CN111318704B - 一种3d打印多孔金属材料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多孔金属材料制备技术领域，公开了一种3D打印多孔金属材料的装置及方法，装置包括：传动机构与喷嘴相连、用于带动喷嘴进行三维移动，喷嘴的进口与第一储液装置相连，第一储液装置和喷嘴之间串联设置第一液体传输泵，第一储液装置内容纳液态金属，第一储液装置内部设置加热装置，加热装置用于使液态金属维持液态，控制模块分别与传动机构、第一液体传输泵和加热装置相连。本发明提供的一种3D打印多孔金属材料的装置及方法，采用液态下的液态金属作为打印原料，可一步实现多孔金属材料的3D打印，快速制备多孔金属材料，且具备能耗低、加工便利、多孔材料孔隙结构可控可调的优势。

Description

一种3D打印多孔金属材料的装置及方法

技术领域

本发明涉及多孔金属材料制备技术领域，特别是涉及一种3D打印多孔金属材料的装置及方法。

背景技术

多孔金属材料作为一类性能优异的多功能材料，已经在国民经济、国防军事等领域得到了广泛关注和应用。多孔金属材料兼备结构材料和功能材料的双重特性：作为结构材料，多孔金属材料具有密度小、比表面积大等特点；作为功能材料，多孔金属材料具有吸收冲击能、电磁屏蔽、散热、阻尼、减振、吸音、隔音等多种性能。

目前，多孔金属材料的制备方法主要有：铸造法、烧结法、沉积法等。铸造法是将无机、有机可溶性颗粒或中空球填充物放在耐高温的铸模内，然后在其周围浇筑金属，通过热处理方法将填充物去除，获得多孔金属材料，该方法制造成本较低，但制成的多孔金属孔隙率低，孔隙结构不可控，不具有良好的重复性；烧结法首先将金属粉末与造孔剂混匀制成预制体，然后加热预制体获得多孔金属材料，该方法成本较低，但能耗较大，受加热温度和加热时间的影响，制得的多孔金属材料孔隙大多为非均匀孔隙，工艺复杂；沉积法采用物理或化学的方法把金属沉积在易分解的有机物上，或在真空条件下将熔融金属挥发成金属蒸汽，然后再沉积在有机物上，最后将有机物去除，形成具有一定厚度的金属沉积层。沉积法对于设备要求较高，沉积速度较慢，制备时间长，成本也较高。

综上所述，现有的多孔金属材料的制备方法工艺复杂、能耗高、制备周期较长，制备的多孔材料大多为非均匀孔隙，孔隙结构不可控，不具有良好的重复性。如何实现孔隙可控、高性能多孔金属材料的快速制备，仍是多孔材料工业化应用过程中亟待解决的技术难题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种3D打印多孔金属材料的装置及方法，用于解决或部分解决现有的多孔金属材料制备工艺复杂、能耗高、制备周期较长，孔隙结构不可控的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，根据本发明第一方面，提供一种3D打印多孔金属材料的装置，包括：传动机构、喷嘴、第一储液装置、第一液体传输泵、加热装置和控制模块；所述传动机构与所述喷嘴相连、用于带动所述喷嘴进行三维移动，所述喷嘴的进口与所述第一储液装置相连，所述第一储液装置和所述喷嘴之间串联设置第一液体传输泵，所述第一储液装置内容纳液态金属，所述第一储液装置内部设置加热装置，所述加热装置用于使所述液态金属维持液态，所述控制模块分别与所述传动机构、第一液体传输泵和加热装置相连。

在上述方案的基础上，所述喷嘴为套管式；所述第一储液装置与所述喷嘴的管程进口相连，所述喷嘴的壳程进口与第二储液装置相连，所述第二储液装置和所述喷嘴之间串联设置第二液体传输泵，所述第二液体传输泵与所述控制模块相连，所述第二储液装置内部设置加热装置，所述第二储液装置内部容纳液态金属或者封装材料。

