CN213195628U - 用于液态金属3d打印的冷却装置及3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了用于液态金属3D打印的冷却装置及3D打印装置，涉及3D打印技术领域。用于液态金属3D打印的冷却装置包括用于固定在三维运动平台上从3D打印制品底部进行冷却的主冷却机构和在打印时位于3D打印制品上方的辅助冷却机构。液态金属3D打印装置包括上述用于液态金属3D打印的冷却装置，通过主冷却机构配合辅助冷却机构，在打印过程中主冷却机构随三维运动平台运动对3D打印制品进行冷却，起到主要的冷却作用；当打印层数较多时，利用辅助冷却机构从3D打印制品上方进行冷却，防止顶层制品出现冷却效果不佳的问题，能够提升3D打印制品上下层冷却的均匀度，有利于制备得到更大尺寸的3D打印制品。

Description

用于液态金属3D打印的冷却装置及3D打印装置

技术领域

本实用新型涉及3D打印技术领域，具体而言，涉及用于液态金属3D打印的冷却装置及3D打印装置。

背景技术

金属增材制造技术是将待成形零件的复杂三维模型逐层切片为 2D截面，然后沿高度方向逐层堆积材料，最终成形出金属零件的金属加工技术。增材制造改变了传统大体积凝固的铸造模式，通过微元区域的连续熔融和叠加制备最终产品，避免了常规铸造方法的一系列缺点。增材制造技术所涉及到的材料涵盖了金属材料、树脂、石蜡、陶瓷等，在航空航天、船舶海洋、国防交通等领域都有重要的应用前景。液态金属3D打印技术属于金属增材制造的一种，该技术采用金属熔体直接成形金属零件，在成形时通过基板运行速度和基板到喷嘴口的高度调节获得金属零件的最佳组织性能。液态打印技术原理为：金属熔体在真空压力下从喷嘴出口连续喷出，在三维运动平台上凝固，逐层堆积，最终直接形成金属零件。液态金属3D打印可以制备完全等轴晶组织的材料，材料具有良好的综合性能，进一步拓宽了金属材料在航空、电子等高端领域的应用。

3D打印加工过程均无法回避冷却的问题，对于液态金属3D打印，为了避免随打印层数的增加，因温度过高导致金属流淌进而造成精度变差的问题，要么减少打印高度，要么等待层间温度降低后再继续下一次打印。减少打印高度限制了3D打印产品的应用，增大层间冷却温差不仅降低了制造效率，而且影响层间结合力。另外，3D打印过程较低的冷却速度一方面限制了高温熔体(如钢、铝合金等)的3D 打印应用，另一方温度过高会造成晶粒长大，影响材料力学性能。

现有技术对3D打印过程冷却的方式主要是在打印基底上焊接管道或加工孔洞，通水进行冷却，或是在底部或侧部增设风扇或通风等方式冷却，亦或是对喷嘴增设冷凝管冷却。这些技术存在两个问题：一是无法获得较大的冷却速度，无法满足高温熔体及大尺寸样品的快速冷却；二是存在3D打印制品底层与上层冷却不均匀的问题。因此，探索一种用于液态金属3D打印的快速冷却装置及其冷却方法，以满足具有高冷却要求的3D打印产品及提高3D打印产品性能是目前急需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于液态金属3D打印的冷却装置，旨在提高3D打印制品底层与上层冷却的均匀度，满足对大尺寸样品的快速冷却。

本实用新型的另一目的在于提供一种液态金属3D打印装置，其能够在打印过程中提升3D打印制品底层与上层冷却的均匀度，防止顶层冷却效果不佳导致的对3D打印制品尺寸的限制。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型提供一种用于液态金属3D打印的冷却装置，包括用于固定在三维运动平台上从3D打印制品底部进行冷却的主冷却机构和在打印时位于3D打印制品上方的辅助冷却机构。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，主冷却机构包括导热平台、多个导热部和用于容置多个导热部的冷却腔体；导热平台具有与3D打印制品的底部接触的第一端面和与第一端面相对的第二端面，多个导热部均连接于导热平台的第二端面上。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，冷却腔体包括与导热平台相对设置的冷却底壁和围绕冷却底壁设置的冷却侧壁，冷却底壁和冷却侧壁之间形成供冷却介质流通的冷却通道；

