一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統，該系統集成了金屬熔滴沉積成型技術、微噴技術以及電磁場作用下金屬凝固成型理論，其利用壓力脈沖在坩堝腔體內產生膨脹、收縮的脈沖壓力，通過控制脈沖壓力的變化，迫使金屬熔滴通過間隙可調噴嘴可控均勻按需噴射，通過調整驅動控制參數以及間隙可調噴嘴與基板相對位置實現對金屬微熔滴的微量按需供給。本發(fā)明通過在臨近微熔滴沉積區(qū)域施加外置電磁場，實現小空間、大場強、大時間溫度梯度環(huán)境下電磁場約束對金屬微熔滴流淌、快速凝固后成型的控形控性精確沉積成型，提高金屬復雜構件成型精度和效率，細化晶粒、提高微觀組織致密度，進而改善成型質量。
【專利說明】一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統
【【技術領域】】
[0001]本發(fā)明屬于金屬三維增材制造領域，具體涉及一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統。
【【背景技術】】
[0002]增材制造(又稱3D打印)是二十世紀八十年代發(fā)展起來的一種新型制造技術，其核心思想是將三維零件進行二維離散，形成片層數據，逐層累加成形零件。液滴噴射制造是3D打印的一種，利用金屬熔滴的可控噴射，可以實現金屬熔滴直接成形零件三維實體，其基本原理是通過坩堝內部產生的瞬間脈沖壓力，使溶液通過坩堝底部微小噴嘴噴出并形成單顆粒金屬熔滴，然后將此熔滴準確地沉積到移動基板上預設位置，按照一定的沉積路徑，經過逐層堆積成形，最終形成復雜的零件實體。
[0003]申請?zhí)枮?01210593134.X的專利“一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快速成型的方法及裝置”公開了一種利用坩堝加熱使金屬熔融，通過攝像系統實時分析液滴尺寸數據，在三維運動平臺上沉積金屬零件的方法，該方法可形成均勻可控的金屬液滴。申請?zhí)枮?01310003717.7的專利“微小金屬熔滴形成裝置以及利用該裝置形成微小金屬熔滴的方法”公開了一種通過控制加載應力波控制金屬熔滴尺寸的方法。
[0004]針對熔滴沉積成型法已有研究，但就金屬熔滴沉積成型而言，仍存在諸多影響成型精度和質量的問題亟待解決，如熔滴流淌難控制、成型層間熱應力集中引起的熱裂紋、凝固時氣體被封閉造成氣穴以及固化收縮微孔等等均會影響到最終產品的精度和質量，其中金屬熔滴沉積凝固過程中熔體流淌、凝固過程的精確控制是制約金屬熔滴沉積成型技術發(fā)展的瓶頸，因此對熔滴流淌、凝固成型過程的精確控制已成為金屬熔滴沉積成型中研究重點和難點。
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【發(fā)明內容】
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[0005]本發(fā)明的目的在于針對上述現有技術的不足，提供了一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統。其集成了金屬熔滴沉積成型技術、微噴技術以及電磁場作用下金屬凝固成型理論。利用壓力脈沖在坩堝腔體內產生膨脹、收縮的脈沖壓力，通過控制脈沖壓力的變化，迫使金屬熔滴通過間隙可調噴嘴可控均勻按需噴射，通過調整驅動控制參數以及間隙可調噴嘴與基板相對位置實現對金屬微熔滴的微量按需供給，在臨近微熔滴沉積區(qū)域施加外置電磁場，實現小空間、大場強、大時間溫度梯度環(huán)境下電磁場約束對金屬微熔滴流淌、快速凝固后成型的控形控性精確沉積成型，減少能耗，提高成形件的加工質量。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案予以實現:
[0007]—種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統，包括間隙微調儀、壓電執(zhí)行器、壓電閥、惰性氣體罐、加熱元件、坩堝、間隙可調噴嘴、交變磁場、交變電場、基板、三維工作臺、壓力控制器、控制系統、溫度控制器、手套箱和運動控制卡；其中，
[0008] 三維工作臺設置在手套箱內的底部，基板位于工作臺的上端面，基板上設有交變磁場和交變電場；用于盛放金屬溶液的坩堝位于基板的正上方，坩堝周圍設置加熱元件，間隙可調噴嘴設置在坩堝的底部，坩堝的頂部從下至上依次設置有絕熱元件、壓電執(zhí)行器和間隙微調儀，間隙微調儀用于控制壓電執(zhí)行器產生的脈沖壓力，從而調節(jié)坩堝內的金屬溶液通過間隙可調噴嘴噴射金屬熔滴的頻率；設置在手套箱外的真空泵通過輸氣管與手套箱相連通，設置在手套箱外的惰性氣體罐通過壓力閥與手套箱相連通，且壓力閥位于手套箱內；控制系統用于分別對壓力控制器、溫度控制器以及運動控制卡進行控制，壓力控制器用于控制壓力閥調節(jié)手套箱內的惰性氣體含量，溫度控制器用于控制加熱元件對坩堝內的金屬溶液加熱，運動控制卡通過控制三維工作臺實現對金屬熔滴成型的X、Y和Z三個方向的運動控制。
