CN115780825A - 金属微滴增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属微滴增材制造装置，涉及金属增材制造的技术领域，包括加热机构、送料机构和电磁驱动机构；通过利用熔融液态金属微液滴逐层重熔、凝固并堆积成形，利用金属丝料作为打印耗材，取代了传统金属增材制造所需的昂贵的金属粉末，无需集成昂贵的激光、电弧、电子束设备，也无需烧结等后处理工艺，利用非接触式的电磁驱动方式，将打印材料更换为熔融液态金属物质，利用液态金属具有的磁流体性质，可以产生频率、液滴质量更高的金属微滴，并将其直接用于金属零件的3D打印，缓解了现有技术中存在的原料成本高昂、设备昂贵、打印速率低，造成金属3D打印的成本高的技术问题。

Description

金属微滴增材制造装置

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，尤其是涉及一种金属微滴增材制造装置。

背景技术

金属增材制造技术已经广泛应用于工业领域，适用于复杂、定制化零件的加工制造。常见的金属3D打印方法包括粉末床熔合、粉末馈送、线材馈送或基于粘合剂喷射的方法；这些技术需要高功率激光和惰性环境或广泛的后处理，特别是粘合剂喷射法，它需要在材料喷射后和烧结前进行热解。

因此，现有技术中的金属增材制造需要的金属是金属粉末，需要集成昂贵的激光、电弧、电子束设备，还需要烧结等后处理工艺，进而导致现有技术中的金属增材制造原料成本高昂、设备昂贵、打印速率低，造成现有技术中的金属3D打印的成本仍然居高不下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属微滴增材制造装置，以缓解现有技术中存在的原料成本高昂、设备昂贵、打印速率低，造成金属3D打印的成本高的技术问题。

本发明提供的一种金属微滴增材制造装置，包括：加热机构、送料机构和电磁驱动机构；

所述电磁驱动机构包括励磁电感线圈、坩埚和喷嘴；所述送料机构与所述坩埚内部连通，所述送料机构用于向所述坩埚内输送金属丝料，所述加热机构环形布置于所述坩埚的外部，所述加热机构用于将所述坩埚内的金属丝料加热并熔化，形成液态金属熔池；

所述喷嘴与所述坩埚连接，所述励磁电感线圈环形布置于所述喷嘴的外部，所述励磁电感线圈用于在通电作用下向所述喷嘴内提供洛伦兹力，以控制所述喷嘴内的液态金属形成金属微滴喷射或液滴夹断停止。

在本发明较佳的实施例中，还包括控制主体；

所述控制主体分别与所述送料机构、加热机构和所述电磁驱动机构电信号连接，所述控制主体能够调节所述送料机构的启闭，以控制所述坩埚内的金属熔池液面高度，所述控制主体能够控制所述加热机构的加热温度，且所述控制主体能够控制所述电磁驱动机构中的所述励磁电感线圈两端施加的电压脉冲宽度调制波形。

在本发明较佳的实施例中，还包括壳体和保温层；

所述加热机构、送料机构和电磁驱动机构均安装于所述壳体内部，所述壳体具有夹层，所述保温层填充于所述夹层内，所述保温层沿着所述壳体的圆周方向均匀布置。

在本发明较佳的实施例中，所述壳体包括外壳主体、上端盖、内壳主体和喷嘴外壳；

所述外壳主体开设有容置空间，所述内壳主体位于所述容置空间内，且所述内壳主体与所述外壳主体的内壁抵接，所述上端盖与所述外壳主体的端部密封连接，且所述上端盖与所述内壳主体连接，所述喷嘴外壳套设于所述喷嘴的外部，且所述内壳主体与所述喷嘴外壳抵接固定。

在本发明较佳的实施例中，所述壳体还包括坩埚固定架；

所述坩埚固定架位于所述内壳主体和所述坩埚之间，所述坩埚固定架夹持于所述坩埚的外部，且所述坩埚固定架与所述内壳主体之间通过阶梯卡接固定。

在本发明较佳的实施例中，所述送料机构包括金属丝料供给管路、激光位移传感器和石英视窗；

所述上端盖上开设有观测孔，所述石英视窗与所述观测孔密封连接，且所述石英视窗上开设供料通道，所述金属丝料供给管路通过所述供料通道伸入至所述容置空间内部，且所述金属丝料供给管路与所述坩埚连通，所述金属丝料供给管路与外部金属丝料输送机构连通；

