CN110090958A - 一种高频感应熔化装置、3d打印***及3d打印工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高频感应熔化装置、3D打印***，涉及增材制造技术领域。该高频感应熔化装置包括送料机构和感应线圈；将金属棒材固定在送料机构上，送料机构能够将金属棒材移动到感应线圈内。该3D打印***包括工作平台以及上述高频感应熔化装置；工作平台水平放置时，熔炼仓、换料仓和送料机构从下往上依次设置于工作平台上。本发明的高频感应熔化装置，利用电极感应线圈直接熔化金属棒材，工艺成本低廉、生产效率高。本发明的3D打印***，利用工作平台与高频感应熔化装置的组合结构，适用于采用多种金属棒材高效率地生产超大尺寸的结构件。在此基础上，本发明还提供了一种3D打印***及3D打印工艺。

Description

一种高频感应熔化装置、3D打印***及3D打印工艺

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言，涉及一种高频感应熔化装置、3D打印***及3D打印工艺。

背景技术

增材制造(俗称3D打印)技术被誉为将引领“第三次工业革命”的关键技术之一，近年来得到各国高度重视和国内外学者的广泛研究。作为新一轮工业革命的重要标志之一，增材制造技术已成为加快制造业转变发展方式和提质增效升级的重要手段。

由于金属3D打印技术经历的发展时间整体较短，即使目前处于国际领先水平的主流设备仍存在打印速度偏低、尺寸小、稳定性差及可操作性不足等问题，尤其是目前现有的3D打印技术的成型速度相比传统铸锻工艺来说要慢几十倍甚至几百倍，目前最快的3D打印工艺如同轴送粉打印工艺成型速度也不过1kg-10kg/小时，要打印几米长的大型结构件时仍然需要十几天到几个月时间，难以满足高端制造业批量化生产的成本控制及交付周期的要求。对于轨道交通、航空航天、石油化工、核电新能源等领域大型结构件的应用，往往一个构件尺寸长达几米到十几米，重量达几百公斤至几吨，甚至几十吨，现今的3D打印工艺(粉末床、同轴送粉、送丝熔融、激光烧结等)相比起传统的铸锻工艺，无论从加工效率、制件成本、加工尺寸来说，都存在着一条无法逾越的鸿沟，这将大大地限制3D打印走向真正的批量化生产应用。

因此，亟需寻求一种可以满足大型结构件生产、具有高效率低成本优势的3D打印装置和工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频感应熔化装置，其能够提高3D打印效率、降低3D打印工艺成本、满足大型结构件生产的需要。

本发明的另一目的在于提供一种3D打印***和3D打印工艺，其能够在一套生产设备上直接利用金属棒材高效地生产超大尺寸结构件。

本发明的实施例是这样实现的：

一种高频感应熔化装置，其包括送料机构和感应线圈；将金属棒材固定在所述送料机构上，所述送料机构能够将金属棒材移动到所述感应线圈内。

在本发明较佳的实施例中，还包括熔炼仓；所述感应线圈内置于所述熔炼仓，所述送料机构位于所述熔炼仓之外，能够驱动金属棒材进出所述熔炼仓的内腔。其技术效果在于：熔炼仓用于充入惰性气体，以保证金属棒材在可靠的环境中依靠感应线圈的热源，实现无坩埚接触熔化。

在本发明较佳的实施例中，还包括换料仓；所述送料机构通过所述换料仓与所述熔炼仓密封连通，金属棒材固定于所述送料机构时，位于所述换料仓内。其技术效果在于：换料仓用于储备金属棒材，在工艺过程中，当一个换料仓内的金属棒材熔化结束后，可迅速更换另一个换料仓，无间隙地继续进行金属棒材的熔化堆积工作。

在本发明较佳的实施例中，所述送料机构设置有相互连接的送料导杆和驱动电机；所述送料导杆的中心线与所述感应线圈的中心线重合；所述送料导杆靠近所述感应线圈的一端用于固定金属棒材，所述送料导杆在驱动电机的推动下，能够带动金属棒材从所述感应线圈的中心穿过。其技术效果在于：送料机构优选采用齿轮和齿条机构，利用齿轮转动带动齿条平移，进而推动金属棒材沿自身的轴线方向移动进入感应线圈中实现熔化。

