CN104416159B - 一种低熔点金属多维结构的液相打印系统及打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低熔点金属多维结构的液相打印系统，包括：注射泵阵列、注射针头阵列、液态金属池，恒温箱、恒温浴槽及控制单元；所述注射泵阵列包括m×n个注射泵，各注射泵进口与液态金属池连接；注射针头与恒温浴槽垂直相对，注射针头进液口与所述注射泵出射端一一连接；控制单元与注射泵阵列连接。本发明提出的方法引入了流体的灵巧控制机制，对液态金属注射液滴实施了有效的缓冲、破碎和浮力作用，特别是由于其热容大，因而可提供较之传统气体散热方式高效得多的液体冷却处理，这使得注射入液相环境中的液态金属可以快速凝固，从而实现多维结构的短时成型，同时还减少了传统方法中不易避免的氧化作用。
Description
技术领域
本发明属于印刷领域，具体涉及一种多维结构的液相打印方法及其系统。
背景技术
3D打印技术是快速成型方法的一种，是增材制造的实现形式，近一、二年来发展尤为迅猛。常规的3D打印途径是利用计算机预先设计出产品的三维模型，通过软件对模型加以切分和离散化，分解出打印工序，再使用激光束、热熔喷嘴等方式将金属、塑料、陶瓷等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，从而制造出所设计的终端产品。迄今为止，此类加工大多是在空气中完成，借助气体冷却自然形成结构件，或通过砂粒、粉末等冷却高温液体结构使之成型，因此可形象地将传统的3D制造称为是干式打印；然而，这种冷却通常比较缓慢，因而样品的制作速度过低，特别是对熔点通常在六、七百度甚至上千度的高温液态金属，情况更是如此。不过，由于自身超越传统加工途径的诸多独特性能，3D打印技术在航空航天，医疗，科技教育等领域正逐步获得一定应用，并显示出广阔的应用和发展前景，它将与其它数字化生产模式一起，可望推动第三次工业革命的到来。
迄今为止，现有的3D打印技术由于采用塑料或聚合物等材料，主要只能制作无功能的结构支撑件，由于导电金属和支撑材料之间巨大的熔点差和迥异的制作过程，这些现有方法在机械和电子元件的同时制作上尚面临很大困难，已有的方法普遍存在制作时间长、适用对象有限等不足。特别是，若要制作有导电性的金属构件时，由于常规金属材料如铜、铝等熔点极高，往往需要极高的烧结温度，耗能大，常规的空气冷却效果弱，结构件凝固成型时间过长，打印过程的控制困难，亟需改进。
为提升金属件打印速度和降低制造难度，本发明提供一种针对熔点远低于常规金属的低熔点金属墨水（如熔点500℃以下）的液相打印方法和系统，这种液相打印技术对高温金属也有适用性。低熔点液态金属热导率高，粘度低，熔化凝固过程容易实现，其在打印技术领域的应用是一个全新的课题。
发明内容
针对本技术领域现状，本发明从有别于传统上的干式3D打印技术思路出发，首次提供一种概念崭新的金属构件液相打印方法和系统，借助低熔点金属墨水，通过引入独特的液相打印环境，实现多维金属构件的快速打印。
本发明的一个目的是提供一种低熔点金属多维结构的液相打印系统。
本发明的另一个目的是提出一种低熔点金属多维结构的液相打印方法。
实现本发明上述目的技术方案为：
一种低熔点金属多维结构的打印系统，其包括：注射泵阵列、注射针头阵列、液态金属池，恒温箱、恒温浴槽和控制单元；
所述注射泵阵列包括m×n个注射泵，排列为m×n阵列，各注射泵进口与液态金属池连接；液态金属池可以为方形，圆形等形状的容器。液态金属池的材质为玻璃或不与液态金属互溶的金属材料。
所述注射针头阵列包括m×n个注射针头，排列为m×n阵列，注射针头与恒温浴槽液体表面垂直相对，注射针头进液口与所述注射泵出射端一一连接；m和n互相独立地为大于1小于100的正整数；
所述注射泵阵列、注射针头阵列、液态金属池，恒温浴槽均设置在恒温箱内；
所述控制单元与注射泵阵列连接。
其中，所述注射针头内径范围为5nm-5cm。例如14G针头（内径1.54mm）、34G针头（内径0.06mm）等。
其中，所述恒温浴槽为底面平整的容器，材质为玻璃或不与液态金属互溶的金属材料，所述恒温浴槽的容积为0.05-1000L。恒温浴槽可以为方形、圆形等形状的容器。
其中，所述恒温浴槽还设置有控温装置和控制流体流动的装置。
一种低熔点金属多维结构的液相打印方法，包括步骤：