所述激光位移传感器与所述石英视窗对应布置，所述激光位移传感器与所述控制主体电信号连接，所述激光位移传感器用于检测所述坩埚内的金属熔池液面高度信息，并将此高度信息输送至控制主体处，所述控制主体对应控制外部金属丝料输送机构向所述金属丝料供给管路输送金属丝料。

在本发明较佳的实施例中，所述加热机构包括加热圈电极、加热圈、热电偶连接管和热电偶；

所述上端盖上开设有电极孔和热电偶通孔，所述加热圈沿着所述坩埚的外部环形布置，所述加热圈电极贯穿所述电极孔与所述加热圈电性连接，且所述加热圈电极与所述电极孔密封连接；

所述热电偶与所述坩埚的外侧壁贴合，所述热电偶连接管贯穿所述热电偶通孔与所述热电偶电性连接；所述热电偶与所述控制主体电信号连接，所述热电偶用于检测所述坩埚的温度信息，并将此温度信息输送至所述控制主体处，所述控制主体对应控制所述加热圈电极的电压和输出功率。

在本发明较佳的实施例中，所述热电偶连接管与所述热电偶通孔通过陶瓷胶水密封。

在本发明较佳的实施例中，所述上端盖上开设有惰性气体通道，所述惰性气体通道与所述坩埚内部连通。

在本发明较佳的实施例中，所述电磁驱动机构还包括励磁线圈水冷环、水冷环密封盖和密封圈；

所述励磁线圈水冷环位于所述外壳主体远离所述上端盖的一端，所述水冷环密封盖位于所述励磁线圈水冷环和所述外壳主体之间，所述水冷环密封盖分别与所述励磁线圈水冷环和所述外壳主体连接，所述密封圈位于所述励磁线圈水冷环和水冷环密封盖之间，所述励磁线圈水冷环套设于所述喷嘴外壳外部；

所述励磁线圈水冷环开设有环形通道、进水口和出水口，所述进水口和所述出水口分别位于所述环形通道相对的两侧，所述励磁电感线圈容置于所述环形通道内，所述环形通道内用于流动冷却液，以调节所述励磁电感线圈的温度。

本发明提供的金属微滴增材制造装置，包括：加热机构、送料机构和电磁驱动机构；电磁驱动机构包括励磁电感线圈、坩埚和喷嘴；送料机构与坩埚内部连通，送料机构用于向坩埚内输送金属丝料，加热机构环形布置于坩埚的外部，加热机构用于将坩埚内的金属丝料加热并熔化形成液态金属熔池；喷嘴与坩埚连接，励磁电感线圈环形布置于喷嘴的外部，励磁电感线圈用于在通电作用下向喷嘴内提供洛伦兹力，以控制喷嘴内的液态金属形成金属微滴喷射或液滴夹断停止；通过利用熔融液态金属微液滴逐层重熔、凝固并堆积成形，利用金属丝料作为打印耗材，取代了传统金属增材制造所需的昂贵的金属粉末，无需集成昂贵的激光、电弧、电子束设备，也无需烧结等后处理工艺，利用非接触式的电磁驱动方式，将打印材料更换为熔融液态金属物质，利用液态金属具有的磁流体性质，可以产生频率、液滴质量更高的金属微滴，并将其直接用于金属零件的3D打印，缓解了现有技术中存在的原料成本高昂、设备昂贵、打印速率低，造成金属3D打印的成本高的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的金属微滴增材制造装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的金属微滴增材制造装置的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的金属微滴增材制造装置的正电压脉冲段内磁场方向与喷嘴内部金属受力的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的金属微滴增材制造装置的负电压脉冲段内磁场方向与喷嘴内部金属受力的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的金属微滴增材制造装置的电磁驱动机构的俯视结构示意图；

