CN102672193B - 金属熔滴喷射装置及用该装置喷射高熔点金属熔滴的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属熔滴喷射装置及用该装置喷射高熔点金属熔滴的方法，用于解决现有的金属熔滴喷射装置在喷射高熔点轻质活性金属熔滴时喷射成形过程稳定性差的技术问题。该装置通过喷嘴自动疏通装置及喷射状态检测系统，维持了高熔点金属熔滴的稳定喷射。利用高熔点金属喷射用喷嘴疏通装置以及金属熔滴喷射状态监测反馈系统，在熔滴喷射状态监测反馈系统检测到不稳定喷射状态并发出清理信号，通过降低激振杆后，在激振杆内部通道通入瞬间大的正压或负压，使得喷嘴处的金属熔液或气体高速流动，从而将附着在喷孔内壁上的氧化皮或杂质带出，以实现清理、疏通微小的喷嘴的目的，从而保证了高熔滴金属熔滴喷射成形过程的稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属熔滴喷射装置，特别是涉及一种高熔点金属熔滴喷射装置。本发明还涉及这种金属熔滴喷射装置喷射高熔点金属熔滴的方法。
背景技术
利用熔滴的可控喷射有望实现从金属原材料直接快速成形金属复杂零/构件。其基本工作原理是，利用致动器在熔炼坩埚内部产生一个瞬间的脉冲压力，使熔液通过坩埚底部微小喷嘴喷出并形成单颗金属熔滴，然后将此熔滴准确地沉积到移动基板上的预设位置，按照一定的沉积路径，经层层堆积，最终成形成复杂的金属实体。
参考图2，文献“Apparatus and method for generating droplets，Chandra Sanjeev，JivrajRahim.United States Patent：US 6446878，2002”公开了一种金属熔滴喷射装置，并对熔滴的产生和控制进行了描述。该装置的主体为一熔炼金属用的坩埚7，其外有加热器6，该加热器6被加热控制器19控制以维持坩埚的熔炼温度恒定；坩埚底部开有小孔，其上粘接微小喷嘴9；坩埚上部安装一连接管27，连接管通过T形接头26连接一个泄气孔25以及气瓶21；气瓶21内部为高压惰性气体20，通过压力调节阀22及电磁阀24与坩埚7连接；电磁阀24的开关由脉冲发生器23控制。
电磁阀24在脉冲发生器23的控制下实现一个瞬间的打开和关闭，从而迫使坩埚7内部压力快速增加，同时坩埚内部气体通过连接管27、T形接头26后，由泄气孔25泄压，此过程在坩埚7内部产生了一个气压脉冲，从而迫使金属熔液由坩埚底部喷嘴9喷出并形成金属熔滴10。
文献公开的装置存在如下不足，普通金属喷射装置主要用于低熔点铅锡合金的喷射，铅锡合金的化学性质不活泼且密度较大，该熔液不易因氧化或腐蚀坩埚内壁而产生难熔杂质，且少量的氧化皮等杂质会因为密度小于熔液密度而漂浮在熔液表层，因此喷射过程中喷嘴不易堵塞，其内部没有专门设计的喷嘴清理疏通装置。但如果使用此装置喷射如铝、镁等高熔点轻质活性金属材料时，由于金属熔化过程中极易产生的氧化皮，且熔液与坩埚内部反应会产生难熔杂质，此类杂质极易在喷孔内壁上附着、堆积，使喷射状态变得不稳定，导致喷射的偏斜、产生卫星液滴甚至堵塞喷嘴。
发明内容
为了克服现有的金属熔滴喷射装置在喷射高熔点轻质活性金属熔滴时喷射成形过程稳定性差的不足，本发明提供一种金属熔滴喷射装置。该装置具有喷嘴自动疏通装置及喷射状态检测系统，可以维持熔滴的稳定喷射。利用高熔点金属喷射用喷嘴疏通装置和金属熔滴喷射状态监测反馈系统，能够实时监测喷射装置的喷射状态并自动控制喷嘴清理动作的进行。在喷射过程出现不稳定现象时，熔滴喷射状态监测反馈系统检测到不稳定喷射状态并发出清理信号，通过降低激振杆后，在激振杆内部通道通入瞬间大的正压或负压，使得喷嘴处的金属熔液或气体高速流动，从而将附着在喷孔内壁上的氧化皮或杂质带出，以实现清理、疏通微小的喷嘴的目的，从而保证高熔滴金属熔滴喷射成形过程的稳定。
