CN110860691A - 等离子体炬熔融金属丝耗材沉积挤出3d打印喷头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体炬熔融金属丝耗材沉积挤出3D打印喷头。包括送料装置，等离子体炬方向调整装置，阳极，阴极进料管，密封件，碳刷，轴承，喷头。本发明是利用等离子炬在挤出熔融打印材料前将已经冷却固化层快速加热至接近熔化状态，从而消除由于已经打印层和挤出材料间的温差过大，而导致结合不牢，从而形成致密实体。惰性气体从阴极进料管和喷头上端的结合处的孔流出，这样气体可以冷却耗材上端，而出口处保持熔融状态，从而解决熔融液态金属的热传递过快将金属丝耗材软化而挤不出来的问题。并解决打印喷头结构复杂，需要专门的冷却系统的不足，从而提高了打印精度，更节能，并降低了对材料的要求。

Description

等离子体炬熔融金属丝耗材沉积挤出3D打印喷头

技术领域

本发明涉及的是一种金属3D打印喷头，特别是涉及一种采用等离子体炬熔融金属丝耗材沉积挤3D打印出喷头。

背景技术

3D打印又称三维打印，是基于构件的三维数学模型通过使用激光束，电子束，电弧等热源逐层扫描熔化金属粉末并使之快速凝固从而堆积形成三维物体的新技术，这一技术几乎可以做出任何形状的模型，不再受传统制造方法限制，该技术可以用于珠宝，鞋类，工业设计，汽车，航空航天，医疗等许多领域。

目前比较成熟的金属3D打印技术包括选区激光烧结技术，直接金属粉末激光烧结技术，选区激光熔化技术，激光近镜成型技术和电子束选区熔化技术。现在3D打印技术发展取得了较多成果，但是存在成型效率低，设备成本高和可选用的材料有限，使其不能在更广泛的领域应用，目前多应用于航天，军工等一些特殊领域。

目前市面上的金属3D打印设备主要都是采用激光器作为熔化材料的热源，不仅价格昂贵(200W光纤激光器售价为22万元左右，1000W售价在85万元左右)、维护复杂(光纤十分脆弱，极易损坏，对工作环境的要求苛刻)。热源偏转目前主要有两种方式，一种是由扫描振镜驱动光路偏转，另一种是由机械导轨驱动喷头逐点逐线扫描，完成平面扫描。前者受限于光学系统，单振镜最大成型区域250×250mm。成型大型零件则需要多激光多扫描振镜复合。以上的原因导致金属3D打印设备价格昂贵，操作维护复杂，不利于3D打印技术的推广，因此亟需开发一种低成本、高效率的金属3D打印设备

基于FDM原理的3D打印方法，使金属丝耗材在喷头内熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料或前一层的材料凝结，通过逐层打印的方法实现材料的成型，这种加工方法能够很大的程度上降低金属3D打印的成本，提高了成型效率，挤出喷是打印机的核心部件，目前基于FDM的3D打印机大多采用电阻丝和电磁感应加热的方式，但是电阻丝加热的问题有：1、电阻丝的加热方式加热的效率低，热量散失大且能耗较高；2、电阻丝加热的加热能力不足，由于电阻丝加热装置受到挤出喷头的尺寸限制，其结构尺寸有限，对于一些高熔点金属其提供的热量不足以使金属熔化，这会导致出丝效率低下，喷头易被堵住，耗材挤出困难；3、电阻丝加热的预热时间长，影响打印效率；4、在喷头的液态金属热传导作用，使得金属丝在送料端过早软化，导致出丝效率低下，喷头容易被堵住，耗材挤出困难。电磁感觉加热方式的问题：1、打印喷头的需要大的加热线圈；2、需要专门的金属耗材冷却系统；3、结构过于复杂和重量太重加大了控制难度，也降低了打印精度；

最大的问题是挤的熔融材料和已经打印的前一层材料由于快速冷却固化很难有效结合。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种加热效率高，能量损耗小，出丝效率高，结构简单，低成本、高效率的并能使已经打印冷却固化层与熔融金属有效牢固结合的等离子体炬熔融金属丝耗材沉积挤出3D打印喷头。

