CN217433051U - 一种金属3d打印机的挤出结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种金属3D打印机的挤出结构，所述挤出结构包括打印容器和气压装置；打印容器内设置有密闭腔，打印容器的底部开设有连通密闭腔的打印孔；气压装置上设置有与密闭腔的上部空间连通的出气口，密闭腔的上部空间在气压装置经出气口送入气体后，通过增加腔内气压使金属溶液从打印孔向外挤出，采用气压将液态金属挤压出打印孔，在成型平台上完成凝结及成型的方式实现金属3D打印，显著降低了金属3D打印机的制造成本。

Description

一种金属3D打印机的挤出结构

技术领域

本实用新型涉及3D打印设备制造技术领域,具体涉及一种金属3D打印机的挤出结构。

背景技术

现今的金属3D打印机，较普遍运用激光熔融金属粉末逐层打印的方式来构造3D金属构件的技术，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐使用这种技术打印机械零部件。

这种金属3D打印成型件的尺寸精度高是其最大优势，但也存在着成型的金属构件机械强度偏低，超细金属粉末材料的价格奇高，打印机的结构和控制比较复杂，导致打印机售价和应用费用高昂等缺点。

因此，在对打印成型件尺寸精度要求不是太高，但对成型的金属构件的机械强度要求较高，且需要降低金属3D打印成本的应用场合，需要一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

本实用新型提供了如下技术方案：

一种金属3D打印机的挤出结构，所述挤出结构包括打印容器和气压装置；打印容器内设置有用于容置金属溶液的密闭腔，打印容器的底部开设有连通密闭腔的打印孔，打印孔的直径足够细微，使得金属溶液的表面张力和与打印孔壁形成的分子力足以抵抗金属溶液的自身重力而不会经打印孔自行流出。

所述气压装置上设置有与密闭腔的上部空间连通的出气口，密闭腔的上部空间在气压装置经出气口送入气体后，通过增加腔内气压使金属溶液从打印孔向外挤出。

所述挤出结构还包括用于将固态金属送入密闭腔内的送料装置，送料装置上设置有与密闭腔连通的出料口，出料口设置在打印容器的上部位置。

所述打印容器为耐高温导电材料制成的熔丝坩埚、且其外侧设置有用于将固态金属热熔成金属溶液的电加热装置。

所述气压装置包括气体导入管以及调节气体流量大小的电控阀，电控阀的出气端与气体导入管连接，通过气体导入管穿过打印容器顶部或上部的侧壁，使出气口设置在密闭腔的中上部位；电控阀的进气端通过管道与气源的输出端连接。

所述气源为储存有保护气体的气瓶。

所述固态金属为金属丝，对应的送料装置包括走丝导管以及将金属丝导入走丝导管内的送丝机，送丝机的出料端与走丝导管连接，通过走丝导管穿过打印容器顶部使出料口设置在密闭腔的中上部位。走丝导管竖直设置在打印容器的顶部，送丝机的送丝方向与走丝导管的出丝方向一致。

所述送料装置还包括用于卷绕金属丝的金属丝卷盘，金属丝卷盘内置于打印机上或外置于打印机，且所述走丝导管竖直设置在打印容器的顶部，送丝机的送丝方向与走丝导管的走丝方向一致，金属丝卷盘引出的金属丝经过送丝机和走丝导管自上而下导入密闭腔内。

所述电加热装置包括高频感应圈，高频感应圈呈螺旋状嵌套在熔丝坩埚的外侧且间隔设置，高频感应圈上设置有两电气接口，两电气接口与高频电源的高频电压输出端口电气连接；高频感应圈由中空铜管弯曲成型，其两端管口分别与水循环***的冷却水进、出水口连接。

所述熔丝坩埚顶部为一体式封闭设置并形成密闭腔，或者，熔丝坩埚的顶部设置有坩埚开口，坩埚开口上可拆分设置有坩埚上盖，坩埚上盖与熔丝坩埚之间限定出密闭腔，出气口和/或出料口设置在坩埚上盖上。

所述熔丝坩埚的底部呈上宽下窄的锥形结构，所述打印孔开设在锥形结构的锥尖位置。

所述一种金属3D打印机的挤出结构还包括有控制***，控制***与气压装置、送料装置以及电加热装置电气连接。

所述一种金属3D打印机的挤出结构还包括有打印机机架和打印头支架，打印容器，气压装置，送料装置以及电加热装置均固定安装在打印头支架上，打印头支架通过位移运动机构安装在打印机机架上，打印机机架上还装配连接有置于打印容器下方的成型平台，并且打印机机架上还设置有驱使成型平台相对打印容器运动的3D位移机构。

