CN112024886A - 一种基于超声雾化技术的超高频金属3d打印方法 - Google Patents

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张彦振
李德格
曹毅
孙强
黄秉方
郑超
刘永红
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    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/115—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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Abstract

本发明涉及一种基于超声喷射技术的高效金属3D打印新方法，属于3D金属打印及微纳制造领域。所发明的金属3D打印方法需要一个可调节温度的高温储液腔室，将待打印金属加热至熔融状态；该储液腔室底部开有喷孔；熔融金属在表面张力的作用下不会发生自行滴落的现象，将超声变幅杆的振动头探入熔融金属内部并与喷孔保持合适的距离，超声变幅杆的高频振动可以将液态金属以同样的频率从喷孔喷出，形成一连串具有一定初速度的金属微液滴。该装置可在超声范围内的频率工作，具有很高的打印效率。通过精确控制加热温度和打印喷孔的尺寸，可以实现微细零部件甚至大尺度零部件的高效高精度打印。通过控制超声喷孔的位置，可以实现指定位置的3D打印。

Description

一种基于超声雾化技术的超高频金属3D打印方法
技术领域
本发明属于增材制造及微纳制造领域，涉及一种基于超声雾化技术和金属材料熔融控制技术的金属增材制造新方法。
技术背景
增材制造技术是一种基于离散堆积成形思想的成形技术。该技术借助计算机、CAD等工具，对三维实体进行切片分层，用逐层变化的截面来逐层构建三维形体。该技术无需模具和夹具，而且具有构建复杂形状的能力，相比于传统的减材制造而言具备较高的材料利用率。目前对于塑料等非金属材料的3D打印已经基本达到商业应用的水平，但是对于金属的3D打印，目前还一直处于实验室阶段。
当前的金属3D打印主要为金属粉末烧结技术，另外还有熔滴打印技术，超声波3D金属打印技术等。对于金属粉末烧结技术，根据其采用热源的不同，又可分为电子束熔融技术、电子束焊接技术和选择性激光熔融技术等，该技术受热源尺寸和金属粉末大小的限制，通常不能打印特征尺寸小于一个毫米的金属构件；且电子束对环境要求较高，需要真空环境，而激光设备也较为昂贵。熔滴打印技术的主要原理是将待打印金属在喷头内加热至熔融状态，然后借助持续的背压或脉冲性机械压力实现金属的连续打印或者按需打印。其目前存在的主要问题是打印精度难以提高，此外打印频率不足导致效率低下。目前得到局部应用的超声波3D金属打印技术主要是将待打印金属箔层叠在一起，利用超声机械力实现金属箔的层间连接，整个过程金属不会熔化，但是该方法需要后续机加工处理，材料利用率低，不能制备具有复杂结构的部件，应用受到限制。而传统的超声雾化技术，一般仅应用于液体介质(大部分是水)的雾化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超声喷射技术的高效金属3D打印新方法，可适用于制备微小金属零部件乃至大尺度精密金属零部件的增材制造技术。
本发明的原理是：可调节温度的高温陶瓷腔室与设有喷孔的端盖结合形成一个半开放的储液腔。首先在可调节温度的高温陶瓷腔室中，将待打印金属加热至熔融状态，此时熔融金属在表面张力的作用下不会从喷孔发生自行滴落的现象；将具有保护层的超声变幅杆插入到熔融金属液面以下，并与喷孔保持一定的距离。超声变幅杆的高频振动可将液态金属以同样的频率从喷孔喷出，形成具有一定初速度的金属微液滴。通过调节喷孔与承印面之间的距离，可以使金属微滴在凝固之前打印到承印面上。该装置可在100KHz以上的喷射频率下工作，从而实现了熔融金属的高频高效喷射；关闭超声驱动信号即可使系统停止工作。通过控制该系统喷射口与工件相对位置的移动，即可实现待打印金属的二维图案和三维构件的制备。
本发明的特点如下：
1.本发明的超高频金属3D打印方法是基于超声喷射的原理，喷射频率可超过100KHz，喷射金属滴的大小与使用的喷孔大小相当，为几十到数百微米，使其非常适合于微小精密金属零部件的快速成型，甚至是应用于中小型零部件的制作。
2.本发明兼具熔滴打印和超声打印的优势，可以兼容多种金属，且具备高效和高精度的特点。
3.通过控制打印头与工件之间轨迹的变化，可制备具有复杂结构的微小金属部件，设备结构简单，易于操作。
4.本发明生成的熔融金属液滴在微米级别，和常规金属晶粒尺寸在同一尺度，微米级金属液滴的快速冷却，可以获得不同于常规方法的结晶效果，获得更优异的晶体组织。
附图说明
图1为基于超声雾化技术的超高频金属3D打印原理示意图
具体实施方式
参见图1。本发明为基于超声雾化喷射技术的3D金属打印新方法，具体为在高温陶瓷腔室内将待打印金属加热至熔融状态，在未施加超声驱动信号时，金属液滴由于具有较强的表面张力而保持在储液腔内；然后开启超声驱动信号，熔融液滴在高频超声信号的驱动下逐滴喷射至待打印表面。处于熔融状态的金属在重力作用下自动补充，可以持续稳定工作。通过控制喷头和基板之间的相对运动速度、运动轨迹可以实现不同的金属3D打印的线宽和点密度，通过重复扫描路径并改变喷头和基板之间的相对距离可以得到不同规格、形状和功能的部件。通过控制超声驱动信号的通断即可实现打印过程的进行与中断，可在连续喷射和按需喷射之间灵活切换。
当采用较小尺寸的喷嘴(5μm以下)时，打印精度可以得到明显提升，并且仍具备较高的打印效率。
当数个相同装置并联在一起时，可以同时打印多个相同二维图案或者三维构件，大幅度提高工作效率。
为获得待打印金属与承接基板之间有更好的结合效果，可以对基板进行适当的加热。

Claims (3)

1.一种基于超声雾化技术的超高频金属3D打印方法，其特征在于：熔融金属的喷射是基于超声雾化喷射原理。超声变幅杆与喷孔保持合适的距离；超声变幅杆的高频振动可将熔融金属以同样的频率形成微液滴并从喷孔喷出，并在金属滴凝固之前，打印到目标位置，实现金属的3D打印。
2.根据权利要求1所述的基于超声雾化技术的超高频金属3D打印方法，其特征是对于易氧化的金属，需要加惰性气体保护，防止氧化。
3.根据权利要求1所述的基于超声雾化技术的超高频金属3D打印方法，其特征是所述超声驱动信号可以为压电超声驱动信号，也可以为其他形式的超声信号，但其能量密度应该在适宜范围内，不可过大或过小，以能克服熔融金属的表面张力实现打印为宜。
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