技术领域
[0001] 本
发明涉及金属材料3D打印技术领域，特别涉及一种金属材料的熔融冷凝一体化3D打印装置和方法。
背景技术
[0002] 3D打印及其他快速成形工艺发展迅速，就目前的所用工艺原理和方法更多局限在非金属如高分子材料领域，所制作的模型强度、硬度、韧度等机械性能指标达不到实用要求。
[0003] 金属材料领域的3D打印及其他快速成形方法基本采用高能束，如
激光束、
电子束、离子束等对金属粉体材料的粘接、局部
焊接或选择性
烧结，所获得的模型或零件在硬度、
耐磨性、
抗拉强度、抗弯强度、抗扭转强度和承受动
载荷或振动冲击等性能指标也不能到达实用的程度和
水平。它们往往具有如下的技术问题：
[0004] 1.金属粉体烧结需要一定的吸热时间，影响快速成型的速度。
[0005] 2.现有的金属粉体烧结只是将小颗粒的金属粉体边缘焊接到一起，使所获得的模型或零件，在硬度、耐磨性和强度等方面性能指标不够理想。
[0006] 3.金属粉体烧结后到
凝固前的过程容易发生
氧化，因此所获得的模型或零件，在硬度、耐磨性和强度等方面性能指标不够理想。
发明内容
[0007] 针对
现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种金属材料的熔融冷凝一体化3D打印装置，其采用液态金属为快速成
型材料，能够快速地喷射金属液滴和快速冷却金属液滴，并且防止喷出的金属液滴在凝固前氧化。
[0008] 针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种金属材料的熔融冷凝一体化3D打印方法，采用该打印方法所获得的模型或零件，在硬度、耐磨性、抗拉强度、抗弯强度、抗扭转强度和承受动载荷或振动冲击等性能指标能到达实用的程度和水平。
[0009] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] 一种金属材料的熔融冷凝一体化3D打印装置，包括
喷嘴，液态金属供应装置，防氧化装置，冷却装置，三维数控
工作台以及控制装置，喷嘴内设有供液态金属流过的通道，其喷孔朝向三维数控工作台，四周的压电陶瓷位于喷孔的出口末端，用于打印的试件设于三维数控工作台上，与喷孔对应，液态金属供应装置与喷嘴通道连通，防氧化装置环绕喷孔设置，防氧化装置喷出惰性气体，在喷孔周围以及喷孔到试件之间形成惰性气体气帘，冷却装置设于喷嘴的一侧，冷却装置喷出冷却气体，冷却气体的喷射方向对准试件，控制装置控制喷嘴、液态金属供应装置、防氧化装置、三维数控工作台和冷却装置动作。采用液态金属为快速成型材料，节省了金属粉体烧结的时间，液态金属比金属粉体能获得更好的金相间的融合。压电陶瓷发生形变
挤压液态金属可以快速将液态金属喷出，能够配合移动速度更快的三维数控工作台，打印速度更快。防氧化装置的设置使得金属液滴从喷孔喷出后在与试件融合
固化前不被氧化，保障金相凝固而具有更好的强度、硬度等性能的零部件。冷却装置能够
加速凝固金属液滴，使得凝固速率与三维数控工作台移动速度相匹配，确保移出了防氧化保护区的金属液滴回到或接近常温而不被氧化，并且提高了打印效率。
[0011] 进一步，防氧化装置包括惰性气体喷射装置和惰性气体供应装置，惰性气体喷射装置和惰性气体供应装置连通，惰性气体喷射装置环绕喷孔设置。采用这种结构后，喷出的惰性气体环绕着喷嘴的喷孔，为金属液滴构筑了一道惰性气体保护气帘，使金属液滴隔绝空气，防止其凝固前高温氧化。
