CN109261939A - 一种利用液态金属进行增材制造的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用液态金属进行增材制造的装置及方法，液态金属在电场和磁场生成的洛伦兹力与重力作用下形成不同的液柱，悬挂冷却器对液态金属进行快速冷却形成金属固件结构，实现液态金属的增材制造。本发明提出的通过施加电磁场并对液态金属熔池通电的增材制造方法可以有效地减少金属固件的制造成本、提高制造的效率，可以大面积的应用到工业实际中去，提高现代工业的制造效率以及制造水平。

Description

一种利用液态金属进行增材制造的装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种利用液态金属进行快速增材制造的装置及方法。

背景技术

目前，增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，而传统的材料制造技术是去除——切削加工技术。传统的技术需要将金属不断熔炼去除杂质，再通过铸造或者锻造等手段形成一定的形状，之后再予以加工成型。这些步骤之间都会有一定量的金属的损失，使得成型工艺效率很难提高。而增材制造工艺则是包含无模成型、3D打印，快速成型/制模等，可以节省传统制造工艺中一个甚至多个步骤，使得金属固件的制造效率大大增加。

经实验研究液态金属在通电强磁场的情况下，液态金属自由表面会发生局部的聚集并逐渐长高，直至液态金属内部的各个力平衡最后形成一个稳定的液柱形状，因此，液态金属在电磁场下的变化可用于增材制造。因为液态金属受到的外加电磁场会产生洛伦兹力，另外产生的还有感应电流和感应磁场所产生的感应洛伦兹力，这些力会和自由形变的液态金属的重力以及表面张力形成平衡的力，使得液面形成一个稳定的形状。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种利用液态金属进行增材制造的装置及方法，解决了现有技术中金属固件制造损耗的问题，并且使得固件制造效率大大提高。

(二)技术方案

本发明提供一种利用液态金属进行增材制造的装置，其中，该装置包括液态金属熔池、电磁铁和悬挂冷却器；

所述液态金属熔池，用于容置液态金属，其中液态金属熔池底部设置有多个电极；

所述电磁铁，包括磁场N极和磁场S极，分别设置于液态金属熔池的两侧，且与液态金属熔池外壁保持一定距离，磁场S极与磁场N极相对，用于产生平行于液态金属熔池液面的均匀磁场；

所述悬挂冷却器，置于液态金属熔池正上方，与液态金属熔池保持水平，用于冷却液态金属，使液态金属从液态转变成固态；

其中，所述液态金属在电场和磁场生成的洛伦兹力与重力作用下形成不同的液柱，悬挂冷却器对液态金属进行冷却形成金属固件结构，实现液态金属的增材制造。

其中，所述液态金属熔池为耐火材料制成的液态金属熔池。

其中，所述多个电极成排交错设置，且各排相邻电极的孔心距离相等。

其中，所述电极采用的材料为钨、铼、钽、钼、铌、铪、钒、铬、锆、

钛、铜及其合金。

其中，所述悬挂冷却器为陶瓷冷却器，内部通冷却水。

其中，所述悬挂冷却器包括冷却器本体和悬挂臂，所述悬挂臂置于冷却器本体上方。

本发明的另一方面还提供一种利用液态金属进行增材制造的方法，采用上述的利用液态金属进行增材制造的装置，该方法包括：

液态金属熔池底部至少两个电极被加电压产生电场；

电磁铁通电产生平行于液态金属熔池液面的均匀磁场；

液态金属在电场和磁场生成的洛伦兹力与重力作用下形成不同的液柱；以及

悬挂冷却器对液态金属进行冷却形成金属固件结构，实现液态金属的增材制造。

其中，所述液态金属熔池底部至少两个电极被加电压产生电场，电压范围为-220V至220V。

其中，所述电磁铁通电产生平行于液态金属熔池液面的均匀磁场，均匀磁场的强度为0-3T。

(三)有益效果

本发明的利用液态金属进行增材制造的装置及方法，具有以下积极效果：

(1)本发明提供的利用液态金属进行增材制造的装置及方法，在电磁场辅助下实现液态金属的增材制造，装置结构简单、方法步骤简化、应用前景较广，并且能够有效的减少现代金属固件制造工艺的步骤以及提高制造过程的效率。

(2)本发明提供的利用液态金属进行增材制造的装置及方法，通过施加电磁场并对液态金属熔池通电的增材制造方法，解决了现有技术中金属固件成型制造材料利用率低的问题，且大大提高固件制造效率。

