CN104014793A - 挤出式金属流3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种挤出式金属流3D打印机，其包括：一机架，具有可沿X、Y轴方向移动的工作台及可沿Z轴方向移动的机头；一打印装置，其包括：打印头、高频线圈及高频电感应加热装置，打印头包括：钨钢喷咀、陶瓷管组、耐高温陶瓷保护套及不锈钢端盖，钨钢喷咀具有一挤出孔；一送料装置；机头下端表面安装有至少一个用于对由金属线材打印成型的金属层进行局部预热熔融或用于加强金属层之间结合力的激光器；机架上还设有用于对打印头提供惰性气体，以至打印头可喷出惰性气体的惰性气体供气装置。本发明结构简单、成本低，且能够对用金属线材打印成型的金属层进行局部预热熔融或用于加强金属层之间结合力，以至大大提高打印效果和模型成型效果。
Description
技术领域：
本发明涉及3D打印机技术领域，特指一种结构简单、成本低，且能够对用金属线材打印成型的金属层进行局部预热熔融或用于加强金属层之间结合力，以至大大提高打印效果和模型成型效果的挤出式金属流3D打印机。
背景技术：
3D打印机，即快速成形技术的一种机器，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，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些机械产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。
3D打印的设计过程是：先通过计算机进行软件建模，再将建成的三维模型“剖析”成逐层的截面，即切面，从而指导打印机逐层打印，并将薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。多功能3D打印机与传统打印机最大的区别在于：它使用的“墨水”是实实在在的原材料。所述的原材料一般为热熔胶线，该热熔胶线的端部插入3D打印机的热熔打印机头中，而热熔打印机头通过通电加热而实现对热熔胶线进行熔融，经熔融的胶从热熔打印机头下端流出，逐层打印，并将薄型层面堆叠以实现固态三维物体成型。
目前的3D打印机普遍应用于成型塑胶模型，而应用于成型金属模型的3D打印机较少，且该成型金属模型用的3D打印机成型的金属模型在对精度及表面光洁度方面不理想，且整个结构非常复杂、成本较高。
有鉴于此，本发明人提出以下技术方案。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低，且能够对用金属线材打印成型的金属层进行局部预热熔融或用于加强金属层之间结合力，以至大大提高打印效果和模型成型效果的挤出式金属流3D打印机。
为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：该挤出式金属流3D打印机包括：一机架，该机架上安装有一可沿X轴方向及Y轴方向移动的工作台以及可沿Z轴方向移动的机头；一打印装置，其包括：通过一连接座安装于机头中的打印头、用于对打印头进行加热的高频线圈以及高频电感应加热装置，该打印头包括：一钨钢喷咀、设置于钨钢喷咀内部的陶瓷管组、嵌套于钨钢喷咀外表面的耐高温陶瓷保护套以及套盖于钨钢喷咀上端的不锈钢端盖，该钨钢喷咀具有一挤出孔；一用于对打印装置输送金属线材的送料装置，该送料装置安装于机架上；所述机头下端表面安装有至少一个用于对由金属线材打印成型的金属层进行局部预热熔融或用于加强金属层之间结合力的激光器，该激光器呈倾斜装配，且激光器射出光束聚焦于打印头的下方；所述机架上还设置有一用于对打印头提供惰性气体，以至打印头可喷出惰性气体的惰性气体供气装置。
