CN107116220A - 一种电场驱动熔融金属喷射沉积3d打印装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置及其工作方法，它解决了金属3D打印设备和打印成本高、分辨率低等的问题，其结合多喷头技术和同轴喷头等技术，能够实现金属材料的多尺度多材料结构一体化3D打印，其技术方案为：包括工作台，工作台上设置打印平台，打印床吸附设置于打印平台上，打印床上方对应设置喷射单元，喷射单元与Z向工作台连接；喷射单元包括打印喷头，打印喷头包括相互连接的喷嘴和储料筒，喷嘴与高压脉冲电源正极连接，储料筒分别与背压控制单元、打印材料供给单元连接，背压控制单元和储料筒之间还设置水冷单元I；打印喷头外部设置电磁感应喷头加热单元，电磁感应喷头加热单元与水冷单元Ⅱ连接。

Description

一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及增材制造和金属3D打印技术领域，特别是涉及一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置及其工作方法。

背景技术

金属增材制造(3D打印)是目前最为重要的一种增材制技术，它能够直接生产功能零件，在航空航天、生物医疗、汽车、能源、电子等诸多领域有着广泛的应用价值。而且可供打印的金属材料种类广泛，包括钛合金、高强钢、不锈钢、钴铬钼合金、高温合金、铁、铜合金、镍镍基合金、热核聚变反应堆用特殊合金等；可用的工艺也有多种，包括诸如选择性激光熔化技术(SLM)、LENS(激光近净成形技术)、选择性激光烧结(SLS)、激光金属融合(LMF)、激光金属沉积(LMD)、电子束熔化(EBM)、金属微滴喷射、电子束熔丝沉积(EBFF)等几十种工艺。当前国内外从事金属增材制造的公司和研究机构也有上百个，比较著名的企业有德国EOS、德国SLM Solutions、美国Optomec、英国雷尼绍(Renishaw)、GE(德国Concept Laser，瑞典Arcam AB)、荷兰Additive Industries、德国通快(TRUMPF)、德国ReaLizer、美国3DSystems Layerwise、以色列X jet、美国Exone、美国EFESTO、美国DM3D、美国Sciaky、挪威Norsk Titanium、德国Fabrisonic、中国铂力特、华曙等。

但是，现有的金属增材制造技术大多设备昂贵、具体打印工艺所适用的材料种类有限、材料浪费严重、设备结构和操作复杂、生产成本高，尤其是在高精度打印、实现微尺度特征结构制造、多材料打印方面面临很大的挑战，目前还无法实现宏/微/纳跨尺度制造、多尺度制造、多材料多尺度制造。此外，对于一些诸如铝等金属，采用选择性激光熔化、选择性激光烧结等工艺还面临以下问题：(1)活泼金属容易氧化；(2)金属能量吸收率低，反射率高，打印出来的金属零件致密性差；(3)粉末很轻，导热率高，容易球化等难题。为了解决目前金属3D打印所面临的设备和操作成本高、材料浪费严重、设备结构和操作复杂、同一种工艺可供打印材料种类受限，某些金属材料难以通过选区激光熔化/烧结来制造，难以实现微尺度特征结构制造，尤其是无法宏/微/纳跨尺度制造、多尺度制造和多材料多尺度打印的问题，迫切需要开发新的金属3D打印技术和工艺。

材料喷射沉积3D打印是基于微滴喷射原理选择性沉积成形材料的一种增材制造方法，目前国际上已经提出多种材料喷射沉积3D打印技术，主要包括喷墨(热泡或者压电)打印、气溶胶喷射(Aerosol Jet)、聚合物喷射(PolyJet)、纳米颗粒喷射技术(NanoParticle Jetting)、电流体动力喷射打印(EHD Jet Printing)等。材料喷射沉积3D打印具有许多突出的优点，诸如成本低、集成度高、结构简单紧凑、可用材料广泛、材料利用率高、打印分辨率高、易于实现多材料打印和微尺度打印，尤其是在多材料多尺度3D打印生产异质和多层次结构和产品方面具有非常突出和显著的优势。

