[發明專利]一種金屬3D打印設備和方法

有效

• 申請號: 201710068480.9
• 申請日: 2017-02-08
• 公開（公告）號: CN106925783B
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發明（設計）人: 劉雪峰;李昂;俞波;尹寶強;顏陽
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y30/00;B33Y10/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種金屬3D打印設備和方法，屬于3D打印技術領域。本發明通過采取將金屬3D打印設備的供料系統和出料系統分離、打印成形區域與冷卻介質分開、供料系統置于成形室外以及噴嘴的出料口大小可根據產品的尺寸進行調控等措施，基于熔體直接供料和冷卻介質冷卻高效低成本3D打印成形高質量金屬產品，特別適用于大型金屬產品的高效成形。本發明的3D打印設備機構動作靈活、運行速度快、靈活度高、柔性大、制造成本低，3D打印成形過程效率高、工藝參數易于控制，打印成形的金屬產品質量和可重復性好、生產成本低。

技術領域

本發明屬于3D打印技術領域，具體涉及一種金屬3D打印設備和方法。

技術背景

3D打印技術是20世紀80年代初期發展起來的一種新型材料成形技術，其原理是首先利用計算機建立所需成形產品的三維實體模型，再使用分層切片軟件將該產品的三維實體模型處理成一系列二維截面，然后采用3D打印設備將材料按二維截面的形狀逐層堆積，最終成形得到三維實體產品。3D打印技術具有生產流程短、材料利用率高等特點，能夠實現形狀復雜、小批量、個性化產品的近終形生產。

3D打印技術自誕生以來，就以金屬材料、無機非金屬材料或高分子材料等為原料，在國民經濟、國防軍工和日常生活等領域的產品生產中得到推廣應用。由于金屬產品在人們生產生活中具有廣泛用途，因此金屬3D打印技術在3D打印領域占有極其重要的地位，被稱為“3D打印王冠上的明珠”，是門檻最高、前景最好、最前沿的3D打印技術之一。傳統的金屬3D打印技術主要包括選區激光熔化技術、選區激光燒結技術、激光工程化凈成形技術、選區電子束熔化技術和電弧3D打印技術等，通常需要采用激光、電子束或電弧等高能量密度熱源來熔化金屬，其原料也均需預先制成一定形狀尺寸的線材或粉體，從而導致設備及原料的成本均較高；另外，由于冷卻條件及技術條件的限制，現有金屬3D打印技術每道次的成形寬度和厚度一般都在微米級或毫米級，使得生產較大尺寸產品時的成形效率較低，生產成本較高。由于上述突出問題的存在，嚴重制約了金屬3D打印技術的快速發展和推廣應用。因此，采用金屬熔體直接供料，并使金屬熔體以液流形式連續噴出打印，同時利用冷卻介質(如冷卻氣體、冷卻水、液態金屬等)進行快速冷卻的成形方式，成為了目前金屬3D打印的發展方向和應用趨勢。但是，這類采用金屬熔體直接供料和冷卻介質冷卻的金屬3D打印技術仍然存在著一些明顯的缺點：采用冷卻氣體進行冷卻時金屬熔體凝固速率較低且費用較高，采用冷卻水進行冷卻時每層金屬表面氧化嚴重且成形產品質量較差，現有的將噴嘴置于液態金屬中直接打印并冷卻的方式使得快速凝固得到的金屬產品的層間結合強度較低、液態金屬對金屬產品污染嚴重、金屬液流和噴嘴的溫度

打印效率偏低、打印產品精度不易控制；從供料到打印成形整個機構都安裝在密閉腔體中，連續加料不便、設備投資大；打印成形金屬產品的可重復性差和質量難以保證，生產成本較高。

因此，開發生產成本低、設備機構動作靈活、運行速度快、打印效率高、工藝參數易于控制、成形產品質量和可重復性好的新型金屬3D打印技術，具有十分迫切而重要的意義。

發明內容

本發明針對現有的采用熔體直接供料和冷卻介質冷卻的金屬3D打印技術存在的生產成本高、設備機構動作靈活性較差、運行速度較慢、打印效率低、工藝參數不易控制以及成形產品質量和可重復性較差等不足，提出將設備的供料系統和出料系統分離、打印成形區域與冷卻介質分開、供料系統置于成形室外以及噴嘴的出料口大小可根據產品的尺寸進行調控等新方法，在此基礎上開發一種新型的金屬3D打印技術。本發明的目的是提供一種金屬3D打印設備和方法，特別適用于大型金屬產品的高效成形。

一種金屬3D打印設備，該設備由氣氛調控系統、供料系統、出料系統、冷卻系統、運動系統和控制系統組成。