一种金属3d打印用双水冷融熔喷嘴
阅读说明：本技术 一种金属3d打印用双水冷融熔喷嘴 (Double-water-cooling melting nozzle for 3D printing of metal ) 是由 刘正文 金涛斌 牛津 焦向东 于 2020-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属3D打印用双水冷融熔喷嘴,包括：送丝管、送丝管接头、冷热过渡管、水冷换热器、内径管、紫铜垫、紧固螺丝盖、感应管压盖、抵紧联接器、变温过渡管节、小紫铜垫、挤压枪芯壳、感应受热管、薄壁熔管、挤出嘴、电感应水冷铜管、挤压枪外壳。该融熔挤压喷嘴采用双水冷设计,丝材送入挤出结构设计巧妙、结构紧凑,其喷嘴主体可浸入高温密闭箱体内,外部温度与喷嘴内部电感应加热部件温度相互隔离无影响,对送入丝材加热迅速,上限温度高,可加热挤出多种金属,可满足金属熔融挤压快速成形方法中对在多种金属丝材融熔加热并挤出的要求。(The invention discloses a double water-cooling melting nozzle for metal 3D printing, which comprises: the device comprises a wire feeding pipe, a wire feeding pipe joint, a cold and hot transition pipe, a water-cooling heat exchanger, an inner diameter pipe, a red copper pad, a fastening screw cap, a sensing pipe gland, a butting connector, a variable-temperature transition pipe joint, a small red copper pad, an extrusion gun core shell, a sensing heated pipe, a thin-wall fusion pipe, an extrusion nozzle, an electric sensing water-cooling copper pipe and an extrusion gun shell. The melting extrusion nozzle adopts a double water cooling design, wires are fed into the extruding structure and is ingenious in design and compact in structure, a nozzle main body can be immersed into a high-temperature closed box, the external temperature and the temperature of an electric induction heating component inside the nozzle are mutually isolated and have no influence, the feeding wires are rapidly heated, the upper limit temperature is high, various metals can be extruded by heating, and the requirements of melting heating and extruding various metal wires in a metal melting extrusion rapid forming method can be met.)
