CN108838399A - 均匀金属微滴变角度控向喷射装置及利用该装置打印大倾角结构件的方法 - Google Patents

均匀金属微滴变角度控向喷射装置及利用该装置打印大倾角结构件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种均匀金属微滴变角度控向喷射装置及利用该装置打印大倾角结构件的方法，用于解决现有均匀金属微滴喷射装置实用性差的技术问题。技术方案是所述装置包括压电换能器、激振杆和坩埚，还包括高温密封膜片和坩埚上体。所述坩埚由横向坩埚和铅直坩埚即储料腔与送料腔两部分组成，呈T字型结构；储料腔通过高温密封膜片与压电换能器连接，激振杆的a、b两部分的端面将高温密封膜片夹紧并使其变形。本发明将坩埚的储料腔与送料腔分离，并通过活塞对送料腔内金属熔液施加压力，解决了现有装置喷射区域金属熔液液面不规则变化影响稳定喷射的技术问题；采用高温密封膜片，实现了装置在倾角打印工作中金属熔液的动态密封问题，实用性好。

Description

均匀金属微滴变角度控向喷射装置及利用该装置打印大倾角 结构件的方法
技术领域
本发明涉及一种均匀金属微滴喷射装置，具体涉及一种均匀金属微滴变角度控向喷射装置。还涉及一种利用该装置打印大倾角结构件的方法。
背景技术
均匀金属微滴喷射沉积成形技术是基于离散/堆积成形原理，通过喷射金属微熔滴，经过逐点、逐线、逐层沉积从而实现三维零件的直接成形。该方法具有无需大功率能量源、特殊原材料、设备成本低廉及成型单元尺寸均匀可控等优点，是一种理想的复杂零件增材制造及快速修复技术。
参照图5。文献1“Lee T M,Kang T G,Yang J S,et al.Drop-on-Demand SolderDroplet Jetting System for Fabricating Microstructure[J].IEEE Transactions onElectronics Packaging Manufacturing,2008,31(3):202-210.”公开了一种基于机械振动的均匀微滴喷射装置。该装置包括压电换能器1、激振杆2、坩埚上盖7、坩埚9、喷嘴10、加热炉11、压力阀14、气路管15、惰性气源16和微调装置17。其中，加热炉11用来加热坩埚9，坩埚9中有装有金属熔液12，喷嘴10装于坩埚9底部，激振杆2与压电换能器1相连且另一端深入金属熔液12底部、靠近喷嘴10处，坩埚上盖7用于固定压电换能器1且同时连接坩埚9，惰性气源16通过气路管15与压力阀14连接并通入坩埚9内腔，用于内部施压使得熔液进一步充满喷嘴10，微调装置17与压电换能器1相连，用于调节激振杆2相对喷嘴10的位置。该装置采用压电换能器1的脉冲振动作为激振源，并通过激振杆2传入喷嘴附近熔液内，迫使微小喷嘴内部流体克服表面张力喷射成滴。
文献2“Zhang D,Qi L,Luo J,et al.Direct Fabrication of UnsupportedInclined Aluminum Pillars based on Uniform Micro Droplets Deposition[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2017,116.”利用并改进上述装置，通过三维运动基板水平移动与铅直沉积的金属微滴的联动匹配，实现了具有一定倾斜角度的柱件打印，但该研究也发现，在倾角过大时，液滴因为铅直方向的惯性力冲击，会从倾斜基体上部分滑落，导致打印件坍塌。因此，为提高微小结构件倾斜角度，有必要改变微滴的喷射方向，使液滴沉积方向与结构件倾斜角度方向一致，以保证倾斜件成形精度。