尽管已经开发的材料喷射沉积3D打印有多种，但是，大多数工艺所打印的材料是非金属材料，只有有限的几种工艺是打印金属材料，以色列Xjet公司开发的纳米颗粒喷射(NanoParticle Jetting)技术不直接使用金属粉体做打印材料，而是使用一种墨盒，墨盒里装着由液体泡沫包围着的纳米金属颗粒，以此来沉积金属，再利用构建室里的热量使液体蒸发，只留下金属部分。i-Scientifica 3D打印机使用的也是一种独特的金属油墨，其工作原理是将金属油墨以非常薄的层厚沉积到基板上，每一层的金属油墨在铺好后都会熔融/固化以形成固体金属层。这个过程是一层同时完成的，然后反复重该步骤，直到一个完整的3D对象被打印出来。因此，目前有限的集中金属材料喷射沉积的3D打印方法所采用的打印材料，基本上都是金属油墨或者基于纳米金属材料的金属油墨，一方面打印的材料受限，尤其是无法实现完全致密的金属打印，后处理工艺复杂,尤其是具体的实际用途存在很大的局限性。电流体动力喷射打印在打印非金属材料方面具有非常突出的优势，但是不适合打印金属材料，由于打印距离非常低，打印过程中导电喷嘴-打印金属-衬底(导电支撑)之间很容易短路放电，难以确保可靠稳定的打印。另外，大多数金属材料熔点高,粘性和表面张力大,部分金属还具有较强的腐蚀性,以往成熟的非金属材料喷射装置及控制方法很难直接用于金属材料的喷射和打印成型，需开发新型耐高温、耐腐蚀的喷射装置。另一方面,在金属微滴喷射沉积过程中,金属微滴铺展、凝固等受到微滴飞行速度、微滴温度、基板温度等多因素的耦合作用。此外，这些金属油墨或者基于纳米金属材料的金属油墨本身的制造成本就非常之高，制造工艺复杂，后处理工序繁琐、并且目前还有很多金属无法制成功能性的金属油墨。

因此，迫切需要开发新的熔融金属喷射沉积3D打印技术，解决目前金属3D打印技术存在的成本、打印材料利用率、打印材料种类、分辨率、微尺度打印、宏/微跨尺度制造方面的不足和局限性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置，突破现有金属3D打印设备和打印成本高、分辨率低、材料利用率低、打印材料制造复杂成本高、打印材料受限、难以实现金属材料微尺度打印和宏/微跨尺度的不足和局限性，尤其是结合多喷头技术和同轴喷头等技术，能够实现金属材料的多尺度多材料结构一体化3D打印；

本发明具体的实现方案为：(1)采用超高频电磁感应涡流加热的方法，设置打印材料供给单元的供料坩埚和打印喷头的储料筒两套超高频电磁感应加热单元，实现打印材料供给单元的供料坩埚对各种金属材料/合金的大量且快速的加热熔化，再通过保温管路(加热软管等)输送到打印喷头储料筒进行加热存储，以实现熔融金属材料的连续高效3D打印；(2)分别设置两路主动水冷却单元，水冷单元I隔绝打印喷头的储料筒和背压控制单元之间的热量传导，水冷单元Ⅱ主动冷却超高频电磁感应喷头加热单元；(3)打印喷头的喷嘴与高压脉冲电源的正极相连，打印工作开始后，在背压的作用下，储料筒中的熔融金属到达喷嘴位置，形成半月形的弯液面，在导电喷嘴上施加高压脉冲，喷嘴与打印床(接收衬底)之间形成强电场，诱导电荷在喷嘴处聚集并相互排斥，强电场力使喷嘴处熔融金属形成泰勒锥，当电场力与气体的背压力之和大于熔融金属所形成泰勒锥的表面张力与黏度力之和时，熔融金属射流自泰勒锥尖端喷射而出，冷却固化沉积在打印床(接收衬底)上，实现熔融金属的喷射沉积；(4)引入微尺度和宏尺度两种打印模式，同时兼顾打印精度和打印效率。微尺度打印模式下，采用较小的背压和较大的电场力，通过喷嘴的熔融金属流量较小，强电场力使泰勒锥内部形成回流现象并为射流喷射提供足够的动能，微量液体突破泰勒锥形成射流，熔融金属以极细的射流喷射沉积在接收衬底或已完成实体上；宏尺度打印模式下，采用较大的背压和较小的电场力，通过喷嘴的熔融金属流量较大，较小的电场力无法维持大量熔融金属在泰勒锥内部形成需要的回流，导致较大的熔融金属液滴流被电场力拉出，以较粗的线宽和较大厚度在接收衬底或已完成实体上沉积。(5)采用绝缘隔热材料作为打印床，打印金属沉积在打印床上固化时，打印床表面保持高温，使金属缓慢冷却固化，可以减少金属的应力，避免出现裂纹和变形，同时，打印床的隔热性会使打印床的背面温度不高，安装在打印工作台上时不需要设置冷却装置，并且由于打印床为绝缘材料，还可以克服喷头-打印金属材料-衬底短路放电。(6)整个打印过程(装置)置于密闭的环境或者气氛中，通入惰性气体(氩气、氮气等)。一方面能够实现活泼金属的打印，另一方面可以避免金属打印过程中的氧化、减小应力、避免喷头堵塞等问题。