本实用新型的有益效果：

1．采用气压将液态金属挤压出打印孔的方式实现金属3D打印，无需配置大功率的激光器及金属粉末铺设、刮平、激光熔融等复杂的控制机构，显著降低了金属3D打印机的制造成本。

2．采用金属丝作为金属3D打印耗材，无需使用价格昂贵的超精细金属粉末，显著降低了金属3D打印机的使用成本。

3．打印出的金属构件的机械强度，比激光熔融金属粉末打印出的金属构件的机械强度高。

4. 还可以对打印出的金属构件的某些表面进行少许的机械切削加工，从而达到精确的尺寸精度。

附图说明

图1为气体导入管经熔丝坩埚上盖进入的结构示意图。

图2为气体导入管经熔丝坩埚侧壁进入的结构示意图。

图3为本实用新型的实施例构成打印机的基本结构及连接示意图。

图4为气压将金属溶液由打印孔挤出至成型平台的示意图。

图1—图4附图标记包含：1是挤出结构，2是金属丝卷盘，3是成型平台，4是3D位移机构，5是控制***，6是打印机机架，7是高频电源，8是水循环***；

1-0是金属丝，1-0-0是金属溶液，1-1是熔丝坩埚， 1-1-1是坩埚上盖，1-1-2是打印孔，1-0-1是经打印孔泄流出的金属溶液及金属凝结点；

1-2是高频感应圈，1-2-1和1-2-2是高频感应圈的电气接口，1-2-3和1-2-4高频感应圈的进、出水管口；

1-3是走丝导管，1-5是送丝机，1-4是气体导入管，1-4-1是电控阀，1-4-2是气体导入管出气口，1-6是打印头支架，1-7是红外测温头，1-8是金属凝结保护气体喷管。

具体实施方式：

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。

见图1至图4所示：一种金属3D打印机的挤出结构，所述挤出结构包括打印容器和气压装置；打印容器内设置有用于容置金属溶液1-0-0的密闭腔1-1-0，打印容器的底部开设有连通密闭腔1-1-0的打印孔1-1-2；气压装置上设置有与密闭腔1-1-0的上部空间连通的出气口1-4-2，密闭腔1-1-0的上部空间在气压装置经出气口1-4-2送入气体后，通过增加腔内气压使金属溶液1-0-0从打印孔1-1-2向外挤出。

该结构采用气压将液态金属挤压出打印孔1-1-2的方式实现金属3D打印，无需配置大功率的激光器及金属粉末铺设、刮平、激光熔融等复杂的控制机构，显著降低了金属3D打印机的制造成本。

金属溶液1-0-0除了通过外部加入外，还可以通过下面的方式：具体是：还包括用于将固态金属送入密闭腔1-1-0内的送料装置，送料装置上设置有与密闭腔1-1-0连通的出料口1-3-1，出料口设置在打印容器的上部位置；所述打印容器为耐高温导电材料制成的熔丝坩埚1-1、且其外侧设置有用于将固态金属热熔成金属溶液1-0-0的电加热装置；上述结构将固态金属加入到熔丝坩埚1-1后，通过电加热装置对熔丝坩埚1-1，或者熔丝坩埚1-1跟固态金属一并加热后融化成金属溶液1-0-0，从而使熔丝坩埚1-1内部同时实现加热融化作用。

熔丝坩埚1-1采用石墨材料，石墨材料能导电，其熔化温度达3500ºC 以上，因此熔丝坩埚1-1的熔点远高于用于打印的固态金属的熔点。

所述气压装置包括气体导入管1-4以及调节气体流量大小的电控阀1-4-1，电控阀1-4-1的出气端与气体导入管1-4连接，通过气体导入管1-4穿过打印容器顶部或上部的侧壁，使出气口1-4-2设置在密闭腔1-1-0的中上部位；电控阀1-4-1的进气端通过管道与气源的输出端连接；通过电控阀1-4-1的工作状态来调节进入到熔丝坩埚1-1内腔保护气体流量的大小；

当经电控阀1-4-1送入到熔丝坩埚1-1内的气体流量足够大时，金属溶液在自身重力和足够气体压力叠加作用下，金属溶液经打印孔1-1-2向下泄流到成型平台3或成型件的上表面上。