1）在液态金属池中加载液态金属作为打印墨水，所述液态金属为熔点在3℃-500℃范围的低熔点金属，选自镓基合金、铋基合金、铟基合金、添加有直径为5nm-900nm的记忆合金纳米颗粒的镓基合金、铋基合金、铟基合金中的一种；
所述记忆合金选自镍钛合金、钦镍铜、钛镍铁、钛镍铬、铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金(Fe-Mn-Si,Fe-Pd)中的一种或多种；
2）注射针头用于向一端与注射泵阵列相连，另一端浸入恒温浴槽的流体中或置于空气中；注射泵从液态金属池抽取液态金属并注射，其出射端与注射针头阵列相连；
3）控制打印的环境温度高于液态金属的熔点，在控制单元中设计打印的模型，并进行切分离散化，然后控制注射泵阵列中每个泵的流速和注射时间，使液态金属从注射针头中流出，在下落过程中或下落后凝固为固体。
打印的环境温度可由恒温箱实现，可控制环境温度高于液态金属熔点10-30℃；恒温浴槽的流体的温度控制为低于液态金属熔点1-50℃。
所述控制单元为装有软件的计算机。软件可以为采用典型编程语言如C++、Java、PLC等编制而成的控制程序。
其中，所述注射针头的注射速度为0.0001μL/hr―1L/min。
其中，所述恒温浴槽内装有水、酒精、煤油、抗冻液、液氮（在容器中是液体，只是有蒸发）、505胶水或硅胶中的一种。
其中，所述恒温浴槽控制为温度恒定在液态金属的熔点以下的温度。
或，所述恒温浴槽控制为在Tb至Tc温度之间匀速降温，所述Tb大于所述液态金属的熔点1-40℃，所述Tc低于所述液态金属的熔点1-60℃。所述液态金属为具有记忆功能的液态金属，此时由在镓基合金、铋基合金、铟基合金中添加直径在5nm-900nm范围的镍钛合金、钦镍铜、钛镍铁、钛镍铬、铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金(Fe-Mn-Si,Fe-Pd)等纳米颗粒添加物后形成。随着恒温浴槽温度的变化，液态金属随时间发生形变，从而实现4D（4维）打印功能。
本发明的有益效果在于：
1.本发明提供的方法成型速度快。引入了流体的灵巧控制机制，对液态金属注射液滴实施了有效的缓冲阻挡、击碎作用和浮力作用，特别是由于其热容大，温度和流场速度调节方便，因而可提供较之传统气体或沙粒、粉末等散热方式高效得多的液体冷却，这使得注射入液相环境中的液态金属可以迅速凝固，从而实现3D结构的快速成型，同时还减少了传统打印方法中不易避免的氧化作用。
2.成型结构形式多样。由于液相环境温度场及流场调控灵活，利用流体流速及流向乃至液态金属流速及流向以及彼此之间的流体相互作用的控制，可以制造出各种独特结构的3D金属件，比如旋转体等，这显著扩展了传统3D打印技术的范畴和加工范围，具有十分重要的应用价值和科学意义。
3.可实现3D机电系统同时打印。本发明由于采用了不同于传统的导电型液态金属打印材料，可与传统塑料、聚合物等配合打印，形成同时包括机械支撑件及导电结构在内的3D功能器件。
4.可持续发展面广泛。本发明提供的液相打印是传统干式打印的重要革新和补充，大大提升了3D打印的速度和应用范畴，二者的结合可望更好地满足各类打印需求。而且，液相溶液调整温度，在形状记忆合金实现4D变形方面较之已有方式更加快捷。
5.金属构件制造耗能低。本发明由于引入了熔点远低于常规金属如铜、钛、铝等的熔点在3℃-500℃范围乃至更低的液态金属墨水，因而升温融化难度得以显著降低，特别是若采用室温金属流体时，则几乎不消耗加热方面的能量，因而制作金属构件能耗较低，实用价值显著。
附图说明
图1为本发明的低熔点金属多维结构的打印系统结构图；
图2为0，1，2，3维低熔点金属结构的液相3D打印示意图，图2中a,b,c,d分别为0，1，2，3维低熔点金属结构的打印示意图；
图3为4维低熔点金属结构的液相打印流程示意图。其中（a）为初始打印出的直向金属条示意图；（b）为恒温浴槽温度变为Tc时金属结构图。
图中：1.注射泵阵列，2.注射针头阵列，3.液态金属池，4.恒温箱，5.恒温浴槽，6.计算机。
具体实施方式
下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。
实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。
实施例1：0维金属结构的打印方法
