CN113038995B - 冷喷射喷嘴 - Google Patents

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Abstract

公开了用于制造的系统、设备和方法。在一方面，该设备可以是冷喷射喷嘴。该冷喷射喷嘴可以包括可变直径的会聚部分。该冷喷射喷嘴还可以包括可变直径的发散部分。该可变直径的发散部分可以形成扩散器。此外，冷喷射喷嘴可以包括环部分。该环部分可以联接可变直径的会聚部分和可变直径的发散部分。此外，该环部分可以控制至扩散器的开口。

Description

冷喷射喷嘴
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年7月6日提交的并且名称为“COLD-SPRAY NOZZLE”的美国专利申请No.16/029,418的权益，其内容通过引用整体清楚地并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及制造技术，更具体地，涉及使用喷射成形的3-D打印方法，尤其涉及用于使用冷喷射工艺的3-D打印方法的喷嘴。
背景技术
近年来，随着三维(3-D)打印在各种应用中的日益广泛使用，制造业取得了关键的技术发展和进步。这种应用在制造多种类型的复杂机械结构的背景下尤其普遍。关于3-D打印技术本身的进展，最近也取得了类似的进步和里程碑式的成就。大量的现代3-D打印技术(作为这种新近进展的主题)包括：例如，立体光刻(SLA)、数字光处理(DLP)、熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)等。
3-D打印的一个示例可以使用冷喷射成形作为部件的制造过程的一部分。喷射成形可以将固相粉末材料以高速导入到基底材料中。冷喷射成形通常可以是通过喷射一种或更多种材料以形成制造的物品的增材制造工艺。通过冷喷射制造工艺，被沉积的材料可以保持低于材料的熔点。被沉积的材料可以以足够高的速度喷射到基底材料，以在冲击时诱导固态焊接。可以使用喷嘴(例如冷喷射喷嘴)来喷射材料。冷喷射可用于沉积金属(或金属合金、塑料、陶瓷或其混合物)结构，以结合例如许多现成的零件或制造的零件，例如挤压的零件、3-D打印的零件、冷喷射3-D打印的零件或其他制造的零件。
传统的冷喷射喷嘴具有固定的开口轮廓。因此，当针对固体粉末材料的特定喷射模式需要不同尺寸的冷喷射喷嘴时，将需要停止冷喷射过程，使得一个喷嘴可以被另一个喷嘴更换。停止冷喷射过程以更换喷嘴可能会降低零件的制造速度。
发明内容
下文将参考三维(3-D)打印技术更全面地描述方法的若干方面。一个方面涉及包括使用喷射成形的3-D打印方法的制造技术，更具体地，涉及用于冷喷射工艺的喷嘴。
公开了用于制造结构的系统、设备和方法。设备可以是冷喷射喷嘴。冷喷射喷嘴包括可变直径的会聚部分。此外，冷喷射喷嘴包括形成扩散器的可变直径的发散部分。冷喷射喷嘴还包括联接可变直径的会聚部分和可变直径的发散部分并且控制到扩散器的开口的环部分。
设备可以是冷喷射装置。冷喷射装置包括材料料斗。此外，冷喷射装置包括联接到材料料斗的加压气体供给器。冷喷射装置还包括冷喷射喷嘴，该冷喷射喷嘴联接到加压气体供给器并且被构造成接收来自材料料斗的材料。冷喷射喷嘴包括可变直径的会聚部分。此外，冷喷射喷嘴包括形成扩散器的可变直径的发散部分。冷喷射喷嘴还包括联接可变直径的会聚部分和可变直径的发散部分并且控制到扩散器的开口的环部分。
一种冷喷射成形零件的方法包括冷喷射零件的至少第一层的第一部分。此外，冷喷射成形的方法包括调节喷嘴中的可变直径的会聚部分和可变直径的发散部分，该喷嘴包括可变直径的会聚部分和形成扩散器的可变直径的发散部分以及联接可变直径的会聚部分和可变直径的发散部分的环部分。冷喷射成形方法还包括使用经调节的可变直径的会聚部分和经调节的可变直径的发散部分并且控制到扩散器的开口冷喷射该零件的第二层的至少第二部分。