技术领域
本发明涉及一种3D打印或快速成形制造装置，尤其涉及一种金属3D打印用双水冷融熔喷嘴。金属融熔挤压3D打印是将金属材料加热融化或半融化后，通过挤压的方式将融熔金属从小孔隙中挤压出来，并进行堆积成形的过程，其物理过程类似于有机材料的3D打印原理。
背景技术
3D打印或快速成形制造以其特有的造形能力，方便快捷的制造形式，目前成为各种先进制造领域的热点研究对象，随着科技水平的发展，作为关键的金属3D打印技术越来越受到科研机构和工业生产厂家的关注，成为一种新兴的制造手段。
目前，非金属材料3D打印以融熔挤压方式为主，即将丝材送入一个安装有电阻加热的喷嘴受热熔化成半融熔态，喷嘴下端开有小孔，在新丝材不断送入过程中，喷嘴内压力增大使得半融熔态的成形材料从喷嘴下端小孔挤出并形成融熔态的细丝，用于堆积成形。而金属3D打印或快速成形技术以激光加热源为主，通过发射激光并改变激光照射角度达到使激光对焦点快速在平台面的粉末层上移动，达到烧结成形的目的。
与激光热源的3D打印技术相比，金属融熔挤压的3D快速成形技术原理更类似于非金属材料的电热融熔挤压3D打印技术，由于金属融熔挤压快速成形技术要求喷嘴的加热融熔温度非常高，通常需要达到金属熔点的2/3以上，是常规非金属3D打印喷嘴加热温度的3～4倍，同时成形环境条件也较为严酷，其核心部件均需要浸入在密闭的高温环境中，如此对机械结构设计和电气设计带来很大不便，需要考虑材料的抗高温性能，从而实现的技术难度高，目前没有现实可用的金属融熔成形装备。
发明内容
基于金属融熔挤压3D打印或快速成形技术所面临的问题，本发明的目的是提供一种金属3D打印用双水冷融熔喷嘴，该双水冷融熔喷嘴可将送入的金属丝材通过电感加热到半融熔态，再通过丝材送入过程本身带来的挤压效果，使融熔态金属从喷嘴下方的小孔挤出，以实现金属融熔挤压快速成形的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的金属3D打印用双水冷融熔喷嘴，包括：
送丝管、送丝管接头、冷热过渡管、水冷换热器、内径管、紫铜垫、紧固螺丝盖、感应管压盖、抵紧联接器、变温过渡管节、小紫铜垫、挤压枪芯壳、感应受热管、薄壁熔管、挤出嘴、电感应水冷铜管、挤压枪外壳；其中，
所述送丝管端头由所述送丝管接头的细端卡紧，所述送丝管接头的粗端螺纹孔与所述冷热过渡管的螺纹固紧，所述冷热过渡管的下端旋入所述水冷换热器的上端中心螺纹孔并固紧，所述水冷换热器的下端由四个螺纹孔与所述紧固螺丝盖通过螺栓连接，所述紧固螺丝盖的下部细端螺纹口旋入所述抵紧联接器的上端螺纹孔并固紧，所述抵紧联接器的下端外螺丝口旋入所述挤压枪芯壳的上螺纹孔，在由所述紧固螺丝盖、所述抵紧联接器、所述挤压枪芯壳构成的空腔内，由所述水冷换热器的下端凸柱顺次顶压所述紫铜垫、所述感应管压盖、所述变温过渡管节、所述小紫铜垫、所述薄壁熔管、所述感应受热管和所述挤出嘴，所述电感应水冷铜管的两扎线圈位于所述挤压枪芯壳中间位置，所述挤压枪芯壳的下端从所述挤压枪外壳的下端孔中探出，所述挤压枪外壳将所有上述部件包裹其内，中间空隙由抗高温绝缘隔热材料填实。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的金属3D打印用双水冷融熔喷嘴，其有益效果为：
