CN108380884A - 3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D打印装置，包括外壳，设置在外壳内的坩埚，固定在外壳顶部并密封坩埚的盖板，与坩埚连通的液体输送装置和压力输送装置，固定在外壳底部的外喷嘴，控制坩埚内液体温度的第一温度控制装置，以及工控装置；还包括设置在外喷嘴内靠近出口处的第二热电偶和第二加热器，以及与第二热电偶和第二加热器电连接的第二温度控制仪；外喷嘴内还设置有滑块，滑块与第一电机连接，能够在第一电机的带动下打开或关闭出口，第一电机与工控装置电连接。其利用加热器加热使集中液流处于高温状态，避免液体冷却凝固堵塞喷嘴出口，气膜通道约束集中液流，避免其与喷嘴接触，进一步防止喷嘴堵塞。

Description

3D打印装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种3D打印装置。

背景技术

3D(Three-dimensional，三维)打印，又称增材制造，通过将三维模型离散为二维截面，采用逐层堆积的方法制备零件，无需使用模具，且克服传统加工方法的限制，能够制造出结构复杂的零件。特别是对于在航空航天应用广泛的钛合金、高温合金而言，采用增材制造的方法可以制造出传统加工方法无法制备的结构优化件，不仅减轻整体重量，提升效率，更有助于节约国家重要的战略资源。

目前，增材制造主要采用激光、电子束、紫外光等高能热源烧结或熔覆成型的方法。烧结的方法能够获得精度较高、结构复杂的零件；熔覆成型的方法能够获得大尺寸具有一定结构复杂度的零件，且金属零件的力学性能已接近锻件标准。但此类方法对材料存在较大的限制，要求金属或树脂粉末必须是一定尺寸范围的球形粉末，粉末材料的价格是传统材料价格的数倍之多，加上获取高能热源的高昂代价使得制造成本很高。此外，由于采用逐点堆积成型的方法，该方法的成型效率较低。

为突破材料限制，直接将原材料熔化后进行成型的方法主要有喷射沉积技术与熔滴喷射技术。但喷射沉积技术所能获得的零件形状比较简单；熔滴喷射技术存在熔滴喷嘴较难控制的缺点，且制备的零件内存在少量孔洞，力学性能不高。对于熔点较高或者易凝固的溶液而言，此类方法存在喷嘴容易堵塞的缺点。

发明内容

针对高熔点或易凝固的溶液易堵塞喷嘴的问题，有必要提供一种能够有效避免堵塞喷嘴，且增材制造效率高、对材料形状没有限制的3D打印装置。

为达到发明目的，本发明提供一种3D打印装置，包括外壳，设置在所述外壳内的坩埚，固定在所述外壳顶部并密封所述坩埚的盖板，与所述坩埚连通的液体输送装置和压力输送装置，固定在所述外壳底部的外喷嘴，控制所述坩埚内液体温度的第一温度控制装置，以及工控装置；

还包括控制所述外喷嘴温度的第二温度控制装置，所述第二温度控制装置包括设置在所述外喷嘴内靠近出口处的第二热电偶和第二加热器，以及与所述第二热电偶和所述第二加热器电连接的第二温度控制仪；

