用于液态金属3D打印的冷却装置及方法与流程

用于液态金属3d打印的冷却装置及方法
技术领域
1.本发明涉及3d打印技术领域，具体而言，涉及用于液态金属3d打印的冷却装置及方法。


背景技术：

2.金属增材制造技术是将待成形零件的复杂三维模型逐层切片为2d截面，然后沿高度方向逐层堆积材料，最终成形出金属零件的金属加工技术。液态金属3d打印技术属于金属增材制造的一种，该技术采用金属熔体直接成形金属零件，在成形时通过基板运行速度和基板到喷嘴口的高度调节获得金属零件的最佳组织性能。液态打印技术原理为：金属熔体在真空压力下从喷嘴出口连续喷出，在三维运动平台上凝固，逐层堆积，最终直接形成金属零件。液态金属3d打印可以制备完全等轴晶组织的材料，材料具有良好的综合性能，进一步拓宽了金属材料在航空、电子等高端领域的应用。
3.对于液态金属3d打印，为了避免随打印层数的增加，因温度过高导致金属流淌进而造成精度变差的问题，要么减少打印高度，要么等待层间温度降低后再继续下一次打印。减少打印高度限制了3d打印产品的应用，增大层间冷却温差不仅降低了制造效率，而且影响层间结合力。另外，3d打印过程较低的冷却速度一方面限制了高温熔体(如钢、铝合金等)的3d打印应用，另一方温度过高会造成晶粒长大，影响材料力学性能。
4.现有技术对3d打印过程冷却的方式主要是在打印基底上焊接管道或加工孔洞，通水进行冷却，或是在底部或侧部增设风扇或通风等方式冷却，亦或是对喷嘴增设冷凝管冷却。这些技术存在两个问题：一是无法获得较大的冷却速度，无法满足高温熔体及大尺寸样品的快速冷却；二是存在3d打印制品底层与上层冷却不均匀的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于液态金属3d打印的冷却装置，旨在提升打印过程中冷却的均匀性，有利于制备更大尺寸的3d打印制品。
6.本发明的另一目的在于提供一种液态金属3d打印方法，其通过冷却装置的改进，提升多层3d打印制品冷却的均匀性。
7.本发明是这样实现的：
8.本发明提供一种用于液态金属3d打印的冷却装置，包括用于从3d打印制品底部进行冷却的底部冷却机构和在打印时位于3d打印制品上方的顶部冷却机构；
9.顶部冷却机构包括冷凝板和用于对冷凝板进行冷却的顶部冷却组件，冷凝板上设置有供打印原料通过的流通口；底部冷却机构包括用于承载从流通口通过的打印原料的冷却基板和用于对冷却基板进行冷却的底部冷却组件。
10.进一步地，在本发明较佳的实施例中，底部冷却组件包括多个导热部和用于容置多个导热部进行冷却的容置腔体，冷却基板具有与打印制品接触的第一导热面和与第一导热面相对的第二导热面，每个导热部的一端与冷却基板的第二导热面相连，另一端延伸至
容置腔体的底壁上。
11.进一步地，在本发明较佳的实施例中，容置腔体包括与冷却基板相对的冷却底板和围绕冷却底板设置的冷却侧壁，冷却底板和冷却侧壁之间形成供冷却介质流通的冷却通道；
12.冷却通道具有介质进口端和与介质进口端相对的介质出口端，多个导热部呈多行排列以从介质进口端延伸至介质出口端，相邻的两行导热部交错排布。
13.进一步地，在本发明较佳的实施例中，顶部冷却组件还包括用于与介质进口端相连的冷料输入组件和用于与介质出口端相连的冷料输出组件；
14.冷料输入组件包括第一冷料储存器和冷料输入管，冷料输入管的一端与第一冷料储存器的出料口连通，冷料输入管的另一端与冷却通道的介质进口端相连；
15.冷料输出组件包括第二冷料储存器和冷料输出管，冷料输出管的一端与冷却通道的介质出口端相连，冷料输出管另一端与第二冷料储存器的进料口连通。
16.进一步地，在本发明较佳的实施例中，冷料输入管和冷料输出管均为多个，且每个冷料输入管或冷料输出管上均设置有调节阀。
17.进一步地，在本发明较佳的实施例中，冷却基板的第一导热面上设置有导热凸起，在第一导热面的边缘还设置有基板围堰。