打印系统如图1。，包括：注射泵阵列1、注射针头阵列2、液态金属池3，恒温箱4、恒温浴槽5和计算机6；注射泵阵列包括2×2个注射泵，排列为2×2阵列，各注射泵进口与液态金属池连接；注射针头阵列包括2×2.个注射针头，排列为2×2阵列，注射针头与恒温浴槽液体表面垂直相对，注射针头进液口与所述注射泵出射端一一连接。所述注射泵阵列1、注射针头阵列2、液态金属池3，恒温浴槽5均设置在恒温箱内；计算机与注射泵阵列连接。本实施例中针头选为14G针头，其内径为1.54mm；注射泵型号选为商业化设备Pump11Plus，其流速在0.0014ul/hr-7.91ml/hr范围内可调。
恒温浴槽5为底面平整的容器，材质为玻璃，容积为10L，里面装水；液态金属池3的材质为玻璃。
0维金属结构即为小球。选定Bi31.6In48.8Sn19.6合金（熔点为59℃）为打印墨水，将恒温箱4设置为80℃左右，恒温浴槽5温度设为20℃，则根据所需金属小球的尺寸选择相对应的针头2（例如直径2mm小球，针头采用14G针头），通过计算机6设置注射泵1的推射速度，抽吸出液态金属池3中的原液并从针头逐滴下落，进入恒温水浴槽5后迅速凝固，前后两滴不发生黏连，这样得到的成品为颗粒状液态金属小球，如图2a所示。
本实施例中，恒温水浴槽5内水的温度和流场可以调节，由此可实现不同熔点金属和产品的打印。比如除上述Bi31.6In48.8Sn19.6合金墨水外，打印金属墨水也可更换为前述列举的各类熔点在3℃-500℃范围的低熔点液态金属墨水如镓基合金、铋基合金、铟基合金中的一种或其镍钛合金纳米颗粒(10nm直径)添加物。
利用同样的系统，以Ga15In13SnZn合金为打印墨水，将恒温箱4设置为20℃，恒温浴槽5温度设为0℃，打印得直径2mm镓基合金小球。同样的方法还可以打印得铋基合金、铟基合金小球。将直径为5nm-900nm的记忆合金纳米颗粒添加在金属墨水中，打印得具有记忆能力的铋基合金、铟基合金小球。
并且，水也可更换为其他液体如：酒精，煤油、抗冻液、液态有机材料如505胶水、硅胶，乃至液氮等，可实现更为灵活的高质量打印。
实施例2:1维金属结构的多维打印方法
系统如实施例1。
所要打印的1维金属结构为金属线，选定Bi31.6In48.8Sn19.6合金（熔点为59℃）为打印墨水。恒温箱4设置为80℃，恒温水浴槽5设为45℃，内装水。注射泵阵列包括2×10个注射泵，排列为2×10阵列，各注射泵进口与液态金属池连接；注射针头阵列包括2×10个注射针头，排列为2×10阵列，注射针头与恒温浴槽液体表面垂直相对，注射针头进液口与所述注射泵出射端一一连接。根据所要打印金属线的直径选择相应的针头2和注射泵1的推射速度在0.0014μl/hr-7.91ml/hr范围，使液滴下落后与已打印的金属线融合并迅速凝固，得到一条金属长线，如图2b即为竖向打印示意图。恒温浴槽5内液体也可不限于水。
同样的方法还可以打印得铋基合金、铟基合金或具有记忆能力的合金金属线。
实施例32维金属结构的多维结构打印方法
系统如实施例1。
所要打印的2维金属结构为“凹”字形金属面，选定Bi31.6In48.8Sn19.6合金（熔点为59℃）为原液。恒温箱4设置为80℃，恒温浴槽5设为45℃，内装水。注射泵阵列包括80×80个注射泵，排列为2×2阵列，各注射泵进口与液态金属池连接；注射针头阵列包括80×80个注射针头，排列为80×80阵列，注射针头与恒温浴槽液体表面垂直相对，注射针头进液口与所述注射泵出射端一一连接。
首先在计算机6中采用C++编制的控制软件设计出要打印的结构并设定打印程序，选择相应的针头2，设定每个注射泵1的推射速度0.01μl/hr。然后启动打印，打出“凹”字形金属结构后取出（如图2c所示的俯视图），进行表面加工即得成品。恒温浴槽5内液体也可不限于水。
同样的方法还可以打印得铋基合金、铟基合金或具有记忆能力的合金金属面。
实施例43维金属结构的多维结构打印方法
系统如实施例1。所要打印的3维金属结构为两个不同直径圆柱相接的凸台，选定Bi31.6In48.8Sn19.6合金（熔点为59℃）为打印墨水。恒温箱4设置为80℃，恒温浴槽5设为45℃，内装水。注射泵阵列包括2×10个注射泵，排列为2×2阵列，各注射泵进口与液态金属池连接；注射针头阵列包括2×10个注射针头，排列为2×10阵列，注射针头与恒温浴槽液体表面垂直相对，注射针头进液口与所述注射泵出射端一一连接。
