CN108213436A - 一种自上而下液态金属3d打印成型设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自上而下液态金属3D打印成型设备，包括熔炉、滑轮组、耐高温棒、高温液面探针、调节阀、液态金属导管、冷却气体喷嘴、喷头、成型平台、机械手组成；本设备在原理上采取了喷头不动成型平台动的策略，即通过机械手操控成型平台，根据产品三维模型分层数据层层堆砌成型，冷却气体喷嘴同步凝固液态金属材料；在流量控制上利用耐高温棒伸进熔炉内的体积和自制调节阀控制液态金属流量，可高效生产复杂金属构件。该设备对金属熔点无限制，原理简单易行，不仅具备了成本减低的优势，还可以提高打印生产出的金属产品机械性能。

Description

一种自上而下液态金属3D打印成型设备

技术领域

本发明属于3D打印技术装备领域，具体涉及一种自上而下液态金属3D打印成型设备，该打印装备可低成本高效生产形状复杂的三维中小型金属零件，是一种极具发展前景的全新生产制造方式。

背景技术

3D打印生产技术属于激光近净成型制造技术的一种，其原理为由软件把计算机设计的三维零部件实体图分解为若干层平面切片，通过各种技术实施方式的3D打印机打印输出，生产不同材质所需复杂零部件：因其柔性化、客制化、快速成型生产结构复杂的不同材质零部件的诸多优点，成为一种极具发展前景的增材制造技术，特别在设计制造一体化整体成型、直接生产高性能复杂金属零部件的整体模块方面具有特殊的优势。

3D打印技术自诞生以来，就以金属材料、无机非金属材料或者高分子材料为原料，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了推广应用。非金属原料主流的快速成型技术为熔融沉积成型，即采用低温热融打印喷头，将熔融流动态热塑性高分子材料按计算机设计的三维模型分层数据控制的打印路径挤压沉积在特定位置，热塑性材料冷却固化，逐层堆积成型。而现有的金属3D打印技术采用激光烧结成型，即需要采用激光、电子束等高能量密度热源来熔化金属，其原料也需要预先制成一定形状的线材或者粉体，从而导致设备及原料的成本都很高；另外由于冷却条件和热源条件的限制，现有的金属3D打印每道次的成型宽度和厚度一般都在微米级或者毫米级，使得生产大尺寸产品的成型效率较低，生产成本高。

由于上述问题的存在，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，同时利用冷却介质进行快速冷却的成型形式，已经成为了目前金属3D打印技术的发展方向和应用趋势。

发明内容

针对上述现有金属3D打印技术高成本问题，本发明提供了一种液态金属3D成型方法和设备，采取了喷头不动成型平台动的策略，即通过机械手操控成型平台，根据产品三维模型分层数据层层堆砌成型，不仅具备了成本减低的优势，还可以使打印生产出的金属产品机械性能大大提高。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种自上而下液态金属3D打印成型设备，包括熔炉、滑轮组、耐高温棒、高温液面探针、调节阀、液态金属导管、冷却气体喷嘴、喷头、成型平台、机械手；所述耐高温棒设置在熔炉上部，耐高温棒可在熔炉内下落，滑轮组一端与耐高温棒相连，另一端连接驱动电机，高温液面探针安装在熔炉端口，高温液面探针输出端连接控制器，熔炉侧壁开输流口，输流口依次与调节阀、液态导管、喷头相连，喷头一侧设有冷却气体喷嘴，成型平台设置在喷头下部，成型平台与机械手相连。

金属3D打印对材质要求很高，金属融化以后杂质将会沉积在熔炉底部，因而不宜从底部取料，本设备在熔炉侧壁开输流口从而保证杂质对产品无影响。

金属液体的流量将会影响产品形态，流量由液态金属的流速和开口大小决定，在打印过程中，熔炉内的液态金属慢慢减少，液面高度慢慢降低，此时液态金属的流速也会降低，驱动电机通过定滑轮组控制耐高温棒下落，通过增加耐高温棒伸进熔炉内的体积可有效解决液面变化的问题。

本发明所述的耐高温棒可以为石墨棒，驱动电机为伺服电机，可以控制耐高温棒下落的速度。

调节液态金属的流量可起到高效生产的目的，由于磁铁的消磁温度远低于远低于铁水的温度，故节流阀以及其他电磁产品都失效。调节阀由挡块、腔体和机械动力元件构成，机械动力元件控制挡块上下运动，从而控制熔炉侧壁开口大小，挡块内部开有透气孔，挡块完全遮挡熔炉侧输流口时，调节阀内部腔体与大气相通，由于虹吸原理，腔体内剩余金属液体将会流出。

一种自上而下液态金属3D打印成型设备的成型方法，根据产品三维模型分层数据控制的打印路径，喷头和冷却气体喷嘴固定不动，机械手控制产品成型平台在打印软件及控制系统驱动下分别完成X，Y，Z轴的三维运动来实现金属零部件的3D生产。