然而，上述装置依赖重力使高温金属熔体充满喷射腔内，若直接改变喷射装置朝向会使得熔液不能充满喷嘴部分而使得喷射失败。并且振动换能腔与喷射储料腔并未进行密封、隔离，当现有喷射装置倾斜角大于90°时，高温熔液会在重力作用下流至振动换能器端，导致换能器受损；此外，也会造成喷嘴周围的液面无规律变化，增加了金属微滴喷射、打印过程的不稳定因素，这对微小结构件成形极为不利。
综上所述，现有金属微滴喷射装置依赖重力将熔融金属熔液充满喷射腔，且未对储料腔及振动腔进行隔离，并不能直接改变其喷射角度。故采用此类微滴喷射装置沉积出倾斜结构的倾角有限，难以实现大倾斜角度结构件成形，故有必要开发可变角度的控向喷射装置，以改变微滴喷射朝向，为复杂结构件成形提供新方法。
发明内容
为了克服现有均匀金属微滴喷射装置实用性差的不足，本发明提供一种均匀金属微滴变角度控向喷射装置及利用该装置打印大倾角结构件的方法。所述装置包括压电换能器、激振杆和坩埚，还包括高温密封膜片和坩埚上体。所述坩埚由横向坩埚和铅直坩埚即储料腔与送料腔两部分组成，呈T字型结构；储料腔的一端与坩埚上体的一端连接有高温密封膜片，坩埚上体的另一端连接有压电换能器，激振杆的a、b两部分的端面将高温密封膜片夹紧并使其变形。本发明将坩埚的储料腔与送料腔分离，并通过活塞对送料腔内金属熔液施加压力，迫使金属熔液充满喷射区域，解决了现有装置变角度安装时产生的喷射区域金属熔液液面不规则变化影响稳定喷射的技术问题；采用高温密封膜片，实现了装置在倾角打印工作中金属熔液的动态密封问题，防止金属熔液发生倒流、喷射区域液腔充不满、液面无规则变化等严重影响稳定喷射的现象产生，实用性好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种均匀金属微滴变角度控向喷射装置，包括压电换能器1、激振杆2、坩埚上盖7、坩埚9、喷嘴10和加热炉11，其特点是：还包括高温密封膜片3、活塞4、调节螺母5、密封垫片6、热电偶8和坩埚上体13。所述坩埚9由横向坩埚和铅直坩埚两部分组成，铅直坩埚的底部通过螺纹连接在横向坩埚的中部，呈T字型结构，坩埚9内部填装有金属熔液12；横向坩埚的一端与坩埚上体13的一端连接有高温密封膜片3，所述坩埚上体13的另一端连接有压电换能器1，横向坩埚与坩埚上体13的预紧力将高温密封膜片3夹紧；横向坩埚的另一端连接喷嘴10。铅直坩埚的顶部与坩埚上盖7相连，铅直坩埚的顶部与坩埚上盖7之间有密封垫片6；所述激振杆2呈圆柱形并分为a部分和b部分，激振杆2的a部分位于坩埚上体13内部，其一端与压电换能器1相连，其另一端是螺纹端，螺纹端穿过高温密封膜片3与激振杆2的b部分一端的内螺纹相连，激振杆2的a、b两部分的端面将高温密封膜片3夹紧并使其变形；激振杆2的b部分位于坩埚9中横向坩埚内腔，其另一端是一圆盘，圆盘距喷嘴10有1～2mm的距离。所述坩埚上盖7中间有通孔且与调节螺母5面接触，所述调节螺母5中心有内螺纹孔且与活塞4的有杆端的外螺纹配合；活塞4的活塞头与铅直坩埚内壁过渡配合，活塞4的有杆端穿过坩埚上盖7的通孔与调节螺母5配合，通过旋拧调节螺母5实现活塞4的上下移动，活塞4中心留有通孔，用来安装热电偶8，所述热电偶8与加热炉11通过温控仪构成控制回路；所述加热炉11安装在坩埚9外壁。
所述高温密封膜片3的材料是陶瓷纤维或石墨纸的任一种。
所述喷嘴10的材料是石墨或陶瓷的任一种。
所述激振杆2的a与b两部分外径等大。