18.进一步地，在本发明较佳的实施例中，顶部冷却组件还包括设置于冷凝板上的冷却管路，冷却管路从冷凝板的一端延伸至相对的另一端。
19.进一步地，在本发明较佳的实施例中，在宽度方向上冷凝板具有第一端和与第一端相对的第二端，冷却管路是从第一端至第二端来回往复排布。
20.本发明实施例还提供了一种液态金属3d打印方法，采用上述用于液态金属3d打印的冷却装置进行冷却；包括：打印原料通过冷凝板上的流通口后，在底部冷却机构的冷却基板上逐层堆积冷却成型。
21.进一步地，在本发明较佳的实施例中，在打印初期采用底部冷却机构进行冷却，当打印至8-10层后开启顶部冷却机构，使底部冷却机构和顶部冷却机构同时运行。
22.本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的用于液态金属3d打印的冷却装置，在打印时打印原料通过冷凝板上的流通口后进入冷却基板上，在打印过程中通过底部冷却组件从3d打印制品的底部进行冷却，并通过顶部冷却组件从3d打印制品上方进行冷却，显著提升了冷却效果，能够使3d打印制品各层之间的温度更加均匀，有利于制备得到更大尺寸的3d打印制品。
23.本发明所提供的一种液态金属3d打印方法，采用上述用于液态金属3d打印的冷却装置进行冷却，通过冷却装置的改进提升了3d打印制品冷却的均匀性。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
25.图1是本发明实施例提供的用于液态金属3d打印的冷却装置的结构示意图；
26.图2是图1中容置腔体的结构示意图；
27.图3是图1中容置腔体的部分结构示意图；
28.图4是图1中底部冷却机构的部分结构示意图；
29.图5是图4中
ⅴ
区的放大图；
30.图6是3d打印过程的原理图。
31.图标：100-用于液态金属3d打印的冷却装置；110-底部冷却机构；111-冷却基板；1111-第一导热面；1113-导热凸起；112-基板围堰；113-容置腔体；1131-冷却底板；1132-冷却侧壁；1133-冷却通道；1142-冷料输入管；1143-出料口；1144-第一冷料储存器；1145-进水管；1152-冷料输出管；1153-进料口；1154-第二冷料储存器；1155-排料管；116-导热部；117-介质出口端；118-介质进口端；120-顶部冷却机构；121-冷凝板；122-流通口；123-出水口；124-进水口；125-冷却管路；126-固定孔；10-水冷铜板；20-液态金属；30-固态铝块；40-液态铝。
具体实施方式
32.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特
征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
37.请参照图1，本发明实施例提供一种用于液态金属3d打印的冷却装置100，包括用于从3d打印制品底部进行冷却的底部冷却机构110和在打印时位于3d打印制品上方的顶部冷却机构120。
38.具体地，顶部冷却机构120包括冷凝板121和对冷凝板121进行冷却的顶部冷却组件，冷凝板121上设置有供打印原料通过的流通口122；底部冷却机构110包括用于承载从流通口122通过的打印原料的冷却基板111。在打印时打印原料通过冷凝板121上的流通口122后进入冷却基板111上，在打印过程中通过底部冷却组件从3d打印制品的底部进行冷却，并通过顶部冷却机构120从3d打印制品上方进行冷却，显著提升了冷却效果，能够使3d打印制品各层之间的温度更加均匀。
39.进一步地，顶部冷却组件包括设置于冷凝板121上的冷却管路125，冷却管路125从冷凝板121的一端延伸至相对的另一端。在优选的实施例中，在宽度方向上冷凝板121具有第一端和与第一端相对的第二端，冷却管路125是从第一端至第二端来回往复排布。具体地，冷却管路125具有进水口124和出水口123，通过类似多个弓形的排布，增大换热面积。
