CN104028761B - 一种金属微喷熔滴电磁约束沉积成型系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属微喷熔滴电磁约束沉积成型系统，该系统集成了金属熔滴沉积成型技术、微喷技术以及电磁场作用下金属凝固成型理论，其利用压力脉冲在坩埚腔体内产生膨胀、收缩的脉冲压力，通过控制脉冲压力的变化，迫使金属熔滴通过间隙可调喷嘴可控均匀按需喷射，通过调整驱动控制参数以及间隙可调喷嘴与基板相对位置实现对金属微熔滴的微量按需供给。本发明通过在临近微熔滴沉积区域施加外置电磁场，实现小空间、大场强、大时间温度梯度环境下电磁场约束对金属微熔滴流淌、快速凝固后成型的控形控性精确沉积成型，提高金属复杂构件成型精度和效率，细化晶粒、提高微观组织致密度，进而改善成型质量。
Description
【技术领域】
本发明属于金属三维增材制造领域，具体涉及一种金属微喷熔滴电磁约束沉积成型系统。
【背景技术】
增材制造(又称3D打印)是二十世纪八十年代发展起来的一种新型制造技术，其核心思想是将三维零件进行二维离散，形成片层数据，逐层累加成形零件。液滴喷射制造是3D打印的一种，利用金属熔滴的可控喷射，可以实现金属熔滴直接成形零件三维实体，其基本原理是通过坩埚内部产生的瞬间脉冲压力，使溶液通过坩埚底部微小喷嘴喷出并形成单颗粒金属熔滴，然后将此熔滴准确地沉积到移动基板上预设位置，按照一定的沉积路径，经过逐层堆积成形，最终形成复杂的零件实体。
申请号为201210593134.X的专利“一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法及装置”公开了一种利用坩埚加热使金属熔融，通过摄像系统实时分析液滴尺寸数据，在三维运动平台上沉积金属零件的方法，该方法可形成均匀可控的金属液滴。申请号为201310003717.7的专利“微小金属熔滴形成装置以及利用该装置形成微小金属熔滴的方法”公开了一种通过控制加载应力波控制金属熔滴尺寸的方法。
针对熔滴沉积成型法已有研究，但就金属熔滴沉积成型而言，仍存在诸多影响成型精度和质量的问题亟待解决，如熔滴流淌难控制、成型层间热应力集中引起的热裂纹、凝固时气体被封闭造成气穴以及固化收缩微孔等等均会影响到最终产品的精度和质量，其中金属熔滴沉积凝固过程中熔体流淌、凝固过程的精确控制是制约金属熔滴沉积成型技术发展的瓶颈，因此对熔滴流淌、凝固成型过程的精确控制已成为金属熔滴沉积成型中研究重点和难点。
【发明内容】
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种金属微喷熔滴电磁约束沉积成型系统。其集成了金属熔滴沉积成型技术、微喷技术以及电磁场作用下金属凝固成型理论。利用压力脉冲在坩埚腔体内产生膨胀、收缩的脉冲压力，通过控制脉冲压力的变化，迫使金属熔滴通过间隙可调喷嘴可控均匀按需喷射，通过调整驱动控制参数以及间隙可调喷嘴与基板相对位置实现对金属微熔滴的微量按需供给，在临近微熔滴沉积区域施加外置电磁场，实现小空间、大场强、大时间温度梯度环境下电磁场约束对金属微熔滴流淌、快速凝固后成型的控形控性精确沉积成型，减少能耗，提高成形件的加工质量。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种金属微喷熔滴电磁约束沉积成型系统，包括间隙微调仪、压电执行器、压力阀、惰性气体罐、加热元件、坩埚、间隙可调喷嘴、交变磁场、交变电场、基板、三维工作台、压力控制器、控制系统、温度控制器、手套箱和运动控制卡；其中，
三维工作台设置在手套箱内的底部，基板位于工作台的上端面，基板上设有交变磁场和交变电场；用于盛放金属熔液的坩埚位于基板的正上方，坩埚周围设置加热元件，间隙可调喷嘴设置在坩埚的底部，坩埚的顶部从下至上依次设置有绝热元件、压电执行器和间隙微调仪，间隙微调仪用于控制压电执行器产生的脉冲压力，从而调节坩埚内的金属熔液通过间隙可调喷嘴喷射金属熔滴的频率；设置在手套箱外的真空泵通过输气管与手套箱相连通，设置在手套箱外的惰性气体罐通过压力阀与手套箱相连通，且压力阀位于手套箱内；控制系统用于分别对压力控制器、温度控制器以及运动控制卡进行控制，压力控制器用于控制压力阀调节手套箱内的惰性气体含量，温度控制器用于控制加热元件对坩埚内的金属熔液加热，运动控制卡通过控制三维工作台实现对金属熔滴成型的X、Y和Z三个方向的运动控制。
