CN113290256A - 一种金属堆铸成型装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于快速成型领域，具体涉及一种金属堆铸成型装置，金属堆铸成型装置包括用于承装金属原材料的炉体，炉体外部设有感应线圈；炉体下方设有基板和驱动基板运动的三维运动平台；炉体的底部设有出液口，出液口上安装有打印头，打印头中设有用于引导金属液流至所述基板上的金属液流道；金属堆铸成型装置还包括用于对堆铸在基板上的金属液进行冷却的金属液冷却结构。本发明的金属堆铸成型装置省去了将金属原材料先加工成丝材或粉末再进行三维成型的步骤，工艺简单且成本较低。

Description

一种金属堆铸成型装置

技术领域

本发明属于快速成型领域，具体涉及一种金属堆铸成型装置。

背景技术

随着科学技术日新月异的发展，增材技术在制造业中应用变得越来越广泛，并成为不可或缺的一部分，它基于“离散-叠加”原理，通过温控基板运动使金属熔体直接沉积在基板上，实现逐层地堆积形成复杂的三维实体工件。该技术具有智能制造、流程简单、性能优良、近净成形、效率较高、环境友好、成本较低的优点，在各个领域都有广阔的应用前景。目前使用较多的增材技术为3D打印技术，3D打印技术一般采用打印头，利用丝材或粉末作为原料，3D打印技术所用的打印头中有通道，通道供丝材或粉末通过，在打印头的外部设置加热结构或激光烧结的结构对丝材或粉末进行加热。

虽然常规的3D打印技术能够实现无模快速成型，但是也存在一些弊端：常规的3D打印技术所需的原料为丝材或粉末，需要先将块状原料加工成丝材或粉末，再进行熔融打印，工艺较为复杂，导致成本较高，而且金属尤其是活泼金属在加工成丝材或粉末过程中易被氧化，无法保证产品质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属堆铸成型装置，以解决现有技术中常规的3D打印技术工艺复杂、成本较高的技术问题。

为实现上述目的，本发明所提供的金属堆铸成型装置的技术方案是：一种金属堆铸成型装置，包括：

炉体，用于承装金属原材料，炉体外部设有用于将炉体内的金属原材料加热成金属液的感应线圈；

基板，设于炉体下方，基板底部设有用于驱动基板运动的三维运动平台；

所述炉体的底部设有出液口，出液口上安装有打印头，打印头中设有用于引导金属液流至所述基板上的金属液流道；

金属液冷却结构，用于对堆铸在基板上的金属液进行冷却。

有益效果：炉体和感应线圈配合能够将金属原材料加热形成金属液，由打印头中直接流出到基板上，通过三维运动平台控制基板三维移动，通过金属液冷却结构对金属液进行冷却，各部件配合能够堆铸形成所需的零部件，本发明的金属堆铸成型装置省去了将金属原材料先加工成丝材或粉末再进行三维成型的步骤，工艺简单且成本较低。

优选地，所述炉体包括顶部的盖板，盖板上安装有电机，电机的输出轴上安装有螺旋输送件，所述螺纹输送件的下端延伸至所述出液口中或所述金属液流道中，并与出液口或金属液流道的内壁相互配合，通过控制螺旋输送件的转速能够控制金属液的流出速度。通过螺旋输送件的转动速度能够控制金属液的流出速度，方便进行控制。

优选地，金属堆铸成型装置包括循环水系统，循环水系统包括设于打印头中所述流道周围的冷却水流道，以及驱动冷却水在冷却水流道中流动的水泵，循环水系统用于对打印头内的金属液进行初步冷却以使其达到半凝固状态。通过对打印头内的金属液进行初步冷却，降低由打印头中流出的金属液的温度，保证金属液冷却结构的冷却效果，增加初步冷却后，也降低了对金属液冷却结构的冷却要求。

优选地，所述金属液冷却结构包括液氮罐，还包括与液氮罐通过输送管相连以向金属液喷射液氮的喷嘴。金属液的温度较高，采用液氮进行冷却能够实现快速冷却。

优选地，所述喷嘴上设有用于对金属液进行测温的第一测温仪，还设有用于对基板上金属液的位置进行检测的位置传感器；

金属液冷却结构还包括用于控制所述输送管通断的阀门，所述金属液冷却结构还包括第一控制器，第一控制器与所述阀门及第一测温仪、位置传感器相连。

优选地，金属堆铸成型装置包括用于对炉体内的金属液温度进行检测的第二测温仪，还包括用于与所述感应线圈相连以控制感应线圈通断及电流大小的电源，金属堆铸成型装置还包括第二控制器，第二控制器与所述电源及所述第二测温仪相连。

