CN105798306B - 一种3d金属打印系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D金属打印系统及方法，所述系统包括打印喷头、电解液、浴槽、打印基底、电极板以及电源；所述打印喷头位于所述打印基底的上方，用于在打印喷头与电极板之间电势差的作用下喷射液态的金属墨水。本发明通过控制所述打印喷头和所述电极板之间的电势差，实现对金属墨水下落与停落的控制，由于采用了纯电场控制，因而消除了常规机械泵那样的运动部件，因而降低了打印系统的复杂度、成本以及功耗，同时也提升了打印的可靠性；另外本发明的纯电学控制方法，实现了对金属打印过程的灵活控制，大大减低了控制难度。
Description
技术领域
本发明涉及金属打印技术领域，更具体涉及一种3D金属打印系统及方法。
背景技术
3D金属打印是增材制造技术的一种，它与传统的材料加工方法不同，是一种基于三维数字模型的制造技术，其是将塑料、金属或陶瓷粉末等墨水材料通过逐层打印的方式来制造物品的技术。3D金属打印是当前3D金属打印制造技术的一个重要发展方向，其中，激光工程化净成形技术(Laser Engineered Net Shaping,LENS)、选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS)和电子束选区熔化技术(Electron Beam SelectiveMelting,EBSM)是三种典型的3D金属打印方法。这些打印技术均采用金属粉末作为打印墨水，借助气体进行冷却成型。3D金属打印技术综合应用了计算机辅助设计/计算机辅助制造CAD/CAM技术、激光技术、控制、精密机械、材料科学等多方面的知识和技术。相比传统的减材制造技术，采用3D金属打印大大缩短了产品研制周期，降低了成本，加快了新产品的制造速度，在航空航天，生物，医疗等领域具有广阔的应用前景。但这类金属墨水由于熔点高，因此打印过程耗能高，控制难度大；此外，熔融金属或金属粉末的输运和喷射比较麻烦，一般采用机械泵及运动部件加以控制，这些因素均导致此类传统金属打印设备整体结构相当复杂，价格昂贵，因而不易扩展到大众化使用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何降低3D金属打印的功耗、控制难度以及3D金属打印系统的复杂度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种3D金属打印系统，所述系统包括打印喷头、电解液、浴槽、打印基底、电极板以及电源；
所述电解液盛放于所述浴槽内，所述电极板放置于所述浴槽的底部，所述打印基底放置于所述电极板的上面，并且所述打印基底的上表面的面积小于所述电极板的上表面的面积；
所述电源的两端分别连接所述打印喷头和所述电极板，形成所述打印喷头和所述电极板之间的电势差；
所述打印喷头位于所述打印基底的上方，用于在所述电势差的作用下喷射液态的金属墨水；所述电解液的温度低于所述金属墨水的熔点。
优选地，所述打印喷头包括第一加热模块，用于保持所述打印喷头的温度高于所述金属墨水的熔点。
优选地，所述打印喷头为多个，并且以阵列形式排列。
优选地，所述系统还包括运动控制模块，其与所述打印喷头连接，用于控制所述打印喷头的运动轨迹。
优选地，所述浴槽包括第二加热模块，用于保持浴槽内电解液温度恒定。
优选地，所述打印喷头与所述浴槽内电解液的液面垂直。
优选地，所述打印喷头的内径为50nm-5mm，其材质的熔点高于所述金属墨水的熔点；
所述浴槽的容积为0.05-1000L，其材质为玻璃或熔点高于所述金属墨水熔点的金属材料；
所述电极板的上表面面积为5cm2-5m2，其材质为熔点高于所述金属墨水熔点的金属材料；
所述打印基底的上表面面积为4cm2-4m2，其材质为玻璃、塑料或熔点高于所述金属墨水熔点的金属材料；