进一步而言，上述技术方案中，所述激光器为光纤耦合激光器，该光纤耦合激光器的数量为两个，其分别设置于打印头两侧，其中，该激光器射出光束相交点位于打印头正下方。
进一步而言，上述技术方案中，所述送料装置包括：设置于机架上方的用于放置金属线材卷的丝盘和用于驱动丝盘转动的第一伺服电机、设置于机头中的第二伺服电机以及设置于第二伺服电机前端的导线座，其中，导线座中设置有一压线轮及一主动送线轮，主动送线轮与压线轮配合传送金属线材。
进一步而言，上述技术方案中，所述导线座中部具有一孔位，该导线座一侧设置有一可调节位移的弹性安装座；所述的压线轮安装于该弹性安装座中，且其外沿显露于孔位中；所述主动送线轮安装于第二伺服电机的转轴上，该主动送线轮显露于孔位中，并与压线轮之间形成有用于夹紧传送金属线材的间隙；所述导线座上端及下端分别设置有贯通孔位，且与该间隔对应的穿孔；该穿孔与所述打印头中供金属线材穿过的孔对应；所述压线轮外表面成型有用于夹紧金属线材的环形槽。
进一步而言，上述技术方案中，所述惰性气体供气装置包括：安装于机架外侧的贮气罐、调节阀以及导气管，该导气管伸入机头中，并与打印头中设置的用于喷出惰性气体的冷却孔连通；所述连接座前端设置有一用于与所述打印头安装的卡位，该连接座后端向前设置有连通该卡位的导气孔，该导气孔与导气管连通。
进一步而言，上述技术方案中，所述钨钢喷咀上端设置有一环状安装位，下端成型有一环状凸缘，且该环状凸缘下端成型有一锥形端部，该锥形端部具有所述的挤出孔，且该挤出孔的孔径小于金属线材的直径。
进一步而言，上述技术方案中，所述陶瓷管组包括：相互嵌套装配并安装于钨钢喷咀内腔中设置的容置位中的内陶瓷管和外陶瓷管，其中，内陶瓷管的上端面和外陶瓷管的上端面齐平，内陶瓷管的下端伸出外陶瓷管下端面外，并与所述钨钢喷咀的挤出孔对接；所述内陶瓷管外壁和外陶瓷管内壁之间形成有第一间隙；外陶瓷管外壁与钨钢喷咀中容置位的内壁之间形成有第二间隙；所述不锈钢端盖中设置有与内陶瓷管对应的进线孔。
进一步而言，上述技术方案中，所述耐高温陶瓷保护套嵌套于钨钢喷咀外表面，并与钨钢喷咀下端的环状凸缘抵靠；其中，耐高温陶瓷保护套与钨钢喷咀外壁之间形成有若干供气体流过的通道，钨钢喷咀下端环状凸缘处设置有若干与该通道连通的并呈倾斜状的气体喷出孔；所述耐高温陶瓷保护套内壁下端设置与气体喷出孔配合的避空槽。
进一步而言，上述技术方案中，所述钨钢喷咀于环状安装位下方成型有若干相互形成有间隔的第一环形凸出部，该钨钢喷咀下端成型有若干与该第一环形凸出部对应的第二环形凸出部，令所述耐高温陶瓷保护套同心嵌套于钨钢喷咀外表面后形成所述的通道；所述钨钢喷咀于环状安装位下方向下开设有若干导气槽，令环状安装位与所述的通道连通，其中，所述第一环形凸出部位于相邻两导气槽之间。
进一步而言，上述技术方案中，所述机架上还设置有水冷装置，所述高频线圈的铜管中形成有供冷水通过的通道，水冷装置通过管道连接该通道。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
1、本发明于机头下端设置有两个与打印头适配的激光器，其分别设置于打印头两侧，且该激光器射出光束相交点位于打印头正下方，激光器能够对由金属线材打印成型的金属层进行局部预热熔融或用于加强金属层之间结合力，以至可提高本发明的打印效果和模型成型效果，有利于提高市场竞争力。
2、本发明结构简单、制造成本低，有利于提高市场竞争力。
3、本发明设置有水冷装置，其加热线圈的铜管形成有供冷水流过的通道，以至其本身具有较高的冷却作用，以提高本发明的使用寿命及打印效果。
4、本发明中设置有惰性气体供气装置，以至打印头工作时可喷出惰性气体，以有效防止打印头喷出的金属流体在工作台上形成金属堆积层时被氧化，还可以有效对金属流体起到冷却成型的作用，这样可有效提高本发明的工作质量，以制造出质量优良的金属模型产品。
