CN103639412B - 一种3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属3D打印机，这种3D打印机结构包括加热熔炼金属炉，加热金属保温炉，通过气体压力和阀芯控制熔融金属流速的固定打印头，产品构建工作平台，金属冷却凝固系统和运行控制系统等组成，工作平台主要又包括X轴轨道及其驱动伺服电机，Y轴轨道及其驱动伺服电机，Z轴丝杆轨道及其驱动伺服电机等组成，整个金属3D打印系统设置在一个气密室内，根据生产工艺条件，可以在保护气氛下或大气环境下工作，金属熔液通过打印头受控射出束流浇注，冷却凝固层层堆积在产品构建工作平台上，产品构建工作平台在打印软件及控制系统驱动下分别做X，Y，Z轴的三维运动方式来实现金属物件的3D打印生产，可生产任意三维形状复杂的各种小型金属零部件和大型金属整体构件，是一种极具发展前景的全新生产制造方式。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印机制造领域装备技术，可生产任意三维形状复杂的小型金属零部件和大型金属整体构件，是一种极具发展前景的全新生产制造方式。
背景技术
3D激光打印，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等材料，通过层层激光/电子束烧结或熔融堆积，逐层打印的方式来构造物体的技术设备。3D打印制造技术过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于产品的直接快速制造，由于其独特的生产技术特点和广泛的运用领域，被认为是一项生产制造方式变革。
由于在3D打印机原理中把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的整体零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。
但通常的3D激光烧结打印机由于结构复杂价格极其昂贵，而且金属原材料粉末烧结过程中存在微观孔隙，有损金属产品的机械性能，这些严重影响金属3D打印生产技术的运用和普及，因而设计研发一些高性能低成本的金属3D打印机技术及设备已是行业发展的关键之一。
发明内容
为了解决当前金属3D打印技术和设备，特别是金属激光烧结方式3D打印机技术的上述缺陷，本发明开发出一种原材料熔融射出束流浇注、三维堆积成型产品的3D打印新方式和设备。本发明提供了一种全新3D打印实施技术路经，由此开发出的打印设备相比具备了构造简化成本减低的优势，原材料熔融射出浇注堆积成型产品的技术实施方式，使打印出的产品机械性能大大提高。
本发明实施的技术方案是:金属原材料通过加热熔炼炉熔化成液态状浇注到保温炉中，和保温炉连接的打印头能控制金属液射出束流浇注量和浇注速度，打印头按计算机设计的三维产品模型分层数据控制的路径浇注堆积在特定位置，金属液冷却凝固，这样逐层堆积成型生产出各种材质的高性能三维结构任意复杂金属零部件产品；这种3D打印机结构包括加热熔炼金属炉，加热金属保温炉，通过气体压力和阀芯控制熔融金属射出流速的固定打印头，产品构建工作平台，金属冷却凝固系统和运行控制系统等组成，工作平台主要又包括X轴轨道及其驱动伺服电机，Y轴轨道及其驱动伺服电机，Z轴丝杆轨道及其驱动伺服电机等组成，整个金属3D打印系统设置在一气密室内，根据生产工艺条件，可以在保护气氛下或大气环境下工作，金属熔液通过打印头受控射出束流，冷却凝固层层堆积在产品构建工作平台上，产品构建工作平台在打印软件及控制系统驱动下分别做X，Y，Z轴的三维运动方式来实现金属物件的3D打印，可生产任意三维形状复杂的小型金属零部件和大型金属整体构件，本装置采用固定打印头，由工作平台分别做X，Y，Z轴的三维运动方式来实现物体的3D打印，这种结构形式可以方便的实施三维形状复杂的各种小型金属零部件规模化生产，尤其适合大型金属整体构件的3D打印生产制造。
附图说明
图1为本发明实施例的小型3D 打印设备结构图。
1.密闭容器 2.熔炼炉 3.进气口 4.保温炉 5.距离传感器 6.冷却气体喷嘴结构7.打印头及阀芯 8.X轴轨道及伺服电机 9.构建平台 10.Z轴丝杆轨道及伺服电机 11.Y轴轨道及伺服电机
图2为本发明实施例的大型3D 打印设备结构图。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例中的附图做具体的描述。