在上述方案的基础上，一种3D打印多孔金属材料的装置还包括：设计模块和3D扫描仪；所述设计模块与所述控制模块相连、用于设计生成三维模型，所述3D扫描仪与所述设计模块相连、用于扫描生成三维模型。

在上述方案的基础上，一种3D打印多孔金属材料的装置还包括：温度传感器；所述温度传感器设置在所述喷嘴出口处，所述温度传感器与所述控制模块相连。

在上述方案的基础上，所述控制模块包括传动机构控制模块、温度控制模块和流量调节模块，所述传动机构控制模块与所述传动机构相连，所述温度控制模块分别与所述温度传感器和所述加热装置相连，所述流量调节模块分别与所述第一液体传输泵和所述第二液体传输泵相连；所述控制模块和所述设计模块集成设置在计算机上。

根据本发明的第二方面，提供一种3D打印多孔金属材料的方法，利用上述任一方案所述的3D打印多孔金属材料的装置，包括：利用液态下的液态金属作为打印原料，根据预设的三维模型打印出多孔金属材料。

在上述方案的基础上，一种3D打印多孔金属材料的方法具体包括：将常温下呈固态的第一液态金属加热为液态与套管式喷嘴的管程进口或壳程进口相连，打印出常温刚性多孔金属材料；或者，将常温下呈液态的第二液态金属与套管式喷嘴的管程进口相连，将封装材料加热为液态与套管式喷嘴的壳程进口相连，打印出封装材料包裹第二液态金属的常温柔性多孔金属材料；或者，将常温下呈固态的第一液态金属加热为液态与套管式喷嘴的壳程进口相连，将与第一液态金属熔点不同的其他液态金属加热为液态与套管式喷嘴的管程进口相连，打印出复合多孔金属材料。

在上述方案的基础上，在常温刚性多孔金属材料、常温柔性多孔金属材料或者复合多孔金属材料的基础上，通过至少一次的再次3D打印形成多层复合多孔金属材料。

在上述方案的基础上，在多孔金属材料的最外层为液态金属时，在多孔金属材料的表面设置金属镀层。

在上述方案的基础上，所述第一液态金属包括：铋、铋铟、铋铟锡或铋铟锡铅合金；所述第二液态金属包括：镓、镓铟或镓铟锡合金；所述封装材料包括：薄膜材料、柔性材料或生物相容性材料；所述金属镀层包括：铜、钛、钽、铌、锆、不锈钢、钴基合金或钛基合金层。

(三)有益效果

本发明提供的一种3D打印多孔金属材料的装置及方法，采用液态下的液态金属作为打印原料，可一步实现多孔金属材料的3D打印，可一体化快速制备多孔金属材料，且具备能耗低、加工便利、多孔材料孔隙结构可控可调的优势，该装置结构简单，拆装方便，维护便利。

附图说明

图1为本发明实施例的一种3D打印多孔金属材料的装置的示意图。

附图标记说明：

1—3D扫描仪； 2—计算机； 3—传动机构；

4—加热装置； 5—第一储液装置； 6—第一液体传输泵；

7—工作平台； 8—套管式喷嘴； 9—温度传感器；

10—第二储液装置； 11—第二液体传输泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本发明实施例提供一种3D打印多孔金属材料的装置，参考图1，该装置包括：传动机构3、喷嘴、第一储液装置5、第一液体传输泵6、加热装置4和控制模块。传动机构3与喷嘴相连、用于带动喷嘴进行三维移动。喷嘴的进口与第一储液装置5相连，第一储液装置5和喷嘴之间串联设置第一液体传输泵6，第一储液装置5内容纳液态金属，第一储液装置5内部设置加热装置4，加热装置4用于使液态金属维持液态。控制模块分别与传动机构3、第一液体传输泵6和加热装置4相连。

本实施例提供的一种3D打印多孔金属材料的装置，提出利用液态金属作为3D打印的原料。液态金属通常指熔点在300℃以下的金属及其合金，与高熔点金属相比，此类金属在室温条件下更容易实现快速制备。