40.需要说明的是，冷凝板121通过固定孔126进行固定，可以通过悬挂或立杆支撑的方式与3d打印装备固定。冷凝板121的材质为紫铜，其表面可以通过真空磁控溅射的方式形成陶瓷层，以保证吸收率大于95％，发射率小于4％。
41.具体地，冷凝板121的形状不限，可以为图中所示的中空矩形结构，流通口122可以为矩形也可以为圆形。冷凝板121长度与3d打印x轴的运动行程一致，冷凝板121的宽度与3d打印y轴的运动行程一致。顶部冷却机构120固定连接在打印装备上，不随三维运动平台而运动，冷凝板的长度和宽度应满足打印样品的外形尺寸，即三维运动平台应在顶部冷却机构120的投影范围内运动，这样可保证整个3d打印样品的每一层均得到充分冷却。
42.在其他实施例中，冷凝板121的边缘还可以设置向下延伸的侧壁，形成一个罩体结构，进一步增加辐射散热的效果。
43.请结合图1-图4，底部冷却组件包括多个导热部116和用于容置多个导热部116进行冷却的容置腔体113，冷却基板111具有与打印制品接触的第一导热面1111和与第一导热面1111相对的第二导热面(图未示)，每个导热部116的一端与冷却基板111的第二导热面相连，另一端延伸至容置腔体113的底壁上。将与冷却基板111直接接触的3d打印样品的热量直接传递给导热部116，再通过多个导热部与容置腔体113内的冷却水进行换热，同时可拆卸定期清洗传热面。
44.需要说明的是，底部冷却机构110采用内腔敞开式紊流腔体结构，取代管壳式换热结构，保证了内腔的整体性及承压性，在有限空间内增大冷却水量。
45.进一步地，容置腔体113包括与冷却基板111相对的冷却底板1131和围绕冷却底板1131设置的冷却侧壁1132，冷却底板1131和冷却侧壁1132之间形成供冷却介质流通的冷却通道1133；冷却通道1133具有介质进口端118和与介质进口端118相对的介质出口端117，多个导热部116呈多行排列以从介质进口端118延伸至介质出口端117，相邻的两行导热部116交错排布。通过导热部116交错排布，降低了冷却通道1133中的热阻，增大换热面积，保证内
腔内冲水量达到最大；交错排布的导热部116起到传热及改善流动特征(紊流)的双重作用，防止流体直接绕过降低冷却效果，起到截流的目的(称“憋水”)，保证腔体内充满水，增强冷却效果。
46.在一些实施例中，可以采用图中奇(11个)偶(12个)数交错排列的立柱结构，内部形成s形通道，共161根φ30mm立柱，占据内腔体积的10％，可最大利用冷却空间。导热部116加工成圆形是为了获得最大的表面积和散热效果。导热部116数量及直径的变化均是通过增大换热面积、增加换热时间达到最佳冷却效果的目的，导热部116的数量、大小尺寸可根据换热需求调整。
47.在本发明较佳的实施例中，顶部冷却机构120还包括用于与介质进口端118相连的冷料输入组件和用于与介质出口端117相连的冷料输出组件；冷料输入组件包括第一冷料储存器1144和冷料输入管1142，冷料输入管1142的一端与第一冷料储存器1144的出料口1143连通，冷料输入管1142的另一端与冷却通道1133的介质进口端118相连；冷料输出组件包括第二冷料储存器1154和冷料输出管1152，冷料输出管1152的一端与冷却通道1133的介质出口端117相连，冷料输出管1152另一端与第二冷料储存器1154的进料口1153连通。具体地，第一冷料储存器1144上设置有与冷却水管路连通的进水管1145，第二冷料储存器1154上设置有排料管1155，与外置管路连通，实现冷却水的输入和输出。采用增设大口径储存器，确保稳定水流补给，使腔体内充满水，达到最大换热效果。在本发明实施例中，为减少管道阻力，冷料输入管1142和冷料输出管1152采用金属软管，便于清理与更换。
48.进一步地，冷料输入管1142和冷料输出管1152均为多个，且每个冷料输入管1142或冷料输出管1152上均设置有调节阀。如图1所示，采用多排进水与多排出水(各5支)，在综合考虑了流体阻力与不发生流体诱发振动的前提下，减少水流在腔体内流动不均(靠近进水口处水流大)，尽量增加冷却水的流速，也可减小系统压降与系统运行所需动力。