本发明进一步改进在于，交变磁场和交变电场用于对间隙可调喷嘴喷射的金属熔滴进行约束控制，间隙可调喷嘴喷射的金属熔滴的直径为50～200μm。
本发明进一步改进在于，开始工作时，开启控制系统，采用真空泵对手套箱抽真空，压力控制器通过控制压力阀对手套箱冲入惰性气体，从而手套箱保护熔滴成型过程不被氧化；运动控制卡控制三维工作台带动基板运动，使基板与间隙可调喷嘴的距离正好的在金属熔滴喷射沉积的位置；温度控制器控制加热元件对坩埚内的金属熔液加热，间隙微调仪通过控制压电执行器产生的脉冲压力，调节坩埚内的金属熔液通过间隙可调喷嘴喷射金属熔滴在基板上沉积成型；交变磁场和交变电场可对间隙可调喷嘴喷射的金属熔滴进行约束成型，实现对金属熔滴在基板上成型位置和成型精度的控制，三维工作台通过带动基板运动，从而实现金属熔滴在基板上X、Y和Z三个方向的精确成型。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过在临近微熔滴沉积区域施加外置电磁场，实现小空间、大场强、大时间温度梯度环境下电磁场约束对金属微熔滴流淌、快速凝固后成型的控形控性精确沉积成型，提高金属复杂构件成型精度和效率，细化晶粒、提高微观组织致密度，改善成型质量。
2、本发明大大降低金属3D打印设备成本，扩大成型材料适用范围，为大中型零件复杂整体结构3D增材制造中的高效控形控性精密成型开拓新的途径，也为其他行业金属精密件快速成型、电子封装、喷射沉积金属涂层、微机电器件以及喷射印刷电路的高效精密制造提供新方法。
【附图说明】
图1为本发明金属微喷熔滴电磁约束沉积成型系统的结构示意图。
图中：1.间隙微调仪，2.压电执行器，3.绝热元件，4.压力阀，5.惰性气体罐，6.金属熔液，7.加热元件，8.坩埚，9.间隙可调喷嘴，10.金属熔滴，11.交变磁场，12.交变电场，13.基板，14.三维工作台，15.压力控制器，16.真空泵，17.输气管，18.控制系统，19.温度控制器，20.手套箱，21.运动控制卡。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示，本发明一种金属微喷熔滴电磁约束沉积成型系统，包括间隙微调仪1、压电执行器2、压力阀4、惰性气体罐5、加热元件7、坩埚8、间隙可调喷嘴9、交变磁场11、交变电场12、基板13、三维工作台14、压力控制器15、控制系统18、温度控制器19、手套箱20和运动控制卡21。
其中，三维工作台14设置在手套箱20内的底部，基板13位于工作台14的上端面，基板13上设有交变磁场11和交变电场12。
用于盛放金属熔液6的坩埚8位于基板13的正上方，坩埚8周围设置加热元件7，间隙可调喷嘴9设置在坩埚8的底部，间隙可调喷嘴9用于调节坩埚8内金属熔液6喷射的频率和均匀性。
坩埚8的顶部从下至上依次设置有绝热元件3、压电执行器2和间隙微调仪1，绝热元件3将压电执行器2与坩埚8分离，防止坩埚8的热量传导到压电执行器2上，影响压电执行器2正常工作；间隙微调仪1用于控制压电执行器2产生的脉冲压力，从而调节坩埚8内的金属熔液6通过间隙可调喷嘴9喷射金属熔滴10的频率；设置在手套箱20外的真空泵16通过输气管17与手套箱20相连通，设置在手套箱20外的惰性气体罐5通过压力阀4与手套箱20相连通，且压力阀4位于手套箱20内。
控制系统18用于分别对压力控制器15、温度控制器19以及运动控制卡21进行控制，压力控制器15用于控制压力阀4调节手套箱20内的惰性气体含量，温度控制器19用于控制加热元件7对坩埚8内的金属熔液6加热，运动控制卡21通过控制三维工作台14实现对金属熔滴10成型的X、Y和Z三个方向的运动控制，从而实现金属微喷熔滴10电磁约束沉积的控形控性成型。