应当理解，通过下面的详细描述，使用喷射成形的3-D打印的其他方面对于本领域技术人员来说将变得显而易见，在下面的详细描述中通过说明的方式示出和描述了仅若干实施例。如本领域技术人员将认识到的，所制造的结构和用于制造这些结构的方法能够具有其他的和不同的实施例，并且其若干细节能够在各种其他方面进行修改，所有这些都不脱离本发明。因此，附图和详细描述在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
现在将通过示例而非限制性的方式在详细描述中呈现使用喷射成形的3-D打印进行制造——更具体地，用于这种制造的喷嘴——的各个方面，在附图中：
图1A-图1B示出了使用熔融沉积成型(FDM)的3-D打印机的示意图。
图2是示出3-D打印的示例性过程的流程图。
图3是采用喷射成形的3-D打印机的示意图。
图4是集成喷射成形和熔融沉积成型(FDM)打印的3-D打印机的示意图。
图5是冷喷射喷嘴的示意图，该冷喷射喷嘴可以与采用喷射成形的3-D打印机(例如参照图3-图4所示的采用喷射成形的3-D打印机)结合使用。
图6是冷喷射喷嘴的示意图，该冷喷射喷嘴可以与采用喷射成形的3-D打印机(例如参照图3-图4所示的采用喷射成形的3-D打印机)结合使用。
图7是示出冷喷射成形零件的示例性方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述意在提供对使用喷射成形进行制造的3-D打印的各种示例性实施例的描述，而不是意在呈现本发明可以实践的仅有的实施例。贯穿本公开使用的术语“示例性”意味着“用作示例、实例或说明”，并且不应该被必然地解释为相对于本公开中呈现的其他实施例是优选的或有利的。出于提供向本领域技术人员充分传达本发明的范围的全面且完整的公开内容的目的，详细描述包括具体的细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在一些情况下，众所周知的结构和部件可能以框图的形式示出，或者完全省略，以避免模糊贯穿本公开呈现的各种概念。
图1A-图1B示出了可以使用熔融沉积成型(FDM)的3-D打印机的示意图。FDM是一种增材制造技术，其中，热塑性材料或其他材料(例如金属)可以通过温度受控的打印喷嘴102挤出。打印喷嘴102可以通过机械装置在水平和竖直方向上移动，该机械装置受计算机辅助制造(CAM)软件包的控制。要构造的3-D零件被一次一层地构建，并且这些层以规定的方式连续地彼此重叠以制造零件121。
图1A的3-D打印机还包括用于提供被供给至挤出头102的第一材料106的第一卷轴104和用于提供被供给至挤出头102的第二材料的第二卷轴。虽然在一些构型中，材料114可以构成用于形成零件的连续层的构建材料，并且材料116可以构成用于提供临时支撑的支撑材料，以适应由特定结构的预定形状产生的空间空位(space vacancies，否则该结构的形状在固化之前可能会受到重力的影响)，但是本公开中考虑的3-D打印技术可以通过使用复杂的矩阵阵列作为背衬结构来消除对支撑材料的需要。
3-D打印机100还可以包括可以在其上进行打印的基底或基座112，以及可竖直移动的构建平台110。在3-D打印过程期间，其中材料114被挤出到零件121的表面上以制造连续的层，构建平台110可以在软件控制下被构造为在竖直方向上逐渐向下移动(如支撑臂123上的箭头所示)，以适应零件121的越来越多的层所占据的空间。
图1B显示了挤出头102的放大视图。材料114和116可使用旋转驱动轮125分别被供给到挤出喷嘴126和128中。材料114和116通过在相应的挤出喷嘴126和128中施加热量而熔化，并因此在软件控制下从喷嘴喷出到基底110上，或者喷出到先前设置在基底上的层上。
虽然为了说明的目的在本文中描述了FDM打印技术，但是本文的公开内容不限于此，并且结合下面的描述，可以采用任何合适的3-D打印技术。
图2是示出3-D打印的示例性过程的流程图200。渲染要打印的期望的3-D对象的数据模型(步骤210)。数据模型是3-D对象的虚拟设计。因此，数据模型可以反映3-D对象的几何和结构特征，以及其材料组成。可以使用各种方法创建数据模型，包括3-D扫描、3-D建模软件、摄影测量软件和相机成像。
用于创建数据模型的3-D扫描方法也可以使用各种技术来生成3-D模型。这些技术可以包括例如飞行时间、体积扫描、结构光、调制光、激光扫描、三角测量等。
