CN105499577B - 一种金属熔液3d打印喷头及打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属熔液3D打印喷头及打印方法，它包括喷头本体和气压供给系统，所述喷头本体包括气腔壳体，气腔壳体内部设置有活塞，活塞的活塞杆与压电陶瓷相连提供动力，气腔壳体和壳体底座共同形成气腔，壳体底座的左侧加工有进料通道，进料通道的顶部设置有补料口，壳体底座的底部安装有坩埚，坩埚的外部设置有加热器，坩埚的底座安装有坩埚端盖，坩埚通过坩埚端盖密封有熔液腔，在熔液腔和气腔之间设置有陶瓷薄片，坩埚端盖的中心加工设置有喷嘴，所述壳体底座的右侧加工有进气口，所述气压供给系统与进气口相连。采用此喷头及打印方法能够使微滴喷射过程即可以有足够高的频率，同时驱动压力可调，亦即喷射量可调。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印喷头及打印方法，尤指一种以活塞驱动的喷射式金属熔液3D打印喷头，属于快速成形制造技术领域。
背景技术
微滴式3D打印是目前制造领域研究的技术热点之一，该技术通过将打印材料以微滴的形式连续喷出，并按设计的路径逐层叠加，逐渐形成实体。其中，采用熔融金属材料进行微滴式3D打印属于研究热点和难点之一，主要因为熔融金属温度高、易凝固、易氧化，导致易对设备（主要是喷头）造成损害和难以维护。
现有的熔融金属3D打印喷头主要采用惰性压缩气体直接驱动、气动膜片驱动、压电陶瓷驱动等形式。然而，由于气体具有明显的可压缩性，直接采用压缩气流驱动喷头内的金属熔液其压力难以控制，频率也难以提高，且气体易将熔液“射穿”而仅喷出气流；采用脉冲气体挤压弹性膜片的形式工作时，是靠膜片沿喷头轴向的微小弹性变形量来挤出熔液，挤出量可调整区间小，且因膜片所能承受的温度及疲劳等影响，使用性能及寿命都受到一定限制；采用压电陶瓷驱动时，实际上是利用压电陶瓷在极化方向的高频伸/缩，带动与其连接的推杆挤压熔液，该方法易于调整打印频率，但周期挤出量几乎不能调节。
发明内容
本发明的目的在于设计一种金属熔液3D打印喷头及打印方法，采用此喷头及打印方法能够使微滴喷射过程即可以有足够高的频率，同时驱动压力可调，亦即喷射量可调。
为了实现上述的技术特征，本发明所采用的技术特征是：一种金属熔液3D打印喷头，它包括喷头本体和气压供给系统，所述喷头本体包括气腔壳体，气腔壳体内部设置有活塞，活塞的活塞杆与压电陶瓷相连提供动力，气腔壳体和壳体底座共同形成气腔，壳体底座的左侧加工有进料通道，进料通道的顶部设置有补料口，壳体底座的底部安装有坩埚，坩埚的外部设置有加热器，坩埚的底座安装有坩埚端盖，坩埚通过坩埚端盖密封有熔液腔，在熔液腔和气腔之间设置有陶瓷薄片，坩埚端盖的中心加工设置有喷嘴，所述壳体底座的右侧加工有进气口，所述气压供给系统与进气口相连，所述气压供给系统包括稳压回路和调压回路，调压回路与进气口相连，稳压回路与调压回路相连。
所述调压回路包括单向阀和溢流阀，单向阀与溢流阀并联，并联回路的左侧回路与进气口相连通，右侧回路与稳压回路相连。
所述稳压回路包括气泵、气动单向阀、储气罐和安全阀，所述储气罐与调压回路相连，储气罐之后安装有气动单向阀，在气动单向阀和储气罐之间并联有安全阀，气动单向阀之后连接有气泵。
所述气腔内部的压缩气体为氦气。
所述补料口与补料罐相连，所述补料罐内部安装有气压泵，能够保证其内部气压稳定。
