CN104338933A - 一种用于金属熔融挤出成型的3d打印头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于金属熔融挤出成型的3D打印头，包括壳体、原料通道、加热***、冷却***及温度控制***，所述原料通道包括原料入口、传送辊、长条形中空坩埚、原料出口及位于原料出口处的绝热环；所述坩埚外部靠近原料出口端包覆有热屏蔽层，所述加热***包括套设在热屏蔽层和坩埚之间的电磁感应线圈和电磁感应电源，所述冷却***包括套设在坩埚靠近原料入口端外部的水冷套和冷却水供给装置，所述温度控制***包括温度的传感器、数据分析模块、用于调节电磁感应线线圈功率和/或冷却水流量的PLC控制单元。本发明的3D打印头，可以快速完成金属原料的加热融化，解决了普通金属材料无法熔融挤出成型的问题。
Description
技术领域
本发明属于三维制造技术领域，涉及金属熔融挤出成型技术，特别涉及一种用于金属熔融挤出成型的3D打印头。
背景技术
从产生至今的20多年中，三维打印技术得到迅速发展。按打印材料分类，三维打印可分为金属、非金属、陶瓷材料、复合材料及生物材料打印技术；按成型方式分类，三维打印可分为粉末烧结技术(SLS)，粉末熔融技术(SLM)，激光近成型技术(LENS)以及挤出熔融技术(FDM)。
金属材料熔点较高，一般都是选择高能束烧结/熔化化的方式，例如SLM、LENS以及EBM技术；材料形态为粒度从10微米到100微米的球形粉。球形粉需经过等离子体球化等特殊方法处理，导致原料成本大幅提升；而且，以电子束、激光束等高能束为基础的成型技术，由于用到的激光***以及电子束***昂贵且复杂，导致整体成型成本高且成型效率低，阻碍了金属材料快速成型技术的广泛推广。
FDM技术所用的材料一般为丝材或者带材，原材料成本低廉；而FDM技术本身设备成本也比较低，从而使得FDM技术的整体成本低廉，成型效率高。然而FDM设备的输出功率有限，目前大都是用在塑料材质的快速成型上。因此，如果能综合FDM成本低效率高的优势，以及金属材料性能优异的优势，必将极大推动快速成型技术的广泛推广，改变目前金属部件的制造方式。
3D打印头是3D打印的核心部件，但到目前为止，尚未见有关于金属熔融挤出的3D打印头的设计报道。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于金属熔融挤出成型的3D打印头，从而实现金属熔融挤出3D打印成型。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于金属熔融挤出成型的3D打印头，包括壳体、原料通道、加热***、冷却***及温度控制***，所述原料通道位于壳体内部，依次包括原料入口、传送辊、长条形中空坩埚和原料出口，所述原料出口处设有用于阻止坩埚及金属熔体与外界热传递的绝热环，金属原料由原料入口进入通道，经传送辊传送进入坩埚，在坩埚内熔炼成金属熔体，该金属熔体由原料出口离开通道；所述坩埚外部靠近原料出口端包覆有热屏蔽层，所述加热***包括电磁感应线圈和电磁感应电源，所述电磁感应线圈套设在热屏蔽层外；所述冷却***包括套设在坩埚靠近原料入口端外部的水冷套和冷却水供给装置，所述温度控制***包括用于监测金属原料和/或坩埚温度的传感器、用于分析传感器信息的数据分析模块、用于调节电磁感应线线圈功率和/或冷却水流量的PLC控制单元。
进一步，所述原料通道还包括设置在原料入口和传送辊之间用于校准金属原料位置的准直轮。
进一步，所述金属原料为铝、镁、锂、钠、钾、钙、锶、钡、钛、铁、钴、镍、铜、锌、镓、银、金、铂、铬、镉、铟、锡、锑、铅、汞、铋、钽、铪、钨、钇、锆、碲、稀土金属及其合金，所述坩埚的材质为氧化铝基陶瓷材料、氧化镁基陶瓷材料、碳化硅陶瓷材料、氮化硅陶瓷材料、石墨、铁、不锈钢、铜，所述坩埚的熔点高于金属原料的熔点，所述坩埚内壁光滑。
进一步，所述金属原料呈金属丝材或者带材，所述金属丝材的直径0.05mm～10mm丝状，所述金属带材的截面积为0.01mm2～100mm2。
进一步，所述热屏蔽层材质为不透明的金属、石英、石棉或陶瓷。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种通过电磁感应加热的3D打印头，可以实现对金属原料快速、直接加热融化，能够满足金属熔融挤出的要求，有效解决了普通金属材料无法用熔融挤出方法成型的问题；本发明3D打印头还设置了水冷却***和温度控制***，使得3D打印头各个部位的温度处于合理区间，在金属熔融时仍能正常使用；本发明3D打印头还设置了热屏蔽层和绝热环，一方面避免金属熔体与外界热传递过快，另一方面避免了金属熔体的高温影响打印头其他部位(如校准辊、送料辊)的工作；本发明3D打印头进一步优选了金属熔体与坩埚材质，避免两者反应而引入杂质。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明用于金属熔融挤出成型3D打印头的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1：