优选地，所述基板内设有用于对基板的温度进行控制的控温结构。

优选地，所述控温结构包括用于对基板进行加热的加热结构以及用于对基板进行冷却的冷却结构。

优选地，所述基板包括顶板和底板，顶板用于承接金属液，底板与所述三维运动平台相连，所述基板还包括位于顶板和底板之间的中空板；

所述加热结构为设于中空板内的电阻线圈，所述冷却结构为设于中空板内的介质流道，介质流道供冷却介质流过。

优选地，所述基板还包括位于底板与中空板之间的隔热板。隔热板能够防止中空板的热量传递到底板上，进而能够对三维运动平台进行保护。

附图说明

图1为本发明所提供的金属堆铸成型装置实施例1的示意图；

图2为图1中炉体底部的示意图；

图3为本发明所提供的金属堆铸成型装置实施例1中三维运动平台、基板的示意图；

图4为图3为三维运动平台中机架、Z轴滑块处的示意图；

图5为图3中安装板、Z向滚珠丝杆处的示意图；

图6为本发明所提供的金属堆铸成型装置实施例1中基板的示意图；

附图标记说明：

1、炉体；2、感应线圈；3、电源；4、第二测温仪；5、测温模块；6、螺纹杆；7、输送电机；8、打印头；9、三维运动平台；10、基板；11、液氮罐；12、阀门；13、喷嘴；14、机架；15、支撑板；16、垫板；17、安装架；18、Z向导轨；19、Z向滑块；20、Z向电机；21、直齿轮；22、Z向滚珠丝杆；23、安装板；24、支撑柱；25、支撑柱上板；26、顶板；27、底板；28、中空板；29、石棉板；30、电阻线圈；31、压缩空气出口；32、压缩空气进口。

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，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明所提供的金属堆铸成型装置的具体实施例1：

如图1至图6所示，金属堆铸成型装置包括炉体1和位于炉体1下方的三维运动平台9和三维运动平台9上方的基板10，三维运动平台9能够驱动基板10在X、Y、Z三个方向进行移动，在炉体1内的金属液浇铸在基板10上时，能够通过控制基板10进行运动来成型所需的形状。

此处的炉体1为坩埚，坩埚的外部缠绕有感应线圈2，感应线圈2通电时能够将坩埚内的金属原材料融化成金属液。感应线圈2连接有电源3，电源3能够控制感应线圈2是否通电以及电流大小。炉体1包括盖板，盖板上安装有第二测温仪4，第二测温仪4与测温模块5相连，第二测温仪4能够检测炉体1内部的温度。金属堆铸成型装置包括第二控制器，第二控制器与测温模块5与电源3相连，能够通过采集测温模块5测得的温度来控制电源3。

在炉体1的底部开设有出液口，在出液口中安装有打印头8，此处的打印头8整体上宽下窄，打印头8内有金属液流道，炉体1内的金属液经过出液口和打印头8内的金属液流道流出。为了能够精准控制金属液的流出速度，在炉体1的盖板上安装有输送电机7，输送电机7上安装有螺纹杆6，螺纹杆6的下端伸入到出液口中，而且螺纹杆6与出液口的内径基本相同，通过转动螺纹杆6能够将金属液挤出打印头8中。使用时通过控制输送电机7的转速来控制金属液的流出速度。

三维运动平台9的结构如图3至图5所示，三维运动平台9能够驱动基板10在X、Y、Z三个方向进行移动，三维运动平台9包括机架14以及安装在机架14上的Z向移动机构、X向移动机构和Y向移动机构，Z向移动机构包括垫板16，垫板16通过安装架17固定安装在机架14上，垫板16沿Z向延伸布置并沿垂直于Z向间隔排布有两个，在每个垫板16上均固定安装有Z向导轨18，Z向导轨18上沿Z向滑动装配有Z向滑块19。在两个Z向滑块19上固定安装有安装板23，安装板23为角形结构。安装板23中螺纹穿装有Z向滚珠丝杆22，Z向滚珠丝杆22的底部固定安装有直齿轮21，在安装板23上固定安装有四根支撑柱24并在支撑柱24的顶部安装有支撑柱上板25。转动Z向滚珠丝杆22能够带动支撑柱上板25上下移动。为驱动Z向滚珠丝杆22转动，如图4所示，在机架14上固定安装有支撑板15，Z向电机20的机壳安装在支撑板15上，Z向电机20的电机轴向下贯穿支撑板15且电机轴上固定有电机轴直齿轮，电机轴直齿轮与直齿轮21啮合。