具体的，本发明采用下述技术方案：

一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置，包括工作台，工作台上设置打印平台，打印床吸附设置于打印平台上，所述打印床上方对应设置喷射单元，所述喷射单元与Z向工作台连接；

所述喷射单元包括打印喷头，所述打印喷头包括相互连接的喷嘴和储料筒，所述喷嘴与高压脉冲电源的正极连接，所述储料筒分别与背压控制单元、打印材料供给单元连接，所述背压控制单元和储料筒之间还设置水冷单元I；所述打印喷头外部设置电磁感应喷头加热单元，所述电磁感应喷头加热单元与水冷单元Ⅱ连接。

进一步的，所述电磁感应喷头加热单元包括电磁感应加热圈，电磁感应加热圈通过电流转换器与直流电源连接。

所述直流电源的电压范围为0-500V。

进一步的，所述电磁感应加热圈套设于打印喷头外部，电磁感应喷头加热单元与Z向工作台连接。将磁场感应涡流加热原理用于对喷头的加热，加热装置为非接触加热，加热迅速且不干扰驱动电场。

优选的，所述电磁感应加热圈的中心线与储料筒的中心线重合。使储料筒位于电磁感应加热圈的工作区域。

所述水冷单元I包括第一循环水泵，第一循环水泵一端与第一水槽连接，第一循环水泵另一端与背压控制单元和储料筒之间的水冷单元接口连接。水冷单元I用来隔绝上方背压控制单元11和下方打印喷头5储料筒之间的热量传导。

所述水冷单元Ⅱ包括第二循环水泵，第二循环水泵一端与第二水槽连接，第二循环水泵另一端在电流转换器内部与电磁感应加热圈连接。水冷单元Ⅱ降低电磁感应喷头加热单元的工作温度，避免高温氧化，增长使用寿命。

进一步的，所述喷嘴外壁设置测温元件，所述测温元件与温度控制器连接。监控喷嘴的温度，进而保证喷嘴处于需求的工作温度下。

进一步的，所述喷嘴为导电喷嘴。

所述喷嘴内径尺寸为1-1000μm，所述高压脉冲电源的输出脉冲电压范围为0-10KV，输出脉冲频率范围为0-5000HZ。优先选用直流高压电源和高压脉冲电源组合的方案，其中直流高压电源的电压范围为0-7KV，高压脉冲电源的电压范围为0-3KV。

进一步的，所述背压控制单元包括精密调压阀，精密调压阀一端与位于储料筒上方的背压接口连接，精密调压阀另一端与压缩空气源连通。

进一步的，所述精密调压阀的工作压力范围是：0-8bar；为喷头提供稳定且精确可调的气动压力来驱动流体。

进一步的，所述打印材料供给单元包括电磁感应加热坩埚，电磁感应加热坩埚通过管路与储料筒连通。打印材料供给单元可事先将打印材料进行加热，而后将打印材料传输给储料筒。

优选的，打印床为绝缘隔热打印床，所述打印床由云母材质制成，若要在已有实物表面进行打印或修补，可将实物固定于打印平台上再进行打印。云母板具有绝缘性、耐高温性和隔热性，打印金属沉积在云母板上固化时，云母板表面保持高温，使金属缓慢冷却固化，可以减少金属的应力，避免出现裂纹和变形，同时，云母板的隔热性会使云母板的背面温度不高，安装在打印工作台上时不需要设置冷却装置。

进一步的，所述打印装置设置于密闭环境箱内，密闭环境箱内置有惰性气体。一方面能够实现活泼金属的打印，另外，避免金属打印过程中的氧化、减小应力、避免喷头堵塞等问题。

进一步的，所述工作台固定设置于机身座架上。

进一步的，所述工作台为二维工作台或多自由度工作台。打印床随所述X-Y工作台沿X-Y向运动或者随多自由度工作台沿X-Y运动和绕X-Y-Z方向旋转。选择二维工作台时，能够快速精确的打印宏观金属结构；使用多自由度工作台时，不仅能打印高分辨率微尺度金属结构和对精度要求极高的宏观金属结构，还可以实现打印结构的自支撑，即使打印悬空结构也无需支撑材料，尤其适合打印复杂金属结构和精密仪器的金属部件，能充分避免去除支撑材料时对成型工件带来的精度和质量等方面的影响。

