CN103691951B - 金属微滴轨道控向三维打印成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属微滴轨道控向三维打印成形装置及方法，用于解决现有基于均匀金属微滴喷射的增材制造方法难以成形三微结构复杂金属制件的技术问题。技术方案是包括金属微滴喷射装置（1）、导向块（4）、固定轴（8）导向连杆（12）、旋转轮（13）和步进电机（14）组成的微滴轨道控向装置，微滴轨道控向装置通过固定轴（8）连接到金属微滴喷射装置（1）上。导向块（4）通过导向连杆（12）在旋转轮（13）、步进电机（14）的带动下旋转夹角α进行堆积。基于金属微滴轨道控向三维打印成形装置的成形方法，可根据制件成形的需要，由导轨控制金属微滴飞行及堆积的方向，从而成形现有微滴喷射打印装置难以成形的复杂三维金属结构。

Description

金属微滴轨道控向三维打印成形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种金属微滴三维打印成形装置，特别涉及一种金属微滴轨道控向三维打印成形装置。还涉及采用该装置的金属微滴轨道控向三维打印成形方法。

背景技术

基于均匀金属微滴喷射的增材制造技术是借鉴喷墨打印原理，通过控制微小金属熔滴的喷射及层层打印，以实现金属零件成形的技术。该技术相比其他使用高能束的增材制造技术，具有无需昂贵的大功率高能量源和特殊的原材料、设备成本和运行成本低廉、成形过程中无污染物、废弃物产生等突出优势，有望用于复杂金属件的快速、低成本增材制造，具有极大的工业应用潜力。

文献“Zeng Xiang-hui,Qi Lehua,Huang Hua,et al.Experimental research of pneumaticdrop-on-demand high temperature droplet deposition for rapid prototyping.KeyEngineering Materials,2010,419-420:405-408.”公开了一种基于均匀金属微滴喷射的增材制造技术，在该技术中金属原材料在坩埚内熔化为金属液体后，在脉冲压力的作用下，通过坩埚底部微小喷孔喷出并形成金属微滴，经协调金属微滴的喷射过程及基板移动轨迹，实现微滴在基板或已凝固的金属材料上定位及层层堆积，最终实现金属零件打印成形。该技术中金属微滴喷头工作温度较高，通常是固定不动，主要是通过移动三维基板以控制熔滴堆积路径，进而成形出金属制件。

现有基于均匀金属微滴喷射的增材制造技术存在如下不足：金属微滴飞行方向垂直向下，与三维运动基板配合，无法实现具有大倾斜角度的复杂形状成形。现有技术中，金属微滴飞行方向不变，主要依靠移动三维运动平台以控制微滴在基板上的定位与逐层堆积，通常能够成形出垂直于或略倾斜于基板的结构。当制件倾斜角度过大时，垂直堆积的熔滴易出现飞溅、滚落等现象，难以成形出具有曲面、悬臂以及横梁等结构的三维复杂金属制件。

发明内容

为了克服现有基于均匀金属微滴喷射的增材制造方法难以成形三维结构复杂金属制件的不足，本发明提供一种金属微滴轨道控向三维打印成形装置。该装置包括金属微滴喷射装置和喷嘴，金属微滴喷射装置通过喷嘴喷出微滴，还包括导向块、导轨、连接轴、弹簧、固定轴、固定块、吸合器、浮动块、导向连杆、旋转轮、步进电机和角度标尺组成的微滴轨道控向装置，微滴轨道控向装置通过固定轴连接到金属微滴喷射装置上。吸合器工作时，浮动块与固定块合并，金属微滴直接喷射到其下的导向块上的导轨中，并在其中转变前进的方向。导向块通过导向连杆在旋转轮、步进电机的带动下旋转夹角α进行堆积。基于金属微滴轨道控向三维打印成形装置的成形方法，可根据制件成形的需要，由导轨控制金属微滴飞行及堆积的方向，从而成形曲面、悬臂梁、大角度倾斜面等现有微滴喷射打印装置难以成形的复杂三维金属结构。

