一种电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头制造技术

本发明专利技术涉及一种电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头，具有一个内壁布设有冷却水道的冷坩埚，在冷坩埚的顶部和底部分别设有进料口和锥斗形挤出通道，在冷坩埚进料口的上方设有双辊夹持进料机构，在冷坩埚的外围及锥斗形挤出通道的外围分别设有第一电磁感应加热器和第二电磁感应加热器。打印过程中，金属丝材通过夹持进料机构进入冷坩埚内部熔炼区时，第一电磁感应加热器提供热源及悬浮力使金属丝材熔化形成金属溶液，金属溶液在重力作用下从挤出通道流出形成金属液流，金属液流受到第二电磁感应加热器的磁力，进一步加热金属溶液并约束金属液流的直径，使金属液流按照一定流速和一定直径稳定流出。

An electromagnetic suspension heating type 3D printer extrusion nozzle

The invention relates to an electromagnetic suspension heating type 3D printer extrusion nozzle has an inner cooling channel is arranged on the top of the cold crucible, cold crucible and bottom inlet and cone shaped extrusion channel, with double rollers clamping feeding mechanism above the cold crucible material inlet in the periphery, and cone of cold crucible bucket shaped outer extruding channel are respectively provided with a first electromagnetic induction heater and second electromagnetic induction heater. In the process of printing, metal wire through the clamping feed mechanism into the cold crucible inside the melting zone, the first electromagnetic induction heater to provide heat and suspension force so that the metal wire is melted to form a molten metal, metal solution under the action of gravity from the outflow of liquid metal flow channel extrusion forming, metal flow by second magnetic electromagnetic induction heater further, heating the metal solution and constraint metal flow diameter, the liquid metal flow velocity and diameter according to certain stability.

