CN205498073U - 熔融沉积制造三维打印设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种熔融沉积制造三维打印设备,包括基台,外罩,电极,支撑结构,保护气体供应机构以及金属材料供应机构,所述外罩与基台密闭接合,所述电极、支撑结构和金属材料供应机构设置在外罩内,所述保护气体供应机构提供保护气体并在外罩内形成保护气体氛围,所述支撑结构用于支撑电极并带动电极和金属材料供应机构在外罩所形成的三维空间内移动,所述电极和基台之间用于形成电弧并熔融由金属材料供应机构提供的金属材料以在基台上沉积金属工件。以金属材料作为原料,形成的工件具有较高的强度,且通过在外罩内形成整体的保护气体氛围,可使成型过程中金属工件不被氧化,可保障成型各层之间的粘合性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及三维打印技术领域,特别是涉及一种熔融沉积制造三维打印设备。
背景技术
三维打印,又称3D打印,是新一代成型技术,该技术采用数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造具有三维形状的物体。三维打印的种类很多,其中熔融沉积制造(fused depositionmodeling,FDM)该种类型其因具有设备及耗材价格低廉、操作及维护容易等优点,而成为桌面消费级三维打印设备的主流,主要被应用于教育及产品辅助开发设计等方面。教育上的应用可让入门者以非常低廉及容易的方式学习三维打印技术,辅助开发设计的应用方面则被艺术工作者、创客、工业产品设计者等用来制作手板模型,而成为一种非常经济有效的设计辅助工具。
熔融沉积制造是将热塑性材料以丝状供料,在打印喷头内被加热熔化挤出后层层堆叠成形。目前熔融沉积制造所使用的打印材料主要以热塑性橡塑胶材料为主,常用的原材料包括ABS、PLA、HIPS、PETG、PA、TPE、TP等。这些材料的熔点大多介于150~250度之间,操作人员根据不同的材料设定不同的喷头温度,打印材料以丝状供料,以电机推动送入打印喷头,材料在喷头内迅速融化后挤出液态状的材料,挤出材料冷却硬化后即达到塑形的目的。但是目前熔融沉积制造制作具有实用性机能的工业级结构件的应用较少,最主要的原因是打印出的成品无法达到实体结构件的强度,造成强度不足的原因主要有以下两点。其一,原材料本身强度不够。目前应用在熔融沉积制造比较成熟的材料为PLA及ABS。PLA由于具可生物降解、打印环境及条件要求不高及打印大型物件不易变形等优点,是目前应用最普及的材料,但其最主要的缺点是强度不足,成品容易脆裂。ABS虽然有比较高的强度,但因其收缩率较大,在打印过程有容易开裂及变形的问题。其他高强度的工程塑料,虽有厂商投入研发当中,但大多尚未成熟。其二,材料粘着性不佳。熔融沉积制造是以挤出材料一层一层堆叠成型,刚挤出的材料,实际上是堆叠在已经冷却定型的物件上,所以每一层材料间是否可以良好结合,直接影响打印成品的机械强度。目前的解决方法,比较有效的方法是原料生产厂商在原料合成生产阶段即针对熔融沉积制造打印技术的需求制造出需要的物理特性,还有其他的方法就是以市售的通用级塑料,通过塑料改性添加增粘材料来增加粘着性能。但是这些方法都很难达到如传统塑料注塑及挤出工序所能达到的接合度和强度,所以即使应用高强度的工程塑料作为打印材料,每一层材料皆无法完全结合的问题也会降低其强度而无法达到工业级结构件的应用。
实用新型内容
基于此,有必要针对熔融沉积制造所形成的产品强度不足的问题,提供一种熔融沉积制造三维打印设备。
一种熔融沉积制造三维打印设备,包括基台,外罩,电极,支撑结构,保护气体供应机构以及金属材料供应机构,所述外罩与基台密闭接合,所述电极、支撑结构和金属材料供应机构设置在外罩内,所述保护气体供应机构提供保护气体并在外罩内形成保护气体氛围,所述支撑结构用于支撑电极并带动电极和金属材料供应机构在外罩所形成的三维空间内移动,所述电极和基台之间用于形成电弧并熔融由金属材料供应机构提供的金属材料以在基台上沉积金属工件。
在其中一个实施例中,所述金属材料供应机构提供的金属材料充当所述电极。