所述稳压回路中的安全阀的卸荷压力P1能够保证回路中有稳定的气压输出使其等于P1，所述调压回路中的溢流阀的卸荷压力P0能够保证打印时气腔中所需的最大压力等于P0，当气腔中某时刻的实际压力P2大于P0，溢流阀自动打开卸荷，若P2小于P1，单向阀自动打开向气腔充气，在调节和设定压力时，需保证P1<P0。
所述陶瓷薄片与气腔相接触的上端面为非对称凸台面，陶瓷薄片被限制在气腔的进气口和熔液腔的进料通道之间，并沿轴向在气腔壳体的下端面和坩埚的上端面之间小距离往复运动，当活塞压缩气腔内气体使陶瓷薄片向熔液腔移动时，熔液受挤压，陶瓷薄片逐渐遮挡进料通道，直到其向下运动到极限位置到达坩埚的上端面，形成一个节流孔，防止受压的熔液从进料通道回流；在活塞回复过程中，熔液由节流孔进入熔液腔，陶瓷薄片在熔液的浮力作用下移动至与气腔壳体的下端面接触，进料通道被逐渐打开，此时起到隔断气腔与熔液腔的作用，同时气腔完成充气，为保证顺利补料，与补料口连接的补料罐内需保持一定的压力P3，设定P3=P1。
采用上述金属熔液3D打印喷头的打印方法，它包括以下步骤，1）调试过程，开始调试时，通过稳压回路给气腔充气，同时设定安全阀的卸荷压力为P1，活塞在压电陶瓷的驱动下压缩气腔内部气体，使气腔压力升高到某个设定值P0，此后活塞继续挤压，在气腔压力的作用下，有熔液从喷嘴挤出，如果熔液未能成滴，调节溢流阀来改变P0的大小，直到可打印均匀一致的微滴。
2）打印过程，当系统调试好后，使活塞回到初始位置，如果在上一阶段活塞压缩气体过程中，气腔内部气体存在泄漏，则气腔内部的压力值会小于P1，此时储气罐中的气体就会经单向阀进入气腔自动进行补充，此后活塞在压电陶瓷的驱动下压缩气腔内部密封的气体，使熔液以微滴形式喷出，按预先设计好的路径移动喷头，并重复以上打印过程，即可连续打印，若需调节打印频率，只需调节压电陶瓷激励电压的频率即可。
其中，步骤1）中气腔压力升高到某个设定值P0，其中P0值和溢流阀的设定压力值相等。
本发明有如下有益效果：
1、采用压电陶瓷来驱动活塞，高效的利用了压电陶瓷可高频伸缩，从而实现微滴可高频喷射的优点，从而保证了活塞能够对气腔内部的气体进行压缩，进而驱动陶瓷薄片挤压熔液腔内部的金属溶液进行喷射。
2、通过调压回路，可调节工作时的有效压力，弥补了采用压电陶瓷-推杆直驱式打印时压力几乎不可调的缺陷，同时因活塞不直接与金属熔液接触，熔液不会在活塞上残留凝固，便于维护。
3、通过设定陶瓷薄片从而保证了气体并不是直接作用于熔液，而是通过挤压陶瓷薄片的方式来传递压力，使得熔液受力更均匀，降低了压缩气体直驱式打印中气体能束过于集中、易以气流形式从喷嘴射出的可能性，从而有效的避免了熔液被“射穿”的缺陷。
4、通过在气腔内部填充氦气，氦气作为惰性气体，在保证能够对陶瓷薄片进行压缩的同时，还能够避免高温金属溶液被氧化等缺陷，起到保护气的作用，同时还具有防爆作用。
5、通过在加热器能够对熔液腔内部的金属熔液进行加热控制，可控制腔内的熔液保持一定的熔化温度，确保熔液不在打印喷头内凝固。
6、通过稳压回路与调压回路能够为气腔提供稳定的气压值，从而起到调节和控制气腔内部压力的作用，保证活塞对气腔进行压缩过程中，能够将气压传递给陶瓷薄片进而对熔液腔内部的金属熔液进行压缩。
7、陶瓷薄片的阶梯结构设计能够实现向气腔内部补气的目的，同时也可以实现向熔液腔内部补充金属熔液的目的，通过左台阶面与下端面相配合，右台阶面与上端面相配合，当活塞压缩气腔内气体使陶瓷薄片向熔液腔移动时，熔液受挤压，陶瓷薄片逐渐遮挡进料通道，直到其向下运动到极限位置到达坩埚的上端面，形成一个节流孔，防止受压的熔液从进料通道回流；在活塞回复过程中，熔液由节流孔进入熔液腔，陶瓷薄片在熔液的浮力作用下移动至与气腔壳体的下端面接触，进料通道被逐渐打开，此时起到隔断气腔与熔液腔的作用。