5、由于钨钢喷咀下端安装的开放式加热圈只对钨钢喷咀下端加热，另外，由于陶瓷管组具有一定的隔热效果，可有效防止穿过陶瓷管组中的金属线材太过早被加热软化，只有穿入内陶瓷管下端的金属线材才会被加热呈半固态，这样有利于金属线材在传送过程中，能够利用固态的金属线材将熔融形成半固态的金属流体从钨钢喷咀下端的挤出孔挤出，形成一种连续丝状的半固态金属流体，以致提高打印头的打印(挤出)效果。
附图说明：
图1是本发明的立体图；
图2是图1中A部分的局部放大示意图；
图3是本发明另一视角的立体图；
图4是本发明拆除外罩及惰性气体供气装置后的立体图；
图5是本发明中打印头的装配示意图；
图6是图5的剖视图；
图7是本发明中打印头的装配示意图；
图8是本发明中钨钢喷咀的装配示意图；
具体实施方式：
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。
参见图1-8所示，为一种挤出式金属流3D打印机，其包括：一机架1、以可沿X轴方向及Y轴方向移动的装配方式安装于机架1中的工作台2、以可沿Z轴方向移动的装配方式安装于机架1上的机头3、安装于机头3中的打印装置4、安装于机架1中并用于对打印装置4传送金属线材的送料装置5，机架1上还设置有外罩11。
所述打印装置4包括：通过一连接座41安装于机头3中的打印头42、用于对打印头42进行加热的高频线圈43以及高频电感应加热装置44，该打印头42包括：一钨钢喷咀46、设置于钨钢喷咀46内部的陶瓷管组47、嵌套于钨钢喷咀47外表面的耐高温陶瓷保护套48以及套盖于钨钢喷咀46上端的不锈钢端盖49，该钨钢喷咀46具有一挤出孔464。
所述钨钢喷咀46上端设置有一环状安装位461，下端成型有一环状凸缘462，且该环状凸缘462下端成型有一锥形端部463，该锥形端部463具有所述的挤出孔464，且该挤出孔464的孔径小于金属线材的直径。
所述陶瓷管组47包括：相互嵌套装配并安装于钨钢喷咀46内腔中设置的容置位460中的内陶瓷管471和外陶瓷管472，其中，内陶瓷管471的上端面和外陶瓷管472的上端面齐平，内陶瓷管471的下端伸出外陶瓷管472下端面外，并与所述钨钢喷咀46的挤出孔464对接；所述不锈钢端盖49中设置有与内陶瓷管471对应的进线孔491。
所述内陶瓷管471外壁和外陶瓷管472内壁之间形成有第一间隙；外陶瓷管472外壁与钨钢喷咀46中容置位460的内壁之间形成有第二间隙，令整个陶瓷管组47具有一定的隔热效果，可有效防止穿过陶瓷管组47中的金属线材大部分都不会被加热形成熔融状态，这样有利于金属线材在传送过程中，能够利用后面的固态的金属线材不断往下传送，以致不断地将熔融形成半固态的金属流体从钨钢喷咀下端的挤出孔挤出，形成一种连续丝状的半固态金属流体，以致提高打印头的打印(挤出)效果。
所述耐高温陶瓷保护套48嵌套于钨钢喷咀46外表面，并与钨钢喷咀46下端的环状凸缘462抵靠；其中，耐高温陶瓷保护套48与钨钢喷咀46外壁之间形成有若干供气体流过的通道，钨钢喷咀46下端环状凸缘462处设置有若干与该通道连通的并呈倾斜状的气体喷出孔465；所述耐高温陶瓷保护套48内壁下端设置与气体喷出孔465配合的避空槽482。
所述惰性气体供气装置6包括：安装于机架1外侧的贮气罐61、调节阀62以及导气管，该导气管伸入机头3中，并与打印头42中设置的用于喷出惰性气体的气体喷出孔465连通。具体而言，所述连接座41前端设置有一用于与所述打印头42安装的卡位411，并通过该卡位411与钨钢喷咀46中的环状安装位461形成稳定装配。该连接座41后端向前设置有连通该卡位411的导气孔412，该导气孔412与导气管连通，以致导气孔与钨钢喷咀46下端的气体喷出孔465导通，令气体喷出孔465在整个打印头打印过程中能够喷出惰性气体，以有效防止打印头挤出的半固态金属流体在工作台上形成金属堆积层时被氧化，还可以有效对金属流体起到冷却成型的作用，这样可有效提高本整个3D打印机的工作质量，以制造出质量优良的金属模型产品。