上述电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置工作原理为：打印材料供给单元的电磁感应加热坩埚将打印所需的大量金属材料/合金快速的加热熔化，再通过保温管路(加热软管等)输送到打印喷头储料筒进行加热存储，压缩空气经精密调压阀调压后推动挤压储料筒中的熔融金属达到导电喷嘴位置，由于在导电喷嘴上施加脉冲高压电，喷嘴与接收衬底或者已打印完成的实体之间形成强电场，诱导电荷在喷嘴处聚集并相互排斥，强电场力使喷嘴处熔融金属形成泰勒锥，当电场力与气体的背压力之和大于熔融金属所形成泰勒锥的表面张力与黏度力之和时，熔融金属射流自泰勒锥尖端喷射而出。结合X-Y工作台按设定路径运动，喷射的熔融金属固化沉积在打印床上，形成零件的截面轮廓。零件的一层截面成形完成后，打印喷头上升一个截面的高度，以已打印完成的实体表面为目标打印位置再进行下一层截面的沉积，如此循环，最终形成三维实体。打印过程中，打印材料供给单元及时补充消耗的打印材料。

一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：打印初始化，将工作台和Z向工作台移动至打印工位，使打印喷头距打印床设定距离；

步骤2：启动水冷单元I、水冷单元Ⅱ，打印材料供给单元将打印材料供给至打印喷头；

步骤3：开始打印工作，喷嘴和打印床之间形成电场，在背压控制单元作用下，打印材料流至喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射至打印床表面，工作台按设定路径运动，完成一层的打印过程；

步骤4：重复步骤3，直至完成所有层的打印过程，打印出成形零件；

步骤5：关闭各工作单元，打印完成，将工作台和Z向工作台移动至原始工位，取下打印床和成形零件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明将磁场感应涡流加热原理用于对喷头的加热，加热装置为非接触加热，加热装置不与接高压电的金属喷嘴接触，加热装置接有水冷单元Ⅱ，工作时加热装置本身温度很低，不会高温氧化，使用寿命较长，加热迅速且不干扰驱动电场。

(2)设置打印材料供给单元，其坩埚也采用超高频电磁感应加热装置，能大量迅速的加热融化金属，结合过滤装置和节流装置，可控温、控量的将无杂质的熔融金属输送到打印喷头的储料筒，能为打印喷头源源不断的提供打印材料。

(3)将电场驱动技术用于熔融金属的3D打印，打印时稳定性良好，适用于各种粘度与熔点的金属。

(4)打印金属材料种类不受限制，超高频电磁感应喷头加热单元能使金属喷嘴达到极高的温度，甚至可以融化钢铁，以310不锈钢材料的金属喷嘴为例，其熔点在1400℃以上，使用温度达到1200℃，可以融化大多数常用金属，例如；锡的熔点为232℃，锌的熔点为420℃，铝的熔点为660℃，银的熔点为962℃，铜的熔点为1084℃，金的熔点为1064℃，因此这些金属可以在打印材料供给单元中充分融化、过滤后，再在310不锈钢金属喷嘴的储料筒中加热存储，以用于3D打印。

(5)打印金属的形态不受限制，由于所打印金属材料已经在材料供给单元的超高频电磁感应加热坩埚中充分融化，所以不受金属材料的初始形态限制，金属材料可以是颗粒状、丝状、粉末状、块状或其他不规则形状。

(6)打印的金属零部件分辨率和致密性较高，实现全致密金属零件打印。由于喷嘴与接收基板之间的距离很小，能够减小因为空气扰动等导致的定位误差，可控性好，打印的微观金属结构具有高分辨率，打印的宏观金属结构具有很高的致密性。

(7)打印金属时只在金属喷嘴处接高压电源的正极，基板不接电，既能避免喷头-打印金属材料-打印床短路或者高压击穿放电，又能克服传统基板接负极的电喷印由于打印高度的变化而产生的不稳定甚至断流的现象。

(8)宏微跨尺度结构一体化打印。既可用来制作宏尺度工件，也可用来制作微观结构，突破传统3D打印技术打印精度跨度小的限制，实现同一打印模型上宏微跨尺度结构一体化打印。

(9)适用于非平整表面、曲面的打印，尤其是能够实现共形衬底的打印。在金属零件再制造和修补等方面具有非常突出的优势。

(10)打印精度高。微尺度打印模式下利用强电场力形成的极细锥射流进行打印，可以实现微尺度甚至亚微尺度结构的高分辨率制作。

(11)打印效率较高，由于所打印金属材料已经在打印材料供给单元的超高频电磁感应加热坩埚中充分融化，并且超高频电磁感应喷头加热单元能迅速达到并保持设定的高温，熔融金属可以在储料筒中长时间保持熔融状态，然后在高压电场的驱动下迅速、持续的直接打印，效率较高，并且本发明装置可以设置微尺度和宏尺度两种打印模式，对于精度要求不高的结构采用宏尺度打印模式，对于精度要求高的结构采用微尺度打印模式，兼顾打印精度和打印效率。