8、通过调节稳压回路和调压回路的压力值，能够保证在对熔液腔进行压缩过程中金属熔液成滴，从而防止其常见的熔液挤出后缩回、产生卫星滴、形成射流等缺陷。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1 喷头结构示意图。
图2 补料完成状态下陶瓷薄片位置示意图及陶瓷薄片的局部结构示意图。
图3为图2中陶瓷薄片结构的俯视图。
图4喷头工作流程图。
图中：1、活塞，2、气腔壳体，3、气腔，4、进气口，5、加热器，6、坩埚端盖，7、熔液腔，8、坩埚，9、补料口，10、陶瓷薄片，11、单向阀，12、溢流阀，13、安全阀，14、储气罐，15、气动单向阀，16、气泵，17、壳体底座，18、进料通道，19、喷嘴，20、下端面，21、上端面，1001、左台阶面，1002、右台阶面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
参见图1-3，一种金属熔液3D打印喷头，它包括喷头本体和气压供给系统，所述喷头本体包括气腔壳体2，气腔壳体2内部设置有活塞1，活塞1的活塞杆与压电陶瓷相连提供动力，气腔壳体2和壳体底座17共同形成气腔3，壳体底座17的左侧加工有进料通道18，进料通道18的顶部设置有补料口9，壳体底座17的底部安装有坩埚8，坩埚8的外部设置有加热器5，坩埚8的底座安装有坩埚端盖6，坩埚8通过坩埚端盖6密封有熔液腔7，在熔液腔7和气腔3之间设置有陶瓷薄片10，坩埚端盖6的中心加工设置有喷嘴19，所述壳体底座17的右侧加工有进气口4，所述气压供给系统与进气口4相连，所述气压供给系统包括稳压回路和调压回路，调压回路与进气口4相连，稳压回路与调压回路相连。
进一步的，为了避免金属熔液与活塞的之间接触，在活塞1与金属熔液之间采用充入惰性气体的方法，通过压缩气腔内部气体产生压力驱动陶瓷薄片10进而挤压溶液，进而实现喷射打印的目的，同时通过陶瓷薄片10与金属熔液进行接触，从而保证了受理平衡。
进一步的，所述调压回路包括单向阀11和溢流阀12，单向阀11与溢流阀12并联，并联回路的左侧回路与进气口4相连通，右侧回路与稳压回路相连。
进一步的，所述稳压回路包括气泵16、气动单向阀15、储气罐14和安全阀13，所述储气罐14与调压回路相连，储气罐14之后安装有气动单向阀15，在气动单向阀15和储气罐14之间并联有安全阀13，气动单向阀15之后连接有气泵16。
进一步的，通过上述的稳压回路和调压回路能够保证气腔3内部的气体压力保持稳定，当气腔3内部的气体压力降低时，能够通过稳压回路向气腔3内部继续充气保证其压力的稳定。
进一步的，气路在活塞1的压缩行程中由于单向阀11的作用，处于关闭状态，用来密封气腔；在活塞的回复行程中，根据气腔内部实际压力的大小，或充气，或不充气；如果气腔密封效果好，在压缩行程中不存在气体泄漏 ，则此时的气腔内部压力P2应该等于P1，单向阀不开启；如果存在气体泄漏，这此时P2<P1，单向阀打开，给气腔补气，直到气腔压力值等于P1。
进一步的，所述气腔3内部的压缩气体为氦气。氦气作为惰性气体，在保证能够对陶瓷薄片10进行压缩的同时，还能够避免高温金属溶液被氧化等缺陷，起到保护气的作用，同时还具有防爆作用。
进一步的，所述补料口9与补料桶相连，所述补料罐内部安装有气压泵，能够保证其内部气压稳定。