金属丝材从送丝管通过冷热过渡管、内径管，再通过感应管压盖和变温过渡管节，最后进入薄壁熔管中，电感应水冷铜管上加载高频振荡电流，在水冷铜管的螺旋线圈轴径产生高频电磁场，从而使处于螺旋线圈轴心位置的感应受热管受交变电磁场影响在管壁产生交变电流，感应受热管被电磁场快速加热后，感应受热管的热量通过薄壁熔管的良好导热性迅速传递给其管内的金属丝材上，使其受热融化为液态或融熔态，随着金属丝材不断的送入薄壁熔管，薄壁熔管的空腔被充满融熔态金属，薄壁熔管内的温度还会沿金属丝材向上方传递，而由于变温过渡管节的存在，温度场在变温过渡管节处剧烈变化形成了压缩的温度场，从而使通过其中的金属丝材温度亦随之剧烈变化，丝材从进入变温过渡管节到进入薄壁熔管，硬度也随之软化，同时由于变温过渡管节的锥度孔的限制，使得金属丝材在其处自然形成锥形的由硬到软的推塞，从而使丝材在送入过程中可将丝材本身向下的力完成转化为薄壁熔管腔内融熔金属向下挤压的力，由于锥形的推塞形态也使得金属丝材不会在温度场剧烈变化的变温过渡管节处发生淤堵，丝材能很好的连续送入，不断送入的金属丝材挤压位于薄壁芯管内的融熔态金属，迫使融熔态金属从挤出嘴下方的小孔连续挤压，最终达到将金属丝材挤出成融熔态金属微丝的目的。
附图说明
图1为本发明实施例提供的金属3D打印用双水冷融熔喷嘴置于高温密闭箱体局部剖视结构示意图；
图2为本发明实施例的正面剖视结构示意图；
图中：
1-送丝管、2-送丝管接头、3-冷热过渡管、4-水冷换热器、5-内径管、6-紫铜垫、7-紧固螺丝盖、8-感应管压盖、9-抵紧联接器、10-变温过渡管节、11-小紫铜垫、12-挤压枪芯壳、13-感应受热管、14-薄壁熔管、15-挤出嘴、16-电感应水冷铜管、17-挤压枪外壳。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的金属3D打印用双水冷融熔喷嘴，其较佳的具体实施方式如图1、2所示：
包括：
送丝管1、送丝管接头2、冷热过渡管3、水冷换热器4、内径管5、紫铜垫6、紧固螺丝盖7、感应管压盖8、抵紧联接器9、变温过渡管节10、小紫铜垫11、挤压枪芯壳12、感应受热管13、薄壁熔管14、挤出嘴15、电感应水冷铜管16、挤压枪外壳17；其中，
送丝管1端头由送丝管接头2的细端卡紧，送丝管接头2的粗端螺纹孔与冷热过渡管3的螺纹固紧，冷热过渡管3的下端旋入水冷换热器4的上端中心螺纹孔并固紧，水冷换热器4的下端由四个螺纹孔与紧固螺丝盖7通过螺栓连接，紧固螺丝盖7的下部细端螺纹口旋入抵紧联接器9的上端螺纹孔并固紧，抵紧联接器9的下端外螺丝口旋入挤压枪芯壳12的上螺纹孔，在由紧固螺丝盖7、抵紧联接器9、挤压枪芯壳12构成的空腔内，由水冷换热器4的下端凸柱顺次顶压紫铜垫6、感应管压盖8、变温过渡管节10、小紫铜垫11、薄壁熔管14、感应受热管13和挤出嘴15，电感应水冷铜管16的两扎线圈位于挤压枪芯壳12中间位置，挤压枪芯壳12的下端从挤压枪外壳17的下端孔中探出,挤压枪外壳17将所有上述部件包裹其内，中间空隙由抗高温绝缘隔热材料填实。
挤压枪芯壳12的下端为带锥度内孔，与挤压嘴15的锥度相吻合，受上端压力后可起到导向和紧固的作用；
冷热过渡管3的管径比水冷换热器4中的内径管5的管径略粗，内径管5的上端内孔开倒角，为便于金属丝材的进入；
感应管压盖8为优良导热材料，与水冷换热器4相隔一层紫铜垫6，故感应管压盖8的温度可视为与水冷换热器4温度相近；
水冷换热器4中心孔内塞入内径管5，通过循环水冷可直接冷却内径管5内的金属丝材和下方的感应管压盖8，并助于形成变温过渡管节10中的大梯度温度场，同时水冷换热器4占据挤压枪外壳17内的大部分空间，还显著降低了融熔喷嘴内的绝对温度；
变温过渡管节10上方的温度受水冷换热器4的作用而相对较低，变温过渡管节10的下端凹圆槽内放置小紫铜垫11，下方薄壁熔管14内的融熔金属温度很高，因而变温过渡管节10的上方和下方存在较大的温度差，从而使变温过渡管节10本身自上而下形成较大温度变化梯度的温度场；
为使金属丝材在进入管组后不会发生淤堵，并使金属丝材送入带来的压力最大化作用于融熔金属上，变温过渡管节10的中心孔为带有锥度的光孔，金属丝材进入变温过渡管节10后迅速受热软化，并受变温过渡管节10的锥度光孔的限制，金属丝材以锥状变形并挤入薄壁熔管14的管芯内；
感应管压盖8旋入挤压枪芯壳12后，下端沿其中心轴径方向抵紧下方的感应受热管13、挤出嘴15和挤压枪芯壳12的下端带锥度内孔壁上，，从而形成保护融熔态金属的外层腔室；