一种3D打印***，其包括工作平台以及上述的高频感应熔化装置；所述工作平台水平放置时，位于所述感应线圈的下方，所述送料机构位于所述感应线圈的上方。

在本发明较佳的实施例中，还包括连接所述工作平台的驱动装置；所述工作平台水平放置时，所述驱动装置能够驱动所述工作平台沿水平方向移动，并能够驱动所述工作平台上下升降。其技术效果在于：将工作平台设置为具有水平方向移动和竖直方向上下升降的活动自由度，使得金属棒材熔化的滴液能够在工作平台的水平方向先实现一个平面层次的工件堆积，然后在竖直方向进行下一个平面层次的工件堆积，有顺序有阶梯地完成整个工件的成形工作。具体地，可采用齿轮和齿条结构实现工作平台在水平方向的X向和Y向的平移，而采用螺纹螺杆机构或者铰接式升降架实现工作平台在竖直方向的移动。

一种3D打印***，其包括工作平台以及上述的高频感应熔化装置；所述工作平台水平放置时，所述熔炼仓、所述换料仓和所述送料机构从下往上依次设置于所述工作平台上。

在本发明较佳的实施例中，还包括换仓转盘；所述换仓转盘设置在所述熔炼仓和所述换料仓之间，多个所述换料仓沿所述换仓转盘的周向设置在所述换仓转盘上。其技术效果在于：换仓转盘以及沿其周向分布的多个换料仓，能够在一个金属棒材熔化完毕后，迅速更换另一个内置了金属棒材的换料仓继续进行打印工作，提高了3D打印工艺的加工效率。

一种3D打印工艺，包括以下步骤：

S1、金属棒材由所述送料机构送至所述感应线圈内熔化，并在所述工作平台形成结构件；

S2、驱动所述工作平台在水平面上移动；

S3、驱动所述工作平台在竖直面上移动；如打印结束则停止熔化金属棒材，如未结束则重新开始S2。

一种3D打印工艺，包括以下步骤：

S1、金属棒材由所述送料机构送至所述感应线圈内熔化，并在所述工作平台形成结构件；

S2、当金属棒材熔化完毕后，转动所述换仓转盘，将另一个所述换料仓与所述送料机构连接。

本发明实施例的有益效果是：

1、高频感应熔化装置利用电极感应线圈直接熔化金属棒材，采用金属棒材作为原材料，大大提高了打印成型速度，提高了生产效率，使得超大尺寸金属结构件的生产能够满足施工效率的要求。

2、高频感应熔化装置避免了现有工艺如同轴送粉工艺中送粉器送粉不畅、喷嘴易堵嘴等工艺问题，保证了3D打印工艺的连续生产能力。

3、高频感应熔化装置由于直接熔化金属棒材，无需先将原材料由棒材进行粉末雾化，降低了原材料采购成本。

4、高频感应熔化装置由于直接熔化金属棒材，避免了现有打印工艺以粉末或者丝材作为原材料时难以将钛合金等高强度金属棒材实现细丝和粉末的制造难题。

5、3D打印***和3D打印工艺除了具备高频感应熔化装置具有的上述技术效果外，更有利于在一套设备中直接利用金属棒材高效地生产超大尺寸结构件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的某些实施例，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为本发明实施例一提供的高频感应熔化装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的高频感应熔化装置的结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的3D打印***的结构示意图；

图4为本发明实施例四提供的3D打印***的结构示意图。

图中：1-送料机构；101-驱动电机；102-送料导杆；2-感应线圈；3-金属棒材；4-熔炼仓；5-换料仓；6-工作平台；7-换仓转盘。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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能够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。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