本发明还提供利用这种金属熔滴喷射装置喷射高熔点金属熔滴的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种金属熔滴喷射装置，包括加热器6、坩埚7、喷嘴9和激振杆1，其特点是还包括感应块2、冷却板4、电磁线圈3、隔热板5、激光器12、光电传感器13、光电信号处理单元14、热电偶16、激振驱动器15、过滤板17。坩埚7中激振杆1由上至下穿过冷却板4和隔热板5，坩埚7靠近顶部处设有一压力入口18，坩埚7底部正中是喷嘴9，通过喷嘴9喷射金属熔液8。坩埚7的外部装有加热器6，坩埚7底部外侧安装热电偶16。感应块2置于电磁线圈3内部，激振驱动器15产生激振信号，驱动电磁感应线圈3，电磁感应线圈3产生一个脉冲磁力作用于感应块2，感应块2向下带动激振杆1，激振杆1将此机械振动传递到坩埚7底部喷嘴9处，实现微小金属熔滴10的喷射。喷射后的熔滴10穿行激光发生器12的光束，反射激光光束，光电传感器13检测到激光光信号的变化，反馈给光电信号处理单元14。
所述坩埚7的材料是陶瓷。
所述坩埚7的材料是石墨。
所述感应块2的材料是顺磁体。
一种利用上述金属熔滴喷射装置喷射高熔点金属熔滴的方法，其特点是包括以下步骤：
(a)对坩埚7、激振杆1、过滤板17进行清理，对高熔点或者活泼金属坯料进行清理，除去其表面的杂质及氧化皮。
(b)高熔点或者活泼金属坯料放入坩埚7内部过滤板17上，通过压力入口18向坩埚7内部通入惰性保护气体，以置换出坩埚7内部的空气。
(c)通过加热控制器19控制加热器6加热坩埚7，熔化坩埚7内部的高熔点或者活泼金属坯料，待高熔点或者活泼金属坯料熔化后，通过压力入口18提供的背压将熔化的金属熔液8挤至坩埚7下部，并充满喷嘴9。
(d)喷射时，接通保护气体11，感应块2在电磁线圈3的驱动下，向下带动激振杆1，激振杆1受迫振动，在喷嘴9处的金属熔液8内产生一个瞬间的压力，实现金属液滴10的喷射。
(e)金属熔滴10喷射后的穿行激光发生器12的光束，光电传感器13检测到金属熔滴10反射的脉冲光信号后反馈给光电信号处理单元14，以判断喷射进行的是否正常工作。
(f)当喷嘴9内部杂质聚集导致喷射偏斜、中断时，光电信号处理单元14检测到与正常喷射不同的光电信号，向激振驱动器发送一个处理信号，激振驱动器降低激振杆1至喷嘴9处，接通激振杆1内部的气路，施加瞬间正压或负压，实现喷嘴9内部金属熔液8的“闪喷”或吸回，使得喷嘴9处流体高速运动以带出聚集在此处的杂质，达到疏通喷嘴9的目的。
(g)对于活泼金属，由于喷射过程中喷嘴9处金属熔液8的氧化而堵塞喷嘴9，喷射之前首先降低激振杆1，施加瞬间高压或负压，以去除堵塞喷嘴9的氧化皮，从而实现金属熔滴10的顺利喷射。
本发明的有益效果是：由于该装置具有喷嘴自动疏通装置及喷射状态检测系统，维持了高熔点金属熔滴的稳定喷射。利用高熔点金属喷射用喷嘴疏通装置以及金属熔滴喷射状态监测反馈系统，实时监测喷射装置的喷射状态并自动控制喷嘴清理动作的进行，在喷射过程出现不稳定现象时，熔滴喷射状态监测反馈系统检测到不稳定喷射状态并发出清理信号，通过降低激振杆后，在激振杆内部通道通入瞬间大的正压或负压，使得喷嘴处的金属熔液或气体高速流动，从而将附着在喷孔内壁上的氧化皮或杂质带出，以实现清理、疏通微小的喷嘴的目的，从而保证了高熔滴金属熔滴喷射成形过程的稳定。
下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明金属熔滴喷射装置的结构示意图。
图2是背景技术金属熔滴喷射装置的结构示意图。
图中，1-激振杆，2-感应块，3-电磁线圈，4-冷却板，5-隔热板，6-加热器，7-坩埚，8-金属熔液，9-喷嘴，10-金属熔滴，11-保护气体，12-激光器，13-光电传感器，14-光电信号处理单元，15-激振驱动器，16-热电偶，17-过滤板，18-压力入口，19-加热控制器，20-压缩气体，21-气瓶，22-压力调节阀，23-脉冲发生器，24-电磁阀，25-泄气孔，26-T形接头，27-连接管。
具体实施方式