液态金属在第一储液装置5中被加热装置4加热为液态。液态的液态金属在第一液体传输泵6的驱动下输送至喷嘴中进行打印。可预先设置待打印结构的三维模型。控制模块可根据预设的三维模型控制传动机构3带动喷嘴进行移动打印。

控制模块同时根据预设的三维模型通过控制第一液体传输泵6来控制液态金属的流量。从而对3D打印实现准确控制。加热装置4在控制模块的作用下，对液态金属进行自动加热，使第一储液装置5中的液态金属维持液态，从而保证3D打印的顺利完成。

本实施例提供的一种3D打印多孔金属材料的装置，采用液态下的液态金属作为打印原料，可一步实现多孔金属材料的3D打印，可一体化快速制备多孔金属材料，且具备能耗低、加工便利、多孔材料孔隙结构可控可调的优势，该装置结构简单，拆装方便，维护便利。

在上述实施例的基础上，进一步地，设置喷嘴为套管式；套管式喷嘴8具有两个相互独立的通道，便于采用两种不同的打印原料，实现不同待打印材料的同步出液。可形成复合结构的多孔金属材料，以获得具有更多功能的多孔金属材料，提高该打印装置的灵活性和适用性。

第一储液装置5与喷嘴的管程进口相连。喷嘴的壳程进口与第二储液装置10相连。第二储液装置10和喷嘴之间串联设置第二液体传输泵11。第二液体传输泵11可驱动第二储液装置10内的液体流向喷嘴进行打印。第二液体传输泵11与控制模块相连。控制模块可控制第二储液装置10内打印原料的流量。

第二储液装置10内部设置加热装置4。加热装置4同样与控制模块相连，在控制模块的指令下对第二储液装置10内的打印原料进行自动加热，使其维持液态，便于打印的顺利实现。第二储液装置10内部容纳液态金属或者封装材料。

第二储液装置10内为液态金属时，可容纳与第一储液装置5内不同的液态金属。此时，通过3D打印可获得两种不同液态金属复合形成的多层多孔金属材料。两种金属可提高多孔金属材料的功能性，可适用于更多不同的场景，提高适用性。

在第一储液装置5内的液态金属熔点较低或者常温下呈液态时，第二储液装置10内可为封装材料。此时，因为第二储液装置10与喷嘴的壳程进口相连，所获得的多孔金属材料中封装材料位于外层，将液态金属包裹在内部。设置封装材料层，即使内部液态金属熔点较低，也可在日常使用过程中维持多孔金属材料的多孔骨架结构，保证多孔金属材料的正常使用，提高稳定性。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种3D打印多孔金属材料的装置还包括：设计模块和3D扫描仪1。设计模块与控制模块相连、用于设计生成三维模型。设计模块用于设计多孔金属材料的三维结构模型。

进一步地，设计模块可具体包括微孔大小模块、孔隙率模块、孔道走向模块和联通模块等，从多个角度来对多孔金属材料的三维结构进行模拟设计。

3D扫描仪1与设计模块相连、用于扫描生成三维模型。可采用3D扫描仪1对已有多孔材料的结构进行扫描仿真，快速建立多孔材料的三维模型。利用3D扫描仪1还可便于打印出相同三维结构的多孔材料。

进一步地，3D扫描仪1为3D激光扫描仪或3D电子扫描仪，但不限于此，以能实现3D扫描获得三维结构为目的。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种3D打印多孔金属材料的装置还包括：温度传感器9；温度传感器9设置在喷嘴出口处，温度传感器9与控制模块相连。温度传感器9布置在喷嘴出液口位置，实时监测出液温度，并将温度数据反馈输送至控制模块。便于控制模块对加热装置4进行控制调节。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例对控制模块进行了具体说明。控制模块具体包括传动机构控制模块、温度控制模块和流量调节模块。传动机构控制模块与传动机构相连，具体控制传动机构3的动作过程。传动机构3带动喷嘴一起动作。

温度控制模块分别与温度传感器9和加热装置4相连，根据温度传感器9所反馈的温度，调节加热装置4的工作过程。流量调节模块分别与第一液体传输泵6和第二液体传输泵11相连，用于调节第一液体传输泵6和第二液体传输泵11的工作过程。