一种利用上述装置打印大倾角结构件的方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、分析需成形结构件的结构特征，根据成形精度选择比成形单元大1.5倍孔径的喷嘴10；对激振杆2、坩埚9和喷嘴10进行超声清洗，对喷射金属材料进行表面清理，除去喷射金属材料的表面氧化物及杂质。
步骤二、安装激振杆2、高温密封膜片3、活塞4、调节螺母5和坩埚9，在惰性气体环境下，将喷射金属材料放置于坩埚9内。
步骤三、对加热炉11设定加热温度，将坩埚9内的喷射金属材料熔炼并保温，取出热电偶8，调节活塞4下行，将坩埚9内存在的气体排出后用热电偶8将活塞4密封，继续调节活塞4下行，向金属熔液12液面施加机械压力，确保高温金属熔液12充满喷嘴10附近的喷射区域。
步骤四、向压电换能器1输入脉冲控制信号，压电换能器1产生百微米级振动，激振杆2将机械振动波由坩埚上体13内腔穿过高温密封膜片3传递至坩埚9的横向坩埚内腔，最终在激振杆2的b部分圆盘端产生机械振动，致使喷嘴10处自由液面受迫振动产生单颗熔滴。
步骤五、根据打印进程，实时旋拧调节螺母5使活塞4下行位移，继续对坩埚9内的金属熔液12增压，完成大倾角结构件的打印。
本发明的有益效果是：所述装置包括压电换能器、激振杆和坩埚，还包括高温密封膜片和坩埚上体。所述坩埚由横向坩埚和铅直坩埚即储料腔与送料腔两部分组成，呈T字型结构；储料腔的一端与坩埚上体的一端连接有高温密封膜片，坩埚上体的另一端连接有压电换能器，激振杆的a、b两部分的端面将高温密封膜片夹紧并使其变形。本发明将坩埚的储料腔与送料腔分离，并通过活塞对送料腔内金属熔液施加压力，迫使金属熔液充满喷射区域，解决了现有装置变角度安装时产生的喷射区域金属熔液液面不规则变化影响稳定喷射的技术问题；采用高温密封膜片，实现了装置在倾角打印工作中金属熔液的动态密封问题，防止金属熔液发生倒流、喷射区域液腔充不满、液面无规则变化等严重影响稳定喷射的现象产生，实用性好。
以下结合附图和实施例详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明均匀金属微滴变角度控向喷射装置的结构示意图。
图2是图1中高温密封膜片工作原理示意图。
图3是本发明实施例1俯角打印大倾斜、变角度薄壁结构件示意图。
图4是本发明实施例2仰角打印无支撑、封闭空腔圆柱锥面示意图。
图5是背景技术基于机械振动的均匀微滴喷射装置的结构示意图。
图中，1-压电换能器，2-激振杆，3-高温密封膜片，4-活塞，5-调节螺母，6-密封垫片，7-坩埚上盖，8-热电偶，9-坩埚，10-喷嘴，11-加热炉，12-金属熔液，13-坩埚上体，14-压力阀，15-气路管，16-惰性气源，17-微调装置。
具体实施方式
参照图1－4。本发明均匀金属微滴变角度控向喷射装置包括压电换能器1、激振杆2、高温密封膜片3、活塞4、调节螺母5、密封垫片6、坩埚上盖7、热电偶8、坩埚9、喷嘴10、加热炉11、金属熔液12和坩埚上体13。所述坩埚9采用分段式“T”型结构，分为横向坩埚和铅直坩埚两部分，通过螺纹连接将两部分坩埚呈“T”字型连接在一起，且坩埚9内部填装有金属熔液12，实现将进料、加压方向与激振轴线方向分离；横向坩埚用来存储金属熔液，且横向坩埚一端与坩埚上体相连、另一端与喷嘴10相连；铅直坩埚的底部连接在横向坩埚的中部，其顶部与坩埚上盖7相连且中间垫有密封垫片6；所述坩埚上盖7中间有通孔且与调节螺母5面接触，所述调节螺母5中心有内螺纹孔且与活塞4的有杆端配合；所述活塞4的有杆端