参照图1，本发明金属熔滴喷射装置，包括加热器6、坩埚7、喷嘴9、感应块2、冷却块4、激振杆1、电磁线圈3、隔热板5、激光器12、光电传感器13、光电信号处理单元14、激振驱动器15、热电偶16、过滤板17、激振杆1由上至下穿过冷却板4，坩埚7壁靠近顶部处设有一压力入口18，坩埚7底部正中通过高温粘结剂粘结一喷嘴9，坩埚7的外部装有加热器6，坩埚底部外侧安装热电偶16。坩埚温度通过热电偶16检测后传递给加热控制器19，加热控制器19根据检测温度控制坩埚温度。感应块2置于电磁线圈3内部，并与激振杆1相配合构成激振系统；激振驱动器15产生一定幅值和脉宽的激振信号，驱动电磁感应线圈3，电磁感应线圈3产生一个脉冲磁力作用于感应块2，感应块2带动激振杆1，激振杆1将此机械振动传递到坩埚底部喷嘴9处，实现微小金属熔滴10的喷射。喷射后的熔滴穿行激光发生器12的光束，从而反射激光光束，光电传感器13检测到光信号的变化，反馈给光电信号处理单元14，此单元经过判断处理后，判断喷射的正常与否，然后控制激振驱动器15进行正常喷射或是疏通工作。
方法实施例1：进行高熔点金属（如不锈钢、铜、铁等）喷射时，坩埚7采用陶瓷材料制备，内部安装过滤板17，其上布满与喷嘴直径大小相同的孔，用于金属液体流过时过滤掉氧化皮及大颗粒杂质；坩埚底部外侧安装热电偶16。坩埚温度通过热电偶16检测后传递给加热控制器19，用于控制坩埚温度。
金属坯料熔化时，通入保护气体11，待其熔化后，金属流体在顶部压力入口18提供的背压作用下，压入过滤板17下部的坩埚内部，并充满喷嘴9。
感应块2采用具有较高居里温度的顺磁体制成，以在较高温度下仍能响应电磁线圈3产生的变化磁场，感应块2与激振杆1连接，置于电磁线圈3内部，共同置于冷却板4上，以保护线圈不被熔炼高温破坏。
对于密度相对较高的金属熔液，可在喷射之前，激振杆1在远离喷嘴的地方产生振幅较大的震荡，使坩埚底部的密度较小的杂质及氧化皮上浮，从而达到预清理的作用。喷射时，激振驱动器15产生一定幅值和脉宽的脉冲激振信号，驱动电磁感应线圈3，电磁感应线圈3产生一个脉冲磁力作用于感应块2，感应块2向下运行带动激振杆1，将此机械振动传递到坩埚底部喷嘴9处，从而在喷嘴上部邻近流体内部产生一个脉冲压力，以实现微小金属熔滴10的喷射。
喷射后的熔滴穿行激光发生器12的光束，使得光电传感器13检测到反射光信号的变化，从而反馈给光电信号处理单元14。此单元根据反馈的信号判断喷射的正常与否，控制喷射装置工作状态。金属喷射过程中，多是由于喷嘴处细小杂质的堆积导致喷射的歪斜，发生此情况时，飞行熔滴反射的激光光束就会发生相应变化，光电信号处理单元14检测到与正常喷射不同的光电信号时，经过与经验情况对比后，向激振驱动器15发送一个喷嘴清理信号，电磁感应线圈通电，吸附感应块2下降从而使得激振杆1也随之下降，当激振驱动器降低激振杆1至喷嘴9处后停止。连接激振杆1内部的气路通道，施加瞬间正压，将喷嘴内部金属熔液高速“闪喷”出去，从而带出聚集在此处的杂质，达到疏通喷嘴的目的。
方法实施例2：进行活泼金属熔滴（如镁、铝及其合金等）的喷射时，坩埚7采用石墨材料制备，内部镀有抗腐蚀镀层，过滤板17上布满与喷嘴直径大小相同的孔，用于金属液体流过时过滤掉残留的氧化皮及大颗粒杂质；坩埚底部外侧安装热电偶16以检测坩埚温度并传递给加热控制器19，用于控制加热器6加热坩埚。
金属坯料放入前，采用化学方法去除其表面大部分氧化皮，然后迅速将金属坯料放入已通入保护气体11的坩埚7内部，此后接通保护气体11，进行加热熔化；金属坯料熔化后，在顶部压力入口18提供的背压作用下，压入过滤板17下部的坩埚内部，并充满喷嘴9。
激振杆1中间留有微小的气路通道，与感应块2连接穿过冷却板4和隔热板5，其下部与喷嘴9接近。活泼金属喷射时，通常会因为喷嘴处熔液的氧化而喷射不出，因此首先需去除喷嘴9处的氧化皮。此时，电磁感应线圈3产生一个恒定磁力作用于感应块2，感应块2带动激振杆1下降，当激振驱动器降低激振杆1至喷嘴9处后停止。接通激振杆1内部的气路通道，瞬间施加大的气压或负压，将喷嘴内部金属熔液的以高速“闪喷”出去或是吸回，从而带出聚集在此处的氧化皮。