控制模块和设计模块集成设置在计算机2上。计算机2与传动机构3、加热装置4、第一液体传输泵6和第二液体传输相连，并包含设计模块、传动机构控制模块、温度控制模块、流量调节模块等软件模块，但不限于此。

通过计算机2进行多孔材料三维模型的设计模拟。并对整个装置的顺利运行进行综合智能控制。

进一步地，传动机构3可为机械臂结构，也可为其他可带动喷嘴进行三维移动的可控机构，具体不做限定。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种3D打印多孔金属材料的方法，该方法利用上述各实施例所述的3D打印多孔金属材料的装置，该方法包括：利用液态下的液态金属作为打印原料，根据预设的三维模型打印出多孔金属材料。

液态下的液态金属并不是指常温下即呈液态的液态金属，而是在液态金属为液态时直接流入喷嘴中进行打印。对于常温下呈固态的液态金属，可通过加热形成液态，进行3D打印。

该3D打印多孔金属材料的方法，采用液态下的液态金属作为打印原料，可一步实现多孔金属材料的3D打印，可一体化快速制备多孔金属材料，且具备能耗低、加工便利、多孔材料孔隙结构可控可调的优势，操作方便。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种3D打印多孔金属材料的方法具体包括三种方案，可获得三种不同的多孔金属材料，该三种方案具体为：

将常温下呈固态的第一液态金属加热为液态与套管式喷嘴8的管程进口或壳程进口相连，打印出常温刚性多孔金属材料；

或者，将常温下呈液态的第二液态金属与套管式喷嘴8的管程进口相连，将封装材料加热为液态与套管式喷嘴8的壳程进口相连，打印出封装材料包裹第二液态金属的常温柔性多孔金属材料；

或者，将常温下呈固态的第一液态金属加热为液态与套管式喷嘴8的壳程进口相连，将与第一液态金属熔点不同的其他液态金属加热为液态与套管式喷嘴8的管程进口相连，打印出复合多孔金属材料。

在上述实施例的基础上，进一步地，在常温刚性多孔金属材料、常温柔性多孔金属材料或者复合多孔金属材料的基础上，通过至少一次的再次3D打印形成多层复合多孔金属材料。

即在一次打印的成品上，再次进行打印，因为打印原料为液态，再次打印的液态原料凝固后可与一次打印的成品牢固的复合为一体，形成多层复合多孔金属材料。

通过再次打印，可增加多孔金属材料的金属层数，通过采用不同的液态金属进行再次打印，可增加多孔金属材料中的金属种类，从而可提高多孔金属材料的功能性，可适用于更多不同的场景，满足更多的需要。

例如，可通过一次打印获得了复合多孔金属材料。在该复合多孔金属材料上进行二次打印。二次打印时在第一储液装置5中放置第二液态金属，在第二储液装置10中放置封装材料。通过二次打印获得了一种由内到外依次为复合多孔金属材料、封装材料层、第二液态金属层和封装材料层的多层复合多孔金属材料。

进一步地，二次打印也可采用一种第一液态金属为打印原料；也可采用两种不同的第一液态金属为打印原料；也可在第一储液装置5中采用第二液态金属、在第二储液装置10中采用第一液态金属为打印原料。还可在二次打印的成品上，继续进行三次打印或者更多次的打印等。

第一次打印也可采用上述三种打印方案中的任一种方案。具体的打印次数以及每次打印的方案可根据需要具体选择，灵活设置，对此不做限定。

进一步地，当采用常温下呈液态的第二液态金属作为打印原料时，第二液态金属应放置在第一储液装置5中，在第二储液装置10中应采用第一液态金属或者封装材料，便于形成多孔金属材料的骨架结构。

本实施例提供的3D打印多孔金属材料的方法可一步实现常温柔性液态金属多孔材料、刚性液态金属多孔材料和复合液态金属多孔材料三类材料的单独或多层复合一体化快速制备，具备能耗低、加工便利、多孔材料孔隙结构可控可调的优势，操作方便。

