一种水冷铜坩埚感应熔炼金属3D打印喷嘴的制作方法

本发明涉及金属3D打印机，具体而言，涉及一种水冷铜坩埚感应熔炼金属3D打印喷嘴。

背景技术：

3D打印技术不同于传统的机械加工的减材成型，而是分成加工的增材成型工艺；其基本原理是打印都将打印材料喷射到打印平台的打印工件上，或者是通过逐层选择性地固化、熔接粉末成型，而打印头与打印平台之间作相对的三维运动。

现有成熟的3D打印技术有SLA、FDM、SLS、3DP、LOM等等；

对于金属3D打印技术主要有激光烧结技术、粘结剂喷射技术、电子束熔炼技术和高频感应熔融技术；其中激光烧结技术又分别有激光选区烧结(Selective Laser Sintering，SLS)、选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)和激光近净成型(Laser Engineering Net Shaping，LENS)；而高频感应熔融技术相对于其他金属3D打印技术具有打印成本低，打印速度快的特点，同时还能适应从几十克到数吨的不同大小工件的打印。

本发明的目的是针对高频感应熔炼技术金属3D打印的喷嘴的发明，提供一种水冷铜坩埚感应熔炼金属3D打印喷嘴。

本发明一种水冷铜坩埚感应熔炼金属3D打印喷嘴，解决了原有由氧化物或陶瓷喷嘴在高频感应熔融技术在3D打印过程中存在着打印材料腐蚀、夹杂喷嘴的问题，避免了原有喷嘴对3D打印产品的性能的影响。

本发明一种水冷铜坩埚感应熔炼金属3D打印喷嘴扩展了金属3D打印金属材料的应用范围，该喷嘴能适应绝大部分单质金属(除了Ga、In、Sn等部分低熔点金属以外)和所有的金属合金。

本发明一种水冷铜坩埚感应熔炼金属3D打印喷嘴扩展了金属3D打印金属状态的应用范围，该喷嘴能适应原材料为丝材、棒材、颗粒、粉末等不同形态的金属或金属合金材料。

技术实现要素：

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种水冷铜坩埚感应熔炼金属3D打印喷嘴，它由送料机构、3D打印喷嘴、高频感应加热装置、水循环冷却系统、氩气保护系统构成。送料机构根据金属状态不同分别采用不同的送料机构；高频感应加热装置由加热电源、感应线圈构成；水循环冷却系统由水温控制系统、冷水机、冷却管路构成；氩气保护系统与真空系统联通。3D打印喷嘴由通水铜坩埚构成。

该3D打印喷嘴是本发明的核心部分，它是由多瓣通水铜件组合焊接而成的圆柱型铜坩埚2喷嘴，并由两瓣铜件组成一个独立的U型通水水路3，再由6-12个这样的U型通水坩埚瓣11与水套焊接而成，且相互并联与水套相连，整体组成3D打印喷嘴内的冷却水路结构。

进一步地通过送料机构准确的把金属颗粒1(或金属丝材8、金属棒材9、金属粉末10)送到喷嘴内，再由高频感应加热装置的感应线圈5加热材料，使材料熔化，形成液态金属熔池4，并且熔融金属在电磁场和重力的作用下，进入喷嘴挤出通道7形成连续不断的金属液流6喷射至3D打印平台。

进一步地喷嘴内熔融金属液在电磁场的作用下达到悬浮或半悬浮效果，金属液与喷嘴内壁分离或渐离(金属液与喷嘴内壁软接触)状态，此为条件1。

进一步地由冷水机冷却的低温水通过3D打印喷嘴的冷却水路，并且U型通水回路在有限截面积的情况下大大增加了通水管路的截面积，从而增加通水量，进一步达到快速降低打印喷嘴温度地目的，实现3D打印喷嘴的温度不高于400℃，此为条件2。

在上述条件1和条件2的双重作用下喷嘴与金属液实现了固液分离和冷热分离状态，有效避免了金属液腐蚀或夹渣喷嘴材料的情况，从而保证了3D打印产品的性能和质量。

进一步地熔融金属液流在电磁场的约束和重力的作用下通过喷嘴挤出通道7流出，并形成连续金属液流6固化到打印平台上实现3D打印效果。

该3D打印喷嘴与现有氧化物喷嘴、陶瓷喷嘴、石墨喷嘴在高频感应熔融3D打印技术的应用上，本发明具有以下优势：

一、本发明一种水冷铜坩埚感应熔炼金属3D打印喷嘴采用了真空悬浮感应熔炼的方式，并结合铜坩埚独特的通水结构的冷却方式，实现了金属溶液与喷嘴分离的效果，提高了现有高频感应熔融3D打印技术所适用的温度范围内，该3D打印喷嘴能适应高于3000℃熔融金属，扩展了金属3D打印金属材料的应用范围，该喷嘴能适应绝大部分单质金属(除了Ga、In、Sn等部分低熔点金属以外)和所有的金属合金。

二、本发明一种水冷铜坩埚感应熔炼金属3D打印喷嘴扩展了金属3D打印金属状态的应用范围，该喷嘴能适应原材料为丝材、棒材、颗粒、粉末等不同形态的金属或金属合金材料。

附图说明

图1、图2、图3、图4为本发明的结构示意图。

图5为铜坩埚的整体示意图。

图6为坩埚瓣水路示意图。

图中个数字标号的名称分别是：1-金属颗粒，2-铜坩埚，3-U型通水水路，4-金属熔池，5-感应线圈，6-金属液流，7-挤出通道，8-金属丝材，9-金属棒材，10-金属粉末，11-坩埚瓣。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明

参见附图，本发明一种水冷铜坩埚感应熔炼金属3D打印喷嘴由铜坩埚2、U型通水水路3和感应线圈5等机构构成。铜坩埚2顶部有送料机构连续的把金属颗粒1(或金属丝材8、金属棒材9、金属粉末10)准确的送到金属熔池4的上方，铜坩埚2底部有挤出通道7。铜坩埚2由多瓣通水铜瓣组合而成，并由两瓣铜件组成一个独立的U型通水水路3，再由6-12个这样的U型通水坩埚瓣11与水套焊接而成。感应线圈5呈螺旋状缠绕在铜坩埚2的外围，是该喷嘴的加热装置，与高频电源相连接。

本发明一种水冷铜坩埚感应熔炼金属3D打印喷嘴工作步骤如下所述。

1.送料：送料机构连续的把金属颗粒1(或金属丝材8、金属棒材9、金属粉末10)准确的送到铜坩埚2内部。

2.金属熔化：应用高频感应熔炼的方法，当金属材料进入到铜坩埚2内，感应线圈5提供热源使金属材料熔化形成金属溶液，金属溶液在坩埚内富集形成金属熔池4。

3.出料：金属溶液在电磁力的约束作用和重力的作用下从挤出通道7形成连续的金属液流6喷射到3D打印平台，根据成型零件从底部到顶部层层堆叠实现零件的3D打印效果。