所述的惰性气体包括氩气、氦气、二氧化碳或其混合气体等。
所述钨钢喷咀46于环状安装位461下方成型有若干相互形成有间隔的第一环形凸出部467，该钨钢喷咀46下端成型有若干与该第一环形凸出部467对应的第二环形凸出部468，令所述耐高温陶瓷保护套48同心嵌套于钨钢喷咀46外表面后形成所述的通道；所述钨钢喷咀46于环状安装位461下方向下开设有若干导气槽469，令环状安装位461与所述的通道连通，其中，所述第一环形凸出部468位于相邻两导气槽469之间。
所述钨钢喷咀46内部的容置位460包括：由钨钢喷咀46上端面向下开设的用于容置外陶瓷管472的第一容置位4601以及位于第一容置位4601底部并用于用于容置内陶瓷管471的第二容置位4602，其中，第二容置位4602与所述挤出孔464连通，且第一容置位4601底部和第二容置位4602底部均呈圆锥状。
所述机头3下端设置有一用于控制所述高频电感应加热装置44的加热功率的温度控制器7，该温度控制器7包括一红外线测温探头，该红外线测温探头对准打印头42的下端部。当红外线测温探头检测的打印头42温度值低于设定值时，控制高频电感应加热装置44提高加热功率，使打印头42正常工作；当红外线测温探头检测的打印头42温度值高于设定值时，控制高频电感应加热装置31降低加热功率，使打印头33正常工作。
本发明采用高频电感应加热装置44配合高频线圈43对打印头42进行加热，并通过红外线测温探头时刻检测打印头42的温度，以至可有效控制加热温度，以达到温度稳定、节能的效果，其还具有加热温度高，可控范围广、成本低，结构简单等优点。
所述高频线圈43前端具有一开放式加热圈431，并通过该开放式加热圈431夹紧钨钢喷咀46下端，由于开放式加热圈431只对钨钢喷咀46下端加热，使穿入内陶瓷管471下端的金属线材才会被加热呈半固态流体，而不是将穿入内陶瓷管471的金属线材过早软化，这样有利于金属线材在传送过程中，能够利用固态的金属线材将熔融形成半固态的金属流体从钨钢喷咀下端的挤出孔挤出，形成一种连续丝状的半固态金属流体，以致提高打印头的打印(挤出)效果。
所述的机头3下端表面安装有至少一个用于对由金属线材打印成型的金属层进行局部预热熔融或用于加强金属层之间结合力的激光器31，该激光器31呈倾斜装配，且激光器31射出光束聚焦于打印头42的下方。具体而言，机头下端设置有两个与打印头适配的激光器，其分别设置于打印头两侧，且该激光器射出光束相交点位于打印头正下方，激光器能够对由金属线材打印成型的金属层进行局部预热熔融或用于加强金属层之间结合力，以至可提高本发明的打印效果和模型成型效果，有利于提高市场竞争力。
上述激光器31为光纤耦合激光器。
所述送料装置5包括：设置于机架1上方的用于放置金属线材卷的丝盘51和用于驱动丝盘51转动的第一伺服电机52、设置于机头3中的第二伺服电机53以及设置于第二伺服电机53前端的导线座54，其中，导线座54中设置有一压线轮55及一主动送线轮531，主动送线轮531与压线轮55配合传送金属线材，其中，所述压线轮55外表面成型有用于夹紧金属线材的环形槽。
所述导线座54中部具有一孔位541，该导线座541一侧设置有一可调节位移的弹性安装座542；所述的压线轮55安装于该弹性安装座542中，且其外沿显露于孔位541中；所述主动送线轮531安装于第二伺服电机53的转轴上，该主动送线轮531显露于孔位541中，并与压线轮55之间形成有用于夹紧传送金属线材的间隙；所述导线座54上端及下端分别设置有贯通孔位541，且与该间隔对应的穿孔；该穿孔与所述打印头42中供金属线材穿过的孔对应。
