CN103862046B - 一种电磁调制熔融发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁调制熔融发射装置，包括感应加热线圈、三相直线感应加热线圈和喷嘴，三相直线感应加热线圈设置在感应加热线圈的正下方，感应加热线圈的外围设置有支撑筒，支撑筒的下端连接喷嘴，感应加热线圈的两个端头连接在交变电源上，三相直线感应加热线圈设置成三相四线制回路结构，三相直线感应加热线圈的四个端头分别连接在三相脉冲交变电源上。该电磁调制熔融发射装置所采用的悬浮熔炼技术和直线感应电动机原理技术均为传统工业中常用电磁感应技术，工艺成熟，制造成本和耐用性优于使用大功率激光器的选择性激光烧结技术（SLS），更适合于传统工业的应用。

Description

一种电磁调制熔融发射装置

技术领域

本发明涉及一种三维成型制造技术，更具体地说是涉及一种熔融沉积快速制造中的电磁调制熔融发射装置。

背景技术

在现有三维成型制造技术中，应用最为广泛的是选择性激光烧结（SLS）与熔融沉积成型（FDM）。其中选择性激光烧结技术，是先由软件把零件的3D数字模型，“切”成若干个平面，这就形成了很多个剖面，把3D模型薄片化之后，在一个容器内，有一个可以下降的平台，先让材料辊在其表面铺满一层待烧结的材料粉末，这些粉末可以做的很细，然后由大功率的激光，通过软件控制，选择最底层的3D切片形状数据开始烧结，然后平台下移，材料辊在已经烧结部分的基础之上，再铺上薄薄的一层材料粉末继续烧结，如此往复，直到整体成型。它的优点是：成型材料的强度非常高，可选材料从金属到聚苯乙烯等，范围非常广泛。缺点是：成型零件有时会因粉末熔化不充分，形成微孔缺陷，所需要的粉状材料价格较高，材料的使用存在粉尘污染问题，而且使用的大功率激光器价格昂贵、不够耐用。使用熔融沉积成型技术，同样是需要把3D的模型薄片化，但是成型的原理不一样。熔融沉积成型技术，就是把材料用高温熔化成液态，然后通过喷嘴挤压出细丝或一个个很小的球状颗粒，这些细丝或颗粒在喷出后立即固化，在立体空间通过逐线、逐层的排列组合形成实物。它的优点是：材料大多为丝材，材料成本比粉状材料低，操作简单，污染小，不使用激光。缺点是：材料使用电阻丝加热，使用的成型材料一般为熔点不太高的热塑性塑料、蜡或人造橡胶等，成型材料主要是非金属，强度不高，难以直接成型金属零件。其次还有立体光刻造型技术（SLA）等。在这些三维打印成型制造技术中，现在只有选择性激光烧结，能够直接实现金属零件的三维成型制造，但因其使用的粉状材料制备困难、成本高的影响，一直以来也只在一些航空航天和高端制造领域得到使用，却不能够在传统工业上普及应用，限制了三维成型制造技术的发展，同时零件制成后清除多余粉末的工作也给工人健康带来了不利的影响。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种不使用粉末材料和激光，而用线材原料进行金属三维成型制造的电磁调制熔融发射装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种电磁调制熔融发射装置，包括感应加热线圈、三相直线感应加热线圈和喷嘴，所述感应加热线圈设置成中间大两端小形状，所述三相直线感应加热线圈设置在感应加热线圈的正下方，感应加热线圈的外围设置有支撑筒，支撑筒的下端连接所述喷嘴，支撑筒的上端设置有耐磨衬套，耐磨衬套的下端内孔中固定有导料管，导料管的下端伸入到所述感应加热线圈的孔中；所述感应加热线圈的两个端头连接在交变电源上，所述三相直线感应加热线圈设置成三相四线制回路结构，三相直线感应加热线圈的四个端头分别连接在三相脉冲交变电源上。

上述方案中，为了保证材料在高温时不和周围空气发生化学反应，从而保证材料成分的稳定性，所述支撑筒的内腔中设置有保护气体，所述支撑筒的侧面设置有保护气体外置接头。

上述方案中，为了使由喷嘴中流出的材料迅速冷却固化，所述喷嘴的侧壁设置成中空结构，形成冷却腔，喷嘴的侧壁上设置有进出冷却液的管接头。

上述方案中，为了使被熔化线性材料准确连续的进入感应加热线圈的孔中，所述支撑筒的上方设置有送丝机构。

上述方案中，所述感应加热线圈和三相直线感应加热线圈均采用紫铜管制作。

本发明一种电磁调制熔融发射装置的有益效果是：

1、本发明实现了熔融沉积成型（FDM）技术在高熔点高硬度材料上的应用。

2、使用线型材料，比使用粉末材料取材容易，价格低廉，粉尘污染少，还节省了零件成型后的粉末清理过程。

3、所采用的悬浮熔炼技术和直线感应电动机原理均为传统工业中常用电磁感应技术，工艺成熟，制造成本和耐用性优于使用大功率激光器的选择性激光烧结技术（SLS），更适合于传统工业的应用。