(12)喷头不易堵塞，通过使用强电场力将熔融金属从喷嘴拉出，结合背压控制单元的辅助，能充分避免喷头的堵塞。

(13)整个打印过程(装置)置于密闭的环境或者气氛中，通入惰性气体(氩气、氮气等)。一方面能够实现活泼金属的打印，另外，避免金属打印过程中的氧化、减小应力、避免喷头堵塞等问题。

(14)设备结构简单，成本低，设备操作简单、后处理简单，生产成本低。

(15)本发明装置的工作台可视打印需要选择X-Y工作台或者多自由度工作台，选择X-Y工作台时，能够快速精确的打印宏观金属结构；当工作台使用多自由度工作台时，不仅能打印高分辨率微尺度金属结构和对精度要求极高的宏观金属结构，还可以实现打印结构的自支撑，即使打印悬空结构也无需支撑材料，尤其适合打印复杂金属结构和精密仪器的金属部件，能充分避免去除支撑材料时对成型工件带来的精度和质量等方面的影响。

(16)结合使用多个喷头或者同轴喷头，能够实现多材料多尺度一体化打印。

本发明可用于航空航天、微纳机电系统、生物医疗、组织器官、新材料(点阵材料、超材料、功能梯度材料、复合材料等)、3D功能结构电子、可穿戴设备、新能源(燃料电池、太阳能等)、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、印刷电子、可延展电子、软体机器人等诸多领域和行业。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例1的电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1的打印喷头结构示意图；

图3为本发明实施例1的打印喷头剖面示意图；

图4为本发明实施例1的超高频电磁感应喷头加热单元的结构示意图；

图5为本发明实施例2的一种多自由度打印平台电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置的结构示意图；

图中，1机身座架，2X-Y工作台，3打印平台，4打印床，5打印喷头，501供料接口，502水冷单元接口Ⅰ，503水冷单元接口Ⅱ，504背压接口，505热电偶，506温控开关，6喷头固定架，7打印材料供料单元，8高压脉冲电源，9超高频电磁感应喷头加热单元，901电磁感应加热圈，902直流电源，903高频电流转换器，90301水冷单元接口Ⅲ，90302水冷单元接口IV，10电磁感应加热固定架，11背压控制单元，12Z向工作台，13水冷单元I，14水冷单元Ⅱ，15多自由度工作台。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术存在金属3D打印设备和打印成本高、分辨率低、材料利用率低、打印材料制造复杂成本高、打印材料受限、难以实现金属材料微尺度打印和宏/微跨尺度的不足和局限性，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置及其工作方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-4所示，提供了一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置，它包括：机身座架1，工作台(本实施例中采用二维工作台，即X-Y工作台2)，打印平台3，打印床4，打印喷头5，供料接口501，水冷单元接口Ⅰ502，水冷单元接口Ⅱ503，背压接口504，热电偶505，温控开关506，喷头固定架6，打印材料供料单元7，高压脉冲电源8，超高频电磁感应喷头加热单元9(即电磁感应喷头加热单元)，电磁感应加热圈901，直流电源902，高频电流转换器903，水冷接口Ⅲ90301，水冷接口IV90302，电磁感应加热固定架10，背压控制单元11，Z向工作台12，水冷单元I 13，水冷单元Ⅱ14等。其中，机身座架1置于最下方，X-Y工作台2定位安装在机身座架1上，打印平台3置于X-Y工作台2之上，打印床4置于打印平台3上，并通过真空吸附或者电磁吸附等方式固定在打印平台3上。超高频电磁感应喷头加热单元9的电磁感应加热圈901位于打印床4正上方，与高频电流转换器903相连接，固定在电磁感应加热固定架10上，电磁感应加热固定架10安装在Z向工作台12上，高频电流转换器903和直流电源902连接。打印喷头5置于电磁感应加热圈(螺旋薄壁铜管)901中，打印喷头5与喷头固定架6相连接，喷头固定架6与电磁感应加热固定架10一起固定安装在Z向工作台12上，电磁感应加热圈901的中心线与打印喷头5的储料筒的中心线重合。打印喷头5的喷嘴与高压脉冲电源8的正极相连接。背压控制单元11(可以采用精密调压阀)的一端与压缩空气相连接，另一端与打印喷头5上部相连接。水冷单元Ⅰ13位于背压控制单元11和打印喷头5的储料筒之间，用来隔绝上方背压控制单元11和下方打印喷头5储料筒之间的热量传导。打印喷头5的储料筒侧壁设有供料接口501，供料接口501连接打印材料供给单元7。超高频电磁感应喷头加热单元9与水冷单元Ⅱ14连接。