第一实施例：

图1为本发明实施例一提供的高频感应熔化装置的结构示意图。请参照图1，本实施例提供一种高频感应熔化装置，其包括送料机构1和感应线圈2；将金属棒材3固定在所述送料机构1上，所述送料机构1能够将金属棒材3移动到所述感应线圈2内。

请参照图1，还包括熔炼仓4；所述感应线圈2内置于所述熔炼仓4，所述送料机构1位于所述熔炼仓4之外，并能够驱动金属棒材3进出所述熔炼仓4的内腔。熔炼仓4用于充入惰性气体，以保证金属棒材3在可靠的环境中依靠感应线圈2的热源，实现无坩埚接触熔化。

在上述实施例中，高频感应熔化装置利用电极感应线圈2直接熔化金属棒材3，采用金属棒材3作为原材料，大大提高了打印成型速度，提高了生产效率，使得超大尺寸金属结构件的生产能够满足施工效率的要求。

第二实施例：

图2为本发明实施例二提供的高频感应熔化装置的结构示意图。请参照图2，本实施例提供一种高频感应熔化装置，其与第一实施例的高频感应熔化装置大致相同，二者的区别在于本实施例的高频感应熔化装置还包括换料仓5；所述送料机构1通过所述换料仓5与所述熔炼仓4密封连通，金属棒材3固定于所述送料机构1时，位于所述换料仓5内。高频感应熔化装置的换料仓5用于储备金属棒材3，在工艺过程中，当一个换料仓5内的金属棒材3熔化结束后，可迅速更换另一个换料仓5，无间隙地继续进行金属棒材3的熔化堆积工作。

请参照图2，所述送料机构1设置有相互连接的送料导杆102和驱动电机101；所述送料导杆102的中心线与所述感应线圈2的中心线重合；所述送料导杆102靠近所述感应线圈2的一端用于固定金属棒材3，所述送料导杆102在驱动电机101的推动下，能够带动金属棒材3从所述感应线圈2的中心穿过。送料机构1优选采用齿轮和齿条机构，利用齿轮转动带动齿条平移，进而推动金属棒材3沿自身的轴线方向移动进入感应线圈2中实现熔化。

第三实施例：

图3为本发明实施例三提供的3D打印***的结构示意图。请参照图3，本实施例提供一种3D打印***，其包括工作平台6以及上述的高频感应熔化装置；所述工作平台6水平放置时，位于所述感应线圈2的下方，所述送料机构1位于所述感应线圈2的上方。

请参照图3，还包括连接所述工作平台6的驱动装置；所述工作平台6水平放置时，所述驱动装置能够驱动所述工作平台6沿水平方向移动，并能够驱动所述工作平台6上下升降。可采用齿轮和齿条结构实现工作平台6在水平方向的X向和Y向的平移，而采用螺纹螺杆机构或者铰接式升降架实现工作平台6在竖直方向的移动。

第四实施例：

图4为本发明实施例四提供的3D打印***的结构示意图。请参照图4，本实施例提供一种3D打印***，其包括工作平台6以及上述的高频感应熔化装置；所述工作平台6水平放置时，所述熔炼仓4、所述换料仓5和所述送料机构1从下往上依次设置于所述工作平台6上。

请参照图4，还包括换仓转盘7；所述换仓转盘7设置在所述熔炼仓4和所述换料仓5之间，多个所述换料仓5沿所述换仓转盘7的周向设置在所述换仓转盘7上。换仓转盘7以及沿其周向分布的多个换料仓5，能够在一个金属棒材3熔化完毕后，迅速更换另一个内置了金属棒材3的换料仓5继续进行打印工作，提高了3D打印工艺的加工效率。

基于上述3D打印***的3D打印工艺具体流程如下：

(1)将直径为30mm-80mm原材料金属棒材3由驱动电机101通过送料导杆102以一定的进给速度平稳送至感应线圈2中。此时，原材料金属棒材3的端部应设计为具有一定角度的锥形体结构。