所述外喷嘴内还设置有滑块，所述滑块与第一电机连接，能够在所述第一电机的带动下打开或关闭所述外喷嘴的所述出口，且所述第一电机与所述工控装置电连接。

作为一种可实施例，所述外壳上设置有进气孔，所述外壳的内壁中设置有第一气体输送通道，所述第一气体输送通道与所述进气孔连通；

所述坩埚底部设置有内喷嘴，所述内喷嘴的外壁和所述外喷嘴的内壁之间形成有第二气体输送通道；

所述第一气体输送通道和所述第二气体输送通道连通构成气膜通道。

作为一种可实施例，所述第一温度控制装置包括第一热电偶，第一加热器和第一温度控制仪；

所述第一热电偶设置在所述坩埚和所述外喷嘴之间，所述第一加热器设置在所述外壳和所述坩埚之间，所述第一温度控制仪与所述第一热电偶和所述第一加热器电连接。

作为一种可实施例，所述第一加热器环绕围设在所述坩埚周围，并固定设置在所述盖板上。

作为一种可实施例，还包括回收装置；

所述回收装置包括设置在所述外喷嘴下方的回收槽、控制所述回收槽的第二电机和连接所述回收槽与所述第二电机的连杆；

所述第二电机与所述工控装置电连接。

作为一种可实施例，所述工控装置包括工作台和工控机；

所述工作台设置在所述外喷嘴的下方，与所述工控机连接；

所述工控机与所述第一电机和所述第二电机电连接。

作为一种可实施例，所述液体输送装置包括熔化炉，精炼炉，液体输送管和阀门；

所述液体输送管一端穿过所述盖板与所述坩埚连通，另一端与所述精炼炉连通，所述精炼炉与所述熔化炉连接，所述阀门设置在所述液体输送管的与所述精炼炉连接的一端上。

作为一种可实施例，所述压力输送装置包括压力输送管和压力控制系统；

所述压力输送管设置在所述盖板上并与所述坩埚连通，所述压力控制系统与所述压力输送管连接。

作为一种可实施例，所述滑块的中部设有圆形的通孔。

作为一种可实施例，还包括设置在所述坩埚下部的第一液位传感器和设置在所述坩埚上部的第二液位传感器。

本发明的有益效果包括：

本发明的3D打印装置，第二热电偶和第二加热器设置在外喷嘴内靠近出口处，第二热电偶测量外喷嘴出口处的温度，并将温度反馈给第二温度控制仪，第二温度控制仪控制第二加热器的通断实现外喷嘴的恒温加热，使得外喷嘴保持在高温状态，避免液体冷却凝固堵塞外喷嘴的出口。且其采用逐层堆积的方法，增材制造成型效率高。外壳的内壁中的第一气体输送通道和内喷嘴的外壁和外喷嘴的内壁之间的第二气体输送通道连通构成气膜通道，气膜通道内的气体约束集中液流，避免集中液流与喷嘴接触，进一步起到防止喷嘴堵塞的作用。

附图说明

图1为本发明的3D打印装置的一实施例的结构示意图；

图2为本发明的3D打印装置的另一实施例的结构示意图；

图3为本发明的3D打印装置的一实施例中的滑块的结构示意图；

图4为本发明的3D打印装置的一实施例的零件制备的流程示意图；

图5为本发明的3D打印装置的一实施例的增材制造的流程示意图。

附图标记说明：

1熔化炉，2精炼炉，3阀门，4液体输送管，5盖板，6进气孔，7气膜通道，8液体，9第一加热器，10坩埚，11外壳，12内喷嘴，13压力输送管，14压力控制系统，15第一温度控制仪，16第一热电偶，17外喷嘴，18第二热电偶，19第二加热器，20集中液流，21零件，22回收槽，23连杆，24第一电机，25第二电机，26工控机，27滑块，28工作台，29第一液位传感器，30第二液位传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明3D打印装置进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明实施例提供一种3D打印装置，包括外壳11，设置在外壳11内的坩埚10，固定在外壳11顶部并密封坩埚10的盖板5，与坩埚10连通的液体输送装置和压力输送装置，固定在外壳11底部的外喷嘴17，控制坩埚10内液体8温度的第一温度控制装置，以及工控装置。还包括控制外喷嘴17温度的第二温度控制装置，第二温度控制装置包括设置在外喷嘴17内靠近出口处的第二热电偶18和第二加热器19，以及与第二热电偶18和第二加热器19电连接的第二温度控制仪。外喷嘴17内还设置有滑块27，滑块27与第一电机24连接，能够在第一电机24的带动下打开或关闭外喷嘴17的出口，且第一电机24与工控装置电连接。

本发明的3D打印装置，液体输送装置将原材料溶化后的液体8输送到坩埚10内，第一温度控制装置检测坩埚10内液体8的温度，并根据检测温度对坩埚10进行加热，实现坩埚10内液体8处于恒温的状态。压力输送装置向坩埚10内输送气体，确保气体对液体8产生稳定的压力，使得液体8以集中液流20方式从喷嘴流出。滑块27在第一电机24带动下实现横向运动或者旋转运动，以控制集中液流20的通断实现材料的增材制造，第一电机24由工控装置控制。工控装置按照一定路径运动，集中液流20接触到工控装置，在工控装置上快速凝固形成二维形状，工控装置下降一定距离，集中液流20在其上沉积新的凝固层，如此反复，形成三维实体零件21。其中，第二温度控制装置的第二热电偶18测量外喷嘴17出口处的温度，并将温度反馈给第二温度控制仪，第二温度控制仪控制第二加热器19的通断实现外喷嘴17的恒温加热，使得外喷嘴17保持在高温状态，避免液体8冷却凝固堵塞出口。同时，其采用逐层堆积的方法，增材制造成型效率高。