进一步地，交变磁场11和交变电场12用于对间隙可调喷嘴9喷射的金属熔滴10进行约束控制，间隙可调喷嘴9喷射的金属熔滴10的直径为50～200μm。
为了对本发明进一步了解，现对其工作过程做一说明：
如图1所示，开始工作时，开启控制系统18，采用真空泵16对手套箱20抽真空，压力控制器15通过控制压力阀4对手套箱20冲入惰性气体，从而手套箱20保护熔滴成型过程不被氧化。运动控制卡21控制三维工作台14带动基板13运动，使基板13与间隙可调喷嘴9的距离正好的在金属熔滴10喷射沉积的位置。温度控制器19控制加热元件7对坩埚8内的金属熔液6加热，间隙微调仪1通过控制压电执行器2产生的脉冲压力，调节坩埚8内的金属熔液6通过间隙可调喷嘴9喷射金属熔滴10在基板13上沉积成型。交变磁场11和交变电场12可对间隙可调喷嘴9喷射的金属熔滴10进行约束成型，实现对金属熔滴10在基板13上成型位置和成型精度的控制，三维工作台14通过带动基板13运动，从而实现金属熔滴10在基板13上X、Y和Z三个方向的精确成型。
Claims (1)
1.一种金属微喷熔滴电磁约束沉积成型系统，其特征在于，包括间隙微调仪(1)、压电执行器(2)、压力阀(4)、惰性气体罐(5)、加热元件(7)、坩埚(8)、间隙可调喷嘴(9)、交变磁场(11)、交变电场(12)、基板(13)、三维工作台(14)、压力控制器(15)、控制系统(18)、温度控制器(19)、手套箱(20)和运动控制卡(21)；其中，
三维工作台(14)设置在手套箱(20)内的底部，基板(13)位于工作台(14)的上端面，基板(13)上设有交变磁场(11)和交变电场(12)；用于盛放金属熔液(6)的坩埚(8)位于基板(13)的正上方，坩埚(8)周围设置加热元件(7)，间隙可调喷嘴(9)设置在坩埚(8)的底部，坩埚(8)的顶部从下至上依次设置有绝热元件(3)、压电执行器(2)和间隙微调仪(1)，间隙微调仪(1)用于控制压电执行器(2)产生的脉冲压力，从而调节坩埚(8)内的金属熔液(6)通过间隙可调喷嘴(9)喷射金属熔滴(10)的频率；设置在手套箱(20)外的真空泵(16)通过输气管(17)与手套箱(20)相连通，设置在手套箱(20)外的惰性气体罐(5)通过压力阀(4)与手套箱(20)相连通，且压力阀(4)位于手套箱(20)内；控制系统(18)用于分别对压力控制器(15)、温度控制器(19)以及运动控制卡(21)进行控制，压力控制器(15)用于控制压力阀(4)调节手套箱(20)内的惰性气体含量，温度控制器(19)用于控制加热元件(7)对坩埚(8)内的金属熔液(6)加热，运动控制卡(21)通过控制三维工作台(14)实现对金属熔滴(10)成型的X、Y和Z三个方向的运动控制；
交变磁场(11)和交变电场(12)用于对间隙可调喷嘴(9)喷射的金属熔滴(10)进行约束控制，间隙可调喷嘴(9)喷射的金属熔滴(10)的直径为50～200μm；
开始工作时，开启控制系统(18)，采用真空泵(16)对手套箱(20)抽真空，压力控制器(15)通过控制压力阀(4)对手套箱(20)冲入惰性气体，从而手套箱(20)保护熔滴成型过程不被氧化；运动控制卡(21)控制三维工作台(14)带动基板(13)运动，使基板(13)与间隙可调喷嘴(9)的距离正好的在金属熔滴(10)喷射沉积的位置；温度控制器(19)控制加热元件(7)对坩埚(8)内的金属熔液(6)加热，间隙微调仪(1)通过控制压电执行器(2)产生的脉冲压力，调节坩埚(8)内的金属熔液(6)通过间隙可调喷嘴(9)喷射金属熔滴(10)在基板(13)上沉积成型；交变磁场(11)和交变电场(12)可对间隙可调喷嘴(9)喷射的金属熔滴(10)进行约束成型，实现对金属熔滴(10)在基板(13)上成型位置和成型精度的控制，三维工作台(14)通过带动基板(13)运动，从而实现金属熔滴(10)在基板(13)上X、Y和Z三个方向的精确成型。
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