本发明还提供采用该装置的金属微滴轨道控向三维打印成形方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种金属微滴轨道控向三维打印成形装置，包括金属微滴喷射装置1和喷嘴2，金属微滴喷射装置1通过喷嘴2喷出微滴3，其特点是：还包括导向块4、导轨5、连接轴6、弹簧7、固定轴8、固定块9、吸合器10、浮动块11、导向连杆12、旋转轮13、步进电机14和角度标尺15组成的微滴轨道控向装置，微滴轨道控向装置通过固定轴8连接到金属微滴喷射装置1上。微滴轨道控向装置上的浮动块11通过连接轴6与固定块9连接，弹簧7与连接轴6同轴。浮动块11下连接导向块4和角度标尺15；导向块4上有导轨5。导向块4通过导向连杆12与旋转轮13连接，旋转轮13与步进电机14的轴连接。吸合器10工作时，浮动块11与固定块9合并，金属微滴3直接喷射到其下的导向块4上的导轨5中，并在其中转变前进的方向。导向块4通过导向连杆12在旋转轮13、步进电机14的带动下旋转，其旋转后与水平方向的夹角α由角度标尺15显示，夹角α正比于步进电机14转过的角度ω。当吸合器10不工作时，浮动块11由弹簧7推动与固定块9分离，此时金属微滴3直接进行堆积。

所述导轨5的材料是陶瓷。

一种采用上述装置的金属微滴轨道控向三维打印成形方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一，吸合器10不工作时，浮动块11由弹簧7推动与固定块9分离，此时金属微滴3直接打印到基板上。

步骤二，进行可控定向堆积时，吸合器10工作，浮动块11与固定块9合并，金属微滴3喷射在其下的导向块4上的导轨5中，其前进方向顺着导轨5改变。

步骤三，导轨5水平时，金属微滴3前进的方向顺着导轨5的弧线变化，最终变为导轨末端的方向，并堆积于基板或是已凝固的金属微滴3上。

在堆积以后，基板向后移动一个设定的堆积距离，然后继续堆积金属微滴以成形出悬臂、大倾斜角度斜面或曲面结构。

步骤四，浮动块11与固定块9合并，浮动块11下的导向块4通过导向连杆12和旋转轮13与步进电机14连接，在步进电机14的作用下旋转角度α，金属微滴3通过导向块4上导轨5后改变其堆积的方向，最终逐层堆积出复杂结构金属件。

本发明的有益效果是：该装置包括金属微滴喷射装置和喷嘴，金属微滴喷射装置通过喷嘴喷出微滴，还包括导向块、导轨、连接轴、弹簧、固定轴、固定块、吸合器、浮动块、导向连杆、旋转轮、步进电机和角度标尺组成的微滴轨道控向装置，微滴轨道控向装置通过固定轴连接到金属微滴喷射装置上。吸合器工作时，浮动块与固定块合并，金属微滴直接喷射到其下的导向块上的导轨中，并在其中转变前进的方向。导向块通过导向连杆在旋转轮、步进电机的带动下旋转夹角α进行堆积。基于金属微滴轨道控向三维打印成形装置的成形方法，可根据制件成形的需要，由导轨控制金属微滴飞行及堆积的方向，从而成形曲面、悬臂梁、大角度倾斜面等现有微滴喷射打印装置难以成形的复杂三维金属结构。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明金属微滴轨道控向三维打印成形装置的结构示意图。

图2是图1装置打开状态示意图。

图3是图1装置合并状态示意图。

图4(a)是实施例1具有锥面制件的成形过程示意图；图4(b)是金属微滴喷射时堆积到导轨中，其运动方向由导轨改变的示意图；图4(c)是在基板旋转运动的配合下，金属微滴在单壁圆管最高一层上开始逐点逐层堆积出满足要求的锥面示意图。