图6为图5实施例提供的金属微滴增材制造装置的A-A剖面结构示意图；

图7为本发明实施例提供的金属微滴增材制造装置的施加脉冲电压波形图；

图8为本发明实施例提供的金属微滴增材制造装置的施加脉冲电流波形图；

图9为本发明实施例提供的金属微滴增材制造装置的励磁电感线圈的充电示意图；

图10为本发明实施例提供的金属微滴增材制造装置的励磁电感线圈的放电示意图。

图标：100-电磁驱动机构；101-励磁电感线圈；102-坩埚；103-喷嘴；104-励磁线圈水冷环；114-环形通道；124-进水口；134-出水口；105-水冷环密封盖；106-密封圈；200-送料机构；201-金属丝料供给管路；202-激光位移传感器；203-石英视窗；300-加热机构；301-加热圈电极；302-加热圈；303-热电偶连接管；304-热电偶；400-壳体；401-外壳主体；411-保温层；402-上端盖；412-惰性气体通道；403-内壳主体；404-喷嘴外壳；405-坩埚固定架；500-金属熔池液面。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图10所示，本实施例提供的一种金属微滴增材制造装置，包括：加热机构300、送料机构200和电磁驱动机构100；电磁驱动机构100包括励磁电感线圈101、坩埚102和喷嘴103；送料机构200与坩埚102内部连通，送料机构200用于向坩埚102内输送金属丝料，加热机构300环形布置于坩埚102的外部，加热机构300用于将坩埚102内的金属丝料加热并熔化，形成液态金属熔池；喷嘴103与坩埚102连接，励磁电感线圈101环形布置于喷嘴103的外部，励磁电感线圈101用于在通电作用下向喷嘴103内提供洛伦兹力，以控制喷嘴103内的液态金属形成金属微滴喷射或液滴夹断停止。

需要说明的是，本实施例提供的金属微滴增材制造装置，其实现原理和方法与现有技术中的金属增材制造技术不同，本实施例通过直接利用熔融液态金属微液滴逐层重熔、凝固并堆积成形，利用金属丝料作为打印耗材，取代了传统金属增材制造所需的昂贵的金属粉末，无需集成昂贵的激光、电弧、电子束设备，也无需烧结等后处理工艺；具体地，基于电磁学和流体力学，将高温熔化的液态金属以极小尺寸球形液滴的形式从喷嘴103中以高频率可控喷射，结合位于喷嘴103下方的位移平台，实现金属材料逐层堆积凝固，最终打印出所需的金属零件。

具体说明，液态金属是一种特殊的不可压缩流体，具有金属的高电导率、高密度、高表面张力和低粘度的性质，可以快速响应空间电磁场的变化，当空间中的磁感应强度矢量场B发生改变时，液态金属中会产生瞬时的感应电动势和感生电流，感生电流与空间中的磁场共同作用，就会在液态金属内部产生洛伦兹力，合理的控制洛伦兹的大小、方向和作用时间，可以在液态金属熔池内部形成脉冲压力波，该脉冲压力波可以沿着竖直方向向下传递至喷嘴103，挤压喷嘴103处的液态金属，使其克服表面张力以液滴形式喷射，由此实现熔融液态金属微滴按需喷射打印；本实施例具有驱动频率高、驱动力强以及非接触式驱动的优势；适用于多种高熔点金属(例如：铝、不锈钢合金、铜合金、钛合金等)，依据不同金属的熔点和电导率不同，在实际操作过程中定量改变装置加热温度和励磁电流参数即可。