在其中一个实施例中,所述金属材料供应机构包括用于推送金属材料的滚轮。
在其中一个实施例中,还包括喷枪,所述电极设置在喷枪内,所述支撑结构用于带动所述喷枪移动。
在其中一个实施例中,还包括冷却液提供机构,所述冷却液提供机构提供的冷却液从所述喷枪中喷出。
在其中一个实施例中,所述支撑结构为XYZ轴结构或三角洲结构。
在其中一个实施例中,所述电极为钨电极。
在其中一个实施例中,所述外罩为透明外罩。
上述熔融沉积制造三维打印设备采用气体保护电弧焊的原理,以电弧产生的高温将金属材料迅速熔化后与母材接合,在金属熔化堆叠成型的过程以保护气体包覆整个打印设备,以确保金属表面的洁净度,实现焊接位置精准、焊接温度可精确控制、表面洁净度好无残渣、操作简单及安全性高等目的,同时可使成型过程中金属工件不被氧化,可保障成型各层之间的粘合性能。同时由于采用金属材料成型,所成型的金属工件具有较高的强度,能够作为工业级产品予以应用,使该打印设备的使用范围更广。
附图说明
图1为本实用新型一实施方式的熔融沉积制造三维打印设备的部分结构的示意图。
图2为本实用新型另一实施方式的熔融沉积制造三维打印设备的部分结构的示意图。
图3为本实用新型又一实施方式的熔融沉积制造三维打印设备的部分结构的示意图。
具体实施方式
本实用新型旨在提供以熔融沉积制造技术打印金属材料的解决方案,克服现有的熔融沉积制造技术生成的成品强度不够的问题,针对原有强度不足的两个主要原因:其一,塑料本身强度不够,改以金属材料取代的方法解决;其二,原料每一层间接合不好,改以金属熔融结合的方法解决。本实用新型通过电弧产生的高温将丝状金属耗材熔化,沉积堆叠在母材上面,电弧及熔化金属的高温同时熔化母材表面层的金属,而达到完全结合的效果,因而能实现打印出具有实用性质的高强度金属件。
经过研究发现,要达到熔融沉积制造技术的成型特性,金属材料的加热技术必须达到以下的要求:
一、金属加温熔化及冷却定型速度必须快速
迅速将金属耗材及母材表面熔化结合并立即移开热源使其冷却定型,若加温速度缓慢,则会造成母材本身熔化或变形而无法达到塑形的目的。
二、温度的控制必须精准
不同的金属材料有不同的熔化温度,精确的温度控制可以针对不同的材料设定最佳的温度及成型条件。
三、加热的位置必须精确
要达到精准的三维打印,必须要能控制热源加热在精确的位置上。
四、金属熔化成型后其表面必须非常干净,以利下一层金属接合
金属在高温熔化状态很容易与空气发生反应造成氧化现象,运用在三维打印时,形成的氧化层会造成下一层的金属与母材结合困难,所以必须避免。
综合以上的需求,本实用新型采用气体保护电弧焊的升温原理,以电弧产生的高温作为热源,将金属材料迅速熔化后与母材接合,在金属熔化堆叠成型的过程以惰性气体等保护气体包覆整个打印设备,以确保金属表面的洁净度,实现焊接位置精准、焊接温度可精确控制、表面洁净度好无残渣、操作简单及安全性高等目的。
在一具体实施方式中,所述熔融沉积制造三维打印设备包括基台,外罩,电极,支撑结构,保护气体供应机构以及金属材料供应机构,所述外罩与基台密闭接合,所述电极、支撑结构和金属材料供应机构设置在外罩内,所述保护气体供应机构提供保护气体并在外罩内形成保护气体氛围,所述支撑结构用于支撑电极并带动电极在外罩所形成的三维空间内移动,所述电极和基台之间用于形成电弧并熔融由金属材料供应机构提供的金属材料以在基台上沉积金属工件。
外罩可以是透明外罩,因而可方便观察到成型具体过程。
支撑结构构成该熔融沉积制造三维打印设备的框架。支撑结构可以是XYZ轴结构,或者可以是三角洲结构。支撑结构整合动力源用于带动电极以及金属材料供应机构在外罩所形成的三维空间内移动。通过在电极与基台之间施加电压,产生电弧。高温的电弧用于熔融由金属材料供应机构提供的金属材料,从而在基台上沉积金属工件。通过相关软件控制使得电极移动,从而按照既定轨迹移动所述电极与金属材料供应机构,通过不断的提供金属材料和熔融,使熔融的金属材料与之前已经沉积的金属层状结构相结合,最终形成具有三维形状的金属工件。
由于外罩与基台密闭接合,并通过保护气体供应机构提供保护气体,可以维持外罩内的保护气体氛围,从而使成型过程中的熔融金属避免被空气氛围中的氧气所氧化,能够使后续熔融金属与已成型的金属具有较高的粘合强度。