本发明通过下述技术方案实现：

包括送料装置，等离子体炬方向调整装置，阳极，阴极进料管，密封件，碳刷，喷头，轴承，高温绝缘环。本发明是利用等离子炬在挤出熔融金属打印材料前将填充轨迹上的已经冷却固化层快速加热至接近熔化状态，并且等离子体炬始终处于熔融金属填充轨迹的正前方，从而消除由于已经打印层和挤出材料间的温差过大，而导致结合不牢。等离子体炬方向控制由等离子体炬方向调整装置5完成，由软件根据每两个相邻点的X、Y坐标值计算出要旋转的角度，并发出相应的控制信号，再由电机驱动电路驱动电机转动以达到旋转调向的功能，使得等离子体炬的落点始终处在熔融金属填充轨迹的正前方。惰性气体从阴极进料管4的进气口进入流经阴极进料管4，并从阴极进料管4下端的的孔流出，孔在阴极进料管4和喷头10 上端面的结合处，这样气体可以冷却金属丝耗材2，冷却阴极进料管4，并从喷头10上端面流出从而喷头 10下端耗材保持熔融状态而上端的金属丝耗材2会保持足够的硬度，从而解决熔融液态金属的热量传递过快将金属耗材2软化而挤不出来。从阴极进料管4的孔流出的气体在喷头10和阳极8间由高压高频电路引弧并形成等离子体，并利用在喷头10上电弧阴极斑形成的高温来熔化打印头里的耗材，等离子气流由喷头10和阳极8间的小孔喷射出来形成等离子体炬，等离子体炬便可以加热冷却固化层，从而消除冷却固化层和熔融金属丝耗材2间的过大温差而结合不牢，从而解决打印喷头结构过于复杂，并需要专门的冷却系统的不足，简化了结构，减轻打印头的重量从而提高了打印精度，并提高了能源利用率，并提高了材料选择的普遍性，降低了成本，打印出致密的实体模型。

附图说明

图1为本发明剖面结构示意图。

图2为本发明整体结构示意图。

图中送料装置1、等离子体炬方向调整装置2、阳极8、阴极进料管4、密封件3、7、轴承6、碳刷9、喷头10、高温绝缘环11。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述：

如图1、2所示，所述送料装置1由控制电机驱动滚轮送料，并固定在可以在X，Y轴上运动的固定座上。

所述阴极进料管4，固定在可以在X，Y轴上运动的固定座上。

所述密封件3，处于阴极进料管4和金属丝耗材2间，具有耐高温密封特性以防气体泄漏。

所述密封件7，处于轴承6，阳极8，阴极进料管4之间具有耐高温密封特性以防止气体泄漏。

所述喷头10是具有电子逃逸功率小，耐高温的金属材料制成，与阴极进料管4连接。

所述高温绝缘环11是耐高温且有良好高温绝缘特征，其与阳极8固定，其内孔与喷头10紧密贴合，以防止气体泄漏，在内孔上有一个方孔，用作等离子体炬的喷射通道，此方孔处于等离子体炬的阴阳极之间，阴极进料管4与电源负极相连。

所述等离子体炬方向调整装置2，由软件根据每两个相邻点的X、Y坐标值计算出要旋转的角度，并发相应的控制信号，再由电机驱动电路驱动电机旋转来驱动阳极转动以达到旋转调向的功能，使得等离子体炬的落点始终处在熔融金属填充轨迹的正前方，等离子体炬始终以喷头10的轴线为中心轴转动。

所述碳刷9，其与阳极接触并与电源正极相连，为阳极提供电力。

所述阴极进料管4，其与电源负极相连。

本发明是利用等离子炬在挤出熔融金属打印材料前将填充轨迹上的已经冷却固化层快速加热至接近熔化状态，并且等离子体炬始终处于熔融金属填充轨迹的正前方，从而消除由于已经打印层和挤出熔融材料间的温差过大，而导致结合不牢。等离子体炬方向控制由等离子体炬方向调整装置5完成，由软件根据每两个相邻点的X、Y坐标值计算出要旋转的角度，并发相应的控制信号，再由电机驱动电路驱动电机转动以达到旋转调向的功能，使得等离子体炬的落点始终处在熔融金属填充轨迹的正前方。惰性气体从阴极进料管4的进气口进入流经阴极进料管4，并从阴极进料管4下端的的孔流出，孔在阴极进料管4和喷头10上端面的结合处，这样气体可以冷却金属丝耗材2，冷却阴极进料管4，并从喷头10上端面流出从而喷头10下端耗材保持熔融状态而上端的金属丝耗材2会保持足够的硬度，从而解决熔融液态金属的热量传递过快将金属耗材2软化而挤不出来。从阴极进料管4的孔流出的气体在喷头10和阳极8间由高压高频电路引弧并形成等离子体，并利用在喷头10上电弧阴极斑形成的高温来熔化打印头里的耗材，等离子体气流由喷头10和阳极8间的小孔喷射出来形成等离子体炬，等离子体炬便可以加热冷却固化层，等离子体炬的温度和气流速度会随打印速度的变化而变化，从而保证熔融金属温度基本不变和已经打印的冷却固化层以相同的速度加热，从而消除冷却固化层和熔融金属丝耗材2间的过大温差而结合不牢，从而解决打印喷头结构过于复杂，并需要专门的冷却系统的不足，简化了结构，减轻打印头的重量从而提高了打印精度，并提高了能源利用率，并提高了打印材料选择的普遍性，降低了成本，打印出致密的实体。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种等离子体炬熔融金属丝耗材沉积挤出3D打印喷头，包括送料装置，等离子体炬方向调整装置，阳极，阴极进料管，密封件，碳刷，喷头，轴承，高温绝缘环。