值得说明的是，滑块27贯穿在外喷嘴17内或设置在外喷嘴7内靠近出口处，能够在第一电机24的带动下横向移动或旋转运动，以使外喷嘴17的出口打开或封闭。其中，滑块27的形状包括但不限于长条形和圆形。滑块27的驱动不限于电机驱动，也可以为气动、液压、压电等形式的驱动。较优的，在其中一个实施例中，第一温度控制装置采用精度较高的PID(比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation))温控算法控制坩埚10内液体8的温度。坩埚10的材料为不锈钢材料或者为石墨材料。当选用不锈钢材料时，适用于盛载熔点较低的蜡、高分子材料等液体；当选用石墨材料时，适用于盛载熔点高的钨合金、高温合金、钢、活泼金属铝、镁及合金材料的熔融液体。较优的，在其中一个实施例中，石墨材料的坩埚10内壁涂有抗腐蚀的涂层，有效防止坩埚10内壁被金属合金等材料腐蚀。

作为一种可实施方式，参见图2，外壳11上设置有进气孔6，外壳11的内壁中设置有第一气体输送通道，第一气体输送通道与进气孔6连通。坩埚10底部设置有内喷嘴12，内喷嘴12的外壁和外喷嘴17的内壁之间形成有第二气体输送通道。第一气体输送通道和第二气体输送通道连通构成气膜通道7。

气体从外壳11两侧的进气孔6进入并充满气膜通道7，气体从外喷嘴17出口处以均匀的环形气膜包围集中液流20方式喷出，避免液体8与外喷嘴17的内壁接触，防止液体8在喷嘴处凝固堵塞喷嘴。

其中，值得说明的是，当坩埚10内的液体为金属溶液时，向气膜通道7内充满惰性气体，压力输送装置从压力输送管13向金属溶液表面输送惰性气体，以使工控装置和外喷嘴17处于惰性气体保护内。当坩埚10内的液体为蜡、高分子溶液时，气膜通道7和坩埚10内不需要输送惰性气体，只需输入气体即可，方便实施。

作为一种可实施方式，第一温度控制装置包括第一热电偶16，第一加热器9和第一温度控制仪15，第一热电偶16设置在坩埚10和外喷嘴17之间，第一加热器9设置在外壳11和坩埚10之间，第一温度控制仪15与第一热电偶16和第一加热器9电连接。

第一热电偶16检测坩埚10内液体8的温度，并将检测的温度反馈给第一温度控制仪15，第一温度控制仪15控制第一加热器9的通断实现坩埚10的恒温加热。其中，值得说明的是，若坩埚10底部设置有内喷嘴12，则第一热电偶16设置在坩埚10和内喷嘴12之间，给第一温度控制仪15提供坩埚10内液体8的温度，以使第一温度控制仪15控制第一加热器9的通断实现坩埚10的恒温加热。

作为一种可实施方式，第一加热器9环绕围设在坩埚10周围，并固定设置在盖板5上。第一加热器9通过连接件固定在盖板5上，避免第一加热器9来回移动，影响加热效果，环绕围设在坩埚10周围，确保坩埚10加热均匀。

作为一种可实施方式，还包括回收装置，回收装置包括设置在外喷嘴17下方的回收槽22、控制回收槽22的第二电机25和连接回收槽22与第二电机25的连杆23，第二电机25与工控装置的工控机26电连接。工控装置包括工作台28和工控机26，工作台28设置在外喷嘴17的下方，与工控机26连接，且第一电机24与工控机26电连接。