每个导热部的一端均与导热平台的第二端面相连，另一端延伸至冷却底壁。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，冷却通道具有冷料进口端和与冷料进口端相对的冷料出口端，多个导热部呈多行排布以从冷料进口端延伸至冷料出口端；

从冷料进口端至冷料出口端，每行导热部的数量依次增加。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，每行中的多个导热部与相邻的另一行中的多个导热部交错设置。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，每个导热部均呈圆柱形，从冷料进口端至冷料出口端，导热部的直径依次减小。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，导热平台的第一表面上设置有多个凸起部。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，辅助冷却机构包括第一U形侧管和与第一U形侧管相对的第二U形侧管，第一U形侧管的两个端口分别为第一冷料进口和第一冷料出口，第二U形侧管的两个端口分别为第二冷料进口和第二冷料出口。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，第一U形侧管和第二 U形侧管均包括长管部、进出口弯折部和U形弯折部，进出口弯折部和U形弯折部分别位于长管部的两端。

本实用新型还提供一种液态金属3D打印装置，包括上述用于液态金属3D打印的冷却装置。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过上述设计得到的用于液态金属3D打印的冷却装置，其通过在打印过程中主冷却机构随三维运动平台运动对3D打印制品进行冷却，起到主要的冷却作用；当打印层数较多时，利用辅助冷却机构从3D打印制品上方进行冷却，防止顶层制品出现冷却效果不佳的问题。

本实用新型所提供的液态金属3D打印装置，包括上述用于液态金属3D打印的冷却装置，通过主冷却机构配合辅助冷却机构，能够提升3D打印制品上下层冷却的均匀度，有利于制备得到更大尺寸的 3D打印制品。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实用新型实施例提供的冷却装置的结构示意图；

图2是图1中辅助冷却机构的结构示意图；

图3是图1中主冷却机构的结构示意图；

图4是图3中Ⅳ区的放大图；

图5是图3中主冷却机构的部分结构示意图；

图6是图3中冷却底壁和导热部的结构示意图。

图标：100-冷却装置；110-主冷却机构；111-导热平台；1111- 第一端面；1112-凸起部；112-导热部；113-冷却腔体；114-冷却底壁；115-冷却侧壁；116-冷却通道；117-冷料进口；118-冷料出口； 120-辅助冷却机构；1201-固定块；121-第一U形侧管；122-第二U 形侧管；123-第一冷料进口；124-第一冷料出口；125-第二冷料进口； 126-第二冷料出口；127-长管部；128-进出口弯折部；129-U形弯折部。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参照图1，本实用新型实施例提供一种用于液态金属3D打印的冷却装置100包括用于固定在三维运动平台上从3D打印制品底部进行冷却的主冷却机构110和在打印时位于3D打印制品上方的辅助冷却机构120。

需要说明的是，通过主冷却机构110配合辅助冷却机构120，能够显著提升3D打印制品上下层冷却的均匀性，有利于制备得到更大尺寸的3D打印制品。主冷却机构110和辅助冷却机构120可以为现有的能够实现快速冷却的结构，不限于附图中所限定的具体结构。

请结合图1和图2，辅助冷却机构120包括第一U形侧管121和与第一U形侧管121相对的第二U形侧管122，第一U形侧管121的两个端口分别为第一冷料进口123和第一冷料出口124，第二U形侧管122的两个端口分别为第二冷料进口125和第二冷料出口126。利用相对设置的两个U形侧管对3D打印制品从顶层进行冷却，能够很好地配合主冷却机构110起到均匀冷却的效果。

具体地，第一U形侧管121和第二U形侧管122通过固定块1201 进行固定，以防止两个U形冷凝管变形。

进一步地，第一U形侧管121和第二U形侧管122均包括长管部 127、进出口弯折部128和U形弯折部129，进出口弯折128和U形弯折部129分别位于长管部127的两端。两个U形冷凝管的入水管口与出水管口在同一侧，便于安装和通水排水。通过第一U形侧管121 和第二U形侧管122的弯折形状形成一个类似正方形的形状，长管部 127为长度方向，与3D打印X轴的运动行程一致；相对应的两个弯折部如两个进出口弯折部128为宽度方向，与3D打印Y轴的运动行程一致。

