[发明专利]一种电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头

说明书

技术领域

本发明属于快速成型制造设备，涉及一种采用金属丝作为耗材的3D打印机挤出喷头。

背景技术

3D打印机又叫做三维打印机，是一种快速成型技术的机器，它是一种以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并通过逐层打印方式来构造物体的技术。过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。3D打印技术迄今已广泛用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程等诸多领域。

基于FDM原理的3D打印方法，使金属丝耗材在喷头内熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝固，通过逐层打印的方法实现材料的成型，这种加工方法能够在很大程度上降低金属3D的成本并提高成型效率。挤出喷头是3D打印机的核心部件，目前基于FDM原理的3D打印机大多采用以金属电阻丝作为耗材的基础喷头，但电阻丝加热会存在下述的一些问题：(1)、电阻丝加热的效率低，热量散失大且能耗高；(2)、电阻丝加热的加热能力不足，由于电阻丝加热装置受到挤出喷头的尺寸限制，其结构尺寸有限，对于一些高熔点的金属其提供的热量不足以使金属充分熔化，这会导致出丝效率低下、喷头易被堵住、耗材挤出困难；(3)、电阻丝加热的预热时间长，影响3D打印机的工作效率；(4)、由于挤出喷头和金属丝耗材的导热作用，送料端温度高，耗材在送料端过早软化，导致出丝效率低下、喷头易被堵住、耗材挤出困难；(5)、由于金属耗材与喷头材料不同，高温熔融金属会与喷头材料发生反应造成对金属丝材的污染；(6)、电阻丝加热对金属丝材没有搅拌，造成金属熔化不均匀。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种可打印不同金属(高温合金)、金属熔化均匀、金属溶液纯度高、出丝效率高并能解决挤出喷头易堵塞问题的电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头。

为实现以上发明目的而采用的技术解决方案如下所述。

一种电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头，具有一个内壁布设有冷却水道的冷坩埚，在冷坩埚的顶部和底部分别设有进料口和锥斗形挤出通道，在冷坩埚进料口的上方设有双辊夹持进料机构，打印过程中金属丝材通过夹持进料机构中双辊子的转动进入冷坩埚内，在冷坩埚的外围缠绕设有由感应线圈构成的电源频率为35～50KHz的第一电磁感应加热器，在冷坩埚锥斗形挤出通道的外围缠绕设有由感应线圈构成的电源频率为200～300KHz的第二电磁感应加热器。

上述技术解决方案进一步限定在于：第一电磁感应加热器的电源采用并联震荡的方式，第二电磁感应加热器的电源采用并联震荡的方式。

上述技术解决方案进一步限定在于：冷坩埚的冷却水道由20～30条依次毗接围绕成圆形结构的分瓣水道组成，各分瓣水道的毗接处有细小间隙，各细小间隙内填有绝缘材料。

上述技术解决方案进一步限定在于：构成双辊夹持进料机构的两辊子之间的中心线与进料口的中心线重合，且两辊子之间最小外径的距离小于金属丝材的直径。

上述技术解决方案进一步限定在于：挤出通道与冷坩埚底部采用螺纹方式连接，挤出通道材料与金属丝材相同，打印不同金属丝材时更换与其对应的挤出通道。挤出通道材料包括钛合金、镁铝合金、铝合金和高温合金等。

该电磁悬浮加热式3D打印机挤出喷头的工作步骤如下所述。

1、送料：金属丝材利用辊子的转动进入冷坩埚内部熔炼区(电磁场最强处)。

2、金属熔化：应用冷坩埚悬浮感应熔炼方法，当金属丝材进入冷坩埚指定区域时，第一电磁感应加热器提供热源及悬浮力使金属丝材熔化形成金属溶液，金属溶液与冷坩埚不接触或弹性接触。

3、出料：金属溶液在重力作用下从挤出通道流出形成金属液流，金属液流受到第二电磁感应加热器的磁力，由于第二感应加热器(感应线圈)可以通过改变磁场大小来约束液流直径和流速，所以有起到磁控开关的作用，可进一步加热金属溶液并约束金属液流的直径，使金属液流按照一定流速和一定直径稳定流出。

上述的电磁悬浮加热方式可以应用于高温合金、钛合金、铝合金等难熔金属的3D打印。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

一、本发明采用冷坩埚真空悬浮感应熔炼的方式加热金属丝材，并在坩埚底部加上可换式挤出通道和第二电磁感应加热器(磁控开关)和熔融沉积方式结合的方法，把悬浮熔炼技术和液流控制技术和传统FDM技术相结合，可以满足FDM技术所需的熔融态金属。