工控机26内导入零件21的三维模型，软件对模型进行切片分层，获取每层的几何信息，软件根据几何信息生成控制喷嘴通断、工作台28运动和回收槽22位置的数控代码。滑块27的横向运动由工控机26内代码控制第一电机24实现，实现喷嘴通断的控制。工作台28在工控机26的控制下按照一定路径运行，集中液流20接触到工作台28的温度较低的基板时快速冷却凝固形成二维图形，当前层完成成型后移动滑块27关闭喷嘴，工控机26控制工作台28下降一定距离，移动滑块27打开喷嘴，集中液流20从喷嘴流出，在之前的凝固层上继续堆积成型。零件21成型结束后，关闭喷嘴，回收槽22在移动到喷嘴正下方，打开喷嘴回收坩埚10内剩余的液体8，达到节省材料、环保的效果。第二电机25由工控机26内数控代码控制，第二电机25与连杆23连接，连杆23与回收槽22连接，第二电机25转动带动连杆23运行，进而实现回收槽22位置的移动。

其中，需要说明的是，在成型零件21之前，第二电机25带动连杆23使回收槽22处于外喷嘴17出口下方，打开喷嘴，液体8在压力输送装置的作用下以集中液流20方式从出口处喷出，当集中液流20稳定后，关闭喷嘴，移开回收槽22，以避免集中液流20开始流出时不稳定影响零件21的成型效果。

作为一种可实施方式，液体输送装置包括熔化炉1，精炼炉2，液体输送管4和阀门3，液体输送管4一端穿过盖板5与坩埚10连通，另一端与精炼炉2连通，精炼炉2与熔化炉1连接，阀门3设置在液体输送管4的与精炼炉2连接的一端上。

熔化炉1用于融化金属及合金原材料，精炼炉2用于对溶化后的原材料进行除氧除渣，液体输送管4用于将原材料融化后的液体输送到坩埚10，阀门3用于控制液体输送管4内液体的通断。其对材料的形状没有限制，可以将任何形状的材料加工为成型零件21的液体8。

作为一种可实施方式，压力输送装置包括压力输送管13和压力控制系统14，压力输送管13设置在盖板5上并与坩埚10连通，压力控制系统14与压力输送管13连接。压力控制系统14控制压力输送管13的进气，确保气体对液体8产生稳定的压力，使得液体8以集中液流20方式从喷嘴流出。

当坩埚10内液体8的材料为钨合金、高温合金、钢、活泼金属铝、镁及合金材料时，压力控制系统14控制惰性气体从压力输送管13进入坩埚10，在压力控制系统14的控制下实现惰性气体在金属液体表面产生恒定压力。当坩埚10内液体8的材料为蜡、高分子材料时，压力控制系统14控制气体(如空气)从压力输送管13进入坩埚10，在压力控制系统14的控制下实现气体在液体表面产生恒定压力。

作为一种可实施方式，参见图3，滑块27为长条形滑块，滑块27的中部设有圆形的通孔。当滑块27在外喷嘴17内横向移动时，圆形的通孔可以有效的实现外喷嘴17出口的打开和关闭，且圆形的通孔，液体8流出的线条更流畅，成型的零件21更美观。值得说明的是，通孔的形状不限于圆形，也可以为方形、多边形等其他形状。

作为一种可实施方式，还包括设置在坩埚10下部的第一液位传感器29和设置在10坩埚上部的第二液位传感器30。

第一液位传感器29和第二液位传感器30用于检测坩埚10内液体8的位置。当液体8达到第二液位传感器30位置时，说明坩埚10内液体处于充满状态或接近充满状态，关闭阀门3，停止向坩埚10内输送液体8。当液体8位置的达到第一液位传感器29位置时，说明坩埚10内液体8已用完或将近用完，若零件21成型尚未完成，第一电机24控制滑块27关闭喷嘴，打开阀门3向坩埚10内注入液体，若零件21成型已完成，则无需向坩埚10内注入液体。较优的，第一液位传感器29与报警器连接，当坩埚10内液体位置达到第一液位传感器29位置，报警器发出报警信号，提醒工作人员打开阀门3，避免液体材料不足影响零件21的成型。