[0012] 进一步，惰性气体喷射装置包括惰性气体环流通道和密集布置的分流道，惰性气体环流通道分别和惰性气体供应装置与密集布置的分流道连通，每个分流道均设有出射部，出射部方向对准试件，围绕喷孔形成阵列。采用这种结构后，喷出的惰性气体在喷孔周围以及喷孔到试件之间形成惰性气体气帘，使金属液滴隔绝空气，防止其凝固前高温氧化。
[0013] 进一步，惰性气体环流通道与分流道均设于喷嘴
侧壁内。采用这种结构使得惰性气体喷射装置和喷嘴紧密结合在一起，结构紧凑，无需每次设置惰性气体喷射装置和喷嘴的相对
位置即可使用，方便快捷。
[0014] 进一步，冷却装置包括喷管和冷却气体供应装置，喷管与冷却气体供应装置连通，喷管的喷射方向对准试件。采用这种结构后，冷却装置能够加速凝固金属液滴，使得凝固速率与三维数控工作台移动速度相匹配，确保移出了防氧化保护区的金属液滴回到或接近常温而不被氧化，并且提高了打印效率。
[0015] 进一步，喷管活动连接于喷嘴侧壁，喷管与喷嘴之间的距离以及喷管与试件之间的距离均可调节。采用这种结构后，喷管能够调整位置以靠近喷嘴的喷射区域，金属液滴与试件的融合固化得到强制冷却而加速凝固，取得最佳的冷却效果。
[0016] 进一步，喷嘴侧壁向外突出形成凸
耳，凸耳设有向喷嘴一侧延伸的长条形通孔，喷管活动连接于长条形通孔内，能够调节喷管与喷嘴之间距离以及喷管与试件之间距离，喷管可拆卸地连接于凸耳。采用这种结构后，喷管能够方便地调整上下或左右位置，使喷管的喷口靠近喷嘴的喷射区域。喷管的安装与拆卸方便。
[0017] 进一步，液态金属供应装置包括内部可容纳液态金属的
坩埚，坩埚内表面设有耐火绝
热层，坩埚设有盖体，坩埚底部设有与喷嘴通道连通的
导管。坩埚可储存液态金属，并通过导管为喷嘴提供必需的液态金属以进行快速成型。
[0018] 进一步，导管设有流量调节装置。采用这种结构后，能够通过流量调节装置调节从坩埚流到喷嘴的液态金属流量，以配合液态金属喷射的速度。
[0019] 一种金属材料的熔融冷凝一体化3D打印方法，包括以下步骤，液态金属供应装置为喷嘴提供液态金属；压电陶瓷驱使喷嘴内液态金属从喷孔喷出形成金属液滴，三维数控工作台在计算机上专用立体分层
软件的控制下动作并与压电陶瓷脉冲
电压的
频率配合；防氧化装置围绕喷孔喷出惰性气体，防氧化装置的设置使金属液滴从喷孔喷出后在与试件融合固化前不被氧化；冷却装置喷出冷却气体快速冷却与试件融合的金属液滴。本发明采用液态金属为快速成型材料，能够快速地喷射金属液滴和快速冷却金属液滴，并且防止喷出的金属液滴在与试件融合固化前氧化。所获得的模型或零件在硬度、耐磨性、抗拉强度、抗弯强度、抗扭转强度和承受动载荷或振动冲击等性能指标能到达实用的程度和水平。
[0020] 总的说来，本发明具有如下优点：
[0021] 采用液态金属为快速成型材料，节省了金属粉体烧结的时间，液态金属比金属粉体能获得更好的金相间的融合。压电陶瓷发生形变挤压液态金属可以快速将液态金属喷出，能够配合移动速度更快的三维数控工作台，打印速度更快。防氧化装置的设置使得金属液滴从喷孔喷出后在与试件融合固化前不被氧化，保障金相凝固而具有更好的强度、硬度等性能的零部件。冷却装置能够加速凝固金属液滴，使得凝固速率与三维数控工作台移动速度相匹配，确保移出了防氧化保护区的金属液滴回到或接近常温而不被氧化，并且提高了打印效率。
附图说明
[0022] 图1为本发明一种金属材料的熔融冷凝一体化3D打印装置的结构示意图。
[0023] 其中图1中包括有：