在支撑柱上板25上固定有X向移动机构，X向移动机构包括X向滑块，X向滑块上安装有Y向移动机构，Y向移动机构包括Y向滑块，基板10固定安装在Y向滑块上。其中，X向移动机构、Y向移动机构均为丝杠螺母机构。

基板10的结构如图6所示，基板10包括由上向下依次布置的顶板26、中空板28、石棉板29和底板27，其中，顶板26和底板27为金属板。石棉板29在此为隔热板，能够减小中空板28和底板27之间的热传递量。中空板28内有介质流道，此处的介质流道为气体流道，气体流道有两开口，两开口分别为压缩空气进口32和压缩空气出口31，通过压缩空气的流动能够对中空板28以及顶板26进行降温。在中空板28内还有电阻线圈30，电阻线圈30通电时能够对中空板28和顶板26进行加热升温。通过电阻线圈30和压缩空气的流动能够控制基板10的温度，在使用时能够根据材料的预热要求将基板10加热到不同温度。

金属堆铸成型装置还包括对金属液进行冷却的金属液冷却结构，如图1所示，此处的金属液冷却结构包括液氮罐11，液氮罐11上通过输送管连接有喷嘴13上，输送管上安装有阀门12，此处的阀门12为自动控制阀，自动控制阀能够控制输送管的通断。在喷嘴13上安装有第一测温仪和位置传感器，当金属液堆铸在基板10上之后形成半固态液体，第一测温仪和位置传感器能够检测堆铸金属液的温度和位置。金属液冷却结构还包括第一控制器，第一控制器与阀门12、第一测温仪、位置传感器相连，当温度达到设定值时，打开阀门12，喷射液氮对其进行冷却。

使用时，将金属原材料加入到炉体1内进行加热并形成金属液，将基板10加热至设定的温度，通过输送电机7来控制金属液的流出速度，三维运动平台9控制基板10进行三维移动，喷嘴13向半固态液体喷射液氮进行冷却，通过逐层堆铸的方式来形成所需的零部件。

本实施例中，第一测温仪和第二测温仪均为红外测温仪。电阻线圈30形成用来对基板10进行加热的加热结构，介质流道形成了用来对基板10进行冷却的冷却结构，加热结构和冷却结构一起形成控温结构。螺纹杆6形成了用来控制金属液流出速度的螺旋输送件。应当说明的是，在实际加工时，螺纹杆可以通体有外螺纹，也可以仅下端有外螺纹。

实际上，三维运动平台9的结构可以选用现有技术中的三维运动平台。

本实施例中，液氮罐、喷嘴以及输送管、阀门一起形成了金属液冷却结构。

本发明金属堆铸成型装置的具体实施例2：

实施例1中，在底板与中空板之间有隔热板。本实施例中，隔热板的材质可以根据实际情况进行改变，或者可以将隔热板取消，将底板设计成隔热的板体。

本发明金属堆铸成型装置的具体实施例3：

实施例1中，介质流道供压缩空气流过，通过空气流动来对基板进行冷却，冷却介质为流动的空气。本实施例中，冷却介质为液体，此时的介质流道为供液体流动的冷却液流道。其他实施例中，冷却介质可以为液氮。