本实施例提供的金属微滴增材制造装置，包括：加热机构300、送料机构200和电磁驱动机构100；电磁驱动机构100包括励磁电感线圈101、坩埚102和喷嘴103；送料机构200与坩埚102内部连通，送料机构200用于向坩埚102内输送金属丝料，加热机构300环形布置于坩埚102的外部，加热机构300用于将坩埚102内的金属丝料加热并熔化，形成液态金属熔池；喷嘴103与坩埚102连接，励磁电感线圈101环形布置于喷嘴103的外部，其间隙内填充隔热材料，励磁电感线圈101用于在通电作用下向喷嘴103内提供洛伦兹力，以控制喷嘴103内的液态金属形成金属微滴喷射或液滴夹断停止；通过利用熔融液态金属微液滴逐层重熔、凝固并堆积成形，利用金属丝料作为打印耗材，取代了传统金属增材制造所需的昂贵的金属粉末，无需集成昂贵的激光、电弧、电子束设备，也无需烧结等后处理工艺，利用非接触式的电磁驱动方式，将打印材料更换为熔融液态金属物质，利用液态金属具有的磁流体性质，可以产生频率、液滴质量更高的金属微滴，并将其直接用于金属零件的3D打印，缓解了现有技术中存在的原料成本高昂、设备昂贵、打印速率低，造成金属3D打印的成本高的技术问题。

在上述实施例的基础上，进一步地，在本发明较佳的实施例中，还包括控制主体；控制主体分别与送料机构200、加热机构300和电磁驱动机构100电信号连接，控制主体能够调节送料机构200的启闭，以控制坩埚102内的金属熔池液面500高度，通过向控制主体发送实时液面高度，控制主体能够控制加热机构300的加热温度，且控制主体能够控制电磁驱动机构100中的所述励磁电感线圈101两端施加的电压脉冲宽度调制波形。

本实施例中，控制主体可以具有主控芯片，控制主体可以采用多种，例如：MCU，计算机，PLC控制器等；较佳地，控制主体为MCU，微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)，又称单片微型计算机或者单片机，是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。优选地，控制主体可以由放大电路、单片机和显示器等组成，此处对此不再赘述。

如图3和图4所示，坩埚102和喷嘴103沿着竖直方向布置，当坩埚102和喷嘴103被加热至预设的温度后，在坩埚102和喷嘴103内部形成熔池，熔池的液面高度维持在金属熔池液面500处，内部熔化的液态金属由于重力的作用，具有向下方挤出的趋势，同时喷嘴103下方喷孔处的液态金属受到表面张力的约束，二者共同作用，液态金属会在喷嘴103下方的喷孔处形成弯液面；重力产生的等效压强P_g可以克服一部分表面张力σ。

如图7所示，励磁电感线圈101的正负极与外部的脉冲电源连接，脉冲电源产生正负交替的脉冲电压，该电压波形的上升沿、下降沿时间很短，在时间轴上表现为正、负极性交替。将励磁电感线圈101视为理想电感和纯电阻元器件的串联，当电压波形加载在励磁电感线圈101两极时，在正向电压作用下，励磁电感线圈101内部形成充电电流，电流以一定斜率逐渐增大，正向脉冲电压归零后，充电结束；在负向电压的作用下，励磁电感线圈101内的电流以一定速率减小，通过合理控制正、负脉冲持续的时间长度，可以形成如图8所示的三角波电流。

由Maxwell(麦克斯韦)方程可知，当脉冲电源提供正向电压时，电源向励磁电感线圈101内部充电，线圈内部的磁场B、液态金属内部的感生电流方向如图3所示，此时液态金属会受到洛伦兹力的作用，洛伦兹力的方向(箭头所指方向)如图3所示，洛伦兹力会以体积力的形式加载在液态金属中，在脉冲洛伦兹力的作用下，喷嘴103中心形成高压区，驱动液态金属从下方的喷孔以液滴的形式挤出。同理，当负向电压作用在励磁电感线圈101两端时，励磁电感线圈101内部电流迅速释放，此时励磁电感线圈101内部的磁场方向、液态金属内部的感生电流方向和洛伦兹力方向如图4所示，液态金属受到沿径向向外的作用力，喷嘴103中心形成低压区，驱使液态金属从喷嘴103底部喷孔处收缩，将上一过程中挤出的金属液滴夹断。由此，在正向电压脉冲和负向电压脉冲的共同作用下，单个金属液滴被挤出喷嘴103并发生可靠夹断，产生速度方向竖直向下的熔融液态金属微滴。

基于上述过程为单个周期内熔融液态金属微滴的产生过程，在装置运行过程中，可以通过改变施加电压脉冲的频率和占空比，从而控制坩埚102内部的熔融液态金属从喷嘴103底部喷孔以不同频率喷射，得到发射频率很高的金属“液滴串”，用于金属增材制造工艺。