这种3D打印机结构包括加热熔炼金属炉，加热金属保温炉，通过气体压力和阀芯控制熔融金属射出流速的固定打印头，产品构建工作平台，金属凝固冷却系统等组成，工作平台主要又包括X轴轨道及其驱动伺服电机，Y轴轨道及其驱动伺服电机，Z轴丝杆轨道及其驱动伺服电机等组成。产品构建工作平台在打印软件及控制系统驱动下分别做X，Y，Z轴的三维运动方式来实现金属物件的3D打印，可生产任意三维形状复杂的小型金属零部件和大型金属整体构件，整个金属3D打印系统设置在一气密室内，根据生产工艺条件，可以在保护气氛下工作或大气环境下工作。本3D打印机采取的是固定式打印头方式，由工作平台分别做X，Y，Z轴做三维运动方式来实现物体的3D打印成型制造。
熔炼炉2为加热装置，主要用于加热熔炼不同的打印原材料，加热方式可以根据打印原材料的不同和熔炼工艺的不同选择感应加热，电阻加热，电弧加热，等离子加热，电子束加热等多种加热方式。在熔炼炉2中熔化的金属原材料经过熔炼炉2底部的导流孔流入加热金属保温炉4，导流孔设置类似阀芯装置控制金属液流入加热金属保温炉4的流量，也可以把熔炼炉设计成转炉浇注的方式加入金属溶液到加热金属保温炉中。
本3D打印机设计采取的是固定式打印头7方式，由构建平台分别做X，Y，Z轴三维运动方式来实现物件的3D打印生产，这种结构形式可以方便的实施三维形状复杂的各种小型金属零部件规模化生产，尤其适合大型金属整体构件的3D打印生产制造；为提高打印产品的尺寸精度，打印头7的金属液射出束流孔的尺寸通常设计在直径0.3-3mm左右，为防止金属射出束流冷却凝固在射出束流孔，打印头7设计有加热装置，为保证金属液从射出束流孔射出顺畅，流率稳定控制，从加热金属保温炉4中的进气口3加入压力氮气或氩气，在打印头7内置高温阀芯，通过控制气体压力和打印头7内置阀芯来控制金属液射出流率。
打印头7金属射出束流浇注在构建平台9上，被从打印头7附近的冷却气体喷嘴结构6中喷出的惰性气体迅速冷却凝固，逐层堆积成型产品。构建平台9在打印软件控制系统控制下在X轴，Y轴，Z轴做三维运动，构建平台9的机械运动由X轴轨道及其伺服电机8，Y轴轨道及其伺服电机11，Z轴丝杆轨道及其伺服电机10来实现精确控制运动。为防止金属材料在打印生产过程中被氧化，整套系统设备设置在一个密闭容器1中，生产过程通入惰性气体保护。
附图2为生产大型复杂整体金属构件的新型3D打印机，Z轴采用双承力或多承力丝杆轨道机构，提高Z轴打印运行稳定性。
Claims (3)
1.一种3D打印机，其特征在于，包括加热熔炼炉，加热金属保温炉，通过气体压力和阀芯控制熔融金属射出流速的固定打印头，产品构建工作平台，金属凝固冷却系统和软件控制系统；产品构建工作平台包括X轴轨道及其驱动伺服电机，Y轴轨道及其驱动伺服电机，Z轴轨道及其驱动伺服电机，整个3D打印机设置在气密室内；
根据生产工艺条件，在加热熔炼炉中熔化的金属原材料通过加热熔炼炉熔化成液态状，经过加热熔炼炉底部的导流孔流入到加热金属保温炉，导流孔为阀芯结构，控制金属液流入加热金属保温炉的流量，或者把熔炼炉设计成转炉浇注的方式将金属溶液加入到加热金属保温炉中；
为提高打印产品的尺寸精度，和保温炉连接的固定打印头控制金属液射出束流的浇注量和浇注速度，打印头的金属液射出束流孔尺寸设计在直径0.3-3mm，为防止金属射出束流冷却凝固在射出束流孔，打印头设计有加热装置，为保证金属液从射出束流孔射出顺畅，流率稳定控制，从加热金属保温炉的进气口加入压力氮气或氢气，在打印头内置高温阀芯，通过控制气体压力和打印头内置阀芯来控制金属液射出流率；
从打印头射出的金属束流浇注在产品构建工作平台上，金属束流被从打印头附近的冷却气体喷嘴结构中喷出的惰性气体迅速冷却凝固，按计算机设计的三维产品模型分层数据控制的路径，固定打印头浇注金属液射出束流堆积在特定位置，金属液冷却凝固，这样逐层堆积成型生产出各种材质的高性能三维结构任意复杂金属零部件产品；根据生产工艺条件，在保护气氛下工作或大气环境下进行3D打印生产工作。
2.如权利要求1所述的一种3D打印机，其特征为:本3D打印机采取的是固定式打印头方式，由构建平台分别在X, Y, Z轴做三维运动方式来实现物体的3D打印生产，这种结构形式方便的实施;生产大型复杂整体金属构件的3D打印机，Z轴采用双承力或多承力丝杆轨道机构，以提高Z轴打印运行稳定性。
3.如权利要求1所述的一种3D打印机，其特征为:构建平台在打印软件控制系统控制下在X轴，Y轴，Z轴做三维运动，构建平台的机械运动由X轴轨道及其伺服电机，Y轴轨道及其伺服电机，z轴丝杆轨道及其伺服电机来实现精确控制运动。
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