需要说明的是，辅助冷却机构120固定连接在打印装备上，不随三维运动平台而运动，两个冷凝管的长度和宽度应满足打印样品的外形尺寸，即三维运动平台应在上部冷却机构的投影范围内运动，这样可保证整个3D打印样品的每一层均得到充分冷却。辅助冷却机构120 位于3D打印样品上方，通过悬挂或立杆支撑的方式与3D打印装备固定。辅助冷却机构120的位置决定了对3D打印样品的冷却效果：安装位置偏下，会造成与下部冷却机构冷却效果重叠，导致3D打印样品底部过冷，底层样品出现冷隔，上部冷却效果过差等问题；安装位置偏上，会离3D打印喷嘴太近，导致喷嘴温度过低，影响液流滴落。另外，距离3D打印样品过远，也起不到冷却效果。打印过程，每打印一层，3D打印样品在三维运动平台上随设定好的运动参数下移一层，保证辅助冷却机构120与3D打印样品高度始终保持一致。

进一步地，请参照图1和图3-6，主冷却机构110包括导热平台 111、多个导热部112和用于容置多个导热部112进行冷却的冷却腔体113；导热平台111具有与3D打印制品的底部接触的第一端面1111 和与第一端面1111相对的第二端面(图未示)，多个导热部112均连接于导热平台111的第二端面上。可以通过焊接的方式使导热部112 与导热平台111连接，冷却腔体113可以为现有的冷却结构，如通过水浴的方式对多个导热部进行降温。

具体地，导热平台111和于对多个导热部112能够将3D打印过程的热量传导出去，实现3D打印样品的整体快速冷却。导热平台111 可以采用T1紫铜板制成，紫铜板壁厚3-5mm。紫铜的导致仅次于银，导热率为401w/m·℃，是3D打印冷却系统材料的最佳选择，在满足结构稳定的前提下，铜板越薄导热效果越好，以3-5mm为宜。同样，导热部112的材质也可以为铜。

在一些实施例中，导热平台111的第一端面1111上设置有多个凸起部1112，凸起部1112可以为四面体棱台凸起结构，多面体棱台形表面能够增大与3D打印样品的接触面积。另外，打印开始时，金属液流温度较高，冷却平台温度较低，当金属液流在冷却平台铺展开后，会因强冷却产生引力而引起底层样品出现变形、翘曲等问题。采用曲面结构代替平面结构可有效减少应力的产生，消除底层样品变形，实现样品和冷却平台的“绞合”接触。

进一步地，冷却腔体113包括与导热平台111相对设置的冷却底壁114和围绕冷却底壁114设置的冷却侧壁115，冷却底壁114和冷却侧壁115之间形成供冷却介质流通的冷却通道116；每个导热部112 的一端均与导热平台111的第二端面相连，另一端延伸至冷却底壁114。利用冷却底壁114和冷却侧壁115所围成的冷却通道116供冷却介质流动对导热部112进行降温，导热部112可以位于冷却底壁 114的上方或者与之接触。导热部112与导热平台111下表面焊接在一起可以通过导热部112将与平台直接接触的3D打印样品的热量直接传递给导热部112，在通过导热部112与冷却水进行换热。

需要说明的是，冷却腔体113采用的是内腔贯通式结构，取代管壳式换热结构，保证了内腔的整体性及承压性，保证在有限空间内增大冷却水量。本实用新型中采用的内腔增设导热部112的立柱结构，可最大利用冷却空间，充水量可达整个腔体容积的60-70％。通过增设导热部112可以起到折流作用，防止流体直接绕过，降低冷却效果。

进一步地，冷却通道116具有冷料进口端和与冷料进口端相对的冷料出口端，在冷料进口端设置冷料进口117，在冷料出口端设置冷料出口118。主冷却机构110的冷料进口117大于冷料出口118，保证在系统柔韧性基础上，减小系统压降与系统运行所需动力。多个导热部112呈多行排布以从冷料进口端延伸至冷料出口端；从冷料进口端至冷料出口端，每行导热部112的数量依次增加，也就是说，从冷料进口端至冷料出口端，导热部112的分布密度越来越密集。

在一些实施例中，每个导热部112均呈圆柱形，从冷料进口端至冷料出口端，导热部112的直径依次减小。立柱排布呈散射状能够起到截流的目的，保证腔体内充满水，增强冷却效果。导热部112加工成圆柱形是为了获得最大的表面积和散热效果。导热部112数量或直径的变化均是通过增大换热面积、增加换热时间达到最佳冷却效果的目的，支撑立柱的数量、大小尺寸可根据换热需求调整。