进一步的，所述稳压回路中的安全阀13的卸荷压力P1能够保证回路中有稳定的气压输出使其等于P1，所述调压回路中的溢流阀12的卸荷压力P0能够保证打印时气腔3中所需的最大压力等于P0，当气腔3中某时刻的实际压力P2大于P0，溢流阀12自动打开卸荷，若P2小于P1单向阀11自动打开向气腔3充气，在调节和设定压力时，需保证P1<P0。
进一步的，所述陶瓷薄片10与气腔3相接触的上端面为非对称凸台面，陶瓷薄片10被限制在气腔3的进气口4和熔液腔7的进料通道18之间，并沿轴向在气腔壳体2的下端面20和坩埚8的上端面21之间小距离往复运动，当活塞1压缩气腔3内气体使陶瓷薄片10向熔液腔7移动时，熔液受挤压，陶瓷薄片10逐渐遮挡进料通道18，直到其向下运动到极限位置到达坩埚8的上端面21，形成一个节流孔，防止受压的熔液从进料通道18回流；在活塞1回复过程中，熔液由节流孔进入熔液腔7，陶瓷薄片10在熔液的浮力作用下移动至与气腔壳体2的下端面20接触，进料通道被逐渐打开，此时起到隔断气腔与熔液腔的作用，同时气腔3完成充气，为保证顺利补料，与补料口9连接的补料罐内需保持一定的压力P3，设定P3=P1。
进一步的，所述陶瓷薄片10包括左台阶面1001和右台阶面1002，陶瓷薄片10的阶梯结构设计能够实现向气腔3内部补气的目的，同时也可以实现向熔液腔7内部补充金属熔液的目的，通过左台阶面1001与下端面20相配合，右台阶面1002与上端面21相配合，当活塞1压缩气腔内气体使陶瓷薄片向熔液腔移动时，陶瓷薄片逐渐遮挡进料通道18，直到其向下运动到极限位置坩埚的上端面21，形成一个节流孔，防止受压的熔液从补料口回流；在活塞1回复过程中，熔液由节流孔进入熔液腔，陶瓷薄片在熔液的浮力作用下移动至与气腔壳体2的下端面20接触，进料通道被逐渐打开，此时起到隔断气腔与熔液腔的作用。
参见图4，采用上述金属熔液3D打印喷头的打印方法，它包括以下步骤，1）调试过程，开始调试时，通过稳压回路给气腔3充气，同时设定安全阀13的卸荷压力为P1，活塞1在压电陶瓷的驱动下压缩气腔3内部气体，使气腔3压力升高到某个设定值P0，此后活塞继续挤压，在气腔压力的作用下，有熔液从喷嘴19挤出，如果熔液未能成滴，调节溢流阀12来改变P0的大小，直到可打印均匀一致的微滴。
2）打印过程，当系统调试好后，使活塞1回到初始位置，如果在上一阶段活塞压缩气体过程中，气腔内部气体存在泄漏，则气腔内部的压力值会小于P1，此时储气罐14中的气体就会经单向阀11进入气腔自动进行补充，此后活塞1在压电陶瓷的驱动下压缩气腔内部密封的气体，使熔液以微滴形式喷出，按预先设计好的路径移动喷头，并重复以上打印过程，即可连续打印，若需调节打印频率，只需调节压电陶瓷激励电压的频率即可。
其中，步骤1中气腔3压力升高到某个设定值P0，其中P0值和溢流阀12的设定压力值相等。
Claims (7)
1.一种金属熔液3D打印喷头，其特征在于：它包括喷头本体和气压供给系统，所述喷头本体包括气腔壳体（2），气腔壳体（2）内部设置有活塞（1），活塞（1）的活塞杆与压电陶瓷相连提供动力，气腔壳体（2）和壳体底座（17）共同形成气腔（3），壳体底座（17）的左侧加工有进料通道（18），进料通道（18）的顶部设置有补料口（9），壳体底座（17）的底部安装有坩埚（8），坩埚（8）的外部设置有加热器（5），坩埚（8）的底座安装有坩埚端盖（6），坩埚（8）通过坩埚端盖（6）密封有熔液腔（7），在熔液腔（7）和气腔（3）之间设置有陶瓷薄片（10），坩埚端盖（6）的中心加工设置有喷嘴（19），所述壳体底座（17）的右侧加工有进气口（4），所述气压供给系统与进气口（4）相连，所述气压供给系统包括稳压回路和调压回路，调压回路与进气口（4）相连，稳压回路与调压回路相连；