实施例1中，基板的加热结构为电阻线圈。本实施例中，加热结构可以为设置在基板上的流道，通过在流道内通入高温液体来进行加热。

本发明金属堆铸成型装置的具体实施例4：

实施例1中，加热结构和冷却结构一起对基板进行控温。本实施例中，控温结构包括设置在基板内的流道，流道中流动有液体，通过控制液体的温度来控制基板的温度。

本发明金属堆铸成型装置的具体实施例5：

实施例1中，金属液冷却结构包括液氮罐和喷嘴。本实施例中，金属液冷却结构可以为风冷结构。

本发明金属堆铸成型装置的具体实施例6：

实施例1中，螺旋输送件为螺纹杆。本实施例中，螺旋输送件可以为螺旋延伸的螺旋叶片。

本发明金属堆铸成型装置的具体实施例7：

实施例1中，螺旋输送件的下端延伸至出液口中，控制金属液的流出速度。本实施例中，螺旋输送件的下端延伸至打印头的金属液流道中。

本发明金属堆铸成型装置的具体实施例8：

本实施例的金属堆铸成型装置还包括循环水系统，循环水系统包括设置打印头中的冷却水流道，冷却水流道设置在打印头中金属液流道的周围，其中，冷却水流道可以顺着金属液流道螺旋延伸，冷却水流道能够对金属液流道内的金属液进行初步冷却，使得金属液达到半凝固状态。通过对金属液进行初步冷却，能够降低流出的金属液的温度，从而保证后续的金属液冷却结构能够将金属液冷却至所需的温度，降低了对金属液冷却结构的冷却要求。

最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属堆铸成型装置，其特征在于：包括：

炉体（1），用于承装金属原材料，炉体（1）外部设有用于将炉体（1）内的金属原材料加热成金属液的感应线圈（2）；

基板（10），设于炉体（1）下方，基板（10）底部设有用于驱动基板（10）运动的三维运动平台（9）；

所述炉体（1）的底部设有出液口，出液口上安装有打印头（8），打印头（8）中设有用于引导金属液流至所述基板（10）上的金属液流道；

金属液冷却结构，用于对堆铸在基板（10）上的金属液进行冷却。

2.根据权利要求1所述的金属堆铸成型装置，其特征在于：所述炉体（1）包括顶部的盖板，盖板上安装有电机，电机的输出轴上安装有螺旋输送件，所述螺纹输送件的下端延伸至所述出液口中或所述金属液流道中，并与出液口或金属液流道的内壁相互配合，通过控制螺旋输送件的转速能够控制金属液的流出速度。

3.根据权利要求1所述的金属堆铸成型装置，其特征在于：金属堆铸成型装置包括循环水系统，循环水系统包括设于打印头（8）中所述金属液流道周围的冷却水流道，以及驱动冷却水在冷却水流道中流动的水泵，循环水系统用于对打印头（8）内的金属液进行初步冷却以使其达到半凝固状态。

4.根据权利要求1所述的金属堆铸成型装置，其特征在于：所述金属液冷却结构包括液氮罐（11），还包括与液氮罐（11）通过输送管相连以向金属液喷射液氮的喷嘴（13）。

5.根据权利要求4所述的金属堆铸成型装置，其特征在于：所述喷嘴（13）上设有用于对金属液进行测温的第一测温仪，还设有用于对基板（10）上金属液的位置进行检测的位置传感器；

金属液冷却结构还包括用于控制所述输送管通断的阀门（12），所述金属液冷却结构还包括第一控制器，第一控制器与所述阀门（12）及第一测温仪、位置传感器相连。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的金属堆铸成型装置，其特征在于：金属堆铸成型装置包括用于对炉体（1）内的金属液温度进行检测的第二测温仪（4），还包括用于与所述感应线圈（2）相连以控制感应线圈（2）通断及电流大小的电源（3），金属堆铸成型装置还包括第二控制器，第二控制器与所述电源（3）及所述第二测温仪（4）相连。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的金属堆铸成型装置，其特征在于：所述基板（10）内设有用于对基板（10）的温度进行控制的控温结构。

8.根据权利要求7所述的金属堆铸成型装置，其特征在于：所述控温结构包括用于对基板（10）进行加热的加热结构以及用于对基板（10）进行冷却的冷却结构。

9.根据权利要求8所述的金属堆铸成型装置，其特征在于：所述基板（10）包括顶板（26）和底板（27），顶板（26）用于承接金属液，底板（27）与所述三维运动平台（9）相连，所述基板（10）还包括位于顶板（26）和底板（27）之间的中空板（28）；

所述加热结构为设于中空板（28）内的电阻线圈（30），所述冷却结构为设于中空板（28）内的介质流道，介质流道供冷却介质流过。

10.根据权利要求9所述的金属堆铸成型装置，其特征在于：所述基板（10）还包括位于底板（27）与中空板（28）之间的隔热板。

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