有外螺纹，且活塞与铅直坩埚内壁过渡配合、有杆端穿过坩埚上盖通孔与调节螺母5配合，通过旋拧调节螺母5实现活塞4的上下移动，从而对金属液面进行加压，活塞4中心留有通孔，用来安装热电偶8，所述热电偶8与加热炉11通过温控仪构成控制回路，用于控制坩埚9内的金属熔液温度；所述加热炉11安装在坩埚9外壁，可采用电阻丝加热或感应加热的方式；所述坩埚上体13用于连接、轴向固定压电换能器1，且与坩埚9中横向部分相连，并通过两部分连接的预紧力将高温密封膜片3夹紧、达到变形；实现高温密封膜片3变形进而达到金属熔液在横向坩埚内的密封，所述激振杆2呈圆柱形并分为两部分(a和b)，a部分在坩埚上体13内部且与压电换能器1相连，b部分在坩埚9中横向坩埚内腔里且另一端底部成圆盘形、距喷嘴10有1～2mm的距离，激振杆2的a与b两部分采用螺纹连接，且外径相同，同时a部分的外螺纹穿过高温密封膜片3与b部分的内螺纹相连，同时，a、b两部分的端面将高温密封膜片3中心部位夹紧并使其变形，实现激振杆连接处的密封。金属熔体12在活塞4的机械压力下充满喷嘴10附近，当压电换能器1得到脉冲信号时，产生的机械振动由激振杆2穿过高温密封膜片3，将振动传递至喷嘴10附近的熔体，在脉冲振动的驱动下，迫使喷嘴10附近的金属熔液克服表面张力喷出成滴。
所述高温密封膜片3的材料是陶瓷纤维或石墨纸的任一种。
所述喷嘴10的材料是石墨或陶瓷的任一种。
方法实施例1：俯角打印大倾斜、变角度薄壁结构件。
使用本发明装置打印大倾斜角结构件时，应将整个装置置于低氧环境，放置金属熔体发生高温氧化反应。
使用本发明装置进行大倾角结构件打印时，首先利用加热炉11将打印材料的加热温度控制在熔点以上80℃。随后旋拧调节螺母5使得活塞4下行，直至喷嘴10产生射流。之后调整喷射装置置于呈45°向下状态。此后向压电换能器1输入控制信号并产生脉冲振动，并通过激振杆2将振动信号传递至喷射喷嘴10附近，在机械振动的作用下，喷嘴表面金属熔体摆脱表面张力束缚喷射成滴，并以一定的速度飞行到成形位置，同时三维运动基板匹配喷射过程做单方向往复运动，进行倾斜薄壁打印。然后将喷射装置置于呈水平状态，进行水平薄壁打印；再次将喷射装置置于呈45°向下状态，喷射装置得到上位机信号进行直接喷射打印，随后完成大倾斜、变角度薄壁结构件打印成形。
使用本发明装置进行大倾角结构件打印时，需根据实际打印情况，实时旋拧调节螺母5，以保证金属熔体充满喷射区域。
方法实施例2：仰角打印无支撑、封闭空腔圆柱锥面。
使用本发明装置打印大倾斜角结构件时，应将整个装置置于低氧环境，放置金属熔体发生高温氧化反应。
使用本发明装置进行大倾角结构件打印时，首先利用加热炉11将打印材料的加热温度控制在熔点以上80℃。随后旋拧调节螺母5使得活塞4下行，直至喷嘴10产生射流。之后调整喷射装置置于呈90°向上状态。此后向压电换能器1输入控制信号并产生脉冲振动，并通过激振杆2将振动信号传递至喷射喷嘴10附近，在机械振动的作用下，喷嘴表面金属熔体摆脱表面张力束缚喷射成滴，并以一定的速度飞行到成形位置，同时三维运动基板匹配喷射过程做单方向往复运动，进行圆柱薄壁打印。然后，三维运动基板水平方向单向移动，之后进行旋转运动，喷射装置得到信号进行锥面薄壁打印，之后完成大倾斜、变角度薄壁结构件打印成形。
使用本发明装置进行大倾角结构件打印时，需根据实际打印情况，实时旋拧调节螺母5，以保证金属熔体充满喷射区域。

Claims (5)