所述气源为储存有保护气体的气瓶，气瓶内的保护气体选用氩气，出气端包括两气体支路，一支路通过电控阀1-4-1与气体导入管1-4连接，另外一支路通过管路和附件连接有金属凝结保护气体喷管1-8，金属凝结保护气体喷管1-8的出气端对应经打印孔泄流出的金属溶液及金属凝结点1-0-1。

固态金属为金属丝1-0，对应的送料装置包括走丝导管1-3以及将金属丝1-0导入走丝导管1-3内的送丝机1-5，送丝机1-5的出料端与走丝导管1-3连接，通过走丝导管1-3穿过打印容器顶部使出料口1-3-1设置在密闭腔1-1-0的中上部位，走丝导管1-3竖直设置在打印容器的顶部，送丝机1-5的送丝方向与走丝导管1-3的出丝方向一致。

金属丝1-0可选用铜（熔点温度1400 ºC左右），或钛（熔点温度1700 ºC左右），或不锈钢（熔点温度1400 ºC左右），或铝（熔点温度650 ºC 左右）。

送料装置还包括用于卷绕金属丝1-0的金属丝卷盘2，金属丝卷盘2内置于打印机上或外置于打印机，且所述走丝导管1-3竖直设置在打印容器的顶部，送丝机1-5的送丝方向与走丝导管1-3的走丝方向一致，金属丝卷盘2引出的金属丝1-0经过送丝机1-5和走丝导管1-3自上而下导入密闭腔1-1-0内。

所述电加热装置包括高频感应圈1-2，高频感应圈1-2呈螺旋状嵌套在熔丝坩埚1-1的外侧且间隔设置，高频感应圈1-2上设置有两电气接口1-2-1、1-2-2，两电气接口1-2-1、1-2-2与高频电源7的高频电压输出端口电气连接；高频感应圈1-2由中空铜管弯曲成型，其两端管口1-2-3、1-2-4分别与水循环***8的冷却水进、出水口连接。

在高频感应圈1-2的铜管的外表面包裹耐高温保温材料。

所述熔丝坩埚1-1顶部为一体式封闭设置并形成密闭腔1-1-0，在本实施例中，优选熔丝坩埚1-1的顶部设置有坩埚开口，坩埚开口上可拆分设置有坩埚上盖1-1-1，坩埚上盖1-1-1与熔丝坩埚1-1之间限定出密闭腔1-1-0，出气口1-4-2和/或出料口1-3-1设置在坩埚上盖1-1-1上。

坩埚上盖1-1-1采用耐高温陶瓷材料。

所述熔丝坩埚1-1的底部呈上宽下窄的锥形结构，所述打印孔1-1-2开设在锥形结构的锥尖位置；金属溶液在气压作用下经打印孔1-1-2流出。还包括有控制***5，具体是，控制***5与气压装置中的电控阀1-4-1、送料装置中的送丝机1-5或走丝导管1-3、以及电加热装置中的高频感应圈1-2电气连接，且控制***5还连接有红外测温头1-7，红外测温头1-7检测熔丝坩埚1-1温度，判断是否出气挤压金属溶液。

还包括有打印机机架6和打印头支架1-6，打印容器，气压装置，送料装置以及电加热装置均固定安装在打印头支架1-6上，打印头支架1-6通过位移运动机构（位移运动机构属于现有技术，在附图中并未标示）安装在打印机机架6上，位移运动机构可以只驱动挤压装置1上下运动，或者还包括横向的平移运动，打印机机架6上还装配连接有置于打印容器下方的成型平台3，并且打印机机架6上还设置有驱使成型平台3相对打印容器运动的3D位移机构4，成型平台3用于承接经打印孔1-1-2流出的金属溶液，3D位移机构4能够驱动成型平台3做符合打印成型件的移动。

上述实施例为本实用新型的优选方案，显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征。本领域的技术人员应该了解本实用新型不受上述实施例的限制，在不脱离本实用新型主要特征的前提下，具体实施还会有更多变化和改进，这些变化和改进都落入本实用新型要求保护的范围内，本实用新型的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种金属3D打印机的挤出结构，其特征在于：所述挤出结构（1）包括打印容器和气压装置；打印容器内设置有用于容置金属溶液（1-0-0）的密闭腔（1-1-0），打印容器的底部开设有连通密闭腔（1-1-0）的打印孔（1-1-2）；气压装置上设置有与密闭腔（1-1-0）的上部空间连通的出气口（1-4-2），密闭腔（1-1-0）的上部空间在气压装置经出气口（1-4-2）送入气体后，通过增加腔内气压使金属溶液（1-0-0）从打印孔（1-1-2）向外挤出。