打印过程中，整个装置置于密闭的环境或者气氛中，通入惰性气体(氩气、氮气等)，或者置于手套箱内。

X-Y工作台2为二维精密位移台，带动打印床4完成在X-Y方向的移动，并与打印喷头5沿着Z向上下运动相配合，完成每一层结构的打印。X-Y工作台2采用LS-180线性位移台，工作行程150mm，双向重复定位精度±0.1μm。

Z向工作台12为一维高精密位移台。采用PI公司的M-501超精密Z轴位移台，重复精度0.1μm。Z向工作台12带动打印喷头5沿Z向上下运动。

打印床4具有绝缘性、耐高温性和隔热性，材质为云母板，厚度为5mm，尺寸为方形120x120mm。云母板具有绝缘性、耐高温性和隔热性，打印金属沉积在云母板上固化时，云母板表面保持高温，使金属缓慢冷却固化，可以减少金属的应力，避免出现裂纹和变形，同时，云母板的隔热性会使云母板的背面温度不高，安装在打印工作台上时不需要设置冷却装置。

打印喷头5的喷嘴为导电金属喷嘴，导电喷嘴安装在打印喷头最下端，选用导电材质，可以是310不锈钢、303不锈钢、304不锈钢等不锈钢或者石墨，喷嘴内径尺寸为1-1000μm。本实施例中其材质选用310不锈钢，内径为100μm。

背压控制单元11的调压范围为0.1-7bar。

打印材料供给单元7包括电磁感应加热坩埚，电磁感应加热坩埚通过保温管路与储料筒连通。保温管路上可设置节流装置，电磁感应加热坩埚内可设置过滤装置。

图2-3为本发明的打印喷头结构示意图，包括：供料接口501，水冷单元接口Ⅰ502，水冷单元接口Ⅱ503，背压接口504，热电偶505(即测温元件)，温控开关506，背压接口504下方为水冷单元I13，水冷单元接口Ⅰ502和水冷单元接口Ⅱ503连接水冷单元Ⅰ13，水冷单元I隔绝高温储料筒和背压控制模块之间的热量传导。水冷单元I13下方为打印喷头5的储料筒，储料筒侧壁设有供料接口501，打印材料供给单元7通过供料接口501与打印喷头5的储料筒相连接。热电偶505固定在打印喷头5的储料筒外壁，并连接温控开关506。热电偶505与温控开关506组成打印喷头温控单元，监控、设定储料筒的温度，以保持打印喷头5储料筒内的金属始终处于打印工艺所需要的温度和状态。背压接口504与背压控制单元11连接。

水冷单元I包括循环水泵、水槽、连接管路等，优先选用水泵型号为HQB-2500，功率为55W，扬程为2.5m，流量为2000L/h。

水冷单元I包括第一循环水泵，第一循环水泵一端与第一水槽连接，第一循环水泵另一端与背压控制单元和储料筒之间的水冷单元接口I连接。储料筒位于打印喷头最下方，储料筒和背压接口之间有一段金属管，第一循环水泵供给的循环水在外部包围冷却这段金属管，循环水不会进入储料筒内。

高压脉冲电源8输出脉冲电压范围为0-5KV，输出脉冲频率范围为0-2000HZ。优先选用直流高压电源和高压脉冲电源组合的方案，其中直流高压电源的电压范围为0-7KV，高压脉冲电源的电压范围为0-3KV。

图4为本发明的超高频电磁感应喷头加热单元9的结构示意图，包括：电磁感应加热圈901，直流电源902，高频电流转换器903，水冷单元接口Ⅲ90301，冷单元接口IV90302。水冷单元接口Ⅲ90301、水冷单元接口IV 90302与水冷单元Ⅱ14接通，水冷单元Ⅱ14的循环水通过水冷单元接口Ⅲ90301流经高频电流转换器903内部，并与电磁加热圈901(薄壁螺旋铜管)流通，再通过水冷单元接口IV 90302流出，完成对超高频电磁感应喷头加热单元9的冷却。

水冷单元II包括循环水泵、水槽、连接管路等。优先选用水泵型号为HQB-2000，功率为24W，扬程为1.8m，流量为1400L/h。

水冷单元Ⅱ包括第二循环水泵，第二循环水泵一端与第二水槽连接，第二循环水泵另一端与电流转换器内部的电磁感应加热圈连接。水冷单元Ⅱ降低电磁感应喷头加热单元的工作温度，避免高温氧化，增长使用寿命。电磁感应加热圈901的本质是薄壁螺旋空心金属管，水冷单元II中的循环水会在这个空心金属管内循环流动。水冷单元II的唯一作用就是用来冷却这个金属管的。由于这个金属管(电磁感应加热圈901)要接通电流转换器，所以它的两个管口会接在电流转换器内部，因此水冷单元II的两个冷却管路需要在电流转换器内部和金属管(电磁感应加热圈901)的管口对接。简而言之，循环水只是“路过、流经”电流转换器，它的目的是在金属管(电磁感应加热圈901)内循环流动以冷却金属管，电流转换器等内部电器元件并未接触循环水。