所述电解液为KOH的水溶液、NaOH的水溶液，KSO4的水溶液、NaSO4的水溶液或NaCl的水溶液。
一种3D金属打印方法，所述方法包括以下步骤：
S1、调节并保持打印喷头的温度高于金属墨水的熔点，调节并保持浴槽中电解液的温度低于所述金属墨水的熔点；
S2、所述打印喷头浸入所述电解液中，调节所述打印喷头与浴槽底部的电极板之间的电势差；
S3、所述打印喷头在所述电势差的作用下，喷射液态金属墨水进入所述电解液中，并在所述电解液的冷却作用下，在所述电极板上面设置的打印基底上凝固形成产品；所述电极板的上表面的面积大于所述打印基底的上表面的面积。
优选地，所述打印喷头连接运动控制模块，并按照所述运动控制模块的指令改变其运动轨迹。
优选地，所述打印喷头与所述浴槽内电解液的液面垂直；所述打印喷头为多个，并且以阵列形式排列；所述打印喷头的内径为50nm-5mm，其材质的熔点高于所述金属墨水的熔点；
所述浴槽的容积为0.05-1000L，其材质为玻璃或熔点高于所述金属墨水熔点的金属材料；
所述电极板的上表面面积为5cm2-5m2，其材质为熔点高于所述金属墨水熔点的金属材料；
所述打印基底的上表面面积为4cm2-4m2，其材质为玻璃、塑料或熔点高于所述金属墨水熔点的金属材料；
所述电解液为KOH的水溶液、NaOH的水溶液，KSO4的水溶液、NaSO4的水溶液或NaCl的水溶液。
(三)有益效果
本发明提供了一种3D金属打印系统及方法，本发明通过控制所述打印喷头和所述电极板之间的电势差，实现对金属墨水下落与停落的控制，由于采用了纯电场控制，因而消除了常规机械泵那样的运动部件，因而降低了打印系统的复杂度、成本以及功耗，同时也提升了打印的可靠性；
本发明的纯电学控制方法，灵活方便，利用了金属墨水的液滴在电解质溶液中的电毛细现象，通过改变打印喷头中金属墨水和电解质溶液之间的电压来改变液体金属-电解质溶液的界面张力；施加电压时，使喷头中与电解质溶液接触部分的液体金属界面张力减小，为了保持喷头内液体金属中的压强平衡，一部分金属被排出喷头形成连续不断的液滴并下落，而在断开电压时，金属液滴即停落，这样就实现了对打金属印过程的灵活控制，大大减低了控制难度；
本发明通过电解液提供冷却环境，它的温度低于金属墨水的熔点，下落的金属液滴在液相环境中能够快速冷却凝固。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种3D金属打印系统的结构示意图；
图2为本发明的一种3D金属打印方法的流程图；
图3为利用本发明的系统制作金属颗粒的打印示意图；
图4为利用本发明的系统制作一维金属杆棒的打印示意图；
图5为利用本发明的系统制作二维金属结构的打印示意图；
图6为利用本发明的系统制作三维金属结构的打印示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
本发明公开了一种3D金属打印系统，所述系统包括打印喷头1、电解液、浴槽3、打印基底4、电极板5以及电源；所述电解液盛放于所述浴槽3内，所述电极板5放置于所述浴槽3的底部，所述打印基底4放置于所述电极板5的上面，并且所述打印基底4的上表面的面积小于所述电极板5的上表面的面积；所述电源的两端分别连接所述打印喷头1和所述电极板5，形成所述打印喷头1和所述电极板5之间的电势差；所述打印喷头位于所述打印基底的上方，用于在所述电势差的作用下喷射液态的金属墨水；所述电解液的温度低于所述金属墨水的熔点。
所述打印喷头与金属墨盒连接，所述金属墨盒用于盛放金属墨水，并向所述打印喷头输送金属墨水；所述打印喷头包括第一加热模块，用于保持所述打印喷头的温度高于所述金属墨水的熔点。所述系统还包括运动控制模块6，其与所述打印喷头连接，用于控制所述打印喷头的运动轨迹。所述浴槽包括第二加热模块，用于保持浴槽内电解液温度恒定。所述打印喷头与所述浴槽内电解液的液面垂直。所述金属墨盒也设置了加热模块，用于保持其内部的金属墨水为液态。