3-D建模软件可以包括众多商业上可得的3-D建模软件应用中的一种。可以使用合适的计算机辅助设计(CAD)包来渲染数据模型，例如以STL格式。STL文件是与商业上可得的CAD软件相关联的文件格式的一个示例。可以使用CAD程序将3-D对象的数据模型创建为STL文件。随即，STL文件可以经历使得文件中的错误被识别和解决的过程。
在错误解决之后，数据模型可以被称为切片器的软件应用程序“切片”，从而产生一组用于3-D打印对象的指令，这些指令与要使用的特定3-D打印技术兼容并且相关联(步骤220)。许多切片器程序都是商业上可得的。通常，切片器程序将数据模型转换成一系列表示被打印对象的薄切片(例如，100微米厚)的单独的层，随之具有包含打印机特定指令的文件，该打印机特定指令用于3-D打印这些连续的单独的层，以产生数据模型的实际3-D打印表示。
用于此目的的常见文件类型是G代码文件，这是一种数字控制编程语言，其包括用于3-D打印对象的指令。将G代码文件或构成指令的其他文件上传到3-D打印机(步骤230)。因为包含这些指令的文件通常被配置为通过特定的3-D打印过程可运行，所以将理解的是，根据所使用的3-D打印技术，指令文件的许多格式都是可以的。
除了指示要渲染什么和如何渲染对象的打印指令之外，使用若干传统的并且通常是打印机专用的方法中的任何一种，3-D打印机在渲染对象时所需使用的适当的物理材料被装载到3-D打印机中(步骤240)。在熔融沉积成型(FDM)3-D打印机中，如上所述，材料可以作为细丝被装载在卷轴上，所述卷轴被放置在一个或更多个卷轴保持器上。这些细丝通常被供给到挤出器设备中，在运行时，在将材料喷射到构建板或其它基底上之前，该挤出器设备将细丝加热成熔化形式。在选择性激光烧结(SLS)打印和其他方法中，材料可以作为粉末被装载到腔室中，该腔室向构建平台供给粉末。根据3-D打印机，可以使用其他技术来装载打印材料。
然后，基于所提供的指令，使用材料打印3-D对象的相应数据切片(步骤250)。在使用激光烧结的3-D打印机中，激光扫描粉末床，并在需要结构的地方将粉末熔化在一起，避免扫描切片数据表明没有要打印的内容的区域。该过程可以重复数千次，直到形成所需的结构，在这之后将打印的零件从制造机中移除。如上所述，在熔融沉积成型中，通过将支撑材料和模型的连续的层施加到基底来打印零件。一般来说，出于本公开的目的，可以采用任何合适的3-D打印技术。
像其他3-D打印技术一样，FDM技术具有最小层分辨率，在某些构造中，根据打印机分辨率和其他因素，所述最小层分辨率可能大约是0.127mm或0.127mm左右。作为这种最小分辨率的结果，显而易见的是，尝试对成角度的表面进行3-D打印将导致由连续的层的有限厚度引起的通常不希望的“阶梯状”伪影(artifact)。
传统的喷射成形涉及经由惰性气体将液态金属流雾化成液滴并将半固态喷射液滴沉积到成型的基底上来制造具有均匀微结构的金属部件。基底收集液滴，并将其固化成连贯的预制件。在该过程的一个示例中，通常在感应熔炉中熔化合金，然后熔化的金属通过锥形中间包缓慢倒入小孔陶瓷喷嘴中。熔化的金属离开熔炉，被雾化器分解成液滴。然后液滴继续向下冲击基底。该过程被布置成使得液滴在半固态条件下撞击基底。这个过程提供了足够的液体部分来将固体部分“粘”在一起。沉积继续进行，逐渐在基底上构建金属的喷射成形的零件，例如坯。喷射成形可以使用呈待制造的零件的形状的腔室。
喷射成形可涉及在如上所述的金属结构上应用精加工程序或在腔室中成形金属结构。更具体地，金属零件可以在温控腔室中喷射成形，该温控腔室通常具有与最终零件一致的形状。在目前的金属喷射成形工艺中，需要专用的设备，例如腔室、喷嘴、雾化器等。此外，金属零件受到腔室的约束的限制，并且只能成型为基本上符合腔室的几何形状。