所述工作台2下方设置的分别用于驱动工作台2沿X轴方向及Y轴方向移动的第三伺服电机和第四伺服电机、机架上设置有用于驱动机头3沿Z轴方向移动的第五伺服电机、送料装置中的第一伺服电机52、第二伺服电机53分别相互独立，其通过驱动器控制，可以用一个运动控制卡接受外部电脑的程序指令，或插入USB卡直接读取运动指令，输出各轴运动参数，指令各轴运动，达到工作台2、机头3和送料装置中能按设计程序同步、顺畅工作之目的，由此组成一个完整的3D打印运动系统。
所述机架1上还设置有水冷装置7，所述高频线圈43的铜管中形成有供冷水通过的流道，水冷装置7通过管道连接该流道。
本发明采用半固态铸造(成型)技术，其与普通铸造技术的不同之处在于：
在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到到20％-30％时，枝晶就形成连续网络骨架，流动性就会由于先凝固的固相所形成的网架结构而基本消失。
在半固态铸造过程中，由于半固态金属浆料的浇注温度控制在固液两相区内，浆料中的固相以近球状的非枝晶组织形式悬浮在液相基体中，使熔体具有良好的流变性和触变性，当其固相率达到40％-60％时，依然具有良好的流动性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压、模锻等实现金属的成形。
上述的金属流是指一种从钨钢喷咀46中挤出孔464挤出的呈连续丝状的并呈半固态的金属流体。
当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (10)
1.挤出式金属流3D打印机，其特征在于：包括：
一机架(1)，该机架(1)上安装有一可沿X轴方向及Y轴方向移动的工作台(2)以及可沿Z轴方向移动的机头(3)；
一打印装置(4)，其包括：通过一连接座(41)安装于机头(3)中的打印头(42)、用于对打印头(42)进行加热的高频线圈(43)以及高频电感应加热装置(44)，该打印头(42)包括：一钨钢喷咀(46)、设置于钨钢喷咀(46)内部的陶瓷管组(47)、嵌套于钨钢喷咀(47)外表面的耐高温陶瓷保护套(48)以及套盖于钨钢喷咀(46)上端的不锈钢端盖(49)，该钨钢喷咀(46)具有一挤出孔(464)；
一用于对打印装置(4)输送金属线材的送料装置(5)，该送料装置(5)安装于机架(1)上；
所述机头(3)下端表面安装有至少一个用于对由金属线材打印成型的金属层进行局部预热熔融或用于加强金属层之间结合力的激光器(31)，该激光器(31)呈倾斜装配，且激光器(31)射出光束聚焦于打印头(42)的下方；所述机架(1)上还设置有一用于对打印头(42)提供惰性气体，以至打印头(42)可喷出惰性气体的惰性气体供气装置(6)。
2.根据权利要求1所述的挤出式金属流3D打印机，其特征在于：所述激光器(31)为光纤耦合激光器，该光纤耦合激光器的数量为两个，其分别设置于打印头(42)两侧，其中，该激光器(31)射出光束相交点位于打印头(42)正下方。
3.根据权利要求1所述的挤出式金属流3D打印机，其特征在于：所述送料装置(5)包括：设置于机架(1)上方的用于放置金属线材卷的丝盘(51)和用于驱动丝盘(51)转动的第一伺服电机(52)、设置于机头(3)中的第二伺服电机(53)以及设置于第二伺服电机(53)前端的导线座(54)，其中，导线座(54)中设置有一压线轮(55)及一主动送线轮(531)，主动送线轮(531)与压线轮(55)配合传送金属线材。