在本发明较佳的实施例中，还包括壳体400和保温层411；加热机构300、送料机构200和电磁驱动机构100均安装于壳体400内部，壳体400具有夹层，保温层411填充于夹层内，保温层411沿着壳体400的圆周方向均匀布置。

本实施例中，壳体400作为整体结构的防护结构，通过将加热机构300、送料机构200和电磁驱动机构100安装于壳体400内部，利用壳体400环形布置有保温层411，保证了加热机构300对坩埚102以及喷嘴103内的金属丝料的加热熔融，同时还能够保证装置的整体性和密封要求。

在本发明较佳的实施例中，壳体400包括外壳主体401、上端盖402、内壳主体403和喷嘴外壳404；外壳主体401开设有容置空间，内壳主体403位于容置空间内，且内壳主体403与外壳主体401的内壁抵接，上端盖402与外壳主体401的端部密封连接，且上端盖402与内壳主体403连接，喷嘴外壳404套设于喷嘴103的外部，且内壳主体403与喷嘴外壳404抵接固定。

本实施例中，外壳主体401在依次上端盖402、内壳主体403和喷嘴外壳404装配过程中需要保持良好的气密性，其中，外壳主体401可以柱状结构，外壳主体401的一端具有开口，外壳主体401的另一端开设有喷嘴通道，内壳主体403能够容置装配于容置空间内部，并且上端盖402能够与外壳主体401的开口呈密封装配，并且上端盖402能够与内壳主体403装配抵接，通过内壳主体403能够对加热机构300和坩埚102形成支撑固定，并且当喷嘴103沿着喷嘴通道贯穿布置时，可以通过喷嘴外壳404对喷嘴103外部形成防护；其中，保温层411可以沿着外壳主体401的环形布置，通过外壳主体401和保温层411能够保证容置空间的温度。

在本发明较佳的实施例中，壳体400还包括坩埚固定架405；坩埚固定架405位于内壳主体403和坩埚102之间，坩埚固定架405夹持于坩埚102的外部，且坩埚固定架405与内壳主体403之间通过阶梯卡接固定。

本实施例中，坩埚固定架405可以采用环形支撑板，坩埚固定架405能够夹持固定于坩埚102的外部，并且坩埚固定架405可以与内壳主体403的内壁通过阶梯依次卡接固定，利用坩埚固定架405能够保证坩埚102以及喷嘴103沿着喷嘴通道延伸竖直布置。

在本发明较佳的实施例中，送料机构200包括金属丝料供给管路201、激光位移传感器202和石英视窗203；上端盖402上开设有观测孔，石英视窗203与观测孔密封连接，且石英视窗203上开设供料通道，金属丝料供给管路201通过供料通道伸入至容置空间内部，且金属丝料供给管路201与坩埚102连通，金属丝料供给管路201与外部金属丝料输送机构连通；激光位移传感器202与石英视窗203对应布置，激光位移传感器202与控制主体电信号连接，激光位移传感器202用于检测坩埚102内的金属熔池液面500高度信息，并将此高度信息输送至控制主体处，控制主体对应控制外部金属丝料输送机构向金属丝料供给管路201输送金属丝料。

本实施例中，坩埚102内的熔融液态金属会以高频液滴的形式(通常几十至几百Hz)从喷嘴103向下喷出，金属熔池液面500会随着喷射的进行逐渐降低，激光位移传感器202向液面发射一束激光束，激光束穿过液面上方的石英视窗203，在金属熔池液面500上表面发生发射，反射的激光束被激光位移传感器202接收，将金属熔池液面500与激光位移传感器202的相对距离换算为坩埚102内液态金属液面的实时高度；通过控制主体实时采集激光位移传感器202输出的液面高度模拟量，并控制送料机将金属丝料从金属丝料供给通道送入坩埚102内部，新送入的金属丝料在熔池上方熔化后持续补充坩埚102内的金属，从而维持金属熔池液面500的动态稳定。