因此，在一个实施例中，喷射成形技术被结合作为3-D打印机的一部分。3-D打印机包括柔性的、计算机控制的喷嘴，该喷嘴具有六个自由度，能够在所有三个X-Y-Z方向上操纵，并相对于打印机构建板以各种角度倾斜。根据该实施例，结合喷射成形器的3-D打印机可以用于现有零件的表面的精加工和零件的整体构造。在其他示例性实施例中，喷射成形3-D打印机不限于金属的喷射成形，并且可以附加地或替代地采用塑料和其他材料(例如金属)的喷射成形。因此，3-D打印机可以结合喷射成形器，其广泛地包括一个或更多个机械组件，用于将期望的材料转换成液滴，并且以由3-D打印指令和/或与3-D打印机相关联的CAD程序指定的方式喷射成形材料。
图3示出了采用喷射成形的3-D打印机300的概念化示意图。3-D打印机包括支撑臂302、构建板304和基底306。在该实施例中，工具外壳308设置在基底306的表面上。在一个示例性实施例中，工具外壳308是预先加工的，或者是3-D打印的，并且在其构造之后被放置在基底308上。
在下面参考图4进一步描述的另一示例性实施例中，工具外壳308可以在3-D打印机300上进行3-D打印。例如，3-D打印机300可以包括传统的计算机控制的打印挤出器(未图出)，其可以使用多种已知方法(SLS、FDM等)中的任何一种3-D打印模具。在另一示例性实施例中，使用3-D打印机300喷射成形模具。
在3-D打印机的计算机控制下的机器人臂314可用于在工具外壳308的表面上喷射成形零件310，例如面板。在其他示例性实施例中，喷射成形直接沉积在基底306上，以喷射成形零件310。机器人臂314的喷嘴316将材料的液滴312射到工具外壳308上，从而如上所述地产生零件310。
由于零件310是由3-D打印机使用喷射成形形成的，所以可以理解，零件310的成角度的或倾斜的区段318和320可以在没有任何明显的阶梯效应的情况下产生。因此，使用喷射成形作为3-D打印机的一部分(并在计算机控制下)，使得制造者能够形成不需要进一步精加工步骤的零件310。因此，可以在单个步骤中或在单个3-D打印机上提供平滑的零件。
在示例性实施例中，机器人臂314可以在各种方向和角度上操纵。例如，机器人臂314可以在A、B或C方向(或其间任何点处的方向)中的一个或更多个上移动，这些方向可以相应地对应于3-D打印机的坐标轴X、Y、Z。例如，在另一示例性实施例中，机器人臂314可以以基本上任何角度倾斜，以便以各种角度执行喷射成形。在另一实施例中，机器人臂314可以被构造为如箭头和相应的标记D所示的旋转或扭曲。在示例性实施例中，机器人臂314配备有六个自由度。在一个实施例中，机器人臂314被设计成相对于通常体积庞大的打印挤出器402(见图4)和相关的机械组件而言较细。这给了机器人臂314额外的灵活性来围绕基底移动。
执行塑料挤出的传统3-D打印机通常具有有限的改变打印挤出器的角度的能力。这种传统打印机通常采用用于打印喷嘴的枢轴点来代替细的柔性机器人臂。由于这个原因，3-D打印机上的挤出器通常没有使得它们运动的程度可以具有很大的灵活性的六个自由度。这种限制的一个原因是，与圆滑的机器人臂314相比，传统的打印喷嘴通常具有较厚的直径，并且不能够被容易地围绕不同的轴线操纵，而机器人臂314的直径范围可以做得非常薄，这部分地是由于喷射成形技术的固有特性和喷射喷嘴所需的小尺寸的液滴。
此外，由于挤出材料的厚度和其他限制，当挤出器角度改变时(例如，改变到稍微倾斜的位置以沉积材料时)，从传统打印机挤出的材料可能受到重力的不利影响。也就是说，传统3-D打印机中的打印挤出器通常体积庞大，具有更大的惯性，并且由于其与挤出系统的其余部分的枢轴点连接而在运动上受到限制，使得其改变角度和方向的灵活性因此受到限制。这种现象在原理上类似于试图用圆珠笔颠倒书写。使用喷射成形的3-D打印没有这种限制。喷射成形技术使得3-D打印机能够以基本上任何角度(包括向上的方向)将轻液滴喷射到基底或零件上，并且喷射机构基本上不受重力的不利影响。
因为机器人臂314和喷射成形能力被结合作为3-D打印机的一部分，所以可以使用直接提供至3-D打印机的指令在计算机控制下控制和引导机器人臂314。此外，与传统的喷射成形方法(其中，腔室约束零件成形以符合单一或限制的几何形状)相比，本文公开的3-D打印机可以在三个维度上喷射成形零件，所述零件在软件的控制下具有各种可能的几何形状和特征。