附图说明

图1为本发明的一种具体实施例的利用液态金属进行增材制造的装置示意图；

图2为本发明的一种具体实施例的液态金属熔池结构图；

图3为本发明的一种具体实施例的电磁铁结构图；

图4为本发明的一种具体实施例的悬挂冷却器结构图；

图5为本发明的一种具体实施例的利用液态金属进行增材制造的方法流程图；

图6为本发明的一种具体实施例的利用液态金属进行增材制造的效果图；

附图标记：

1-液态金属熔池；2-电极；

3-磁场N极；4-磁场S极；

5-冷却器本体；6-悬挂臂。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

液态金属在磁场中通电的情况下会产生相应的洛伦兹力，洛伦兹力的方向随着电流大小方向的变化以及磁场强度和方向的变化而改变，从而使得液态金属的自由表面形成某一特定形状的液柱。其受到向上的电磁力，向下的重力和表面张力，此时合力向上，凸起液体的加速度向上，使得其加速向上运动形成液柱，由于液柱向上运动的过程中曲率半径减小，使得液柱的加速度逐渐减小，最终液柱保持直立几乎静止地立在原地。这一液柱的高度、形状、角度等特征将随电流大小、方向以及磁场的大小、方向产生相对应的改变。

如图1所示，图1为本发明的一种具体实施例的利用液态金属进行增材制造的装置示意图，该装置包括液态金属熔池1，用于容置液态金属，液态金属熔池1底部设置有多个电极2；该装置还包括电磁铁，其由磁场N极3和磁场S极4构成，分别设置于液态金属熔池1的两侧，且与液态金属熔池外壁保持一定距离，磁场S极4与磁场N极3相对，用于产生平行于液态金属熔池液面的均匀磁场；该装置还包括悬挂冷却器，置于液态金属熔池1正上方，与液态金属熔池1保持水平，用于冷却液态金属，使液态金属从液态转变成固态。

图2为本发明的一种具体实施例的液态金属熔池结构图，如图2所示，液态金属熔池1底部设置有多个电极2，多个电极2成排交错设置，且各排相邻电极的孔心距离相等，电极采用的材料为钨、铼、钽、钼、铌、铪、钒、铬、锆、钛、铜及其合金。

图3为本发明的一种具体实施例的电磁铁结构图；如图3所示电磁铁由磁场N极3和磁场S极4构成，分别设置于液态金属熔池1的两侧，且与液态金属熔池外壁保持一定距离，磁场S极4与磁场N极3相对。

图4为本发明的一种具体实施例的悬挂冷却器结构图；悬挂冷却器包括冷却器本体5和悬挂臂6，所述悬挂臂6置于冷却器本体5上方。

图5即为本发明的一种具体实施例的利用液态金属进行增材制造的方法流程图，该方法包括如下步骤：液态金属熔池底部至少两个电极被加电压产生电场；电磁铁通电产生平行于液态金属熔池液面的均匀磁场；液态金属在电场和磁场生成的洛伦兹力与重力作用下形成不同的液柱；以及悬挂冷却器对液态金属进行冷却形成金属固件结构，实现液态金属的增材制造。电压范围为-220V-220V，磁场范围为0-3T。

具体实施例1：

本发明的液态金属熔池2为电绝缘的耐火材料制成的液态金属熔池，液态金属熔池底部有火焰加热使得液态金属保持恒定的高温，维持液态；电极采用的材料为钨、铼、钽、钼、铌、铪、钒、铬、锆、钛、铜及其合金，电磁铁能够产生不同磁场大小，悬挂冷却器包括冷却器本体和悬挂臂，悬挂臂置于冷却器本体上方，悬挂冷却器为陶瓷冷却器，内部通冷却水，使冷却器保持稳定低温。电压范围为-220V-220V，磁场范围为0-3T。