如图1中所示,在一实施例中,所述电极为钨电极10。例如可以是钍钨电极、铈钨电极、镧钨电极、锆钨电极、钇钨电极等。通过在钨电极10与基台之间施加电压,可在钨电极10与基台之间产生电弧,进而对金属材料供应机构提供的金属材料进行熔融,并逐层沉积在基台上。
金属材料供应机构与钨电极10联动并间隔一定间距。金属材料供应机构通过相应的动力例如马达将金属材料推送至电钨极10与基台之间。图1中示出了金属材料供应机构所提供的金属材料30呈线状。所成型的金属工件20的半成品呈块状,可以理解此为示意,具有其他三维形状的金属工件20也可由该设备成型。由于金属工件20为导体,因而施加在基台与钨电极10之间的电压,随着金属工件20的逐步成型,该电压即施加在金属工件20与钨电极10之间。可以理解,钨电极10可以是正极,则基台为负极;钨电极10也可以是负极,则基台为正极。
进一步地,该设备还包括喷枪40,所述钨电极10设置在喷枪40内。钨电极10由喷枪40包裹并仅露出端头。所述支撑结构用于带动所述喷枪40在外罩内移动。在一些实施例中,喷枪40所形成的管道可以用于喷射保护气体,也就是说,保护气体供应机构与管道连通,保护气体由喷枪40喷出并在外罩内形成保护气体氛围。图1所示实施例中,电弧是由钨电极生成,保护气体可以是氩气。在一些实施例中根据不同电弧生成方式,保护气体可以是氦、氮等气体或这些气体的混合气体。
在另外一些实施例中,在钨电极10与基台之间还可形成等离子电弧。参考图2,为形成外部拘束条件,生成等离子电弧,该设备还包括冷却液提供机构。所述冷却液提供机构提供的冷却液从所述喷枪40中喷出。更为具体地,可在喷枪40中形成一子管道41,钨电极10形成在子管道41中,且冷却液由子管道41喷出。可以理解地,在外罩中还设有相应的冷却液回收与循环机构,以使冷却液提供机构所供应的冷却液可回收并重复利用。
如图3中所示,在一些实施例中,所述金属材料供应机构提供的金属材料30直接充当所述电极。也即生成电弧的电极为熔化极。通过在金属材料30和基台之间施加电压,使金属材料30熔融,并沉积在基台上,进而成型金属工件20。进一步地,所述金属材料供应机构还包括用于推送金属材料30的滚轮31。滚轮31通过相对滚动并夹持金属材料30使之能持续地推送至将要熔融的位置。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本实用新型的保护范围。因此,本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种熔融沉积制造三维打印设备,其特征在于,包括基台,外罩,电极,支撑结构,保护气体供应机构以及金属材料供应机构,所述外罩与基台密闭接合,所述电极、支撑结构和金属材料供应机构设置在外罩内,所述保护气体供应机构提供保护气体并在外罩内形成保护气体氛围,所述支撑结构用于支撑电极并带动电极和金属材料供应机构在外罩所形成的三维空间内移动,所述电极和基台之间用于形成电弧并熔融由金属材料供应机构提供的金属材料以在基台上沉积金属工件。
2.根据权利要求1所述的熔融沉积制造三维打印设备,其特征在于,所述金属材料供应机构提供的金属材料充当所述电极。
3.根据权利要求1所述的熔融沉积制造三维打印设备,其特征在于,所述金属材料供应机构包括用于推送金属材料的滚轮。
4.根据权利要求1所述的熔融沉积制造三维打印设备,其特征在于,还包括喷枪,所述电极设置在喷枪内,所述支撑结构用于带动所述喷枪移动。
5.根据权利要求4所述的熔融沉积制造三维打印设备,其特征在于,还包括冷却液提供机构,所述冷却液提供机构提供的冷却液从所述喷枪中喷出。
6.根据权利要求1所述的熔融沉积制造三维打印设备,其特征在于,所述支撑结构为XYZ轴结构或三角洲结构。
7.根据权利要求1所述的熔融沉积制造三维打印设备,其特征在于,所述电极为钨电极。
8.根据权利要求1所述的熔融沉积制造三维打印设备,其特征在于,所述外罩为透明外罩。
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