电磁感应加热圈901为薄壁螺旋管，选用铜质空心金属管。

直流电源902采用中低压直流电源，电压0-500V连续可调。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置，增加多自由度工作台15，可以在打印悬空结构或需要支撑的结构时旋转倾斜一定的角度来实现自支撑，从而避免使用支撑，无需支撑的完成各种悬空结构的打印。如图5所示，多自由度工作台15安装在打印平台3上，打印床4置于多自由度工作台15上，并通过真空吸附或者电磁吸附等方式固定在多自由度工作台15上。

多自由度工作台15可以是五自由度工作台或六自由度工作台，与X-Y工作台一起带动打印床4完成在X-Y方向的移动和绕X-Y-Z的旋转，并与喷头5沿着Z向上下运动相配合，完成每一层结构的打印。多自由度工作台15可以在打印悬空结构或需要支撑的结构时旋转倾斜一定的角度来实现自支撑，从而避免使用支撑，无需支撑的完成各种悬空结构的打印。

打印床4具有绝缘性、耐高温性和隔热性，可以是云母板，厚度为5mm，尺寸为方形100x100mm。云母板具有绝缘性、耐高温性和隔热性，打印金属沉积在云母板上固化时，云母板表面保持高温，使金属缓慢冷却固化，可以减少金属的应力，避免出现裂纹和变形，同时，云母板的隔热性会使云母板的背面温度不高，安装在打印工作台上时不需要设置冷却装置。

该实施方式的打印装置主要应用于微尺度金属结构和对精度要求极高的金属结构的打印或修补，打印结构可以实现自支撑，即使打印悬空结构也无需支撑材料。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置的工作方法，具体工艺步骤如下：

步骤1：打印初始化，X-Y工作台、Z向工作台从原位移动到打印工位，使固定在Z向工作台上打印喷头的最下端移动到距离打印床的预先设置的高度，根据所打印的材料、精度、零件尺寸等，设置好超高频电磁感应喷头加热单元、打印喷头温控单元、高压脉冲电源、背压控制单元等所需工作参数。打印环境通入惰性气体(如氩气、氮气等)。

步骤2：首先开启水冷单元I、水冷单元Ⅱ，待水路循环稳定后，开启打印材料供给单元、超高频电磁感应喷头加热单元、打印喷头温控单元，当打印材料供给单元中的金属材料完全处于熔融状态后，打开熔融金属输送管路，将一定量的熔融金属输送到打印喷头储料筒内并进行加热保温。

步骤3：开启高压脉冲电源、背压控制单元。在背压的作用下，储料筒中的熔融金属被挤出到达喷嘴位置，在导电喷嘴上施加高压脉冲，喷嘴与打印床之间形成强电场，诱导电荷在喷嘴处聚集并相互排斥，强电场力使喷嘴处熔融金属形成泰勒锥，当电场力与气体的背压力之和大于熔融金属所形成泰勒锥的表面张力与黏度力之和时，熔融金属射流自泰勒锥尖端喷射而出。结合X-Y工作台按设定路径运动，喷射的熔融金属固化沉积在打印床上，形成零件的截面轮廓。

步骤4：零件的一层截面成形完成后，打印喷头上升一个截面的高度，以第一层实体作为接收衬底,，结合X-Y工作台按设定路径运动，喷嘴喷射的熔融金属固化沉积在第一层实体上，打印完成零件的第二层截面轮廓。如此循环，直至完成所有层的打印，最终形成三维实体。打印过程中打印材料供给单元及时补充消耗的打印材料。

步骤5：关闭高压脉冲电源、超高频电磁感应喷头加热单元、打印喷头温控单元、打印材料供给单元、水冷单元I、水冷单元Ⅱ等，X-Y工作台、Z向工作台回到原始工位，关闭惰性气体。从打印平台上取下打印床(接收衬底)和已成形零件。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

选用高纯度铝为打印材料，具体打印工艺过程如下：

步骤1：打印初始化，X-Y工作台2、Z向工作台12从原位移动到打印工位，使固定在Z向工作台12上的打印喷头5最下端移动到距离打印床4预先设置的高度，根据所需打印铝质工件的精度、尺寸等，在打印材料供给单元7中放入足量铝材，并设置好打印材料供给单元7、超高频电磁感应喷头加热单元9、打印喷头温控单元30、高压脉冲电源8、背压控制单元11等所需工作参数。打印环境通入惰性气体氩气。