所述打印喷头为多个，并且以列形式排列，如图1所示，所述打印喷头阵列包括m×n个喷头，排列为m×n阵列，打印喷头与浴槽内液体表面垂直相对，m和n互相独立且为大于1小于100的正整数。
所述打印喷头1和所述电极板5之间的电势差的范围为0-50V，通过所述电源进行调节。
所述金属墨水熔点范围为：30℃―500℃，可以是铟基合金，铋基合金或更多合金的一种。所述打印喷头的内径为50nm-5mm，其材质的熔点高于所述金属墨水(500度)的熔点，所述浴槽为底面平整的容器，其容积为0.05-1000L，其材质为玻璃或熔点高于所述金属墨水熔点(500度)的金属材料；所述电极板的上表面面积与浴槽的底面面积相同，为5cm2-5m2，其材质为熔点高于所述金属墨水熔点(500度)的金属材料；所述打印基底的上表面面积为4cm2-4m2，其材质为玻璃或熔点高于所述金属墨水熔点(500度)的金属材料；所述电解液的pH值范围为0―14，所述电解液为KOH的水溶液、NaOH的水溶液，KSO4的水溶液、NaSO4的水溶液或NaCl的水溶液。
所述打印喷头1、金属墨盒、电解液、浴槽3、打印基底4、电极板5均放置在箱体2内，如图1所示。所述浴槽优选地为恒温槽，所述箱体2优选地为恒温箱。所述恒温浴槽的温度范围是-50―500℃。所述恒温箱的温度范围是30―1000℃。
本发明还公开了一种3D金属打印方法，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
S1、调节并保持打印喷头的温度高于金属墨水的熔点，调节并保持浴槽中电解液的温度低于所述金属墨水的熔点；
S2、所述打印喷头浸入所述电解液中，调节所述打印喷头与浴槽底部的电极板之间的电势差；
S3、所述打印喷头在所述电势差的作用下，液态金属墨水喷射进入所述电解液中，并在所述电解液的冷却作用下，在所述电极板上面设置的打印基底上凝固形成产品；所述电极板的上表面的面积大于所述打印基底的上表面的面积。
上述方法通过控制打印喷头和电极板之间的电压来控制金属墨水的液滴的下落和停落，液滴在打印基底上沉积，从而实现在电解液中快速打印金属构件。
所述打印喷头与金属墨盒连接，所述金属墨盒用于盛放金属墨水，并向所述打印喷头输送金属墨水；所述打印喷头设置第一加热模块，用于保持所述打印喷头的温度高于所述金属墨水的熔点。所述系统还包括运动控制模块6，其与所述打印喷头连接，用于控制所述打印喷头的运动轨迹。所述浴槽设置第二加热模块，用于保持浴槽内电解液温度恒定。所述打印喷头与所述浴槽内电解液的液面垂直。所述金属墨盒也设置了加热模块，用于保持其内部的金属墨水为液态。
所述打印喷头为多个，并且以阵列形式排列，所述打印喷头阵列包括m×n个喷头，排列为m×n阵列，打印喷头与浴槽内液体表面垂直相对，m和n互相独立且为大于1小于100的正整数。
所述打印喷头1和所述电极板5之间的电势差的范围为0-50V，通过所述电源进行调节。
所述金属墨水熔点范围为：30℃―500℃，可以是铟基合金，铋基合金或更多合金的一种。所述打印喷头的内径为50nm-5mm，其材质的熔点高于所述金属墨水(500度)的熔点，所述浴槽为底面平整的容器，其容积为0.05-1000L，其材质为玻璃或熔点高于所述金属墨水熔点(500度)的金属材料；所述电极板的上表面面积与浴槽的底面面积相同，为5cm2-5m2，其材质为熔点高于所述金属墨水熔点(500度)的金属材料；所述打印基底的上表面面积为4cm2-4m2，其材质为玻璃、塑料或熔点高于所述金属墨水熔点(500度)的金属材料；所述电解液的pH值范围为0―14，所述电解液为KOH的水溶液、NaOH的水溶液，KSO4的水溶液、NaSO4的水溶液或NaCl的水溶液。