机器人臂314和打印机的机械组件可以根据实施例而变化。在执行金属的喷射成形的情况下，该组件可以结合用于加热金属的机构、雾化器和其他元件。在另一实施例中，3-D打印机的机器人臂314可以被构造成将树脂喷射到模具或基底上，用于形成或精加工零件。通常，在考虑不同类型材料的喷射成形时，熔化的材料不应过于粘稠，而使得喷嘴316难以将它们喷出为液滴。因此，在示例性实施例中，机器人臂314的喷嘴316可以包括用于调整在喷射成形过程中使用的目标材料的粘度的组件。在一个实施例中，可以根据软件动态地调整所述组件，所述软件以在喷射成形过程中使用的材料为函数。此外，对于塑料，加热机构可以包括在喷嘴316中或靠近喷嘴，用于促进材料的流动。
在使用热固性树脂的情况下，树脂和硬化剂通常按一定比例混合，然后应用。将树脂和硬化剂预混合，然后试着喷射成形最终的粘性材料会带来固有的困难。例如，预混合树脂和硬化剂以及喷射成形组合的材料可能导致材料在喷嘴内固化，从而堵塞喷嘴。
因此，在另一示例性实施例中，机器人臂314可以包括两个喷嘴316(仅图示了一个)，每个喷嘴构成单独的喷射成形头。第一个这样的喷嘴可以喷射树脂，第二个喷嘴可以喷射硬化剂。这种技术消除了预混合和喷射组合的树脂和硬化剂所固有的困难。
上述3-D打印技术可以用于使用喷射成形来平滑(精加工)诸如面板的零件，或者用于制造零件。
在喷射成形塑料中，喷嘴316的直径通常非常小，在一些实施例中大约为50μm。因为喷嘴316的直径小，所以离开喷嘴316的材料的相应厚度可以忽略不计，使得当使用喷射成形技术3-D打印零件时，基本上不会看到阶梯效应。
机器人臂314有利于结合到用于在喷射成形中使用的3-D打印机300中，因为除了其他原因之外，这种机器人组件可以由在3-D打印机中使用的数据模型和相关指令控制。
返回参考图3，在待形成的零件310构成车辆的外部主体面板的示例中，形成面板的材料可以被喷射在3-D打印的工具外壳308(或者在其他实施例中的基底306)上方。以这种方式，由于3-D打印的工具外壳308的表面特性而产生的缺陷仅出现在最终面板的B侧，在该B侧，零件310与工具外壳308的表面相遇。相比之下，面板的A侧(零件310的表面318、320)可以制成为基本上完美地平滑，从而满足A类车辆表面要求。
在另一示例性实施例中，如上所述的3-D打印机可用于将树脂喷射在金属或塑料3-D打印的工具上，以平滑工具的表面。
在涉及金属的喷射成形的实施例中，各种技术和工艺可适用于与之结合使用，包括等离子体沉积、物理气相沉积、化学气相沉积等。
图4示出了集成喷射成形和FDM打印能力的3-D打印机400的示意图。虽然为了说明的目的示出了FDM组件，但是应当理解，任何传统的3-D打印技术都可以与喷射成形机构集成。所述喷射成形机构包括机器人臂414、喷嘴416和由打印机软件引导的相关控制机构(未示出)。如先前参考图3所示，图4的机器人臂414可以在3-D打印机指令的控制下，并且可以在各种角度和方向上操纵，包括在A、B、C和D方向上。
在所示的实施例中，使用打印挤出器402和打印材料414和418中的一个或两个，零件408被3-D打印在构建板404(或中间的基底或泡沫基底)上。如结合前面的实施例所讨论的，零件408的成角度的部分的特点是阶梯效应，为了清楚起见，这里放大了阶梯效应的比例。在零件408经由打印挤出器402被3-D打印后，机器人臂的喷嘴416应用喷射成形来精加工零件，从而减少或消除阶梯效应，使得零件408将具有平滑的成角度的表面。根据实施例，金属、塑料或复合材料可以喷射成形。
图5是冷喷射喷嘴500的示意图，该冷喷射喷嘴500可以与采用喷射成形的3-D打印机(例如，300，400)结合使用，例如参照图3-图4所述的采用喷射成形的3-D打印机(例如，300，400)。
本文描述的系统和方法的方面提出了一种可以实现打印分辨率控制的技术。打印分辨率控制可以是打印中间，例如，分辨率可以在打印特定项目的过程期间改变，例如，使用3-D打印机(例如，300，400)。打印分辨率控制可用于冷喷射增材制造。例如，本文所述的系统和方法可包括冷喷射喷嘴500，其具有形成扩散器(例如，可变直径发散部分504)的可变直径的发散部分504和可变直径的会聚部分502。