图5(a)实施例2具有悬臂结构制件的成形过程示意图；图5(b)是金属微滴到达导轨的前端在已堆积的金属上继续堆积的示意图；图5(c)是由于导轨前端的依托作用，金属微滴在基体上进行凝固。在堆积以后，基板向后移动一个设定的堆积距离以继续堆积金属微滴，从而堆积出悬臂结构的示意图；图5(d)是通过改变步进电机的角度，导轨与水平面的夹角可改变为任意满足设计要求的角度，从而能够改变金属微滴的堆积方向，实现具有一定倾斜角度的结构打印的示意图。

图中，1-金属微滴喷射装置，2-喷嘴，3-金属微滴，4-导向块，5-导轨，6-连接轴，7-弹簧，8-固定轴，9-固定块，10-吸合器，11-浮动块，12-导向连杆，13-旋转轮，14-步进电机，15-角度标尺，16-打印中的制件，17-具有锥面制件，18-具有悬臂结构制件。

具体实施方式

以下实施例参照图1-5。

装置实施例：本发明金属微滴轨道控向三维打印成形装置，包括金属微滴喷射装置1和喷嘴2，还包括导向块4、导轨5、连接轴6、弹簧7、固定轴8、固定块9、吸合器10、浮动块11、导向连杆12、旋转轮13、步进电机14和角度标尺15组成的微滴轨道控向装置，微滴轨道控向装置通过固定轴8连接到金属微滴喷射装置1上。金属微滴喷射装置1通过喷嘴2喷出微滴3，其下部的微滴轨道控向装置，用于改变金属微滴3的堆积方向。主要作用是通过控制导轨5的角度，使喷射的金属微滴3的前进方向沿着导轨5改变，实现微滴控向堆积之目的。

微滴轨道控向装置通过固定轴8连接到微滴打印设备上，并保证整个导向装置与喷射装置的相对位置精度。浮动块11通过连接轴6与固定块9连接，弹簧7与连接轴6同轴。浮动块11下连接导向块4和角度标尺15；导向块4上有陶瓷材料构成的导轨5。导向块4通过导向连杆12与旋转轮13连接，旋转轮13与步进电机14的轴连接。

吸合器10工作时，浮动块11与固定块9合并，金属微滴3直接喷射到其下的导向块4上的导轨5中，并在其中转变前进的方向。导向块4通过导向连杆12在旋转轮13、步进电机14的带动下旋转，其旋转后与水平方向的夹角α可由角度标尺15显示出，该角度正比于步进电机14转过的角度ω，也是堆积制件与水平方向的夹角，实现了堆积制件倾斜角度的控制。当吸合器10不工作时，浮动块11由弹簧7推动与固定块9分离，此时金属微滴3可直接进行堆积。

方法实施例1：

具有锥面制件的成形过程。首先直接堆积金属微滴3得到制件的垂直结构，此过程中，吸合器10不工作时，浮动块11由弹簧7推动与固定块9分离，此时金属微滴3可直接堆积到基板上，喷射的金属微滴3堆积到按照一定轨迹运动的基板上，形成具有锥面制件17的垂直部分，即图4(a)所示的垂直于基板的单壁圆管。进行锥面部分堆积时，吸合器10通电工作，浮动块11与固定块9合并，金属微滴3直接喷射在其下的导向块4上的导轨5中。之后，根据具有锥面的制件17的锥面与水平面之间的倾斜角度α，设定步进电机的转动角度ω，从而使导轨5与水平面之间的夹角改变为α。调整基板的位置，使得导轨5前端与图4(a)所示的基体最高一层水平对齐。此时，启动喷射程序，金属微滴3喷射时堆积到导轨5中，其运动方向由导轨5改变，如图4(b)所示。在基板旋转运动的配合下，金属微滴3将会在单壁圆管最高一层上开始逐点逐层堆积出满足要求的锥面，如图4(c)所示。