金属墨水的液滴与电解液的接触面上会产生界面张力。当金属墨水的液滴与电解质溶液之间加电时，在触面上产生界面双电层，界面张力与电势差有关，这种界面张力随电势变化的现象叫电毛细现象。施加电场使得毛细管中与电解质溶液接触的液体金属界面张力减小，为了维持毛细管内液体金属中的压强平衡，金属液位将下降，一部分液体金属会被排出毛细管形成连续的微滴，这些液滴在重力作用下落到打印基底上，并在电解质溶液的冷却作用下迅速凝固成固体。因此，基于这一基础效应，本发明首次提出通过控制液体金属墨水与电解质溶液之间的电势差(即电压)来改变液体金属-溶液的界面张力，从而控制金属墨水液滴的下落和停落，熔融的金属墨水液滴在基底上沉积并冷却，由此实现三维打印。本发明提供方法及系统适用低熔点金属墨水(如熔点低于500℃)，这类金属熔点较低，熔化凝固过程易于实现。
上述运动控制模块6可以是计算机，或其他一切可以实现运动控制功能的模块。
实施例1：打印金属颗粒
打印系统如图1所示，包括：打印喷头1、恒温箱2、浴槽3、打印基底4、电极金属板5、电源以及运动控制模块；打印喷头包括9个喷头，排列为3×3阵列，打印喷头1与打印基底4垂直相对，打印基底4置于电极金属板5之上。所述打印基底4、电极金属板5在浴槽3内；所述打印喷头1、浴槽3、打印基底4、电极金属板5均在恒温箱2内。本实施例中打印喷头1内径为0.51mm。
浴槽3为长方体容器，材质为有机玻璃，容积为10L，里面装浓度为0.2mol/L的NaOH溶液，打印基底4选为铝合金板，电极金属板5的材质为铜。
选定BiSn40(熔点为138℃)为打印的金属墨水，将恒温箱2设置为160℃，浴槽3温度设为恒温80℃，通过电源控制打印喷头1与电极板5之间的电压，电压在0.5-1.2V之间调节，使液态的金属墨水从打印喷头1中逐滴落下，控制打印喷头1在恒温浴槽3上方以5mm/s的速度做往返运动，使滴落的液滴在凝固之前不发生黏连，这样得到的成品为颗粒状金属小球，打印过程如图3所示。
实施例2：一维金属杆棒的打印方法
打印系统如实施例1。
打印的金属墨水选择BiSn40(熔点为138℃)，恒温箱设置为160℃，浴槽设为80℃，打印喷头的内径为0.51mm，打印喷头与电极板之间的电压设置为0.50V，打印喷头竖直向上运动并设其速度为1mm/s，液滴下落后与已沉积的金属线融合并迅速凝固，即可得到金属细棍，打印过程如图4所示。
实施例3：二维金属结构的打印方法
打印系统如实施例1。
所要打印的二维结构为六角星形金属面，选择BiSn40(熔点为138℃)为打印的金属墨水，恒温箱设置为160℃，浴槽设为80℃，打印喷头的内径为0.51mm，打印喷头与电极板之间的电压设置为0.50V，设置打印喷头的运行速度为1mm/s，并在运动控制模块中设置喷头的运行路径，然后启动打印，最后将打印的六角星金属平面结构取出并进行表面加工即得到成品，打印过程如图5所示。
实施例4：三维金属结构的打印方法
打印系统如实施例1。
所要打印的三维结构为长方体，选择BiSn40(熔点为138℃)为打印的金属墨水，恒温箱设置为160℃，浴槽设为80℃，打印喷头的内径为0.51mm，打印喷头与电极板之间的电压设置为0.50V，设置打印喷头的运行速度为1mm/s，并在计算机中设置打印层数和每层打印的喷头运行路径，然后启动打印使金属墨水的液滴进行层层沉积，最后将打印的长方体结构取出并进行表面加工即得到成品，打印过程如图6所示。
本发明利用了液态金属墨水在电解液中的电毛细现象，通过控制喷头中金属墨水和电解液之间的电压来改变液态金属墨水的表面张力，进而灵活的控制金属墨水的液滴的下落和停落，通过液滴在打印基底上沉积，从而实现金属构件的打印。电解液提供了一个液相冷却环境，使下落的液滴能够快速冷却凝固。在使用酸或碱的电解质溶液时，下落金属墨水液滴表面的氧化物与电解质溶液反应而被消除掉，因此减少了打印物品氧化物的含量，保证了打印质量。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种3D金属打印系统，其特征在于，所述系统包括打印喷头、电解液、浴槽、打印基底、电极板以及电源；