所述调压回路包括单向阀（11）和溢流阀（12），单向阀（11）与溢流阀（12）并联，并联回路的左侧回路与进气口（4）相连通，右侧回路与稳压回路相连；
所述补料口（9）与补料罐相连，所述补料罐内部安装有气压泵，能够保证其内部气压稳定。
2.根据权利要求1所述一种金属熔液3D打印喷头，其特征在于：所述稳压回路包括气泵（16）、气动单向阀（15）、储气罐（14）和安全阀（13），所述储气罐（14）与调压回路相连，储气罐（14）之后安装有气动单向阀（15），在气动单向阀（15）和储气罐（14）之间并联有安全阀（13），气动单向阀（15）之后连接有气泵（16）。
3.根据权利要求1所述一种金属熔液3D打印喷头，其特征在于：所述气腔（3）内部的压缩气体为氦气。
4.根据权利要求2所述一种金属熔液3D打印喷头，其特征在于：所述稳压回路中的安全阀（13）的卸荷压力P1能够保证回路中有稳定的气压输出使其等于P1，所述调压回路中的溢流阀（12）的卸荷压力P0能够保证打印时气腔（3）中所需的最大压力等于P0，当气腔（3）中某时刻的实际压力P2大于P0，溢流阀（12）自动打开卸荷，若P2小于P1，单向阀（11）自动打开向气腔（3）充气，在调节和设定压力时，需保证P1<P0。
5.根据权利要求1所述一种金属熔液3D打印喷头，其特征在于：所述陶瓷薄片（10）与气腔（3）相接触的上端面为非对称凸台面，陶瓷薄片（10）被限制在气腔（3）的进气口（4）和熔液腔（7）的进料通道（18）之间，并沿轴向在气腔壳体（2）的下端面（20）和坩埚（8）的上端面（21）之间小距离往复运动，当活塞（1）压缩气腔（3）内气体使陶瓷薄片（10）向熔液腔（7）移动时，熔液受挤压，陶瓷薄片（10）逐渐遮挡进料通道（18），直到其向下运动到极限位置到达坩埚（8）的上端面（21），形成一个节流孔，防止受压的熔液从进料通道（18）回流；在活塞（1）回复过程中，熔液由节流孔进入熔液腔（7），陶瓷薄片（10）在熔液的浮力作用下移动至与气腔壳体（2）的下端面（20）接触，进料通道被逐渐打开，此时起到隔断气腔与熔液腔的作用，同时气腔（3）完成充气，为保证顺利补料，与补料口（9）连接的补料罐内需保持一定的压力P3，设定P3=P1。
6.采用权利要求1-5任意一项一种金属熔液3D打印喷头的打印方法，其特征在于，它包括以下步骤，1）调试过程，开始调试时，通过稳压回路给气腔（3）充气，同时设定安全阀（13）的卸荷压力为P1，活塞（1）在压电陶瓷的驱动下压缩气腔（3）内部气体，使气腔（3）压力升高到某个设定值P0，此后活塞继续挤压，在气腔压力的作用下，有熔液从喷嘴（19）挤出，如果熔液未能成滴，调节溢流阀（12）来改变P0的大小，直到可打印均匀一致的微滴；
2）打印过程，当系统调试好后，使活塞（1）回到初始位置，如果在上一阶段活塞压缩气体过程中，气腔内部气体存在泄漏，则气腔内部的压力值会小于P1，此时储气罐（14）中的气体就会经单向阀（11）进入气腔自动进行补充，此后活塞（1）在压电陶瓷的驱动下压缩气腔内部密封的气体，使熔液以微滴形式喷出，按预先设计好的路径移动喷头，并重复以上打印过程，即可连续打印，若需调节打印频率，只需调节压电陶瓷激励电压的频率即可。
7.根据权利要求6所述打印方法，其特征在于，步骤1）中气腔（3）压力升高到某个设定值P0，其中P0值和溢流阀（12）的设定压力值相等。
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