首先在计算机6中用采用C++编制的控制软件画出三维模型，用软件将模型切分离散化，设定打印步骤，选择相应的针头2的型号为14G针头，确定注射泵阵列1中每个泵的推射速度0.01μl/hr。然后启动打印，一层一层叠加，打印出物体后经表面加工即得成品。图2d为打印示意图。恒温浴槽5内液体也可不限于水。
同样的方法还可以打印得铋基合金、铟基合金或具有记忆能力的合金三维结构。
实施例54维金属结构的多维结构打印方法
这里，4维结构式指采用低熔点形状记忆合金后，所形成结构可在液相温度的调控下对应改变，也就是说，结构件与时间存在对应关系，这种瞬态变化的结构超出传统的3D结构概念。4维结构是国际上新近出现的概念，但成熟制造技术极少，本发明为此提供了具体的打印方法和系统，有助于推动4D打印技术的发展。
在本实施例中，所要打印的是截面为梯形的弯曲金属条，采用类似于记忆合金的液态金属（熔点为Tm），由镓金属融化后在其内添加直径为10nm的镍钛合金纳米颗粒，组成熔点Tm为60℃的纳米液态金属。恒温箱4温度设置为大于Tm的温度Ta=80℃，恒温浴槽5设定为Tb=50℃，内装水。首先在计算机6中画出三维模型并离散化，设定打印程序，选择针头2，设定注射泵阵列1中每个泵的推射速度在0.0014μl/hr-7.91ml/hr范围。然后启动打印，打印出直向金属条（如图3（a）所示）后将恒温浴槽温度变为Tc=40℃（Tc<Tm），直到金属条逐渐变为弯曲形，取出后经表面加工即得成品(如图3（b）所示)。恒温浴槽5内液体也可不限于水。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种低熔点金属多维结构的液相打印系统，其特征在于，包括：注射泵阵列、注射针头阵列、液态金属池，恒温箱、恒温浴槽和控制单元；
所述注射泵阵列包括m×n个注射泵，排列为m×n阵列，各注射泵进口与液态金属池连接；
所述注射针头阵列包括m×n个注射针头，排列为m×n阵列，注射针头与恒温浴槽液体表面垂直相对，注射针头进液口与所述注射泵出射端一一连接；m和n互相独立地为大于1小于100的正整数；
所述注射泵阵列、注射针头阵列、液态金属池、恒温浴槽均设置在恒温箱内；
所述控制单元与注射泵阵列连接。
2.根据权利要求1所述的液相打印系统，其特征在于，所述注射针头内径为50nm-5cm。
3.根据权利要求1所述的液相打印系统，其特征在于，所述恒温浴槽为底面平整的容器，材质为玻璃或不与液态金属互溶的金属材料，所述恒温浴槽的容积为0.05-1000L；所述液态金属池的材质为玻璃或不与液态金属互溶的金属材料。
4.根据权利要求1-3任一所述的液相打印系统，其特征在于，所述恒温浴槽还设置有控温装置和控制流体流动的装置。
5.一种低熔点金属多维结构的液相打印方法，使用权利要求1-4任一所述的液相打印系统，包括步骤：
1)在液态金属池中加载液态金属作为打印墨水，所述液态金属为熔点在3℃-500℃范围的低熔点金属，选自镓基合金、铋基合金、铟基合金、添加有直径为5nm-900nm的形状记忆合金纳米颗粒的镓基合金、铋基合金、铟基合金中的一种；
所述记忆合金选自镍钛合金、钦镍铜、钛镍铁、钛镍铬、铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金中的一种或多种；
2)注射针头用于向一端与注射泵阵列相连，另一端浸入恒温浴槽的流体中，所述恒温浴槽内装有水、酒精、煤油、抗冻液、液氮、505胶水或硅胶中的一种；注射泵从液态金属池抽取液态金属并注射，其出射端与注射针头阵列相连；
3)控制打印的环境温度高于液态金属的熔点，在控制单元中设计待打印的模型，并进行切分离散化，然后控制注射泵阵列中每个泵的流速和注射时间，使液态金属从注射针头中流出，在下落过程中或下落后凝固为固体。
6.根据权利要求5所述的液相打印方法，其特征在于，所述注射针头的注射速度为0.0001μL/hr―1L/min。
7.根据权利要求5或6所述的液相打印方法，其特征在于，所述恒温浴槽控制为温度恒定在液态金属的熔点以下的温度。
8.根据权利要求5或6所述的液相打印方法，其特征在于，所述恒温浴槽控制为在Tb至Tc温度之间匀速降温，所述Tb大于所述液态金属的熔点1-40℃，所述Tc低于所述液态金属的熔点1-60℃。
9.根据权利要求8所述的液相打印方法，其特征在于，所述液态金属为添加有直径为5nm-900nm的记忆合金纳米颗粒的镓基合金、铋基合金、铟基合金中的一种。
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