[发明专利]一种用于3D金属打印机的电磁感应式快速金属熔化装置

说明书

所属技术领域

本发明涉及3D金属打印技术领域，尤其是一种用于3D金属打印机的电磁感应式快速金属熔化装置。

背景技术

由于金属被用于很多零件和构件的制造，具有复杂形状的金属零件被广泛应用于航空航天、舰船、汽车、机器、电子以及医药等领域，3D打印可制造传统工艺所不能加工的复杂零件，使用3D金属打印技术可以极大地减少对备用零件的需求，节约了存储与相关设施的投入成本。大型金属构件包括飞机机身、飞机引擎、航空设备、铁路车厢、铁轨、船体、远洋船桅杆、卡车、轿车、核反应堆控制棒、油井套管、电液涡轮机等等。小型金属构件包括汽车引擎、齿轮、自行车部件、钟表、炊具、包装构件、电子设备的金属外壳等等。

利用3D打印工艺成形金属构件是增材制造的重要发展方向，目前已有多种打印工艺可实现金属构件的间接成形(Indirect Metal Forming，IMF)或直接成形(Direct Metal Forming，DMF)。金属间接打印成形是首先打印成形构件的生坯件(Green Part)，然后将生坯件烧结成金属构件；金属直接打印成形是指打印得到的即为金属构件(Deych and Abenaim，US20150115494；Bai et al.，US20150069649；Uetani and Stuber，US20150125334)。

在金属构件间接成形工艺中，需要使用有机粘合剂，而粘合剂的烧蚀会产生残留物。例如，糖的烧蚀会产生焦化物，一般是某种炭粒，这种残留物显然会对成型的产品形成污染。

在金属构件直接成形工艺中，熔化金属的热源可以是激光束、电子束、等离子弧或电加热器等。热源与金属材料相互作用的位置，可以是在基板上预先铺设的金属粉层上、激光束或电子束在基板上产生的熔池中，或者基板之外的加热容器中(王运赣等的《3D打印技术》，华中科技大学出版社；王运赣等的《三维打印自由成型》，机械工业出版社)。

在金属直接打印成形工艺中，激光束熔焊烧结由于使用激光，价格昂贵；电子束烧结工艺也非常昂贵(需要很高的真空环境)，而且非常耗电，成型物体的尺寸也会受到型腔空间的限制；等离子弧工艺则提供相对高的沉积速度，但成型精度低、分辨率低，因为很难控制金属焊丝使其进给到所造物体的小液体池中。

由于在金属成型过程中的高温以及在空气存在时随着温度升高产生的金属氧化趋势，使得金属的3D打印在技术上要比其它材料的3D打印更具挑战性。通常而言，金属颗粒表面的氧化物会阻碍金属颗粒的焊合(连接)，这是因为氧化物(如三氧化二铝，Al2O3)有着比对应金属(如铝，Al)熔点更高的熔化温度。因此，金属熔化时，氧化物却并未熔化。此外，单位质量的金属粉末要比金属铸锭昂贵。细小颗粒的金属粉末也比大颗粒的金属粉末更贵。为了使颗粒熔融烧结完全，并使最终3D结构获得足够的空间分辨率，激光烧结、电子束烧结和粉末冶金等成型工艺需要足够细小的金属颗粒。另外，与相同质量的金属铸锭相比，金属粉末的表面积更大，在表面产生的金属氧化要比金属铸锭更严重，这种严重的氧化作用可能导致燃烧，这是非常危险的。

相比相同质量的金属铸锭，金属弧焊工艺中的金属焊丝非常昂贵。金属焊丝的表面积比同样质量的金属铸锭要大。金属焊丝直径越小，其单位质量的表面积却更大。足够细的金属焊丝可以使金属焊丝经过的横截面完全熔融，并使最终3D结构获得足够的空间分辨率。因此，在金属焊丝表面发生的氧化作用比单位质量的金属铸锭更严重(黛博拉·D·L·钟，专利申请201510593081.5)。

金属粉末冶金工艺尽管具有很高的打印速度，却非常耗时，因为需要长时间的烧结。另外，金属粉末比金属块更昂贵且容易氧化，其烧结过程是在壁炉中进行，所打印的三维物体尺寸也受到了限制，并且这种烧结过程通常需要相当长的时间。

电加热器目前均采用电阻加热或电炉加热方式，需要对导热的容器先进行加热，然后由容器传热给容器中的金属，从而对金属进行加热，效率低、速度慢，容器的温度很高，影响了环境，并且不安全。

显然，激光束、电子束、等离子弧等传统的金属打印方法，都不能实现快速打印，也不能完成对大型金属构件的成型制造，因价格昂贵而不能普及应用；而电加热器则效率低、速度慢，容器的温度很高，既影响了环境，也不安全。

因此，亟需一种新的高性价比的3D金属打印方法，它能对金属进行快速的直接加热，能量转换效率高，可提供较高的沉积率、较小的氧化层、更高的安全性及可控性，能快速打印，能进行大尺寸金属构件的制造。

发明内容