[0024] 1——喷嘴、11——压电陶瓷、12——第一耐火绝热层、13——凸耳；
[0025] 21——接头、22——环流通道、23——分流道、231——出射部、[0026] 24——惰性气体气帘；
[0027] 3——液态金属；
[0028] 4——金属液滴；
[0029] 51——喷管、52——冷却气体；
[0030] 6——三维数控工作台、61——垫板；
[0031] 7——打印试件；
[0032] 8——坩埚、81——第二耐火绝热层、82——盖体、821——把手、[0033] 822——销轴；
[0034] 9——导管、91——流量调节装置。
具体实施方式
[0035] 下面来对本发明做进一步详细的说明。
[0036] 如图1所示，一种金属材料的熔融冷凝一体化3D打印装置，包括喷嘴1，液态金属3供应装置，防氧化装置，冷却装置，三维数控工作台6以及控制装置，喷嘴1内设有供液态金属3流过的通道，其喷孔朝向三维数控工作台6，四周的压电陶瓷11位于喷孔的出口末端，用于打印的试件设于三维数控工作台6上，与喷孔对应，液态金属3供应装置与喷嘴1通道连通，防氧化装置环绕喷孔设置，防氧化装置喷出惰性气体，在喷孔周围以及喷孔到试件之间形成惰性气体气帘24，冷却装置设于喷嘴1的一侧，冷却装置喷出冷却气体52，冷却气体52的喷射方向对准试件，控制装置控制喷嘴1、液态金属3供应装置、防氧化装置、三维数控工作台6和冷却装置动作。采用液态金属为快速成型材料，节省了金属粉体烧结的时间，液态金属3比金属粉体能获得更好的金相间的融合。对压电陶瓷11施加脉冲电压，使其发生形变挤压液态金属3产生高压，可以快速将液态金属3喷出，能够配合移动速度更快的三维数控工作台6，打印速度更快。防氧化装置的设置使得金属液滴4从喷孔喷出后在与试件融合固化前不被氧化，保障金相凝固而具有更好的强度、硬度等性能的零部件。冷却装置能够加速凝固金属液滴4，使得凝固速率与三维数控工作台6移动速度相匹配，确保移出了防氧化保护区的金属液滴4回到或接近常温而不被氧化，并且提高了打印效率。
[0037] 喷嘴1可以采用耐高温陶瓷制作，比如
碳化
硼，其高耐热性能达到2000℃以上。喷嘴1内设有第一耐火绝热层12，以容纳高温的液态金属3。
[0038] 压电式喷墨利用压电陶瓷11(大部份的材料为铅Pb、锆Zr或钽Ta)，藉由压晶体管施加电压使其产生形变，挤压液体产生高压而将液体喷出。可通过控制电压来有效调节金属液滴4的大小和使用方式，从而获得较高的打印
精度和打印效果。施加脉冲电压的频率调节范围广，应该与三维数控工作台6水平移动速度相匹配，才能获得最佳的成形效率、外形精度和表面粗糙度。本发明与三维数控工作台6、立体分层软件联动适配，目标是金属液滴4不随意乱流、乱滴，其喷射完全“听从指挥”。
[0039] 防氧化装置包括惰性气体喷射装置和惰性气体供应装置，惰性气体喷射装置和惰性气体供应装置连通，惰性气体喷射装置环绕喷孔设置。采用这种结构后，喷出的惰性气体环绕着喷嘴1的喷孔，为金属液滴4构筑了一道惰性气体保护气帘，使金属液滴4隔绝空气，防止其凝固前高温氧化。
[0040] 惰性气体喷射装置包括惰性气体环流通道22和密集布置的分流道23，惰性气体环流通道22分别和惰性气体供应装置与密集布置的分流道23连通，每个分流道23均设有出射部231，出射部231方向对准试件，围绕喷孔形成阵列。采用这种结构后，喷出的惰性气体在喷孔周围以及喷孔到试件之间形成惰性气体气帘24，使金属液滴4隔绝空气，防止其凝固前高温氧化。