紧固螺丝盖7旋入抵紧联接器9上端的螺纹孔中，沿其中心轴径方向由水冷换热器4的下端凸圆柱顺次抵紧下方的紫铜垫6、感应管压盖8、变温过渡管节10、小紫铜垫11、薄壁熔管14和挤出嘴15，从而在丝材送入通道之外构成第二道密封防漏空腔；
感应受热管13的内管壁与薄壁熔管14的外壁贴合，薄壁熔管14为绝缘耐高温材料，并有良好的导热性能，感应受热管13温度变化可直接传导给薄壁熔管14及其内的金属丝材；
感应受热管13为碳钢材质，电感应水冷铜管16通过高频振荡电流后，会在其盘绕的感应受热管13位置处产生高频交变电磁场，从而可迅速加热感应受热管13，紧固螺丝盖7、抵紧联接器9和挤压枪芯壳12均为耐高温不锈钢材质，不受电磁感应加热的影响；
挤压枪外壳17为耐高温绝缘材料，在其构成的空腔内，填充有绝缘隔热的耐高温材料；
水冷换热器4的出、入水管口4-2从挤压枪外壳17的上端开口处向外伸出，可直接联接进出水管；
上述由各所述部件构成的融熔挤压喷嘴将没入高温密闭箱的顶部圆形开孔，高温密闭箱用于保证3D打印过程中的融熔态金属所需的环境温度，冷热过渡管3及以上的结构处于高温密闭箱之外的常温环境中。
具体实施例：
如图1、图2所示，本实施例提供的一种金属3D打印用双水冷融熔喷嘴，是一种应用电磁感应加热作为热源，对金属丝材进行加热成融熔态后挤出成形的金属3D打印的融熔挤出喷嘴。通过电磁感应方式将融熔挤压喷嘴内的碳钢受热管加热形成高温腔室，金属丝材从导丝管送入该高温腔后受热软化为液态或融熔态金属，再通过挤压的方式将融熔金属从喷嘴下方小孔挤压出来，并进行堆积成形的过程，其物理过程类似于有机材料的3D打印原理。
具体包括：送丝管1、送丝管接头2、冷热过渡管3、水冷换热器4、内径管5、紫铜垫6、紧固螺丝盖7、感应管压盖8、抵紧联接器9、变温过渡管节10、小紫铜垫11、挤压枪芯壳12、感应受热管13、薄壁熔管14、挤出嘴15、电感应水冷铜管16、挤压枪外壳17；其中，送丝管1端头由送丝管接头2的细端卡紧，送丝管接头2的粗端螺纹孔与冷热过渡管3的螺纹固紧，冷热过渡管3的下端旋入水冷换热器4的上端中心螺纹孔并固紧，水冷换热器4的下端由四个螺纹孔与紧固螺丝盖7通过螺栓连接，紧固螺丝盖7的下部细端螺纹口旋入抵紧联接器9的上端螺纹孔并固紧，抵紧联接器9的下端外螺丝口旋入挤压枪芯壳12的上螺纹孔，在由紧固螺丝盖7、抵紧联接器9、挤压枪芯壳12构成的空腔内，由水冷换热器4的下端凸柱顺次顶压紫铜垫6、感应管压盖8、变温过渡管节10、小紫铜垫11、薄壁熔管14、感应受热管13和挤出嘴15，电感应水冷铜管16的两扎线圈位于挤压枪芯壳12中间位置，挤压枪芯壳12的下端从挤压枪外壳17的下端孔中探出,挤压枪外壳17将所有上述部件包裹其内，中间空隙由抗高温绝缘隔热材料填实。
上述挤压枪芯壳12的下端为带锥度内孔，与挤压嘴15的锥度相吻合，受上端压力后可起到导向和紧固的作用；
上述冷热过渡管3的管径比水冷换热器4中的内径管5的管径略粗，内径管5的上端内孔开倒角，为便于金属丝材的进入；
上述感应管压盖8为优良导热材料，与水冷换热器4相隔一层紫铜垫6，故感应管压盖8的温度可视为与水冷换热器4温度相近；
上述水冷换热器4中心孔内塞入内径管5，通过循环水冷可直接冷却内径管5内的金属丝材和下方的感应管压盖8，并助于形成变温过渡管节10中的大梯度温度场，同时水冷换热器4占据挤压枪外壳17内的大部分空间，还显著降低了融熔喷嘴内的绝对温度；
上述变温过渡管节10上方的温度受水冷换热器4的作用而相对较低，变温过渡管节10的下端凹圆槽内放置小紫铜垫11，下方薄壁熔管14内的融熔金属温度很高，因而变温过渡管节10的上方和下方存在较大的温度差，从而使变温过渡管节10本身自上而下形成较大温度变化梯度的温度场；