例如，一个方面可以包括一系列铰链506和重叠的片508，以控制冷喷射枪(冷喷射喷嘴500)的会聚区段(例如，可变直径的会聚部分502)的直径(d1)和发散区段(例如，可变直径的发散部分504)的直径(d2)。在一方面，沉积的金属的分辨率取决于产生的颗粒流。产生的颗粒流可能强烈地依赖于扼流点510和出口直径(d2)。通过改变扼流点510和出口直径(d2)，可以在打印中间改变产生的沉积面积，例如，数量级地改变。先前的冷喷射枪已经加工有会聚-发散喷嘴，并且需要更换物理喷嘴来改变沉积面积。
在一方面，冷喷射喷嘴500包括可变直径的会聚部分502。此外，冷喷射喷嘴500包括形成扩散器的可变直径的发散部分504。冷喷射喷嘴500还包括联接可变直径的会聚部分502和可变直径的发散部分504的环部分510。环部分510控制至扩散器(例如可变直径的发散部分504)的开口。
在一方面，可变直径的会聚部分502包括喷嘴500，其包含在喷嘴500内的一系列铰链506和重叠片508，铰链506和重叠片508被构造成控制可变直径的会聚部分502的直径(d1)。
在一方面，可变直径的发散部分504包括喷嘴，其包含在喷嘴内的一系列铰链506和重叠片508，铰链506和重叠片508被构造成控制可变直径的发散部分504的直径(d2)。
在一方面，环部分510的尺寸是可变的。环部分510的尺寸控制冷喷射的流。
图6是冷喷射喷嘴600的另一示意图，该冷喷射喷嘴600可以与采用喷射成形的3-D打印机(例如300，400)结合使用，例如参照图3-图4所示的采用喷射成形的3-D打印机(例如300，400)。
如上所述，本文描述的系统和方法的一方面提供了一种可以实现打印分辨率控制的技术。打印分辨率控制可以是打印中间，例如，分辨率可以在打印特定项目的过程期间改变，例如，使用3-D打印机(例如，300，400)。打印分辨率控制可用于冷喷射增材制造。例如，本文描述的系统和方法可包括冷喷射喷嘴600，其具有包括活塞喷嘴的可变直径的发散部分。
例如，一个方面可以包括冷喷射喷嘴600内部的活塞喷嘴602，以控制会聚部分606和发散部分608相交处的可用的直径。扼流点610具有直径d1。扼流点610的实际上可用于冷喷射材料从冷喷射喷嘴600流出的部分可使用活塞喷嘴602进行调整。例如，随着活塞喷嘴602在冷喷射喷嘴600内移入和移出，允许材料流动的可用部分在扼流点610内增大或减小。扼流点610的外部直径可以保持直径d1。更具体地，随着活塞喷嘴602移出，具有直径(d1)的扼流点610的可用部分增加。随着活塞喷嘴602移入，具有直径(d1)的扼流点610的可用部分减少。
如上所述，在一方面，沉积的金属的分辨率取决于产生的颗粒流。产生的颗粒流可能主要地取决于扼流点610的可用于材料流的部分。虽然直径(d1)和出口直径(d2)可以是固定的，但是通过扼流点的流可以通过移动活塞喷嘴602来调整。通过改变活塞喷嘴602的位置，可以在打印中间改变产生的沉积面积，例如，以数量级改变。
在一方面，冷喷射喷嘴600包括可变的可用直径的会聚部分606。返回参考图1A-图1B、图3和图4，冷喷射装置(100、300、400)可以包括材料料斗(或卷轴104)。冷喷射装置(100，300，400)还可以包括联接到材料料斗的加压气体供给器(未示出)。此外，冷喷射装置(100，300，400)可以包括冷喷射喷嘴(126，128，316，416，500，600)，该冷喷射喷嘴联接到加压气体供给器并被构造成接收来自材料料斗的材料。冷喷射喷嘴(126，128，316，416，500，600)可以包括可变直径的会聚部分(502，606)、形成扩散器的可变直径的发散部分(504，604)、以及联接可变直径的会聚部分(502，606)和可变直径的发散部分(504，604)并控制至扩散器(例如可变直径的发散部分(504，608))的开口的环部分(510)。
图7是示出冷喷射成形零件的示例性方法的流程图。在710处，冷喷射零件的至少第一层的第一部分。例如，冷喷射(例如，在冷喷射装置100、300、400上使用冷喷射喷嘴126、128、316、416、500、600)该零件的第一层的至少第一部分。在一方面，第一层和第二层可以是不同的层。在另一方面，第一层和第二层可以是同一层。