(2)开启高频感应电源使感应线圈2产生高频感应磁场，在高频感应磁场的作用下，金属棒材3开始熔化并形成连续的液滴，以悬空的方式自由落体滴至工作平台6。

(3)金属棒材3熔融滴下来的液滴落在工作平台6上，堆积形成一定高度的工件部分，随着工作平台6在一个水平面的X、Y方向上移动，液滴与工作平台6形成相对移动，由电脑控制高频电源的开和关，从而决定是否产生或停止液滴的落下，并以一定的轨迹在当前垂直高度上堆积出工件所需要的形状。

(4)由在线检测单元实时监测工件的堆积高度，若达到工件的堆积高度则向计算机发出指令，继续堆积当前垂直高度上的下一个成形区域。

(5)堆积完成当前垂直高度的结构后，工作平台6以设定的高度沿Z方向移动一个步距，然后接着进行下一层的工件堆积。

(6)如此循序渐进地堆积，直至工件最后一层堆积完成，从而完成了整个工件的成形工作。

(7)若在打印过程中，出现一根金属棒材3熔化完毕的情况时，通过转动换仓转盘7，切换第二个换料仓5至加工工位，此时换料仓5应充满惰性气体，在惰性气体环境的保护下完成换料工作，继续进行下一根金属棒材3的熔化堆积工作；随后，因金属棒材3熔化结束而切换出来的换料仓5，可以打开仓门更换下一根金属棒材3，之后向此换料仓5充入惰性气体，等待切换。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种高频感应熔化装置，其特征在于，包括送料机构和感应线圈；将金属棒材固定在所述送料机构上，所述送料机构能够将金属棒材移动到所述感应线圈内。

2.根据权利要求1所述的高频感应熔化装置，其特征在于，还包括熔炼仓；所述感应线圈内置于所述熔炼仓，所述送料机构位于所述熔炼仓之外，能够驱动金属棒材进出所述熔炼仓的内腔。

3.根据权利要求2所述的高频感应熔化装置，其特征在于，还包括换料仓；所述送料机构通过所述换料仓与所述熔炼仓密封连通，金属棒材固定于所述送料机构时，位于所述换料仓内。

4.根据权利要求1～3任一项所述的高频感应熔化装置，其特征在于，所述送料机构设置有相互连接的送料导杆和驱动电机；所述送料导杆的中心线与所述感应线圈的中心线重合；所述送料导杆靠近所述感应线圈的一端用于固定金属棒材，所述送料导杆在驱动电机的推动下，能够带动金属棒材从所述感应线圈的中心穿过。

5.一种3D打印***，其特征在于，包括工作平台以及如权利要求1或2所述的高频感应熔化装置；

所述工作平台水平放置时，位于所述感应线圈的下方，所述送料机构位于所述感应线圈的上方。

6.根据权利要求5所述的3D打印***，其特征在于，还包括连接所述工作平台的驱动装置；所述工作平台水平放置时，所述驱动装置能够驱动所述工作平台沿水平方向移动，并能够驱动所述工作平台上下升降。

7.一种3D打印***，其特征在于，包括工作平台以及如权利要求3所述的高频感应熔化装置；

所述工作平台水平放置时，所述熔炼仓、所述换料仓和所述送料机构从下往上依次设置于所述工作平台上。

8.根据权利要求7所述的3D打印***，其特征在于，还包括换仓转盘；所述换仓转盘设置在所述熔炼仓和所述换料仓之间，多个所述换料仓沿所述换仓转盘的周向设置在所述换仓转盘上。

9.一种基于权利要求6所述的3D打印***的3D打印工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、金属棒材由所述送料机构送至所述感应线圈内熔化，并在所述工作平台形成结构件；

步骤S2、驱动所述工作平台在水平面上移动；

步骤S3、驱动所述工作平台在竖直面上移动；如打印结束则停止熔化金属棒材，如未结束则重新开始步骤S2。

10.一种基于权利要求8所述的3D打印***的3D打印工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、金属棒材由所述送料机构送至所述感应线圈内熔化，并在所述工作平台形成结构件；

步骤S2、当金属棒材熔化完毕后，转动所述换仓转盘，将另一个所述换料仓与所述送料机构连接。