49.请结合图4和图5，冷却基板111的第一导热面1111上设置有导热凸起1113，在第一导热面1111的边缘还设置有基板围堰112。冷却基板111表面为凸起结构，具体可以为四面体棱台凸起结构，能够增大与3d打印样品的接触面积。另外，打印伊始，金属液流温度较高，冷却平台温度较低，当金属液流在冷却平台铺展开后，会因强冷却产生引力集中而引起底层样品出现变形、翘曲等问题。采用曲面结构代替平面结构可有效减少应力的产生，消除底层样品变形，实现样品和冷却平台的“绞合”接触。
50.本发明实施例还提供了一种液态金属3d打印方法，采用上述用于液态金属3d打印的冷却装置进行冷却，通过冷却装置的改进显著提升冷却的均匀性。
51.在本发明较佳的实施例中，在打印初期采用底部冷却机构110进行冷却，当打印至8-10层后开启顶部冷却机构120，使底部冷却机构110和顶部冷却机构120同时运行。3d打印的初始阶段，开启底部冷却机构110，关闭顶部冷却机构120的目的是底部冷却机构110对3d打印样品底层的冷却效果较好，可以保证3d打印样品温度降到所需要求，当打印至第8-10层时，底部冷却机构110冷却效果逐渐变差，这时开启上部冷却，可辅助冷却新打印样品的每一顶层。冷却速度可以通过调节底部冷却机构110和顶部冷却机构120进水口的开度来实现，也可以通过调节底部冷却机构110和顶部冷却机构120的距离来实现，另外，可根据需要，选择上部冷却机构的开启时机。
52.优选地，在打印之前，在底部冷却机构110的冷却基板111上铺设柔性导热材料；更
优选地，柔性导热材料为液态金属材料。在一些实施例中，液态金属材料是由ga、sn、bi、cd、pb、sb和zn中的一种或两种元素组成；在其他实施例中，液态金属材料是由a l与ga、sn、b i、cd、pb、sb和zn中的至少一种形成的合金材料。通过柔性导热材料的铺设，能够防止温度过高的3d打印原料与温度较低的冷却基板111直接接触，显著减少变形、翘曲等问题的产生。打印开始后，高温熔体落到液态金属表面，迅速熔化液态进水，使液态金属自由平铺到基板表面，随后的高温熔体将落到液态金属表面，与其连接在一起。
53.在一些实施例中，底部冷却机构110固定于三维运动平台上，在打印过程中随三维运动平台一同运动，并且每打印一层三维运动平台向下运动，以使顶部冷却机构120与3d打印制品最顶层的距离相等。
54.优选地，打印过程是在真空腔室中进行，真空腔室的腔体容积为0.5-10m3，顶部冷却机构120上的冷凝板121的面积为0.1-5m2，底部冷却机构110上的冷却基板111的面积为0.1-5m2，底部冷却机构110上冷却水的流速为0.5-2.5m/s，顶部冷却机构120上冷却水的流速为0.5-2.0m/s。通过精确控制顶部冷却机构120和底部冷却机构110的冷却水流速，达到更好的控温效果，能够使3d打印制品的每层均处于较佳的温度范围内。
55.在一些实施例中，可以在真空腔室上安装摄像头时时记录打印过程。
56.为了更精确地控制温度，冷凝板121与最顶层的3d打印制品之间的间距为10-30cm，冷凝板121与3d打印喷嘴的间距为5-20cm。
57.在一些优选的实施例中，冷凝板121经过发黑处理，其黑度值为0.8-1.0。黑度是表征物体辐射特性的一个重要参数，黑度值取决于物体的性质、物体的温度、表面状态、射线波长和方向。黑度只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。不同种类物质的黑度各不相同，同一物体的黑度又随温度而变化。在一些优选实施例中，冷却基板111的材质可以为紫铜，冷凝板121的材质也可以为紫铜。