如图1所示，本发明用于金属熔融挤出成型的3D打印头，包括壳体1、原料通道、加热***、冷却***及温度控制***，所述原料通道位于壳体1内部，依次包括原料入口、准直轮3、传送辊4、长条形中空坩埚7(本实施例中坩埚7的内壁8光滑，对金属移动/流动阻力较小)和原料出口11，所述原料出口11处设有用于阻止坩埚7及金属熔体与外界热传递的绝热环12，金属原料2由原料入口进入通道，经准直轮3校正，传送辊4传送进入坩埚7，在坩埚内熔炼成金属熔体，该金属熔体由原料出口11离开通道；所述坩埚7外部靠近原料出口11端包覆有热屏蔽层9，所述加热***包括电磁感应线圈18和电磁感应电源13和与两者连通的导线14，所述电磁感应线圈18套设在热屏蔽层9外；所述冷却***包括套设在坩埚7靠近原料入口端外部的水冷套17和冷却水供给装置16及水管15，所述温度控制***包括用于监测金属原料和/或坩埚温度的传感器6、用于分析传感器信息的数据分析模块、用于调节电磁感应线圈18功率和/或冷却水流量的PLC控制单元。
本实施例中，所述金属原料为铝合金，所述坩埚的材质为氧化铝基陶瓷材料，所述热屏蔽层材质为石棉。
工作时：金属原料2(直径为0.05mm～10mm的金属丝或截面积为0.01mm2～100mm2的金属带)由上端原料入口进入通道，经准直轮3校正，传送辊4传送进入坩埚7，此时金属原料2在电磁感应线圈18的加热下逐渐融化得到金属熔体10(金属原料2进入坩埚7一段距离后开始融化，即坩埚7中存在金属原料2的固液分界面5)，该金属熔体10由原料出口11离开通道；电磁感应线圈18加热过程中，传感器6随时监控金属原料和/或坩埚的温度并将该信息传送到数据分析模块确定是否需要改变加热功率或增加冷却水循环速度。
需要说明的是，金属原料可以是为铝、镁、锂、钠、钾、钙、锶、钡、钛、铁、钴、镍、铜、锌、镓、银、金、铂、铬、镉、铟、锡、锑、铅、汞、铋、钽、铪、钨、钇、锆、碲、稀土金属及其合金中的任意一种，坩埚的材质为氧化铝基陶瓷材料、氧化镁基陶瓷材料、碳化硅陶瓷材料、氮化硅陶瓷材料、石墨、铁、不锈钢、铜中的任意一种，热屏蔽层材质为不透明的金属、石英、石棉或陶瓷中的任意一种；只要坩埚的熔点高于金属原料的熔点且坩埚不与金属熔体反应，坩埚内壁8光滑，均具有较好的使用效果。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种用于金属熔融挤出成型的3D打印头，包括壳体、原料通道、加热***、冷却***及温度控制***，其特征在于：所述原料通道位于壳体内部，依次包括原料入口、传送辊、长条形中空坩埚和原料出口，所述原料出口处设有用于阻止坩埚及金属熔体与外界热传递的绝热环，金属原料由原料入口进入通道，经传送辊传送进入坩埚，在坩埚内熔炼成金属熔体，该金属熔体由原料出口离开通道；所述坩埚外部靠近原料出口端包覆有热屏蔽层，所述加热***包括电磁感应线圈和电磁感应电源，所述电磁感应线圈套设在热屏蔽层外；所述冷却***包括套设在坩埚靠近原料入口端外部的水冷套和冷却水供给装置，所述温度控制***包括用于监测金属原料和/或坩埚温度的传感器、用于分析传感器信息的数据分析模块、用于调节电磁感应线线圈功率和/或冷却水流量的PLC控制单元。
2.根据权利要求1所述用于金属熔融挤出成型的3D打印头，其特征在于：所述原料通道还包括设置在原料入口和传送辊之间用于校准金属原料位置的准直轮。
3.根据权利要求1所述用于金属熔融挤出成型的3D打印头，其特征在于：还包括设置在。
4.根据权利要求1所述用于金属熔融挤出成型的3D打印头，其特征在于：所述金属原料为铝、镁、锂、钠、钾、钙、锶、钡、钛、铁、钴、镍、铜、锌、镓、银、金、铂、铬、镉、铟、锡、锑、铅、汞、铋、钽、铪、钨、钇、锆、碲、稀土金属及其合金，所述坩埚的材质为氧化铝基陶瓷材料、氧化镁基陶瓷材料、碳化硅陶瓷材料、氮化硅陶瓷材料、石墨、铁、不锈钢、铜，所述坩埚的熔点高于金属原料的熔点，所述坩埚内壁光滑。
5.根据权利要求1所述用于金属熔融挤出成型的3D打印头，其特征在于：所述金属原料呈金属丝材或者带材，所述金属丝材的直径0.05mm～10mm丝状，所述金属带材的截面积为0.01mm2～100mm2。
6.根据权利要求1所述用于金属熔融挤出成型的3D打印头，其特征在于：所述热屏蔽层材质为不透明的金属、石英、石棉或陶瓷。
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