[0009]本發(fā)明進一步改進在于，交變磁場和交變電場用于對間隙可調噴嘴噴射的金屬熔滴進行約束控制，間隙可調噴嘴噴射的金屬熔滴的直徑為50~200 μ m。
[0010]本發(fā)明進一步改進在于，開始工作時，開啟控制系統，采用真空泵對手套箱抽真空，壓力控制器通過控制壓力閥對手套箱沖入惰性氣體，從而手套箱保護熔滴成型過程不被氧化；運動控制卡控制三維工作臺帶動基板運動，使基板與間隙可調噴嘴的距離正好的在金屬熔滴噴射沉積的位置；溫度控制器控制加熱元件對坩堝內的金屬熔液加熱，間隙微調儀通過控制壓電執(zhí)行器產生的脈沖壓力，調節(jié)坩堝內的金屬溶液通過間隙可調噴嘴噴射金屬熔滴在基板上沉積成型；交變磁場和交變電場可對間隙可調噴嘴噴射的金屬熔滴進行約束成型，實現對金屬熔滴在基板上成型位置和成型精度的控制，三維工作臺通過帶動基板運動，從而實現金屬熔滴在基板上X、Y和Z三個方向的精確成型。 [0011]與現有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0012]1、本發(fā)明通過在臨近微熔滴沉積區(qū)域施加外置電磁場，實現小空間、大場強、大時間溫度梯度環(huán)境下電磁場約束對金屬微熔滴流淌、快速凝固后成型的控形控性精確沉積成型，提高金屬復雜構件成型精度和效率，細化晶粒、提高微觀組織致密度，改善成型質量。
[0013]2、本發(fā)明大大降低金屬3D打印設備成本，擴大成型材料適用范圍，為大中型零件復雜整體結構3D增材制造中的高效控形控性精密成型開拓新的途徑，也為其他行業(yè)金屬精密件快速成型、電子封裝、噴射沉積金屬涂層、微機電器件以及噴射印刷電路的高效精密制造提供新方法。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0014]圖1為本發(fā)明金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統的結構示意圖。
[0015]圖中:1.間隙微調儀，2.壓電執(zhí)行器，3.絕熱元件，4.壓電閥，5.惰性氣體罐，
6.金屬溶液，7.加熱元件，8.坩堝，9.間隙可調噴嘴，10.金屬熔滴，11.交變磁場，12.交變電場，13.基板，14.三維工作臺，15.壓力控制器，16.真空泵，17.輸氣管，18.控制系統，19.溫度控制器，20.手套箱，21.運動控制卡。
【【具體實施方式】】
[0016]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明:
[0017]如圖1所示，本發(fā)明一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統，包括間隙微調儀1、壓電執(zhí)行器2、壓電閥4、惰性氣體罐5、加熱元件7、坩堝8、間隙可調噴嘴9、交變磁場11、交變電場12、基板13、三維工作臺14、壓力控制器15、控制系統18、溫度控制器19、手套箱20和運動控制卡21。
[0018]其中，三維工作臺14設置在手套箱20內的底部，基板13位于工作臺14的上端面，基板13上設有交變磁場11和交變電場12。
[0019]用于盛放金屬溶液6的坩堝8位于基板13的正上方，坩堝8周圍設置加熱元件7，間隙可調噴嘴9設置在坩堝8的底部，間隙可調噴嘴9用于調節(jié)坩堝8內金屬溶液6噴射的頻率和均勻性。
[0020]坩堝8的頂部從下至上依次設置有絕熱元件3、壓電執(zhí)行器2和間隙微調儀1，絕熱元件3將壓電執(zhí)行器2與坩堝8分離，防止坩堝8的熱量傳導到壓電執(zhí)行器2上，影響壓電執(zhí)行器2正常工作；間隙微調儀I用于控制壓電執(zhí)行器2產生的脈沖壓力，從而調節(jié)坩堝8內的金屬溶液6通過間隙可調噴嘴9噴射金屬熔滴10的頻率；設置在手套箱20外的真空泵16通過輸氣管17與手套箱20相連通，設置在手套箱20外的惰性氣體罐5通過壓力閥4與手套箱20相連通，且壓力閥4位于手套箱20內。
[0021]控制系統18用于分別對壓力控制器15、溫度控制器19以及運動控制卡21進行控制，壓力控制器15用于控制壓力閥4調節(jié)手套箱20內的惰性氣體含量，溫度控制器19用于控制加熱元件7對坩堝8內的金屬溶液6加熱，運動控制卡21通過控制三維工作臺14實現對金屬熔滴10成型的X、Y和Z三個方向的運動控制，從而實現金屬微噴熔滴10電磁約束沉積的控形控性成型。