本装置中熔炉、液态导管、喷头皆采用高温陶瓷材料，使用寿命长。

本发明的有益效果是：

1、结构简单，不需要节流阀以及其他电磁产品，利用机械装置来控制液态金属的流量，操作方便，使用寿命长；

2、利用耐高温棒伸进熔炉内的体积和自制调节阀控制液态金属流量，可高效生产复杂金属构件；

3、采取喷头不动成型平台动的策略，通过机械手操控成型平台，根据产品三维模型分层数据层层堆砌成型，不仅具备了成本减低的优势，还可以使打印生产出的金属产品机械性能大大提高；

4、打印过程中不需真空环境，且对金属熔点无限制，耗能低，生产成本大大降低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的A部局部剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。

一种自上而下液态金属3D打印成型设备，根据产品三维模型分层数据控制的打印路径，机械手控制产品成型平台在打印软件及控制系统驱动下分别完成X、Y、Z轴的三维运动来实现金属零部件的3D生产，可生产任意三维形状复杂的中小型金属零部件 。

本发明为一种液态金属3D成型设备，结构主要包括熔炉1、滑轮组2、耐高温棒3、高温液面探针4、调节阀5、液态金属导管6、冷却气体喷嘴7、喷头8、成型平台9、机械手10组成；耐高温棒3安装在熔炉1上部，耐高温棒3可在熔炉1内下落，滑轮组2一端与耐高温棒3相连，另一端连接驱动电机，高温液面探针4安装在熔炉1端口，高温液面探针4输出端连接控制器，熔炉1侧壁开输流口13，输流口13依次与调节阀5、液态金属导管6、喷头8相连，喷头8一侧设有冷却气体喷嘴7，并构成节流系统；成型平台9设置在喷头8下部，成型平台9与机械手10相连，并构成打印运动系统。

金属融化以后静至两天杂质将会沉积在熔炉底部，本设备在熔炉侧壁开输流口，液态金属从侧壁流出。在打印过程中，熔炉内的液态金属慢慢减少，液面高度慢慢降低，此时液态金属的流速也会降低，驱动电机通过定滑轮组控制耐高温棒伸进熔炉内的体积保证液面高度不变。

调节液态金属的流量可起到高效生产的目的，调节阀由挡块12、腔体14和机械动力元件构成，机械动力元件可以为气缸、液压缸或者齿轮传动等方法，机械动力元件控制挡块12上下运动，从而控制熔炉侧壁开口13大小，挡块内部开有透气孔11，挡块12完全遮挡熔炉侧输流口13时，调节阀内部腔体14与大气相通，由于虹吸原理，腔体内剩余金属液体将会流出。

在冷却气体喷嘴7上设有控制阀，当喷头8流出的金属液体减少，要相应的减少冷却气体的喷出量。

打印过程中喷头和冷却气体喷嘴固定不动，机械手刚性连接成型平台，实现X、Y、Z轴的三维运动，根据产品分层数据打出所需的产品。

Claims (6)

1.一种自上而下液态金属3D打印成型设备，其特征在于：包括熔炉、滑轮组、耐高温棒、高温液面探针、调节阀、液态金属导管、冷却气体喷嘴、喷头、成型平台、机械手；所述耐高温棒设置在熔炉上部，滑轮组一端与耐高温棒相连，另一端连接驱动电机，高温液面探针安装在熔炉端口，高温液面探针输出端连接控制器，熔炉侧壁设有输流口，所述输流口依次与调节阀、液态导管、喷头相连，喷头一侧设有冷却气体喷嘴，成型平台设置在喷头下部，成型平台与机械手相连。

2.根据权利要求1所述的一种自上而下液态金属3D打印成型设备，其特征在于：所述驱动电机为伺服电机。

3.根据权利要求1所述的一种自上而下液态金属3D打印成型设备，其特征在于：所述调节阀由挡块、壳体、腔体和机械动力元件构成，所述壳体设置在输流口外侧，壳体内部空心形成腔体，所述挡块活动插入壳体内，机械动力元件连接挡块，所述挡块设置在输流口外侧，挡块内部开有透气孔。

4.根据权利要求1所述的一种自上而下液态金属3D打印成型设备，其特征在于：所述冷却气体喷嘴上设有控制阀。

5.根据权利要求1所述的一种自上而下液态金属3D打印成型设备，其特征在于：所述熔炉、液态导管、喷头皆采用高温陶瓷材料。

6.一种自上而下液态金属3D打印成型设备的成型方法，其特征在于：根据产品三维模型分层数据控制的打印路径，喷头和冷却气体喷嘴固定不动，机械手控制产品成型平台在打印软件及控制系统驱动下分别完成X，Y，Z轴的三维运动来实现金属零部件的3D增材成型制造。