所述电解液盛放于所述浴槽内，所述电极板放置于所述浴槽的底部，所述打印基底放置于所述电极板的上面，并且所述打印基底的上表面的面积小于所述电极板的上表面的面积；
所述电源的两端分别连接所述打印喷头和所述电极板，形成所述打印喷头和所述电极板之间的电势差；
所述打印喷头位于所述打印基底的上方，用于在所述电势差的作用下喷射液态的金属墨水；所述电解液的温度低于所述金属墨水的熔点。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述打印喷头包括第一加热模块，用于保持所述打印喷头的温度高于所述金属墨水的熔点。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述打印喷头为多个，并且以阵列形式排列。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括运动控制模块，其与所述打印喷头连接，用于控制所述打印喷头的运动轨迹。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述浴槽包括第二加热模块，用于保持浴槽内电解液温度恒定。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述打印喷头与所述浴槽内电解液的液面垂直。
7.根据权利要求1至6任一项所述的系统，其特征在于，所述打印喷头的内径为50nm-5mm，其材质的熔点高于所述金属墨水的熔点；
所述浴槽的容积为0.05-1000L，其材质为玻璃或熔点高于所述金属墨水熔点的金属材料；
所述电极板的上表面面积为5cm2-5m2，其材质为熔点高于所述金属墨水熔点的金属材料；
所述打印基底的上表面面积为4cm2-4m2，其材质为玻璃、塑料或熔点高于所述金属墨水熔点的金属材料；
所述电解液为KOH的水溶液、NaOH的水溶液，KSO4的水溶液、NaSO4的水溶液或NaCl的水溶液。
8.一种3D金属打印方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、调节并保持打印喷头的温度高于金属墨水的熔点，调节并保持浴槽中电解液的温度低于所述金属墨水的熔点；
S2、调节所述打印喷头与浴槽底部的电极板之间的电势差，并将所述打印喷头浸入所述电解液中；
S3、所述打印喷头在所述电势差的作用下，液态金属墨水喷射进入所述电解液中，并在所述电解液的冷却作用下，在所述电极板上面设置的打印基底上凝固形成产品；所述电极板的上表面的面积大于所述打印基底的上表面的面积。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述打印喷头连接运动控制模块，并按照所述运动控制模块的指令改变其运动轨迹。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述打印喷头与所述浴槽内电解液的液面垂直；所述打印喷头为多个，并且以阵列形式排列；所述打印喷头的内径为50nm-5mm，其材质的熔点高于所述金属墨水的熔点；
所述浴槽的容积为0.05-1000L，其材质为玻璃或熔点高于所述金属墨水熔点的金属材料；
所述电极板的上表面面积为5cm2-5m2，其材质为熔点高于所述金属墨水熔点的金属材料；
所述打印基底的上表面面积为4cm2-4m2，其材质为玻璃、塑料或熔点高于所述金属墨水熔点的金属材料；
所述电解液为KOH的水溶液、NaOH的水溶液，KSO4的水溶液、NaSO4的水溶液或NaCl的水溶液。
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