上述为使金属丝材在进入管组后不会发生淤堵，并使金属丝材送入带来的压力最大化作用于融熔金属上，变温过渡管节10的中心孔为带有锥度的光孔，金属丝材进入变温过渡管节10后迅速受热软化，并受变温过渡管节10的锥度光孔的限制，金属丝材以锥状变形并挤入薄壁熔管14的管芯内；
上述感应管压盖8旋入挤压枪芯壳12后，下端沿其中心轴径方向抵紧下方的感应受热管13、挤出嘴15和挤压枪芯壳12的下端带锥度内孔壁上，，从而形成保护融熔态金属的外层腔室；
上述紧固螺丝盖7旋入抵紧联接器9上端的螺纹孔中，沿其中心轴径方向由水冷换热器4的下端凸圆柱顺次抵紧下方的紫铜垫6、感应管压盖8、变温过渡管节10、小紫铜垫11、薄壁熔管14和挤出嘴15，从而在丝材送入通道之外构成第二道密封防漏空腔；
上述感应受热管13的内管壁与薄壁熔管14的外壁贴合，薄壁熔管14为绝缘耐高温材料，并有良好的导热性能，感应受热管13温度变化可直接传导给薄壁熔管14及其内的金属丝材；
上述感应受热管13为碳钢材质，电感应水冷铜管16通过高频振荡电流后，会在其盘绕的感应受热管13位置处产生高频交变电磁场，从而可迅速加热感应受热管13，紧固螺丝盖7、抵紧联接器9和挤压枪芯壳12均为耐高温不锈钢材质，不受电磁感应加热的影响；
上述挤压枪外壳17为耐高温绝缘材料，在其构成的空腔内，填充有绝缘隔热的耐高温材料；
上述水冷换热器4的出、入水管口4-2从挤压枪外壳17的上端开口处向外伸出，可直接联接进出水管；
上述由各所述部件构成的融熔挤压喷嘴将没入高温密闭箱的顶部圆形开孔，高温密闭箱用于保证3D打印过程中的融熔态金属所需的环境温度，冷热过渡管3及以上的结构处于高温密闭箱之外的常温环境中。
本发明的一种金属3D打印用双水冷融熔喷嘴，能够使送入融熔挤压喷嘴的金属丝材加热熔化，再通过送入丝材的挤入压力从喷嘴小孔不断挤出。金属丝材从送丝管进入冷热过渡管，通过内径管、感应管压盖和变温过渡管节，最后进入薄壁熔管中，电感应水冷铜管的绕圈上通过高频振荡电流感生出高频电磁场，快速加热感应受热管，热量再通过薄壁熔管传递给金属丝材，随着金属丝材不断送入，充满融熔态金属不断受到送入的金属丝材的挤压，迫使融熔态金属从挤出嘴下方的小孔连续挤压，最终达到将金属丝材挤出成融熔态金属微丝的目的。该双水冷融熔喷嘴的电磁感应加热与丝材送入挤出结构设计巧妙、结构紧凑，其融熔喷嘴主体可浸入高温密闭箱体内，外部温度与喷嘴内部电感应加热部件温度相互隔离无影响，对送入丝材加热迅速，上限温度高，可加热挤出多种金属，对外绝缘隔热性好，安全热效率高，从而满足了金属熔融挤压快速成形方法中对金属丝材融熔加热并挤出的要求。
结合图1、图2，本发明的工作流程如下：
金属丝材从送丝管进入冷热过渡管后，通过水冷换热器中心孔内的内径管，再通过感应管压盖、变温过渡管节，最后进入薄壁熔管中，电感应水冷铜管上加载高频振荡电流，在水冷铜管的螺旋线圈轴径产生高频电磁场，从而使处于螺旋线圈轴心位置的感应受热管受交变电磁场影响在管壁产生交变电流，感应受热管被电磁场快速加热后，感应受热管的热量通过薄壁熔管的良好导热性迅速传递给处于薄壁熔管内的金属丝材上，使其受热融化为液态或融熔态，随着金属丝材不断的送入薄壁熔管，薄壁熔管的空腔被充满融熔态金属，薄壁熔管内的温度在变温过渡管节处形成大梯度温降，在变温过渡管节的上方受感应管压盖和水冷换热器的影响形成了大梯度降温温度场，其中通过的金属丝材也具有显示的下降温度场，使得金属丝材在向薄壁熔管送入时，在变温过渡管节处硬度渐次变软，并受到变温过渡管节中心锥度孔的限制，丝材挤压成向下的锥塞状，从而使丝材在送入过程中可将送丝力完成转化为向下挤压力，同时锥塞形态得丝材能很好的连续送入，不断送入的金属丝材将挤压位于薄壁熔管内的融熔态金属，并迫使融熔态金属从挤出嘴下方的小孔连续挤压，最终达到将金属丝材挤出成融熔态金属微丝的目的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。