[0041] 惰性气体环流通道22与分流道23均设于喷嘴1侧壁内。采用这种结构使得惰性气体喷射装置和喷嘴1紧密结合在一起，结构紧凑，无需每次设置惰性气体喷射装置和喷嘴1的相对位置即可使用，方便快捷。
[0042] 本
实施例中，惰性气体接头21通过
螺纹与喷嘴1固定，一端连接惰性气体气源(图中未示出)，另一端联通惰性气体环流通道22，沿轴向密集开设的每个惰性气体分流道23都与惰性气体环流通道22联通。这样，惰性气体经过环流通道22和分流道23后，围绕喷孔形成惰性气体气帘24，起到使金属液滴4隔绝空气，防止高温金属液滴4氧化的作用。
[0043] 冷却装置包括喷管51和冷却气体52供应装置(图中未示出)，喷管51与冷却气体52供应装置连通，喷管51的喷射方向对准试件。采用这种结构后，冷却装置能够加速凝固与试件融合的金属液滴4，使得凝固速率与三维数控工作台6移动速度相匹配，确保移出了防氧化保护区的金属液滴4回到或接近常温而不被氧化，并且提高了打印效率。
[0044] 喷管51活动连接于喷嘴1侧壁，喷管51与喷嘴1之间的距离以及喷管51与试件之间的距离均可调节。采用这种结构后，喷管51能够调整位置以靠近喷嘴1的喷射区域，金属液滴4与试件的融合固化得到强制冷却而加速凝固，取得最佳的冷却效果。
[0045] 喷嘴1侧壁向外突出形成凸耳13，凸耳13设有向喷嘴1一侧延伸的长条形通孔，喷管51活动连接于长条形通孔内，能够调节喷管51与喷嘴1之间距离以及喷管51与试件之间距离，喷管51可拆卸地连接于凸耳13。采用这种结构后，喷管51能够方便地调整上下或左右位置，使喷管51的喷口靠近喷嘴1的喷射区域。喷管51的安装与拆卸方便。
[0046] 本实施例中，凸耳13设有竖直的长条形通孔，喷管51穿过长条形通孔并能够在长条形通孔内上下或左右滑动，喷管51通过固定
螺母固接于凸耳13。
[0047] 冷却气体52喷射装置、惰性气体喷射装置和液态金属3喷射装置以喷嘴1为
基础和
支撑主体，使得这三个独立系统做到高度集成、结构紧凑。
[0048] 液态金属3供应装置包括内部可容纳液态金属3的坩埚8，坩埚8内表面设有耐火绝热层，坩埚8设有盖体82，坩埚8底部设有与喷嘴1通道连通的导管9。坩埚8可储存液态金属3，并通过导管9为喷嘴1提供必需的液态金属3以进行快速成型。
[0049] 可以采用普通的电加热、
煤加热、燃气或燃油集中加热，省去了激光束、电子束、离子束、
等离子体等昂贵而难于维护的热源，设备复杂程度降低，使用和维护成本都更低廉。
[0050] 本实施例中，液态金属3供应装置包括坩锅8
外壳、第二耐火绝热层81、盖把手821、盖体82和销轴822。坩锅8外壳与第二耐火绝热层81镶嵌浇注而成，盖体82与第二耐火绝热层81可以采用机械固定。
[0051] 导管9设有流量调节装置91。采用这种结构后，能够通过流量调节装置91调节从坩埚8流到喷嘴1的液态金属3流量，以配合液态金属3喷射的速度。
[0052] 本实施例中，液态金属3导管9和流量调节装置91连接液态金属3供应装置与喷嘴1，一方面完成供液，另一方面起到流量调节与控制作用，当然液态金属3导管9外表同样包覆
绝热材料，内部表面粗糙度要求低至Ra0.1以下，保证液态金属3流动流畅，流动结束后不滞留液态金属3。