在上述实施例的基础上，进一步地，在多孔金属材料的最外层为液态金属层时，在多孔金属材料的表面设置金属镀层。

在所有打印成品中，如果最外层为液态金属，则应在打印成品表面设置金属镀层。金属镀层一般熔点较高，便于在打印出的多孔金属材料的使用过程中，维持骨架结构，提高多孔金属材料的稳定性。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述第一液态金属包括：铋、铋铟、铋铟锡或铋铟锡铅合金；所述第二液态金属包括：镓、镓铟或镓铟锡合金；所述封装材料包括：薄膜材料、柔性材料或生物相容性材料；所述金属镀层包括：铜、钛、钽、铌、锆、不锈钢、钴基合金或钛基合金层。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种3D打印多孔金属材料的装置包括3D扫描仪1、计算机2、传动机构3、加热装置4、第一储液装置5、第一液体传输泵6、工作平台7、套管式喷嘴8、温度传感器9、第二液体传输泵11和第二储液装置10。

利用该装置进行多孔金属材料打印的具体过程为：

首先，建立液态金属多孔结构的3维模型。更具体的利用计算机2设计控制液态金属多孔结构的微孔大小、孔隙率、孔道走向及联通情况；也可采用3D扫描仪1，对已有多孔材料的结构进行扫描仿真，快速建立多孔材料的3维模型。

其中，液态金属为熔点在300℃以下的金属及其合金，优选铋或铋铟或铋铟锡或铋铟锡铅合金或镓或镓铟或镓铟锡合金。

然后根据液态金属多孔材料的功能设计需求，将不同材料分别装入第一储液装置5和第二储液装置10中。将3维模型文件输入计算机2的传动机构控制模块和流量控制模块，控制套管式喷嘴8在工作平台7的位置和出液量。

该装置可制备多种液态金属多孔基体。在室温条件下，该装置可一步实现室温柔性液态金属多孔材料、刚性液态金属多孔材料和复合液态金属多孔材料三类材料的单独或一体化制备，具体如下：

方法1：第一储液装置5或第二储液装置10中装室温下呈固态的液态金属铋或铋铟或铋铟锡或铋铟锡铅合金，根据上述步骤制备出多孔材料基体。然后采用电镀或化学镀的方法在多孔材料表面镀上一层金属层，维持多孔材料骨架，制得室温刚性液态金属多孔材料。金属镀层为纯金属铜、钛、钽、铌、锆或不锈钢、钴基合金和钛基合金。

方法2：第二储液装置10装有封装层材料，第一储液装置5装室温下呈现液态的液态金属镓或镓铟或镓铟锡合金，根据上述步骤制备出室温柔性的包裹有封装层的液态金属多孔材料。封装材料为薄膜材料、柔性材料、生物相容性材料，优选聚乙烯或聚丙烯或聚丙烯酸酯或芳香聚酯或聚硅氧烷或聚甲醛医用高分子材料。

方法3：第二储液装置10装室温下呈固态的液态金属铋或铋铟或铋铟锡或铋铟锡铅合金，第一储液装置5装室温下呈液态的液态金属镓或镓铟或镓铟锡合金，或者第一储液装置5装低于第二储液装置10中材料熔点的铋或铋铟或铋铟锡或铋铟锡铅合金，制得多种不同熔点组合的复合液态金属多孔材料。然后采用电镀或化学镀的方法，制得的复合相变液态金属材料表面镀上一层金属材料。其中，金属镀层为纯金属铜、钛、钽、铌、锆等、不锈钢、钴基合金和钛基合金。

单独采用上述方法1，方法2和方法3可分别用于室温柔性液态金属多孔材料、刚性液态金属多孔材料和复合液态金属多孔材料三类材料的单独制备。采用上述方法1，方法2和方法3中的两种或者三种方法排列组合，进行多次打印，可用于多层室温柔性液态金属多孔材料、刚性液态金属多孔材料和复合液态金属多孔材料三类材料的一体化制备。