在720处，确定是否需要调整喷嘴中的可变直径的会聚部分和可变直径的发散部分。喷嘴包括可变直径的会聚部分。例如，冷喷射装置(100，300，400)上或连接到冷喷射装置(100，300，400)的处理系统可以确定是否需要调整可变直径的会聚部分(502，606)和可变直径的发散部分(504)。需要的是，喷嘴(126，128，316，416，500，600)包括可变直径的会聚部分(502，606)。
在一方面，调整在同一层上连续地进行。换句话说，调整可以没有中断或没有间隙(例如，在喷射成形进行时的特定间隔内)。在另一方面，调整在同一层上频繁地进行。换句话说，调整可以以相同的方式频繁地重复，或者有规律地重复(例如在喷射成形进行时的特定间隔内)。例如，当需要调整时，该方法可以前进到框730(下文)。当不需要调整时，该方法可以继续冷喷射，例如，返回到框710(例如，在喷射成形进行时的特定间隔内)。可选地，冷喷射可以结束(未示出)，例如，当零件完成时，实施该方法的装置需要调整、固定、补充材料或一些其他改变、变更、修改、调整、变化或适应。
在730处，调整喷嘴中的可变直径的会聚部分和可变直径的发散部分。喷嘴可以包括可变直径的会聚部分和可变直径的发散部分。可变直径的发散部分形成扩散器。环部分联接可变直径的会聚部分和可变直径的发散部分。例如，冷喷射装置100、300、400上或连接到冷喷射装置100、300、400的处理系统可以控制喷嘴(126，128，316，416，500，600)，使得喷嘴(126，128，316，416，500，600)被调整。喷嘴(126，128，316，416，500，600)可以包括在包含可变直径的会聚部分(502，606)的喷嘴(126，128，316，416，500，600)中的可变直径的会聚部分(502，606)和可变直径的发散部分(504)。可变直径的发散部分(504)形成扩散器。环部分(510)联接可变直径的会聚部分(502，606)和可变直径的发散部分(504)。在一方面，会聚部分(606)可以使用活塞喷嘴(602)来改变。
在740处，使用经调整的可变直径的会聚部分和经调整的可变直径的发散部分冷喷射零件的至少第二层的第二部分。例如，冷喷射装置100、300、400可以使用经调整的可变直径的会聚部分(502、606)和经调整的可变直径的发散部分(504)冷喷射该零件的至少第二层的第二部分。在框740之后，该方法可以以后续的第一层和第一部分或后续的“第一”部分重复。换句话说，框710的后续执行可以跟随框714。可替代地，该方法可以在执行框740(未示出)之后结束。
提供前面的描述是为了使本领域的任何技术人员能够实践本文描述的各个方面。对于本领域技术人员来说，对贯穿本公开内容给出的这些示例性实施例的各种修改将是显而易见的，并且本文公开的概念可以应用于使用喷射成形的3-D打印技术。因此，权利要求书不意在被局限于贯穿本公开内容给出的示例性实施例，而是符合与各语言权利要求一致的全部范围。本领域普通技术人员已知的或以后将会知道的对贯穿本公开内容描述的示例性实施例的要素的所有结构和功能等同物意在被权利要求书涵盖。此外，本文公开的任何内容都不意在奉献于公众，无论这种公开是否在权利要求书中明确陈述。任何权利要求要素都不应基于35U.S.C§112(f)的条款或适用的司法管辖权内的类似法律进行解释，除非使用短语“用于……的装置”来明确地叙述该要素，或者在方法权利要求的情况中，使用短语“用于……的步骤”来叙述该要素。

Claims (23)

1.一种冷喷射装置，包括：
材料料斗；和
机器人臂，其构造成以多个方向和角度被操纵并且包括冷喷射喷嘴，其中所述冷喷射喷嘴构造成接收来自所述材料料斗的材料以至少形成零件的第一层的第一部分并且包括：
可变直径的会聚部分；
可变直径的发散部分，其形成扩散器；和
环部分，所述环部分联接可变直径的会聚部分和可变直径的发散部分，其中所述环部分在尺寸上能变化并且被构造成控制通向所述扩散器的开口。
2.根据权利要求1所述的冷喷射装置，其中，所述可变直径的会聚部分包括会聚部段。