4、材料在通有保护气体的装置中悬浮熔炼，熔炼温度可以达到2000℃，射出后被喷嘴下边缘挤压、扎制、展平和迅速冷却固化，涂覆层致密，不产生杂质和污染，不会向粉末烧结时出现残余微孔缺陷，可精确控制材料成分，还可在成型时分别涂覆不同的材料，形成复合材料结构，改善零件的结构性能。

5、本装置适用的材料领域广泛，包括：活泼金属和合金、超纯金属和合金、太阳能级多晶硅，超纯级的溅射靶材、成分和组织要求精确的合金、金属间化合物、金属功能材料、贵金属及其合金，稀有金属和合金、半导体、人造晶体、金属陶瓷等材料。

6、熔融的液态材料在三相线圈产生的直线交变磁场中的下降移动受3D数据脉冲控制，比较容易实现以材料特性来选择合适的熔融材料发射速度、工作台的移动速度，从而满足涂覆过程中对材料使用量的控制要求，增加了对复杂三维结构成型的适用性。

附图说明

图1是本发明电磁调制熔融发射装置的结构原理图。

图2是本发明电磁调制熔融发射装置中材料熔融射出原理图。

图中：1、线形金属材料，2、送丝机构，3、耐磨衬套，4、支撑筒，5、感应加热线圈，6、感应加热线圈管接头，7、交变电源，8、感应加热线圈管接头，9、三相直线感应加热线圈，10、出水管接头，11、喷嘴，12、成型零件，13、工作台，14、进水管接头，15、三相直线感应加热线圈管接头，16、三相脉冲交变电源，17、材料熔球，18、保护气体外置接头，19、导料管，20、a线圈，21、b线圈，22、c线圈，23、小液滴。

A、B、C、D是材料熔融射出原理图的四个工作过程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明电磁调制熔融发射装置作进一步的描述：

图1是本发明电磁调制熔融发射装置的结构原理图，图2是本发明电磁调制熔融发射装置中材料熔融射出原理图。图中，该电磁调制熔融发射装置，包括感应加热线圈5、三相直线感应加热线圈9和喷嘴11，感应加热线圈5设置成中间大两端小形状，三相直线感应加热线圈9设置在感应加热线圈5的正下方，感应加热线圈5的外围设置有支撑筒4，支撑筒4的下端连接喷嘴11，支撑筒4的上端设置有耐磨衬套3，耐磨衬套3的下端内孔中固定有导料管19，导料管19的下端伸入到感应加热线圈5的孔中；感应加热线圈5的两个端头通过感应加热线圈管接头6和感应加热线圈管接头8连接在交变电源7上，三相直线感应加热线圈9设置成三相四线制回路结构，三相直线感应加热线圈9的四个端头分别通过三相直线感应加热线圈管接头15连接在三相脉冲交变电源16上。为了保证材料在高温时不和周围空气发生化学反应，从而保证材料成分的稳定性，支撑筒4的内腔中设置有保护气体，支撑筒4的侧面设置有保护气体外置接头18，为了使被熔化线形金属材料1准确连续的进入感应加热线圈5的孔中，在支撑筒4的上方设置有送丝机构2。为了使由喷嘴11中流出的材料迅速冷却固化，喷嘴11的侧壁设置成中空结构，形成冷却腔，喷嘴11的侧壁上设置有进出冷却液的进水管接头14和出水管接头10。

本发明电磁调制熔融发射装置首先利用以电磁感应加热为基础的悬浮熔炼技术，将线形金属材料1由送丝机构2送入感应加热线圈5后，给感应加热线圈5通入交变电流，感应加热线圈5周围会产生一个交变磁场，被加热线形金属材料1放置在感应加热线圈5内，磁束就会贯通线形金属材料1，在线形金属材料1内部与加热电流相反的方向，便会产生相对应的很大涡电流。由于线形金属材料1内存在着电阻，所以会产生很多的焦耳热，使物体自身的温度迅速上升，从而达到材料加热熔化的目的。同时该涡流也会产生磁场，其方向与感应加热线圈5产生的磁场方向相反，从而产生一个排斥力，当这个排斥力的垂直分力大于材料重量时，就可以把熔融的液态材料悬浮在空中，形成一个上大下小的倒立水滴形熔球。

