[发明专利]一种金属3D打印设备和方法

摘要

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。

主权项

1.一种金属3D打印设备，其特征在于，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；所述的气氛调控系统包括成形室(13)、抽真空系统(28)和充气系统(27)；成形室(13)内安装了所述的出料系统、所述的冷却系统和所述的运动系统，利用成形室(13)将其外部的空气与所述的出料系统、所述的冷却系统和所述的运动系统隔绝；抽真空系统(28)与成形室(13)相连，用于将成形室(13)内的空气抽至成形室(13)外，使成形室(13)内获得所需的真空度；充气系统(27)与成形室(13)相连，用于向成形室(13)内充入保护气体；所述的供料系统包括熔化炉(2)、保温炉(9)、熔体传输管道(4)、熔化炉塞杆(1)、保温炉液位探针(8)、供料压块(6)、供料管道(11)、密封挡板(7)、熔化炉加热器(3)、保温炉加热器(10)、熔体传输管道加热器(5)和供料管道加热器(12)，位于成形室(13)上方，用于向所述的出料系统连续提供金属熔体；熔化炉(2)用于盛装和加热熔化固体金属原料，并向保温炉(9)输送金属熔体；保温炉(9)安装在熔化炉(2)的一侧，用于控制和稳定来自熔化炉(2)的金属熔体的温度，并向所述的出料系统输送金属熔体；熔体传输管道(4)位于熔化炉(2)和保温炉(9)之间，其一端与熔化炉(2)底部的出液口相连，另一端与保温炉(9)侧面下部的进液口相连，是金属熔体从熔化炉(2)流入保温炉(9)的通道；熔化炉塞杆(1)位于熔化炉(2)内部，与熔化炉(2)底部的出液口保持对中，用于控制从熔化炉(2)中流入保温炉(9)中的金属熔体的量；保温炉液位探针(8)位于保温炉(9)内部，用于测量保温炉(9)内的金属熔体的液面高度，以便对保温炉(9)中金属熔体的量进行控制并防止金属熔体从保温炉(9)中溢出；供料压块(6)安装于保温炉(9)内部，用于精确控制提供给所述的出料系统的金属熔体的量；供料管道(11)是连接所述的供料系统与所述的出料系统的通道，其中部为倒U型结构，一端与保温炉(9)侧面上部的出液口相连，另一端从成形室(13)上方穿过成形室(13)的顶盖进入成形室(13)中，用于向所述的出料系统输送金属熔体并在供料管道(11)的倒U型结构中形成液封；密封挡板(7)安装于保温炉(9)的出液口上方，可上下运动用于开关保温炉(9)的出液口；熔化炉加热器(3)位于熔化炉(2)外部周围，用于加热和熔化熔化炉(2)内金属原料；保温炉加热器(10)位于保温炉(9)外部周围，用于控制和稳定保温炉(9)内金属熔体的温度；熔体传输管道加热器(5)位于熔体传输管道(4)外部周围，用于控制和稳定熔体传输管道(4)的温度；供料管道加热器(12)位于供料管道(11)外部周围，用于控制和稳定供料管道(11)的温度；所述的出料系统包括喷嘴(18)、喷嘴顶盖(15)、喷嘴液位探针(16)、喷嘴塞杆(17)、喷嘴补料管道(20)、喷嘴加热器(21)和喷嘴补料管道加热器(19)；喷嘴(18)位于所述的供料系统的下方，用于盛装来自保温炉(9)的金属熔体并通过其底部的出料口喷出金属熔体；喷嘴顶盖(15)位于喷嘴(18)上方，用于防止喷嘴(18)中金属蒸汽和热量的扩散；喷嘴液位探针(16)位于喷嘴(18)内部，用于测量喷嘴(18)内金属熔体的液面高度；喷嘴塞杆(17)位于喷嘴(18)内部，与喷嘴(18)的出料口保持对中，用于控制出料的启停以及调控出料的流量；喷嘴补料管道(20)从喷嘴顶盖(15)的上方穿过喷嘴顶盖(15)进入喷嘴(18)内，是金属熔体通过供料管道(11)后流入喷嘴(18)的通道；喷嘴加热器(21)位于喷嘴(18)外部周围，用于控制和稳定喷嘴(18)内金属熔体的温度；喷嘴补料管道加热器(19)位于喷嘴补料管道(20)外部周围，用于控制和稳定喷嘴补料管道(20)的温度；所述的冷却系统包括冷却槽(22)、基板(24)、液态金属(25)和液态金属回收槽(23)；冷却槽(22)位于所述的出料系统的下方，其侧壁内部通有冷却介质，冷却槽(22)用于盛放及冷却液态金属(25)；基板(24)位于冷却槽(22)内的中上部，其底部浸在液态金属(25)中，用于沉积由喷嘴(18)的出料口喷出的金属熔体；液态金属(25)装在冷却槽(22)内，用于冷却基板(24)及沉积的金属熔体；液态金属回收槽(23)位于冷却槽(22)外部周围，用于回收从冷却槽(22)中溢出的液态金属(25)；所述的运动系统包括水平方向运动装置(14)和竖直方向运动装置(26)；水平方向运动装置(14)位于所述的出料系统上方，与喷嘴(18)固定在一起，用于控制喷嘴(18)做水平方向运动；竖直方向运动装置(26)位于基板(24)下方，从下向上依次穿过成形室(13)的底板、液态金属回收槽(23)的底板、冷却槽(22)的底板和液态金属(25)，与基板(24)的底部固定在一起，用于控制基板(24)做竖直方向运动；所述的控制系统包括电子设备(29)和控制器(30)；电子设备(29)安装有控制软件并与控制器(30)相连，用于向控制器(30)发出控制指令；控制器(30)与所述的气氛调控系统、所述的供料系统、所述的出料系统和所述的运动系统相连，用于控制这些系统执行电子设备(29)发出的控制指令。