方法实施例2：

具有悬臂结构制件的成形过程。在成形具有悬臂结构制件18时，首先直接堆积金属微滴3得到制件的垂直结构，此过程中与实施例1中的步骤相同，在基板上逐层堆积以形成零件的垂直基体，如图5(a)所示。然后启动吸合器10，浮动块11与固定块9合并，金属微滴3直接堆积在其下的导向块4上的导轨5中。此时，设定步进电机的转动角度ω，从而使导轨5与水平面平行。导轨5的前端处于水平位置并且与“主体墙”的某一层对齐，金属微滴3进入导轨5后，前进的方向顺着导轨5的弧线变化，最终变为水平前进。金属微滴3到达导轨5的前端在已堆积的金属上继续堆积，如图5(b)所示；由于导轨5前端的依托作用，金属微滴3在基体上进行凝固。在堆积以后，基板向后移动一个设定的堆积距离以继续堆积金属微滴，从而堆积出悬臂结构，如图5(c)所示。

此外，通过改变步进电机的角度，导轨5与水平面的夹角可改变为任意满足设计要求的角度，从而能够改变金属微滴的堆积方向，实现具有一定倾斜角度的结构打印(如图5(d)所示)。

Claims (3)

1.一种金属微滴轨道控向三维打印成形装置，包括金属微滴喷射装置（1）和喷嘴（2），金属微滴喷射装置（1）通过喷嘴（2）喷出金属微滴（3），其特征在于：还包括导向块（4）、导轨（5）、连接轴（6）、弹簧（7）、固定轴（8）、固定块（9）、吸合器（10）、浮动块（11）、导向连杆（12）、旋转轮（13）、步进电机（14）和角度标尺（15）组成的微滴轨道控向装置，微滴轨道控向装置通过固定轴（8）连接到金属微滴喷射装置（1）上；微滴轨道控向装置上的浮动块（11）通过连接轴（6）与固定块（9）连接，弹簧（7）与连接轴（6）同轴；浮动块（11）下连接导向块（4）和角度标尺（15）；导向块（4）上有导轨（5）；导向块（4）通过导向连杆（12）与旋转轮（13）连接，旋转轮（13）与步进电机（14）的轴连接；吸合器（10）工作时，浮动块（11）与固定块（9）合并，金属微滴（3）直接喷射到其下的导向块（4）上的导轨（5）中，并在其中转变前进的方向；导向块（4）通过导向连杆（12）在旋转轮（13）、步进电机（14）的带动下旋转，其旋转后与水平方向的夹角α由角度标尺（15）显示，夹角α正比于步进电机（14）转过的角度ω；当吸合器（10）不工作时，浮动块（11）由弹簧（7）推动与固定块（9）分离，此时金属微滴（3）直接进行堆积。

2.根据权利要求1所述的金属微滴轨道控向三维打印成形装置，其特征在于：所述导轨（5）的材料是陶瓷材料。

3.一种采用权利要求1所述装置的金属微滴轨道控向三维打印成形方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，吸合器（10）不工作时，浮动块（11）由弹簧（7）推动与固定块（9）分离，此时金属微滴（3）直接打印到基板上；

步骤二，进行可控定向堆积时，吸合器（10）工作，浮动块（11）与固定块（9）合并，金属微滴（3）喷射在其下的导向块（4）上的导轨（5）中，其前进方向顺着导轨（5）改变；

步骤三，导轨（5）水平时，金属微滴（3）前进的方向顺着导轨（5）的弧线变化，最终变为导轨末端的方向，并堆积于基板或是已凝固的金属微滴（3）上；

在堆积以后，基板向后移动一个设定的堆积距离，然后继续堆积金属微滴以成形出悬臂、大倾斜角度斜面或曲面结构；

步骤四，浮动块（11）与固定块（9）合并，浮动块（11）下的导向块（4）通过导向连杆（12）和旋转轮（13）与步进电机（14）连接，在步进电机（14）的作用下旋转角度α，金属微滴（3）通过导向块（4）上导轨（5）后改变其堆积的方向，最终逐层堆积出复杂结构金属件。