[發明專利]一種用于3D金屬打印機的電磁感應式快速金屬熔化裝置

在審

• 申請號: 201710238119.6
• 申請日: 2017-04-12
• 公開（公告）號: CN107008906A
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 曾瑞楓
• 申請（專利權）人: 曾廣興
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115;H05B6/14;H05B6/42;B33Y30/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

所屬技術領域

本發明涉及3D金屬打印技術領域，尤其是一種用于3D金屬打印機的電磁感應式快速金屬熔化裝置。

背景技術

由于金屬被用于很多零件和構件的制造，具有復雜形狀的金屬零件被廣泛應用于航空航天、艦船、汽車、機器、電子以及醫藥等領域，3D打印可制造傳統工藝所不能加工的復雜零件，使用3D金屬打印技術可以極大地減少對備用零件的需求，節約了存儲與相關設施的投入成本。大型金屬構件包括飛機機身、飛機引擎、航空設備、鐵路車廂、鐵軌、船體、遠洋船桅桿、卡車、轎車、核反應堆控制棒、油井套管、電液渦輪機等等。小型金屬構件包括汽車引擎、齒輪、自行車部件、鐘表、炊具、包裝構件、電子設備的金屬外殼等等。

利用3D打印工藝成形金屬構件是增材制造的重要發展方向，目前已有多種打印工藝可實現金屬構件的間接成形(Indirect Metal Forming，IMF)或直接成形(Direct Metal Forming，DMF)。金屬間接打印成形是首先打印成形構件的生坯件(Green Part)，然后將生坯件燒結成金屬構件；金屬直接打印成形是指打印得到的即為金屬構件(Deych and Abenaim，US20150115494；Bai et al.，US20150069649；Uetani and Stuber，US20150125334)。

在金屬構件間接成形工藝中，需要使用有機粘合劑，而粘合劑的燒蝕會產生殘留物。例如，糖的燒蝕會產生焦化物，一般是某種炭粒，這種殘留物顯然會對成型的產品形成污染。

在金屬構件直接成形工藝中，熔化金屬的熱源可以是激光束、電子束、等離子弧或電加熱器等。熱源與金屬材料相互作用的位置，可以是在基板上預先鋪設的金屬粉層上、激光束或電子束在基板上產生的熔池中，或者基板之外的加熱容器中(王運贛等的《3D打印技術》，華中科技大學出版社；王運贛等的《三維打印自由成型》，機械工業出版社)。

在金屬直接打印成形工藝中，激光束熔焊燒結由于使用激光，價格昂貴；電子束燒結工藝也非常昂貴(需要很高的真空環境)，而且非常耗電，成型物體的尺寸也會受到型腔空間的限制；等離子弧工藝則提供相對高的沉積速度，但成型精度低、分辨率低，因為很難控制金屬焊絲使其進給到所造物體的小液體池中。

由于在金屬成型過程中的高溫以及在空氣存在時隨著溫度升高產生的金屬氧化趨勢，使得金屬的3D打印在技術上要比其它材料的3D打印更具挑戰性。通常而言，金屬顆粒表面的氧化物會阻礙金屬顆粒的焊合(連接)，這是因為氧化物(如三氧化二鋁，Al2O3)有著比對應金屬(如鋁，Al)熔點更高的熔化溫度。因此，金屬熔化時，氧化物卻并未熔化。此外，單位質量的金屬粉末要比金屬鑄錠昂貴。細小顆粒的金屬粉末也比大顆粒的金屬粉末更貴。為了使顆粒熔融燒結完全，并使最終3D結構獲得足夠的空間分辨率，激光燒結、電子束燒結和粉末冶金等成型工藝需要足夠細小的金屬顆粒。另外，與相同質量的金屬鑄錠相比，金屬粉末的表面積更大，在表面產生的金屬氧化要比金屬鑄錠更嚴重，這種嚴重的氧化作用可能導致燃燒，這是非常危險的。

相比相同質量的金屬鑄錠，金屬弧焊工藝中的金屬焊絲非常昂貴。金屬焊絲的表面積比同樣質量的金屬鑄錠要大。金屬焊絲直徑越小，其單位質量的表面積卻更大。足夠細的金屬焊絲可以使金屬焊絲經過的橫截面完全熔融，并使最終3D結構獲得足夠的空間分辨率。因此，在金屬焊絲表面發生的氧化作用比單位質量的金屬鑄錠更嚴重(黛博拉·D·L·鐘，專利申請201510593081.5)。

金屬粉末冶金工藝盡管具有很高的打印速度，卻非常耗時，因為需要長時間的燒結。另外，金屬粉末比金屬塊更昂貴且容易氧化，其燒結過程是在壁爐中進行，所打印的三維物體尺寸也受到了限制，并且這種燒結過程通常需要相當長的時間。

電加熱器目前均采用電阻加熱或電爐加熱方式，需要對導熱的容器先進行加熱，然后由容器傳熱給容器中的金屬，從而對金屬進行加熱，效率低、速度慢，容器的溫度很高，影響了環境，并且不安全。

顯然，激光束、電子束、等離子弧等傳統的金屬打印方法，都不能實現快速打印，也不能完成對大型金屬構件的成型制造，因價格昂貴而不能普及應用；而電加熱器則效率低、速度慢，容器的溫度很高，既影響了環境，也不安全。

因此，亟需一種新的高性價比的3D金屬打印方法，它能對金屬進行快速的直接加熱，能量轉換效率高，可提供較高的沉積率、較小的氧化層、更高的安全性及可控性，能快速打印，能進行大尺寸金屬構件的制造。

發明內容