在一些实施例中，每行中的多个导热部112与相邻的另一行中的多个导热部112交错设置，以进一步增加换热时间，提升冷却效果。

冷却装置100的使用方法可以参照如下步骤：液态金属3D打开始前，打开主冷却机构110上的冷料进口117和冷料出口118，下主冷却机构110随三维运动平台一起做往复运动，通过3D打印样品与冷却平台热传导实现样品冷却；3D打印至第3-5层时打开辅助冷却机构120两侧冷料进口和冷料出口，通过3D打印样品与冷凝管对流实现样品顶层冷却，进而加快3D打印样品的整体冷却速度；打印过程通过调整和分配主冷却机构110与辅助冷却机构120进水口流速来控制各自冷却效果。

本实用新型还提供一种液态金属3D打印装置，包括上述用于液态金属3D打印的冷却装置，还可以包括三维运动平台等结构。

综上所述，本实用新型提供了一种用于液态金属3D打印的冷却装置其通过在打印过程中主冷却机构随三维运动平台运动对3D打印制品进行冷却，起到主要的冷却作用；当打印层数较多时，利用辅助冷却机构从3D打印制品上方进行冷却，防止顶层制品出现冷却效果不佳的问题。

本实用新型还提供了一种液态金属3D打印装置，包括上述用于液态金属3D打印的冷却装置，通过主冷却机构配合辅助冷却机构，能够提升3D打印制品上下层冷却的均匀度，有利于制备得到更大尺寸的3D打印制品。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于液态金属3D打印的冷却装置，其特征在于，包括用于固定在三维运动平台上从3D打印制品底部进行冷却的主冷却机构和在打印时位于3D打印制品上方的辅助冷却机构。

2.根据权利要求1所述的用于液态金属3D打印的冷却装置，其特征在于，所述主冷却机构包括导热平台、多个导热部和用于容置多个所述导热部的冷却腔体；

所述导热平台具有与所述3D打印制品的底部接触的第一端面和与所述第一端面相对的第二端面，多个所述导热部均连接于所述导热平台的所述第二端面上。

3.根据权利要求2所述的用于液态金属3D打印的冷却装置，其特征在于，所述冷却腔体包括与所述导热平台相对设置的冷却底壁和围绕所述冷却底壁设置的冷却侧壁，所述冷却底壁和所述冷却侧壁之间形成供冷却介质流通的冷却通道；

每个所述导热部的一端均与所述导热平台的所述第二端面相连，另一端延伸至所述冷却底壁。

4.根据权利要求3所述的用于液态金属3D打印的冷却装置，其特征在于，所述冷却通道具有冷料进口端和与所述冷料进口端相对的冷料出口端，多个所述导热部呈多行排布以从所述冷料进口端延伸至所述冷料出口端；

从所述冷料进口端至所述冷料出口端，每行所述导热部的数量依次增加。

5.根据权利要求4所述的用于液态金属3D打印的冷却装置，其特征在于，每行中的多个所述导热部与相邻的另一行中的多个所述导热部交错设置。

6.根据权利要求4所述的用于液态金属3D打印的冷却装置，其特征在于，每个所述导热部均呈圆柱形，从所述冷料进口端至所述冷料出口端，所述导热部的直径依次减小。

7.根据权利要求2所述的用于液态金属3D打印的冷却装置，其特征在于，所述导热平台的所述第一端面上设置有多个凸起部。

8.根据权利要求1所述的用于液态金属3D打印的冷却装置，其特征在于，所述辅助冷却机构包括第一U形侧管和与所述第一U形侧管相对的第二U形侧管，所述第一U形侧管的两个端口分别为第一冷料进口和第一冷料出口，所述第二U形侧管的两个端口分别为第二冷料进口和第二冷料出口。

9.根据权利要求8所述的用于液态金属3D打印的冷却装置，其特征在于，所述第一U形侧管和所述第二U形侧管均包括长管部、进出口弯折部和U形弯折部，所述进出口弯折部和所述U形弯折部分别位于所述长管部的两端。

10.一种液态金属3D打印装置，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述用于液态金属3D打印的冷却装置。

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