参见图4，结合图2所示的实施例中的3D打印装置的零件制备过程来详细说明：

S100，熔化炉1融化原材料。

S200，根据原材料需要判断是否需要精炼；若是，则进行精炼后判断是否需要气氛保护；若否，则直接判断是否需要气氛保护。

S300，判断是否需要气氛保护；若是，则从压力输送管13向坩埚10内输入惰性气体、从进气口6向气膜通道7内输入惰性气体；若否，则直接加热外喷嘴17和坩埚10。

S400，液体输送装置向坩埚10内注入液体8，气膜通道7内的惰性气体形成环形气模，从压力输送管13向坩埚10内输入的惰性气体向液体表面加压使得液体8以集中液流20方式从喷嘴流出，以成型三维实体的零件21。

S500，根据第二液位传感器30判断是否需要补充液体8，若是，返回步骤S400，若否，则零件21增材制造结束。

其中，值得说明的是，步骤S500判断是否需要补充液体8，是指零件21成型未完成，且液体需要补充时，才返回步骤S400。若零件21成型完成，液体需要补充，则结束增材制造。

图5是本发明3D打印装置的增材制造的流程示意图，包括以下步骤：

G10，工控机26控制第二电机25将回收槽22移动至喷嘴正下方，工控机26控制第一电机24带动滑块27打开喷嘴，当集中液流20稳定后，关闭喷嘴，移开回收槽22。

G20，工控机26内输入零件21的三维模型，工控机26内软件将三维模型切片分层，得到三维模型的第i层几何信息。其中，i为正整数。

G30，根据几何信息生成喷嘴通断代码和工作台28数控代码，根据喷嘴通断代码和工作台28数控代码成型第i层模型。

G40，判断成型第i层模型后零件21是否成型完成，若是，则移动回收槽至喷嘴正下方，打开喷嘴，回收坩埚10内剩余液体8，若否，则根据第i+1层几何信息进行第i+1层模型的成型。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种3D打印装置，其特征在于，包括外壳，设置在所述外壳内的坩埚，固定在所述外壳顶部并密封所述坩埚的盖板，与所述坩埚连通的液体输送装置和压力输送装置，固定在所述外壳底部的外喷嘴，控制所述坩埚内液体温度的第一温度控制装置，以及工控装置；

还包括控制所述外喷嘴温度的第二温度控制装置，所述第二温度控制装置包括设置在所述外喷嘴内靠近出口处的第二热电偶和第二加热器，以及与所述第二热电偶和所述第二加热器电连接的第二温度控制仪；

所述外喷嘴内还设置有滑块，所述滑块与第一电机连接，能够在所述第一电机的带动下打开或关闭所述外喷嘴的所述出口，且所述第一电机与所述工控装置电连接。

2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述外壳上设置有进气孔，所述外壳的内壁中设置有第一气体输送通道，所述第一气体输送通道与所述进气孔连通；

所述坩埚底部设置有内喷嘴，所述内喷嘴的外壁和所述外喷嘴的内壁之间形成有第二气体输送通道；

所述第一气体输送通道和所述第二气体输送通道连通构成气膜通道。

3.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述第一温度控制装置包括第一热电偶，第一加热器和第一温度控制仪；所述第一热电偶设置在所述坩埚和所述外喷嘴之间，所述第一加热器设置在所述外壳和所述坩埚之间，所述第一温度控制仪与所述第一热电偶和所述第一加热器电连接。

4.根据权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于，所述第一加热器环绕围设在所述坩埚周围，并固定设置在所述盖板上。

5.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括回收装置；所述回收装置包括设置在所述外喷嘴下方的回收槽、控制所述回收槽的第二电机和连接所述回收槽与所述第二电机的连杆；所述第二电机与所述工控装置电连接。

6.根据权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于，所述工控装置包括工作台和工控机；所述工作台设置在所述外喷嘴的下方，与所述工控机连接；所述工控机与所述第一电机和所述第二电机电连接。

7.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述液体输送装置包括熔化炉，精炼炉，液体输送管和阀门；所述液体输送管一端穿过所述盖板与所述坩埚连通，另一端与所述精炼炉连通，所述精炼炉与所述熔化炉连接，所述阀门设置在所述液体输送管的与所述精炼炉连接的一端上。

8.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述压力输送装置包括压力输送管和压力控制系统；所述压力输送管设置在所述盖板上并与所述坩埚连通，所述压力控制系统与所述压力输送管连接。

9.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述滑块的中部设有圆形的通孔。

10.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括设置在所述坩埚下部的第一液位传感器和设置在所述坩埚上部的第二液位传感器。