其特征是：

所述阴极进料管(4)和金属丝耗材(2)，两者间用具有耐高温及密封特性的密封件(3)结合以防气体泄漏；

所述轴承(6)，阳极(8)，阴极进料管(4)之间具有耐高温密封特性密封件(7)以防止气体泄漏；

所述轴承(6)，是连接阳极(8)和阴极进料管(4)，并使阳极(8)可以以阴极进料管(4)和喷头(10)中心轴旋转；

所述高温绝缘环(11)是耐高温且有良好高温绝缘特性，其与阳极(8)固定，其内孔与喷头(10)紧密贴合，以防止气体泄漏，在内孔上有一个方孔，用作等离子体炬的喷射通道，此方孔处于等离子体炬的阴阳极之间，阴极进料管(4)与电源负极相连；

所述等离子体炬方向调整装置(2)，由软件根据每两个相邻点的X、Y座标值计算出要旋转的角度，并发出相应的控制信号，再由电机驱动电路驱动电机旋转来驱动阳极(8)转动以达到旋转调向的功能，等离子体炬始终以喷头(10)的轴线为中心轴转动，使得等离子体炬的落点始终处在熔融金属填充轨迹的正前方，在熔融金属挤出前把冷却固化的打印层迅速加热到接近熔化状态，从而熔融金属和已打印冷却固化层能有效结合成致密实体；

所述碳刷(9)与电源正极相连，并与阳极(8)接触，在阳极(8)转动时可以为其提供电力。

2.根据权利要求1所述的气体，其特征为惰性气体，从阴极进料管(4)的进气口进入流经阴极进料管(4)，并从阴极进料管(4)下端的的孔流出，孔在阴极进料管(4)和喷头(10)上端面的结合处，再从高温绝缘环(11)的方孔流出。

3.根据权利要求1所述的等离子体炬，其特征在于从阴极进料管(4)的孔流出的气体在喷头(10)和阳极(8)间由高压高频电路引弧并形成等离子体，并利用在喷头(10)上电弧阴极斑形成的高温来熔化打印头里的耗材，等离子体气流由喷头(10)和阳极(8)间的小孔喷射出来形成等离子体炬。

4.根据权利要求1所述熔融金属和已打印固化层能有效结合成致密实体，其特征为等离子体炬的温度和气流速度会随打印速度变化而实时变化，当打印速度快时等离子体炬温度变高，更高温度的等离子体炬会更快速的加热已经打印冷却固化层。

5.根据权利要求2所述的阴极进料管(4)孔，其特征为处于阴极进料管(4)的下端，是气体从阴极进料管(4)出来的出口，并且喷头(10)的上端面处于孔中，当气体流过时能对金属丝耗材(2)进行冷却，并能冷却喷头(10)上端面，使得喷头(10)下端耗材保持熔融状态而上端的金属丝耗材(2)会保持足够的硬度，从而解决熔融液态金属的热量传递过快将金属耗材(2)软化而挤不出来。

6.根据权利要求4所述喷头(10)的下端金属保持熔融状态，其特征为等离子体炬的温度和气流速度会随打印速度变化而实时变化，当打印速度快时等离子体炬温度变高，从而阴极斑的温度也变高，加快熔融速度从而保持有足够的熔融金属。

7.权利1的结构只是本专利中的一种形式，还有另外形式利用等离体炬熔化打印金属丝耗材和用等离子体炬来加热已经打印冷却层的形式都在本专利保护范围内，如更简单的结构，只要送料装置，阳极，阴极进料管，密封件，喷头，其特征为处于阴极进料管(4)的下端，是气体从阴极进料管(4)出来的出口，但这个出口方向不是径向方向，与径向成一定角度，并且喷头(10)的上端面处于孔中，当气体流出阳极(8)和喷头(10)时形成旋转高温等离子体，并以打印喷头挤出点为中心，并将其周围的已打印冷却层快速加热，使得打印层与已打印层能结合成致密的实体，同时当气体流过时能对金属丝耗材(2)进行冷却，并能冷却喷头(10)上端面，使得喷头(10)下端耗材保持熔融状态而上端的金属丝耗材(2)会保持足够的硬度，从而解决熔融液态金属的热量传递过快将金属耗材(2)软化而挤不出来。

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