[0053] 一种金属材料的熔融冷凝一体化3D打印方法，包括以下步骤，液态金属3供应装置为喷嘴1提供液态金属3；压电陶瓷11驱使喷嘴1内液态金属3从喷孔喷出形成金属液滴4，三维数控工作台6在计算机上专用立体分层软件的控制下动作并与压电陶瓷11脉冲电压的频率配合；防氧化装置围绕喷孔喷出惰性气体，防氧化装置的设置使得金属液滴4从喷孔喷出后在与试件融合固化前不被氧化；冷却装置喷出冷却气体52快速冷却与试件融合的金属液滴4。本发明采用液态金属3为快速成型材料，能够快速地喷射金属液滴4和快速冷却金属液滴4，并且防止喷出的金属液滴4在与试件融合固化前氧化。所获得的模型或零件，在硬度、耐磨性、抗拉强度、抗弯强度、抗扭转强度和承受动载荷或振动冲击等性能指标能到达实用的程度和水平。
[0054] 本发明既有加热、保温系统，又有冷却、凝固系统，将矛盾的两个方面有机地统一并结合到一体。加热不采用昂贵复杂的“三束”(电子束、离子束、激光束)等高能束方式，金属材料的
熔化可采用
铸造熔炉(或高频
感应加热)充分熔解，液态金属3进入耐高温和可控喷嘴1，结合三维数控工作台6，做到金属材料液滴间的金相结合，从而使得制件达到硬度、强度等机械性能都较好的实用功能零件快速制造。目标是开创3D打印新的成形原理并研制出一整套结构紧凑、布局合理、用途广泛并能制造出常用功能的快速成形金属零部件。
[0055] 三维数控工作台6的X、Y、Z三轴分别由三个独立的伺服
电机控制，控制
信号来源于计算机上专用立体分层软件，垫板61固定在三维数控工作台6上，并随三维数控工作台6做X、Y、Z三维移动。
[0056] 与现有的金属粉体3D打印技术相比较，本发明的主要优点和效果有：
[0057] 1.成本低廉：省去了激光束、电子束、离子束、等离子体等昂贵而难于维护的热源，采用普通的电加热、煤加热、燃气或燃油集中加热，成本低廉。设备复杂程度降低，使用和维护成本都更低廉。
[0058] 2.成形效率更高：一方面，现有的金属粉体烧结需要吸热时间，而本发明的金属液滴4直接滴下速度更快，可让三维数控工作台6在水平面移动速度更高，同样的分层面积可以更快
覆盖完毕；另一方面，金属液滴4的直径可以比金属粉体熔化的更大，节约工时。
[0059] 3.制件
质量更好：正如熔融铸件比
焊接件质量更高一样，金属液滴4达到金相间的融合，而现有的金属粉体烧结只不过是将小颗粒的金属粉体边缘焊接到一起而已。本发明的隔绝氧化保护使得材料间的结合更加纯净，所以在制件
密度、强度、硬度、抗疲劳破坏和抗
腐蚀能
力等指标都会有较大的提高；表面粗糙度方面不会呈现粗糙的颗粒，因而更加光滑。若需要后续
抛光，组织也会更加细密而光滑。
[0060] 4.操作更加简便：采用现有的3D分层软件等现有技术，操作者不需要另外学习。
[0061] 本发明要得以顺利实施需要配备小型的金属熔解炉，利用现有成熟的3D分层软件及与计算机适配。也可以在市面购置其他现有3D
打印机来进行改装实现，可能成本更低；或者以本发明为核心研制全新的机型。
[0062] 本发明的工作过程：
[0063] 在三维数控工作台6上放置用于承载金属液滴4的垫板61，垫板61位于喷嘴1正下方。垫板61上放置打印试件7。调节流量调节装置91，使坩埚8里液态金属3以适当的速度流进喷嘴1。对压电陶瓷11的上表面和下表面施加脉冲电压，压电陶瓷11发生形变挤压液态金属3，使液态金属3从喷孔中喷出形成金属液滴4，到达打印试件7位置与打印试件7融合固化。同时，惰性气体从出射部231喷出形成保护气帘，防止从喷嘴1喷出的金属液滴4在与打印试件7融合凝固前氧化；喷管51喷出冷却气体52，使金属液滴4在移出惰性气体保护区后快速凝固。
[0064] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