然后利用直线感应电动机原理，在感应加热线圈5的下面耦合一个三相直线感应加热线圈9，这三相直线感应加热线圈9分别通入可被脉冲调制的交变电流，调制脉冲按照3D切片形状数据改变交变电流的大小，使三相直线感应加热线圈9产生的直线交变磁场改变熔球下部的磁力场强弱，诱导熔球下端出现滴流，使熔滴落入三相直线交变磁场中，从而汲取一个个小液滴在三相脉冲调制的控制速度下发射到底部的喷嘴11，小液滴在重力和保护气体正压的作用下通过喷嘴11汇聚成流，并被喷嘴下边缘挤压、扎制、展平和迅速冷却固化，在运动的工作台13上将涂覆材料层层叠加堆积形成所需要的3D立体成型零件12。

该电磁调制熔融发射装置的工作原理如下：当线型金属材料1由送丝机构2通过耐磨衬套3、导料管19进入感应加热线圈5，首先耐磨衬套3、导料管19对线性金属材料1具有引导作用，避免了材料与感应加热线圈5接触造成短路，然后，交变电源7输出的交变电流通过感应加热线圈管接头6、感应加热线圈5和感应加热线圈管接头8，在线形金属材料1周围形成交变磁场。线形金属材料1内部因感应涡流而被加热熔化，并感应出与交变磁场相反的感应磁场，两个磁场相互排斥。感应加热线圈5绕制成中间大两端小的漏斗形的螺旋管会增强这种排斥效果，当排斥力足够大时，熔融的材料就会悬浮起来不和周围发生接触。

调整交变电源7输出的交变电流大小和感应加热线圈5的漏斗形螺旋管底孔口径，把漏斗的底孔口部分形成弱磁场区域，熔化的材料在这里因得不到足够大的排斥力而存在漏液现象。

接着在计算机3D模型数据的控制下，改变三相脉冲交变电源16对三相直线感应加热线圈9中的a线圈20、b线圈21、c线圈22的电流输出，来实现材料漏液的通断过程：

A、让三相脉冲交变电源16，通过三相直线感应加热线圈管接头15，给三相直线感应加热线圈9的a线圈20输入与交变电源7频率相同的交变电流。a线圈20产生与感应加热线圈5相同的磁场，两个磁场耦合，增强了漏斗底孔口区域的磁场，熔融材料漏液现象不会产生。

B、减小a线圈20的交变电流。并给b线圈21输入交变电流，漏斗底孔口区域的磁场因a线圈20磁场减小而减弱，漏斗里的材料从漏斗底孔口漏入a线圈20内，并被b线圈21产生的磁场托举，悬停在a线圈20的内部。

C、减小b线圈21的交变电流，并给a线圈20、c线圈22输入交变电流。漏斗底孔口区域的磁场因a线圈20磁场增大而增强，漏斗停止漏液，原来被b线圈21磁场托举的材料小液滴23，在b线圈21磁场减弱后漏入b线圈21内部，并被c线圈22产生的磁场托举，悬停在b线圈21的内部。

D、减小a线圈20、c线圈22的交变电流，并给b线圈21线圈输入交变电流。悬停在b线圈21内部的材料小液滴23会因c线圈22磁场的减弱在重力作用下而下落，而a线圈20磁场减小又引起了下一个材料小液滴23的下落过程。

这样周而复始的重复上面的过程后，一个个下落的小液滴23通过喷嘴11流出，完成材料的电磁熔融和发射结构的发射过程。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰，为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种电磁调制熔融发射装置，其特征在于：包括感应加热线圈、三相直线感应加热线圈和喷嘴，所述感应加热线圈设置成中间大两端小形状，所述三相直线感应加热线圈设置在所述感应加热线圈的正下方，感应加热线圈的外围设置有支撑筒，支撑筒的下端连接所述喷嘴，支撑筒的上端设置有耐磨衬套，耐磨衬套的下端内孔中固定有导料管，导料管的下端伸入到所述感应加热线圈的孔中；所述感应加热线圈的两个端头连接在交变电源上，所述三相直线感应加热线圈设置成三相四线制回路结构，三相直线感应加热线圈的四个端头分别连接在三相脉冲交变电源上。

2.根据权利要求1所述的一种电磁调制熔融发射装置，其特征在于：所述支撑筒的内腔中设置有保护气体，所述支撑筒的侧面设置有保护气体外置接头。

3.根据权利要求1所述的一种电磁调制熔融发射装置，其特征在于：所述喷嘴的侧壁设置成中空结构，形成冷却腔，喷嘴的侧壁上设置有进出冷却液的管接头。

4.根据权利要求1所述的一种电磁调制熔融发射装置，其特征在于：所述支撑筒的上方设置有送丝机构。

5.根据权利要求1所述的一种电磁调制熔融发射装置，其特征在于：所述感应加热线圈和三相直线感应加热线圈均采用紫铜管制作。