4.根据权利要求3所述的挤出式金属流3D打印机，其特征在于：所述导线座(54)中部具有一孔位(541)，该导线座(541)一侧设置有一可调节位移的弹性安装座(542)；所述的压线轮(55)安装于该弹性安装座(542)中，且其外沿显露于孔位(541)中；所述主动送线轮(531)安装于第二伺服电机(53)的转轴上，该主动送线轮(531)显露于孔位(541)中，并与压线轮(55)之间形成有用于夹紧传送金属线材的间隙；所述导线座(54)上端及下端分别设置有贯通孔位(541)，且与该间隔对应的穿孔；该穿孔与所述打印头(42)中供金属线材穿过的孔对应；所述压线轮(55)外表面成型有用于夹紧金属线材的环形槽。
5.根据权利要求1所述的挤出式金属流3D打印机，其特征在于：所述惰性气体供气装置(6)包括：安装于机架(1)外侧的贮气罐(61)、调节阀(62)以及导气管，该导气管伸入机头(3)中，并与打印头(42)中设置的用于喷出惰性气体的冷却孔连通；所述连接座(41)前端设置有一用于与所述打印头(42)安装的卡位(411)，该连接座(41)后端向前设置有连通该卡位(411)的导气孔(412)，该导气孔(412)与导气管连通。
6.根据权利要求1所述的挤出式金属流3D打印机，其特征在于：所述钨钢喷咀(46)上端设置有一环状安装位(461)，下端成型有一环状凸缘(462)，且该环状凸缘(462)下端成型有一锥形端部(463)，该锥形端部(463)具有所述的挤出孔(464)，且该挤出孔(464)的孔径小于金属线材的直径。
7.根据权利要求6所述的挤出式金属流3D打印机，其特征在于：所述陶瓷管组(47)包括：相互嵌套装配并安装于钨钢喷咀(46)内腔中设置的容置位(460)中的内陶瓷管(471)和外陶瓷管(472)，其中，内陶瓷管(471)的上端面和外陶瓷管(472)的上端面齐平，内陶瓷管(471)的下端伸出外陶瓷管(472)下端面外，并与所述钨钢喷咀(46)的挤出孔(464)对接；所述内陶瓷管(471)外壁和外陶瓷管(472)内壁之间形成有第一间隙；外陶瓷管(472)外壁与钨钢喷咀(46)中容置位(460)的内壁之间形成有第二间隙；所述不锈钢端盖(49)中设置有与内陶瓷管(471)对应的进线孔(491)。
8.根据权利要求7所述的挤出式金属流3D打印机，其特征在于：所述耐高温陶瓷保护套(48)嵌套于钨钢喷咀(46)外表面，并与钨钢喷咀(46)下端的环状凸缘(462)抵靠；其中，耐高温陶瓷保护套(48)与钨钢喷咀(46)外壁之间形成有若干供气体流过的通道，钨钢喷咀(46)下端环状凸缘(462)处设置有若干与该通道连通的并呈倾斜状的气体喷出孔(465)；所述耐高温陶瓷保护套(48)内壁下端设置与气体喷出孔(465)配合的避空槽(482)。
9.根据权利要求8所述的挤出式金属流3D打印机，其特征在于：所述钨钢喷咀(46)于环状安装位(461)下方成型有若干相互形成有间隔的第一环形凸出部(467)，该钨钢喷咀(46)下端成型有若干与该第一环形凸出部(467)对应的第二环形凸出部(468)，令所述耐高温陶瓷保护套(48)同心嵌套于钨钢喷咀(46)外表面后形成所述的通道；所述钨钢喷咀(46)于环状安装位(461)下方向下开设有若干导气槽(469)，令环状安装位(461)与所述的通道连通，其中，所述第一环形凸出部(468)位于相邻两导气槽(469)之间。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的挤出式金属流3D打印机，其特征在于：所述机架(1)上还设置有水冷装置(7)，所述高频线圈(43)的铜管中形成有供冷水通过的流道，水冷装置(7)通过管道连接该流道。
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