【技术实现步骤摘要】
一种电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头
本专利技术属于快速成型制造设备，涉及一种采用金属丝作为耗材的3D打印机挤出喷头。
技术介绍
3D打印机又叫做三维打印机，是一种快速成型技术的机器，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料并通过逐层打印方式来构造物体的技术。过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。3D打印技术迄今已广泛用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程等诸多领域。基于FDM原理的3D打印方法，使金属丝耗材在喷头内熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝固，通过逐层打印的方法实现材料的成型，这种加工方法能够在很大程度上降低金属3D的成本并提高成型效率。挤出喷头是3D打印机的核心部件，目前基于FDM原理的3D打印机大多采用以金属电阻丝作为耗材的基础喷头，但电阻丝加热会存在下述的一些问题：(1)、电阻丝加热的效率低，热量散失大且能耗高；(2)、电阻丝加热的加热能力不足，由于电阻丝加热装置受到挤出喷头的尺寸限制，其结构尺寸有限，对于一些高熔点的金属其提供的热量不足以使金属充分熔化，这会导致出丝效率低下、喷头易被堵住、耗材挤出困难；(3)、电阻丝加热的预热时间长，影响3D打印机的工作效率；(4)、由于挤出喷头和金属丝耗材的导热作用，送料端温度高，耗材在送料端过早软化，导致出丝效率低下、喷头易被堵住、耗材挤出困难；(5)、由于金属耗材与喷头材料不同，高温熔融金属会与喷头材料发生反应造成对金属丝材的污染；(6)、电阻丝加热对金属丝材没有搅拌，造成金属熔化不均匀。
技术实现思路
本专利技术的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种可打印不同金属(高温合金)、金属熔化均匀、金属溶液纯度高、出丝效率高并能解决挤出喷头易堵塞问题的电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头。为实现以上专利技术目的而采用的技术解决方案如下所述。一种电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头，具有一个内壁布设有冷却水道的冷坩埚，在冷坩埚的顶部和底部分别设有进料口和锥斗形挤出通道，在冷坩埚进料口的上方设有双辊夹持进料机构，打印过程中金属丝材通过夹持进料机构中双辊子的转动进入冷坩埚内，在冷坩埚的外围缠绕设有由感应线圈构成的电源频率为35～50KHz的第一电磁感应加热器，在冷坩埚锥斗形挤出通道的外围缠绕设有由感应线圈构成的电源频率为200～300KHz的第二电磁感应加热器。上述技术解决方案进一步限定在于：第一电磁感应加热器的电源采用并联震荡的方式，第二电磁感应加热器的电源采用并联震荡的方式。上述技术解决方案进一步限定在于：冷坩埚的冷却水道由20～30条依次毗接围绕成圆形结构的分瓣水道组成，各分瓣水道的毗接处有细小间隙，各细小间隙内填有绝缘材料。上述技术解决方案进一步限定在于：构成双辊夹持进料机构的两辊子之间的中心线与进料口的中心线重合，且两辊子之间最小外径的距离小于金属丝材的直径。上述技术解决方案进一步限定在于：挤出通道与冷坩埚底部采用螺纹方式连接，挤出通道材料与金属丝材相同，打印不同金属丝材时更换与其对应的挤出通道。挤出通道材料包括钛合金、镁铝合金、铝合金和高温合金等。该电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头的工作步骤如下所述。1、送料：金属丝材利用辊子的转动进入冷坩埚内部熔炼区(电磁场最强处)。2、金属熔化：应用冷坩埚悬浮感应熔炼方法，当金属丝材进入冷坩埚指定区域时，第一电磁感应加热器提供热源及悬浮力使金属丝材熔化形成金属溶液，金属溶液与冷坩埚不接触或弹性接触。3、出料：金属溶液在重力作用下从挤出通道流出形成金属液流，金属液流受到第二电磁感应加热器的磁力，由于第二感应加热器(感应线圈)可以通过改变磁场大小来约束液流直径和流速，所以有起到磁控开关的作用，可进一步加热金属溶液并约束金属液流的直径，使金属液流按照一定流速和一定直径稳定流出。上述的电磁悬浮加热方式可以应用于高温合金、钛合金、铝合金等难熔金属的3D打印。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果。一、本专利技术采用冷坩埚真空悬浮感应熔炼的方式加热金属丝材，并在坩埚底部加上可换式挤出通道和第二电磁感应加热器(磁控开关)和熔融沉积方式结合的方法，把悬浮熔炼技术和液流控制技术和传统FDM技术相结合，可以满足FDM技术所需的熔融态金属。二、本专利技术对原材料种类没有特殊要求，可以用于钛合金、镁铝合金、铝合金和高温合金等金属的3D打印，具有电磁搅拌作用，使得金属丝材成分更加均匀。三、本专利技术用第二电磁感应加热器(磁控开关)控制金属液流，没有直接接触金属溶液，不会使再熔融态金属丝材产生污染；在不更换挤出通道直径的情况下，可以精确的控制金属液流(熔融态金属丝材)的流速和直径。四、本专利技术采用电磁悬浮加热，电磁悬浮加热可以局部加热且加热温度高，而且是非接触式加热，可以有效的防止因金属丝材软化不足而导致的出丝效率低下、喷头易被堵塞、熔融态金属耗材挤出困难等问题。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图。图2为冷坩埚的截面图。图3为冷坩埚分瓣水道的示意图。图中各数字标号的名称分别是：1－冷坩埚，2－第一电磁感应加热器，3－第二电磁感应加热器，4－冷却水道，5－挤出通道，6－进料口，7－双辊夹持进料机构，8－金属丝材，9－熔融态金属，10－金属液流，11－(冷坩埚)分瓣水道。具体实施方式以下将结合附图对本专利技术做进一步描述。参见附图，本专利技术所述的电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头由冷坩埚1、冷却水道4、第一电磁感应加热器2、第二电磁感应加热器3、双辊夹持进料机构7等构件组成。冷坩埚1的顶部和底部分别设有进料口6和锥斗形挤出通道5，挤出通道5与冷坩埚1底部通过螺纹相连且可以拆卸。环冷坩埚1内壁布设有由24条分瓣水道11依次毗接围成的冷却水道4，构成3D打印机挤出喷头的冷却装置。在冷坩埚进料口6的上方置双辊夹持进料机构7，其两辊子之间的中心线与进料口的中心线重合，且两辊子之间最小外径的距离小于金属丝材的直径。电源频率为35～50KHz的第一电磁感应加热器2缠绕在冷坩埚1的外围，电源频率为200～300KHz的第二电磁感应加热器3采用“Y”形缠绕在冷坩埚锥斗形挤出通道5的外围，其中第一电磁感应加热器2的电源采用并联震荡的方式，第二电磁感应加热器3的电源采用并联震荡的方式，由此构成3D打印机挤出喷头的加热装置。该电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头的工作步骤如下所述。1、送料：金属丝材8利用辊子的转动进入冷坩埚1内部熔炼区(电磁场最强处)。2、金属熔化：应用冷坩埚悬浮感应熔炼方法，当金属丝材8进入冷坩埚1指定区域时，第一电磁感应加热器2提供热源及悬浮力使金属丝材熔化形成金属溶液(熔融态金属9)，金属溶液与冷坩埚1不接触或弹性接触。3、出料：在金属溶液达到金属溶液固液线温度后，通过改变输入电流幅值大小，降低第一电磁感应加热器2和第二电磁感应加热器3的功率，金属溶液(熔融态金属9)在重力作用下从挤出通道5流出形成金属液流10，金属液流20受到第二电磁感应加热器3的磁力，进一步加热金属溶液并约束金属液流的直径，使金属液流10按照一定流速和一定直径稳定流出。挤出通道材料与金属丝材8相同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头，其特征在于：具有一个内壁布设有冷却水道(4)的冷坩埚(1)，在冷坩埚(1)的顶部和底部分别设有进料口(6)和锥斗形挤出通道(5)，在冷坩埚进料口(6)的上方设有双辊夹持进料机构(7)，在冷坩埚(1)的外围缠绕设有由感应线圈构成的电源频率为35～50KHz的第一电磁感应加热器(2)，在冷坩埚锥斗形挤出通道(5)的外围缠绕设有由感应线圈构成的电源频率为200～300KHz的第二电磁感应加热器(3)。

【技术特征摘要】
1.一种电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头，其特征在于：具有一个内壁布设有冷却水道(4)的冷坩埚(1)，在冷坩埚(1)的顶部和底部分别设有进料口(6)和锥斗形挤出通道(5)，在冷坩埚进料口(6)的上方设有双辊夹持进料机构(7)，在冷坩埚(1)的外围缠绕设有由感应线圈构成的电源频率为35～50KHz的第一电磁感应加热器(2)，在冷坩埚锥斗形挤出通道(5)的外围缠绕设有由感应线圈构成的电源频率为200～300KHz的第二电磁感应加热器(3)。2.根据权利要求1所述的电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头，其特征在于：第一电磁感应加热器(2)的电源采用并联震荡的方式，第二电磁感应加热器(3)的电源采用并联震荡...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗学文，张斌，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61