2.根据权利要求1所述的一种金属3D打印机的挤出结构，其特征在于：还包括用于将固态金属送入密闭腔（1-1-0）内的送料装置，送料装置上设置有与密闭腔（1-1-0）连通的出料口（1-3-1），出料口（1-3-1）设置在打印容器的上部位置；所述打印容器为耐高温导电材料制成的熔丝坩埚(1-1)、且其外侧设置有用于将固态金属热熔成金属溶液（1-0-0）的电加热装置。

3.根据权利要求1或2所述的一种金属3D打印机的挤出结构，其特征在于：所述气压装置包括气体导入管（1-4）以及调节气体流量大小的电控阀（1-4-1），电控阀（1-4-1）的出气端与气体导入管（1-4）连接，通过气体导入管（1-4）穿过打印容器顶部或上部的侧壁，使出气口（1-4-2）设置在密闭腔（1-1-0）的中上部位；电控阀（1-4-1）的进气端通过管道与气源的输出端连接；所述气源为储存有保护气体的气瓶。

4.根据权利要求2所述的一种金属3D打印机的挤出结构，其特征在于：固态金属为金属丝（1-0），对应的送料装置包括走丝导管（1-3）以及将金属丝（1-0）导入走丝导管（1-3）内的送丝机（1-5），送丝机（1-5）的出料端与走丝导管（1-3）连接，通过走丝导管（1-3）穿过打印容器顶部使出料口（1-3-1）设置在密闭腔（1-1-0）的中上部位；走丝导管（1-3）竖直设置在打印容器的顶部，送丝机（1-5）的送丝方向与走丝导管（1-3）的出丝方向一致。

5.根据权利要求4所述的一种金属3D打印机的挤出结构，其特征在于：送料装置还包括用于卷绕金属丝（1-0）的金属丝卷盘（2），金属丝卷盘（2）内置于打印机上或外置于打印机，且所述走丝导管（1-3）竖直设置在打印容器的顶部，送丝机（1-5）的送丝方向与走丝导管（1-3）的走丝方向一致，金属丝卷盘（2）引出的金属丝（1-0）经过送丝机（1-5）和走丝导管（1-3）自上而下导入密闭腔（1-1-0）内。

6.根据权利要求2所述的一种金属3D打印机的挤出结构，其特征在于：所述电加热装置包括高频感应圈（1-2），高频感应圈（1-2）呈螺旋状嵌套在熔丝坩埚(1-1)的外侧且间隔设置，高频感应圈（1-2）上设置有两电气接口（1-2-1）、（1-2-2），两电气接口（1-2-1）、（1-2-2）与高频电源（7）的高频电压输出端口电气连接；高频感应圈（1-2）由中空铜管弯曲成型，其两端管口（1-2-3）、（1-2-4）分别与水循环***（8）的冷却水进、出水口连接。

7.根据权利要求2所述的一种金属3D打印机的挤出结构，其特征在于：所述熔丝坩埚(1-1)顶部为一体式封闭设置并形成密闭腔（1-1-0），或者，熔丝坩埚(1-1)的顶部设置有坩埚开口，坩埚开口上可拆分设置有坩埚上盖（1-1-1），坩埚上盖（1-1-1）与熔丝坩埚(1-1)之间限定出密闭腔（1-1-0），出气口（1-4-2）和/或出料口（1-3-1）设置在坩埚上盖（1-1-1）上。

8.根据权利要求2所述的一种金属3D打印机的挤出结构，其特征在于：所述熔丝坩埚(1-1)的底部呈上宽下窄的锥形结构，所述打印孔（1-1-2）开设在锥形结构的锥尖位置。

9.根据权利要求2所述的一种金属3D打印机的挤出结构，其特征在于：还包括有控制***（5），控制***（5）与气压装置、送料装置以及电加热装置电气连接。

10.根据权利要求2所述的一种金属3D打印机的挤出结构，其特征在于：还包括有打印机机架（6）和打印头支架（1-6），打印容器，气压装置，送料装置以及电加热装置均固定安装在打印头支架（1-6）上，打印头支架（1-6）通过位移运动机构安装在打印机机架（6）上，打印机机架（6）上还装配连接有置于打印容器下方的成型平台（3），并且打印机机架（6）上还设置有驱使成型平台（3）相对打印容器运动的3D位移机构（4）。

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