上述各实施例针对传统多孔材料制备过程存在的弊端，提供一种3D打印多孔金属材料的装置及方法，可一步实现室温柔性液态金属多孔材料、刚性液态金属多孔材料和复合液态金属多孔材料三类材料的单独或一体化快速制备，具有制备方法高效、能耗低、加工便利、多孔材料孔隙结构可调的优势，将有效地促进多孔金属材料增材制造产业的发展，具有重大应用前景和推广价值。

该装置结构简单，拆装方便，维护便利；装置零件易更换，便于按需定制，灵活性强，工作寿命长，稳定可靠。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种3D打印多孔金属材料的装置，其特征在于，包括：传动机构、喷嘴、第一储液装置、第一液体传输泵、加热装置和控制模块；所述传动机构与所述喷嘴相连、用于带动所述喷嘴进行三维移动，所述喷嘴的进口与所述第一储液装置相连，所述第一储液装置和所述喷嘴之间串联设置第一液体传输泵，所述第一储液装置内容纳液态金属，所述第一储液装置内部设置加热装置，所述加热装置用于使所述液态金属维持液态，所述控制模块分别与所述传动机构、第一液体传输泵和加热装置相连；

所述喷嘴为套管式；所述第一储液装置与所述喷嘴的管程进口相连，所述喷嘴的壳程进口与第二储液装置相连，所述第二储液装置和所述喷嘴之间串联设置第二液体传输泵，所述第二液体传输泵与所述控制模块相连，所述第二储液装置内部设置加热装置，所述第二储液装置内部容纳液态金属或者封装材料。

2.根据权利要求1所述的3D打印多孔金属材料的装置，其特征在于，还包括：设计模块和3D扫描仪；所述设计模块与所述控制模块相连、用于设计生成三维模型，所述3D扫描仪与所述设计模块相连、用于扫描生成三维模型。

3.根据权利要求2所述的3D打印多孔金属材料的装置，其特征在于，还包括：温度传感器；所述温度传感器设置在所述喷嘴出口处，所述温度传感器与所述控制模块相连。

4.根据权利要求3所述的3D打印多孔金属材料的装置，其特征在于，所述控制模块包括传动机构控制模块、温度控制模块和流量调节模块，所述传动机构控制模块与所述传动机构相连，所述温度控制模块分别与所述温度传感器和所述加热装置相连，所述流量调节模块分别与所述第一液体传输泵和所述第二液体传输泵相连；所述控制模块和所述设计模块集成设置在计算机上。

5.一种3D打印多孔金属材料的方法，其特征在于，利用上述权利要求1-4任一所述的3D打印多孔金属材料的装置，包括：

利用液态下的液态金属作为打印原料，根据预设的三维模型打印出多孔金属材料；

具体包括：

将常温下呈固态的第一液态金属加热为液态与套管式喷嘴的管程进口或壳程进口相连，打印出常温刚性多孔金属材料；

或者，将常温下呈液态的第二液态金属与套管式喷嘴的管程进口相连，将封装材料加热为液态与套管式喷嘴的壳程进口相连，打印出封装材料包裹第二液态金属的常温柔性多孔金属材料；

或者，将常温下呈固态的第一液态金属加热为液态与套管式喷嘴的壳程进口相连，将与第一液态金属熔点不同的其他液态金属加热为液态与套管式喷嘴的管程进口相连，打印出复合多孔金属材料；

在常温刚性多孔金属材料、常温柔性多孔金属材料或者复合多孔金属材料的基础上，通过至少一次的再次3D打印形成多层复合多孔金属材料。

6.根据权利要求5所述的3D打印多孔金属材料的方法，其特征在于，在多孔金属材料的最外层为液态金属时，在多孔金属材料的表面设置金属镀层。

7.根据权利要求6所述的3D打印多孔金属材料的方法，其特征在于，所述第一液态金属包括：铋、铋铟、铋铟锡或铋铟锡铅合金；所述第二液态金属包括：镓、镓铟或镓铟锡合金；所述封装材料包括：薄膜材料、柔性材料或生物相容性材料；所述金属镀层包括：铜、钛、钽、铌、锆、不锈钢、钴基合金或钛基合金层。

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