3.根据权利要求2所述的冷喷射装置，其中，所述会聚部段包括处于所述会聚部段内的一系列铰链和重叠的片，所述铰链和重叠的片被构造为控制所述可变直径的会聚部分的直径。
4.根据权利要求1所述的冷喷射装置，其中，所述可变直径的会聚部分包括活塞喷嘴。
5.根据权利要求4所述的冷喷射装置，其中，所述活塞喷嘴在所述可变直径的会聚部分内的位置被调节为控制扼流点的可用于材料流的部分。
6.根据权利要求5所述的冷喷射装置，其中，所述扼流点在所述可变直径的会聚部分和所述可变直径的发散部分之间。
7.根据权利要求1所述的冷喷射装置，其中，所述可变直径的发散部分包括一系列铰链和重叠的片，其中所述铰链和重叠的片被构造为控制所述可变直径的发散部分的直径。
8.一种冷喷射装置，包括：
材料料斗；
加压气体供给器，其联接到材料料斗；以及
机器人臂，其构造成以多个方向和角度被操纵并且包括冷喷射喷嘴，其中所述冷喷射喷嘴联接到加压气体供给器并被构造成接收来自材料料斗的材料，该冷喷射喷嘴包括：
可变直径的会聚部分；
可变直径的发散部分，所述可变直径的发散部分形成扩散器；和
环部分，所述环部分联接可变直径的会聚部分和可变直径的发散部分，其中所述环部分在尺寸上能变化并且被构造成控制通向所述扩散器的开口。
9.根据权利要求8所述的冷喷射装置，其中，所述可变直径的会聚部分包括会聚部段。
10.根据权利要求9所述的冷喷射装置，其中，所述会聚部段包括处于会聚部段内的一系列铰链和重叠的片，所述铰链和重叠的片被构造为控制所述可变直径的会聚部分的直径。
11.根据权利要求8所述的冷喷射装置，其中，所述可变直径的会聚部分包括活塞喷嘴。
12.根据权利要求11所述的冷喷射装置，其中，所述活塞喷嘴的在所述可变直径的会聚部分内位置被调节为控制扼流点的可用于材料流的部分。
13.根据权利要求12所述的冷喷射装置，其中，所述扼流点在所述可变直径的会聚部分和所述可变直径的发散部分之间。
14.根据权利要求8所述的冷喷射装置，进一步包括能够移动的构建平台。
15.根据权利要求8所述的冷喷射装置，其中，所述可变直径的发散部分包括一系列铰链和重叠的片，其中所述铰链和重叠的片被构造为控制所述可变直径的发散部分的直径。
16.一种冷喷射成形零件的方法，包括：
向机器人臂的喷嘴供给冷喷射材料；
控制所述机器人臂，使得所述喷嘴冷喷射该零件的至少第一层的第一部分，其中所述喷嘴包括可变直径的会聚部分、形成扩散器的可变直径的发散部分、以及联接所述可变直径的会聚部分与所述可变直径的发散部分的环部分，其中所述环部分在尺寸上可变；
调整所述喷嘴中的所述可变直径的会聚部分和所述可变直径的发散部分；以及
使用经调整的可变直径的会聚部分和经调整的可变直径的发散部分以及控制通向扩散器的开口来冷喷射所述零件的至少第二层的第二部分。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一层和所述第二层包括不同的层。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一层和所述第二层包括相同的层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述调整在同一层上连续地进行。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述调整在同一层上频繁地进行。
21.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：通过改变所述喷嘴内的活塞喷嘴的位置来调节穿过扼流点的冷喷射的材料流。
22.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：改变所述喷嘴内的活塞喷嘴的位置，以在零件打印期间改变冷喷射的所得沉积面积。
23.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：改变扼流点和所述可变直径的发散部分的出口直径，以在零件打印期间改变冷喷射的所得沉积面积。
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