[发明专利]一种金属3D打印设备和方法

说明书

一种金属3D打印设备和方法，属于3D打印技术领域。本发明通过采取将金属3D打印设备的供料系统和出料系统分离、打印成形区域与冷却介质分开、供料系统置于成形室外以及喷嘴的出料口大小可根据产品的尺寸进行调控等措施，基于熔体直接供料和冷却介质冷却高效低成本3D打印成形高质量金属产品，特别适用于大型金属产品的高效成形。本发明的3D打印设备机构动作灵活、运行速度快、灵活度高、柔性大、制造成本低，3D打印成形过程效率高、工艺参数易于控制，打印成形的金属产品质量和可重复性好、生产成本低。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种金属3D打印设备和方法。

技术背景

3D打印技术是20世纪80年代初期发展起来的一种新型材料成形技术，其原理是首先利用计算机建立所需成形产品的三维实体模型，再使用分层切片软件将该产品的三维实体模型处理成一系列二维截面，然后采用3D打印设备将材料按二维截面的形状逐层堆积，最终成形得到三维实体产品。3D打印技术具有生产流程短、材料利用率高等特点，能够实现形状复杂、小批量、个性化产品的近终形生产。

3D打印技术自诞生以来，就以金属材料、无机非金属材料或高分子材料等为原料，在国民经济、国防军工和日常生活等领域的产品生产中得到推广应用。由于金属产品在人们生产生活中具有广泛用途，因此金属3D打印技术在3D打印领域占有极其重要的地位，被称为“3D打印王冠上的明珠”，是门槛最高、前景最好、最前沿的3D打印技术之一。传统的金属3D打印技术主要包括选区激光熔化技术、选区激光烧结技术、激光工程化净成形技术、选区电子束熔化技术和电弧3D打印技术等，通常需要采用激光、电子束或电弧等高能量密度热源来熔化金属，其原料也均需预先制成一定形状尺寸的线材或粉体，从而导致设备及原料的成本均较高；另外，由于冷却条件及技术条件的限制，现有金属3D打印技术每道次的成形宽度和厚度一般都在微米级或毫米级，使得生产较大尺寸产品时的成形效率较低，生产成本较高。由于上述突出问题的存在，严重制约了金属3D打印技术的快速发展和推广应用。因此，采用金属熔体直接供料，并使金属熔体以液流形式连续喷出打印，同时利用冷却介质(如冷却气体、冷却水、液态金属等)进行快速冷却的成形方式，成为了目前金属3D打印的发展方向和应用趋势。但是，这类采用金属熔体直接供料和冷却介质冷却的金属3D打印技术仍然存在着一些明显的缺点：采用冷却气体进行冷却时金属熔体凝固速率较低且费用较高，采用冷却水进行冷却时每层金属表面氧化严重且成形产品质量较差，现有的将喷嘴置于液态金属中直接打印并冷却的方式使得快速凝固得到的金属产品的层间结合强度较低、液态金属对金属产品污染严重、金属液流和喷嘴的温度

打印效率偏低、打印产品精度不易控制；从供料到打印成形整个机构都安装在密闭腔体中，连续加料不便、设备投资大；打印成形金属产品的可重复性差和质量难以保证，生产成本较高。

因此，开发生产成本低、设备机构动作灵活、运行速度快、打印效率高、工艺参数易于控制、成形产品质量和可重复性好的新型金属3D打印技术，具有十分迫切而重要的意义。

发明内容

本发明针对现有的采用熔体直接供料和冷却介质冷却的金属3D打印技术存在的生产成本高、设备机构动作灵活性较差、运行速度较慢、打印效率低、工艺参数不易控制以及成形产品质量和可重复性较差等不足，提出将设备的供料系统和出料系统分离、打印成形区域与冷却介质分开、供料系统置于成形室外以及喷嘴的出料口大小可根据产品的尺寸进行调控等新方法，在此基础上开发一种新型的金属3D打印技术。本发明的目的是提供一种金属3D打印设备和方法，特别适用于大型金属产品的高效成形。

一种金属3D打印设备，该设备由气氛调控系统、供料系统、出料系统、冷却系统、运动系统和控制系统组成。