步骤2：首先开启水冷单元I和水冷单元II，待水路循环后，开启打印材料供给单元7、超高频电磁感应喷头加热单元9、打印喷头温控单元30，当打印材料供给单元7中的金属材料完全处于熔融状态后，打开熔融金属输送管路，将熔融金属输入打印喷头5的储料筒中加热存储。

步骤3：开启高压脉冲电源8、背压控制单元11。在背压的作用下，打印喷头5储料筒中的熔融金属到达喷嘴位置，在导电喷嘴上施加高压脉冲，喷嘴与打印床4之间形成强电场，诱导电荷在喷嘴处聚集并相互排斥，强电场力使喷嘴处熔融金属形成泰勒锥，当电场力与气体的背压力之和大于熔融金属所形成泰勒锥的表面张力与黏度力之和时，熔融金属射流自泰勒锥尖端喷射而出。结合X-Y工作台2按设定路径运动，喷射的熔融金属固化沉积在打印床4上，形成零件的截面轮廓。

步骤4：零件的一层截面成形完成后，打印喷头5上升一个截面的高度，以第一层实体作为接收衬底,，结合X-Y工作台2按设定路径运动，喷嘴喷射的熔融金属固化沉积在第一层实体上，打印完成零件的第二层截面轮廓。如此循环，直至完成所有层的打印，最终形成三维实体。打印过程中打印材料供给单元7及时补充消耗的打印材料。

步骤5：关闭高压脉冲电源8、超高频电磁感应喷头加热单元9、打印喷头温控单元30、打印材料供给单元7、背压控制单元11、水冷单元I和水冷单元II等，X-Y工作台2、Z向工作台12回到原始工位，关闭打印环境通入的惰性气体氩气。从打印床4上取下接收衬底和成形零件。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置，其特征是，包括工作台，工作台上设置打印平台，打印床吸附设置于打印平台上，所述打印床上方对应设置喷射单元，所述喷射单元与Z向工作台连接；

所述喷射单元包括打印喷头，所述打印喷头包括相互连接的喷嘴和储料筒，所述喷嘴与高压脉冲电源正极连接，所述储料筒分别与背压控制单元、打印材料供给单元连接，所述背压控制单元和储料筒之间还设置水冷单元I；所述打印喷头外部设置电磁感应喷头加热单元，所述电磁感应喷头加热单元与水冷单元Ⅱ连接。

2.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述电磁感应喷头加热单元包括电磁感应加热圈，电磁感应加热圈通过电流转换器与直流电源连接；所述直流电源的电压范围为0-500V。

3.如权利要求2所述的打印装置，其特征是，所述电磁感应加热圈套设于打印喷头外部，电磁感应喷头加热单元与Z向工作台连接；所述电磁感应加热圈的中心线与储料筒的中心线重合。

4.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述水冷单元I包括第一循环水泵，第一循环水泵一端与第一水槽连接，第一循环水泵另一端与背压控制单元和储料筒之间的水冷单元接口连接。

5.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述水冷单元Ⅱ包括第二循环水泵，第二循环水泵一端与第二水槽连接，第二循环水泵另一端在电流转换器内部与电磁感应加热圈连接。

6.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述喷嘴外壁设置测温元件，所述测温元件与温度控制器连接；所述喷嘴为导电喷嘴；所述喷嘴内径尺寸为1-1000μm，所述高压脉冲电源的输出脉冲电压范围为0-10KV，输出脉冲频率范围为0-5000HZ。

7.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述背压控制单元包括精密调压阀，精密调压阀一端与位于储料筒上方的背压接口连接，精密调压阀另一端与压缩空气源连通；所述精密调压阀的工作压力范围是：0-8bar。

8.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述打印材料供给单元包括电磁感应加热坩埚，电磁感应加热坩埚通过管路与储料筒连通。

9.如权利要求1所述的打印装置，其特征是，所述打印床由云母材质制成；所述打印装置设置于密闭环境箱内，密闭环境箱内置有惰性气体；

所述工作台固定设置于机身座架上；所述工作台为二维工作台或多自由度工作台。

10.如权利要求1-9任一项所述的打印装置的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：打印初始化，将工作台和Z向工作台移动至打印工位，使打印喷头距打印床设定距离；

步骤2：启动水冷单元I、水冷单元Ⅱ，打印材料供给单元将打印材料供给至打印喷头；

步骤3：开始打印工作，喷嘴和打印床之间形成电场，在背压控制单元作用下，打印材料流至喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射至打印床表面，工作台按设定路径运动，完成一层的打印过程；

步骤4：重复步骤3，直至完成所有层的打印过程，打印出成形零件；

步骤5：关闭各工作单元，打印完成，将工作台和Z向工作台移动至原始工位，取下打印床和成形零件。