58.表面状况对黑度有很大影响，尤其是对于金属，粗糙表面和光滑表面，其黑度相差甚多。冷凝板121远离底部冷却机构110的端面上排布有冷却管路，冷凝板121靠近底部冷却机构110的端面的粗糙度为ra为6.3-100。发明人通过控制底部冷却机构110的端面的粗糙度相应增加了表面的有效面积，使端面的发射率增大。
59.实施例1
60.本实施例提供一种铝合金3d打印方法，其采用图1-图5中所示的液态金属3d打印的冷却装置进行冷却，在打印初期采用底部冷却机构110进行冷却，当打印至8层后开启顶部冷却机构120，使底部冷却机构110和顶部冷却机构120同时运行。具体步骤如下：
61.结合图6所示，在打印之前在冷却基板111上铺设一层sn-bi组成的液态金属，3d打印原料从喷嘴喷出后从流通口122通过后落入冷却基板111的液态金属上，逐层堆积成型，每次注液厚度为5mm，注液间隔18s,铝液喷速为0.5kg/s，共注液15次。如图6中所示，自上而下依次为液态铝40、固态铝块30、液态金属20和水冷铜板10。
62.其中，打印过程是在真空腔室中进行，真空腔室的腔体容积为0.5m3，顶部冷却机构120上的冷凝板121的面积为0.1m3，底部冷却机构110上的冷却基板111的面积为0.1m3，底部冷却机构110上冷却水的流速为0.5m/s，顶部冷却机构120上冷却水的流速为0.5m/s。冷凝板121与最顶层的3d打印制品之间的间距为10cm，冷凝板121与3d打印喷嘴的间距为5cm。冷凝板121的黑度为0.8；冷凝板121靠近底部冷却机构110的端面的粗糙度ra为6.3。
63.实施例2
64.本实施例提供一种液态金属3d打印方法，与实施例1不同之处在于：打印过程是在真空腔室中进行，真空腔室的腔体容积为10m3，顶部冷却机构120上的冷凝板121的面积为5m3，底部冷却机构110上的冷却基板111的面积为5m3，底部冷却机构110上冷却水的流速为2.5m/s，顶部冷却机构120上冷却水的流速为2.0m/s。冷凝板121与最顶层的3d打印制品之间的间距为30cm，冷凝板121与3d打印喷嘴的间距为20cm。冷凝板121的黑度为0.9；冷凝板121靠近底部冷却机构110的端面的粗糙度ra为50。
65.实施例3
66.本实施例提供一种液态金属3d打印方法，与实施例1不同之处在于：打印过程是在真空腔室中进行，真空腔室的腔体容积为5m3，顶部冷却机构120上的冷凝板121的面积为1m3，底部冷却机构110上的冷却基板111的面积为1m3，底部冷却机构110上冷却水的流速为1.5m/s，顶部冷却机构120上冷却水的流速为1.2m/s。冷凝板121与最顶层的3d打印制品之间的间距为10cm，冷凝板121与3d打印喷嘴的间距为10cm。冷凝板121的黑度为1.0；冷凝板121靠近底部冷却机构110的端面的粗糙度ra为80。
67.对比例1
68.本对比例提供一种液态金属3d打印方法，与实施例1不同之处在于：仅包括底部冷却机构110。
69.对比例2
70.本对比例提供一种液态金属3d打印方法，与实施例1不同之处在于：在打印之前不铺设液态金属。
71.试验例1
72.测试实施例1-3和对比例1-2中3d打印制品的温度，分别在每次注液后3s进行测定，测定方法采用红外测温仪。
73.具体测试结果如下：
74.[0075][0076]
综上所述，本发明提供了一种用于液态金属3d打印的冷却装置，在打印时打印原料通过冷凝板上的流通口后进入冷却基板上，在打印过程中通过底部冷却组件从3d打印制品的底部进行冷却，并通过顶部冷却组件从3d打印制品上方进行冷却，显著提升了冷却效果，能够使3d打印制品各层之间的温度更加均匀，有利于制备得到更大尺寸的3d打印制品。
[0077]
本发明还提供了一种液态金属3d打印方法，采用上述用于液态金属3d打印的冷却装置进行冷却，通过冷却装置的改进提升了3d打印制品冷却的均匀性。
[0078]
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。