此后，激振驱动器15产生常规的脉冲激振信号，驱动电磁感应线圈3，以驱动感应块2带动整个激振杆1工作，从而在喷嘴上部邻近流体内部产生一个脉冲压力，以实现微小金属熔滴10的喷射。
喷射后的活泼金属熔滴穿行激光发生器12的光束时，其反射激光光束可由光电传感器13检测到。活泼金属熔滴喷射时，通常会由于喷嘴处氧化皮的堆积，导致喷射的歪斜与中断。此时，熔滴反射激光信号就会发生相应的变化或是检测不到反射信号。此时光电信号处理单元14经过与经验情况对比，向激振驱动器15发送喷嘴清理信号，以重复喷嘴清理步骤：通过瞬间施加大的气压，将喷嘴内部金属熔液的以高速“闪喷”出去，从而带出聚集在此处的氧化皮和杂质，达到疏通喷嘴的目的。
Claims (5)
1.一种金属熔滴喷射装置，包括加热器（6）、坩埚（7）、喷嘴（9）和激振杆（1），其特征在于：还包括感应块（2）、冷却板（4）、电磁线圈（3）、隔热板（5）、激光器（12）、光电传感器（13）、光电信号处理单元（14）、热电偶（16）、激振驱动器（15）、过滤板（17）；坩埚（7）中激振杆（1）由上至下穿过冷却板（4）和隔热板（5），坩埚（7）靠近顶部处设有一压力入口（18），坩埚（7）底部正中是喷嘴（9），通过喷嘴（9）喷射金属熔液（8）；坩埚（7）的外部装有加热器（6），坩埚（7）底部外侧安装热电偶（16）；感应块（2）置于电磁线圈（3）内部，激振驱动器（15）产生激振信号，驱动电磁线圈（3），电磁线圈（3）产生一个脉冲磁力作用于感应块（2），感应块（2）向下带动激振杆（1），激振杆（1）将此机械振动传递到坩埚（7）底部喷嘴（9）处，实现微小金属熔滴（10）的喷射；喷射后的熔滴（10）穿行激光器（12）的光束，反射激光光束，光电传感器（13）检测到激光光信号的变化，反馈给光电信号处理单元（14）。
2.根据权利要求1所述的金属熔滴喷射装置，其特征在于：所述坩埚（7）的材料是陶瓷。
3.根据权利要求1所述的金属熔滴喷射装置，其特征在于：所述坩埚（7）的材料是石墨。
4.根据权利要求1所述的金属熔滴喷射装置，其特征在于：所述感应块（2）的材料是顺磁体。
5.一种利用权利要求1所述金属熔滴喷射装置喷射高熔点金属熔滴的方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)对坩埚（7）、激振杆（1）、过滤板（17）进行清理，对高熔点金属坯料进行清理，除去其表面的杂质及氧化皮；
(b)高熔点金属坯料放入坩埚（7）内部过滤板（17）上，通过压力入口（18）向坩埚（7）内部通入惰性保护气体，以置换出坩埚（7）内部的空气；
(c)通过加热控制器（19）控制加热器（6）加热坩埚（7），熔化坩埚（7）内部的高熔点金属坯料，待高熔点金属坯料熔化后，通过压力入口（18）提供的背压将熔化的金属熔液（8）挤至坩埚（7）下部，并充满喷嘴（9）；
(d)喷射时，接通保护气体（11），感应块（2）在电磁线圈（3）的驱动下，向下带动激振杆（1），激振杆（1）受迫振动，在喷嘴（9）处的金属熔液（8）内产生一个瞬间的压力，实现金属熔滴（10）的喷射；
(e)金属熔滴（10）喷射后穿行激光器（12）的光束，光电传感器（13）检测到金属熔滴（10）反射的脉冲光信号后反馈给光电信号处理单元（14），以判断喷射是否正常工作；
(f)当喷嘴（9）内部杂质聚集导致喷射偏斜、中断时，光电信号处理单元（14）检测到与正常喷射不同的光电信号，向激振驱动器发送一个处理信号，激振驱动器降低激振杆（1）至喷嘴（9）处，接通激振杆（1）内部的气路，施加瞬间正压或负压，实现喷嘴（9）内部金属熔液（8）的“闪喷”或吸回，使得喷嘴（9）处流体高速运动以带出聚集在此处的杂质，达到疏通喷嘴（9）的目的。
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| CN102672193A (zh) | 2012-09-19 |
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