态金属回收槽(23)位于冷却槽(22)外部周围，用于回收从冷却槽(22)中溢出的液态金属(25)；所述的运动系统包括水平方向运动装置(14)和竖直方向运动装置(26)；水平方向运动装置(14)位于所述的出料系统上方，与喷嘴(18)固定在一起，用于控制喷嘴(18)做水平方向运动；竖直方向运动装置(26)位于基板(24)下方，从下向上依次穿过成形室(13)的底板、液态金属回收槽(23)的底板、冷却槽(22)的底板和液态金属(25)，与基板(24)的底部固定在一起，用于控制基板(24)做竖直方向运动；所述的控制系统包括电子设备(29)和控制器(30)；电子设备(29)安装有控制软件并与控制器(30)相连，用于向控制器(30)发出控制指令；控制器(30)与所述的气氛调控系统、所述的供料系统、所述的出料系统和所述的运动系统相连，用于控制这些系统执行电子设备(29)发出的控制指令。2.如权利要求1所述的一种高效金属3D打印设备，其特征在于，充气系统(27)采用的保护气体为氮气或惰性气体或还原性气体或...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪峰，李昂，俞波，尹宝强，颜阳，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11