1.一种均匀金属微滴变角度控向喷射装置，包括压电换能器(1)、激振杆(2)、坩埚上盖(7)、坩埚(9)、喷嘴(10)和加热炉(11)，其特征在于：还包括高温密封膜片(3)、活塞(4)、调节螺母(5)、密封垫片(6)、热电偶(8)和坩埚上体(13)；所述坩埚(9)由横向坩埚和铅直坩埚两部分组成，铅直坩埚的底部通过螺纹连接在横向坩埚的中部，呈T字型结构，坩埚(9)内部填装有金属熔液(12)；横向坩埚的一端与坩埚上体(13)的一端连接有高温密封膜片(3)，所述坩埚上体(13)的另一端连接有压电换能器(1)，横向坩埚与坩埚上体(13)的预紧力将高温密封膜片(3)夹紧；横向坩埚的另一端连接喷嘴(10)；铅直坩埚的顶部与坩埚上盖(7)相连，铅直坩埚的顶部与坩埚上盖(7)之间有密封垫片(6)；所述激振杆(2)呈圆柱形并分为a部分和b部分，激振杆(2)的a部分位于坩埚上体(13)内部，其一端与压电换能器(1)相连，其另一端是螺纹端，螺纹端穿过高温密封膜片(3)与激振杆(2)的b部分一端的内螺纹相连，激振杆(2)的a、b两部分的端面将高温密封膜片(3)夹紧并使其变形；激振杆(2)的b部分位于坩埚(9)中横向坩埚内腔，其另一端是一圆盘，圆盘距喷嘴(10)有1～2mm的距离；所述坩埚上盖(7)中间有通孔且与调节螺母(5)面接触，所述调节螺母(5)中心有内螺纹孔且与活塞(4)的有杆端的外螺纹配合；活塞(4)的活塞头与铅直坩埚内壁过渡配合，活塞(4)的有杆端穿过坩埚上盖(7)的通孔与调节螺母(5)配合，通过旋拧调节螺母(5)实现活塞(4)的上下移动，活塞(4)中心留有通孔，用来安装热电偶(8)，所述热电偶(8)与加热炉(11)通过温控仪构成控制回路；所述加热炉(11)安装在坩埚(9)外壁。
2.根据权利要求1所述的均匀金属微滴变角度控向喷射装置，其特征在于：所述高温密封膜片(3)的材料是陶瓷纤维或石墨纸的任一种。
3.根据权利要求1所述的均匀金属微滴变角度控向喷射装置，其特征在于：所述喷嘴(10)的材料是石墨或陶瓷的任一种。
4.根据权利要求1所述的均匀金属微滴变角度控向喷射装置，其特征在于：所述激振杆(2)的a与b两部分外径等大。
5.一种利用权利要求1所述装置打印大倾角结构件的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、分析需成形结构件的结构特征，根据成形精度选择比成形单元大1.5倍孔径的喷嘴(10)；对激振杆(2)、坩埚(9)和喷嘴(10)进行超声清洗，对喷射金属材料进行表面清理，除去喷射金属材料的表面氧化物及杂质；
步骤二、安装激振杆(2)、高温密封膜片(3)、活塞(4)、调节螺母(5)和坩埚(9)，在惰性气体环境下，将喷射金属材料放置于坩埚(9)内；
步骤三、对加热炉(11)设定加热温度，将坩埚(9)内的喷射金属材料熔炼并保温，取出热电偶(8)，调节活塞(4)下行，将坩埚(9)内存在的气体排出后用热电偶(8)将活塞(4)密封，继续调节活塞(4)下行，向金属熔液(12)液面施加机械压力，确保高温金属熔液(12)充满喷嘴(10)附近的喷射区域；
步骤四、向压电换能器(1)输入脉冲控制信号，压电换能器(1)产生百微米级振动，激振杆(2)将机械振动波由坩埚上体(13)内腔穿过高温密封膜片(3)传递至坩埚(9)的横向坩埚内腔，最终在激振杆(2)的b部分圆盘端产生机械振动，致使喷嘴(10)处自由液面受迫振动产生单颗熔滴；
步骤五、根据打印进程，实时旋拧调节螺母(5)使活塞(4)下行位移，继续对坩埚(9)内的金属熔液(12)增压，完成大倾角结构件的打印。
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