[0022]進一步地，交變磁場11和交變電場12用于對間隙可調噴嘴9噴射的金屬熔滴10進行約束控制，間隙可調噴嘴9噴射的金屬熔滴10的直徑為50?200 μ m。
[0023]為了對本發(fā)明進一步了解，現對其工作過程做一說明:
[0024]如圖1所示，開始工作時，開啟控制系統18，采用真空泵16對手套箱20抽真空，壓力控制器15通過控制壓力閥4對手套箱20沖入惰性氣體，從而手套箱20保護熔滴成型過程不被氧化。運動控制卡21控制三維工作臺14帶動基板13運動，使基板13與間隙可調噴嘴9的距離正好的在金屬熔滴10噴射沉積的位置。溫度控制器19控制加熱元件7對坩堝8內的金屬熔液6加熱，間隙微調儀I通過控制壓電執(zhí)行器2產生的脈沖壓力，調節(jié)坩堝8內的金屬溶液6通過間隙可調噴嘴9噴射金屬熔滴10在基板13上沉積成型。交變磁場11和交變電場12可對間隙可調噴嘴9噴射的金屬熔滴10進行約束成型，實現對金屬熔滴10在基板13上成型位置和成型精度的控制，三維工作臺14通過帶動基板13運動，從而實現金屬熔滴10在基板13上X、Y和Z三個方向的精確成型。
【權利要求】
1.一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統，其特征在于，包括間隙微調儀(I)、壓電執(zhí)行器(2)、壓電閥(4)、惰性氣體罐(5)、加熱元件(7)、坩堝(8)、間隙可調噴嘴(9)、交變磁場(11)、交變電場(12)、基板(13)、三維工作臺(14)、壓力控制器(15)、控制系統(18)、溫度控制器(19)、手套箱(20)和運動控制卡(21);其中， 三維工作臺(14)設置在手套箱(20)內的底部，基板(13)位于工作臺(14)的上端面，基板(13)上設有交變磁場(11)和交變電場(12);用于盛放金屬溶液(6)的坩堝⑶位于基板(13)的正上方，坩堝(8)周圍設置加熱元件(7)，間隙可調噴嘴(9)設置在坩堝(8)的底部，坩堝(8)的頂部從下至上依次設置有絕熱元件(3)、壓電執(zhí)行器(2)和間隙微調儀(I)，間隙微調儀(I)用于控制壓電執(zhí)行器(2)產生的脈沖壓力，從而調節(jié)坩堝(8)內的金屬溶液(6)通過間隙可調噴嘴(9)噴射金屬熔滴(10)的頻率；設置在手套箱(20)外的真空泵(16)通過輸氣管(17)與手套箱(20)相連通，設置在手套箱(20)外的惰性氣體罐(5)通過壓力閥(4)與手套箱(20)相連通，且壓力閥(4)位于手套箱(20)內；控制系統(18)用于分別對壓力控制器(15)、溫度控制器(19)以及運動控制卡(21)進行控制，壓力控制器(15)用于控制壓力閥(4)調節(jié)手套箱(20)內的惰性氣體含量，溫度控制器(19)用于控制加熱元件(7)對坩堝(8)內的金屬溶液(6)加熱，運動控制卡(21)通過控制三維工作臺(14)實現對金屬熔滴(10)成型的X、Y和Z三個方向的運動控制。
2.根據權利要求1所述的一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統，其特征在于，交變磁場(11)和交變電場(12)用于對間隙可調噴嘴(9)噴射的金屬熔滴(10)進行約束控制，間隙可調噴嘴(9)噴射的金屬熔滴(10)的直徑為50?200 μ m。
3.根據權利要求1所述的一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統，其特征在于，開始工作時，開啟控制系統(18)，采用真空泵(16)對手套箱(20)抽真空，壓力控制器(15)通過控制壓力閥(4)對手套箱(20)沖入惰性氣體，從而手套箱(20)保護熔滴成型過程不被氧化；運動控制卡(21)控制三維工作臺(14)帶動基板(13)運動，使基板(13)與間隙可調噴嘴(9)的距離正好的在金屬熔滴(10)噴射沉積的位置；溫度控制器(19)控制加熱元件(7)對坩堝⑶內的金屬熔液(6)加熱，間隙微調儀⑴通過控制壓電執(zhí)行器(2)產生的脈沖壓力，調節(jié)坩堝(8)內的金屬溶液(6)通過間隙可調噴嘴(9)噴射金屬熔滴(10)在基板(13)上沉積成型；交變磁場(11)和交變電場(12)可對間隙可調噴嘴(9)噴射的金屬熔滴(10)進行約束成型，實現對金屬熔滴(10)在基板(13)上成型位置和成型精度的控制，三維工作臺(14)通過帶動基板(13)運動，從而實現金屬熔滴(10)在基板(13)上X、Y和Z三個方向的精確成型。
【文檔編號】B22F3/115GK104028761SQ201410273867
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權日:2014年6月18日
【發(fā)明者】杜軍, 魏正英, 陳禎, 盧秉恒, 李素麗 申請人:西安交通大學