液态金属熔池内部充满熔融态液态金属，外部有水平方向的均匀磁场，均匀磁场由电磁铁通电产生，且磁场平行于液态金属熔池液面。其中，电磁铁，包括磁场N极和磁场S极，分别设置于液态金属熔池的两侧，且与液态金属熔池外壁保持一定距离，磁场S极与磁场N极相对。液态金属熔池底部任选两个至多个电极通电，使电极之间保持不同电势差，电势差将会使得液态金属内部产生不同方向的电流，因洛伦兹力的产生使得液态金属表面克服重力产生液柱，并维持一定的形状。这一液柱的顶部将和悬挂冷却器的底部接触。又因为悬挂冷却器本体温度较低，远低于金属的冷凝点，使得接触处的液态金属从液态转变成固态，并粘牢在悬挂冷却器的底部。这时提高悬挂冷却器的高度，冷却的固体金属将在拉力的作用下随悬挂冷却器上升。期间通过调整电流施加位置、电流大小和方向使熔池内的液态金属继续受到洛伦兹力作用维持特定的形状，继续与固体金属相接触。接触处的金属的热量将继续通过固体金属导至悬挂冷却器，随循环水带走，从而凝结成为固体。如此循环，直至达到所设计的金属固件产生。结束通电和磁场的施加，液态金属将重新回落至液态金属熔池内，则我们所有需要的金属固件结构将悬挂在冷却器的底部。再将这一固件取下进行加工就成为了所设计的物品。

图6为本发明的一种具体实施例的利用液态金属进行增材制造的效果图，如图6所示在一个电极通入一正电压或接地，在另一个或另几个电极通入不同的电压，在不同电极间产生电压差，在液态金属间产生电流。施加电磁场后，液态金属会在磁场和电场的作用下形成如图所示的液柱。这一凸起的上表面与悬挂冷却器下表面相接触，液态金属就会冷却成固态，就成为我们所需要的金属固态结构。

通过本发明中的电磁场辅助液态金属增材制造装置通过改变液态金属熔池下部电极通电的电势差以及通电位置和外部磁场大小方向可以使液态金属自由表面克服重力的影响形成不同的液柱。再对这一液柱进行冷却就可以直接产生我们所希望的形状的金属固件结构，实现液态金属的增材制造。本发明的技术方案，结构简单，可以有效减少当前工业制造的成本，提高固件制造效率，可以大面积运用在工业钢铁器件制造业中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用液态金属进行增材制造的装置，其中，该装置包括液态金属熔池、电磁铁和悬挂冷却器；

所述液态金属熔池，用于容置液态金属，其中液态金属熔池底部设置有多个电极；

所述电磁铁，包括磁场N极和磁场S极，分别设置于液态金属熔池的两侧，且与液态金属熔池外壁保持一定距离，磁场S极与磁场N极相对，用于产生平行于液态金属熔池中液面的均匀磁场；

所述悬挂冷却器，置于液态金属熔池正上方，与液态金属熔池保持水平，用于冷却突起的液态金属，使突起的液态金属从液态转变成固态；

其中，所述液态金属在电场和磁场生成的洛伦兹力与重力作用下形成不同的液柱，悬挂冷却器对液态金属进行冷却形成金属固件结构，实现液态金属的快速增材制造。

2.根据权利要求1所述的利用液态金属进行增材制造的装置，其中，所述液态金属熔池为耐火材料制成的液态金属熔池。

3.根据权利要求1所述的利用液态金属进行增材制造的装置，其中，所述多个电极成排交错设置，且各排相邻电极的孔心距离相等。

4.根据权利要求3所述的利用液态金属进行增材制造的装置，其中，所述电极采用的材料为钨、铼、钽、钼、铌、铪、钒、铬、锆、钛、铜及其合金。

5.根据权利要求1所述的利用液态金属进行增材制造的装置，其中，所述悬挂冷却器为陶瓷冷却器，内部通冷却水。

6.根据权利要求5所述的利用液态金属进行增材制造的装置，其中，所述悬挂冷却器包括冷却器本体和悬挂臂，所述悬挂臂置于冷却器本体上方。

7.一种利用液态金属进行增材制造的方法，采用权利要求1-6中任一项所述的利用液态金属进行增材制造的装置，该方法包括：

液态金属熔池底部至少两个电极被加电压产生电场；

电磁铁通电产生平行于液态金属熔池液面的均匀磁场；

液态金属在电场和磁场生成的洛伦兹力与重力作用下形成不同的液柱；以及

悬挂冷却器对液态金属进行冷却形成金属固件结构，实现液态金属的增材制造。

8.根据权利要求7所述的利用液态金属进行增材制造的方法，其中，所述液态金属熔池底部至少两个电极被加电压产生电场，电压范围为-220V至220V。

9.根据权利要求7所述的利用液态金属进行增材制造的方法，其中，所述电磁铁通电产生平行于液态金属熔池液面的均匀磁场，均匀磁场的强度为0-3T。