在本发明较佳的实施例中，加热机构300包括加热圈电极301、加热圈302、热电偶连接管303和热电偶304；上端盖402上开设有电极孔和热电偶304通孔，加热圈302沿着坩埚102的外部环形布置，加热圈电极301贯穿电极孔与加热圈302电性连接，且加热圈电极301与电极孔密封连接；热电偶304与坩埚102的外侧壁贴合，热电偶连接管303贯穿热电偶304通孔与热电偶304电性连接；热电偶304与控制主体电信号连接，热电偶304用于检测坩埚102的温度信息，并将此温度信息输送至控制主体处，控制主体对应控制加热圈电极301的电压和输出功率。

本实施例中，加热圈电极301包括两个加热圈电极301，两个加热圈电极301从上端盖402的电极孔贯穿，其下方分别与内壳主体403内部的加热圈302的两端相连，两个加热圈电极301伸出上端盖402的端部分别与外部低压温控电源的正负极相连，保证电极间接触良好，并尽量减小电极间的接触电阻，避免电极处过度发热，具体的电阻是根据装置整体的发热功率和外部低压温控电源的输出电压共同确定的。

进一步地，热电偶连接管303贯穿上端盖402的热电偶304通孔伸入至容置空间内部，热电偶304通过热电偶连接管303与控制主体连接；通过在控制主体预设金属材料类型，根据所需打印的金属材料类型，合理设计加热圈302的总电阻以及外部低压温控电源的电压和输出功率，可以将容置空间内部的坩埚102和喷嘴103加热并保持在指定温度，并保证坩埚102内部的金属材料可靠熔化。举例说明，针对不同金属材料的加热温度范围为：铝(800℃～850℃)、铜(1300℃～1400℃)、316L不锈钢(1300℃～1400℃)。

可选地，加热圈电极301可以多种，例如：石墨加热圈电极301或者陶瓷加热圈电极301等，优选地，加热圈电极301可以采用石墨加热圈电极301。

为保证容置空间内部的气密性，在本发明较佳的实施例中，热电偶连接管303与热电偶304通孔通过陶瓷胶水密封。

在本发明较佳的实施例中，上端盖402上开设有惰性气体通道412，惰性气体通道412与坩埚102内部连通。

本实施例中，工作过程中，具有微正压(大于1atm)的惰性气体(例如：氩气)从惰性气体通道412进入容置空间内部，并从喷嘴外壳404下方的开孔处包裹熔融金属微滴一起排出，在容置空间内部形成流动的惰性气体氛围，保护加热圈302、坩埚102、喷嘴103和内部的金属熔池，防止其在高温环境下发生氧化。

在本发明较佳的实施例中，电磁驱动机构100还包括励磁线圈水冷环104、水冷环密封盖105和密封圈106；励磁线圈水冷环104位于外壳主体401远离上端盖402的一端，水冷环密封盖105位于励磁线圈水冷环104和外壳主体401之间，水冷环密封盖105分别与励磁线圈水冷环104和外壳主体401连接，密封圈106位于励磁线圈水冷环104和水冷环密封盖105之间，励磁线圈水冷环104套设于喷嘴外壳404外部；励磁线圈水冷环104开设有环形通道114、进水口124和出水口134，进水口124和出水口134分别位于环形通道114相对的两侧，励磁电感线圈101容置于环形通道114内，环形通道114内用于流动冷却液，以调节励磁电感线圈101的温度。

本实施例中，励磁线圈水冷环104环形布置于喷嘴103的外部，并且励磁电感线圈101位于环形通道114，环形通道114能够作为密封空间容置励磁电感线圈101，为了保证环形通道114内的温度范围，通过在环形通道114相对的两侧开设有进水口124和出水口134，利用进水口124向环形通道114内输送冷却液，利用冷却液与励磁电感线圈101换热后通过出水口134排出，保证了励磁电感线圈101以及励磁线圈水冷环104的整体温度范围；进一步地，励磁线圈水冷环104通过水冷环密封盖105与外壳主体401抵接密封连接，励磁线圈水冷环104与水冷环密封盖105通过密封圈106形成密封，优选地，密封圈106可以采用O型圈。

本实施例提供的金属微滴增材制造装置，能够结合3D金属打印控制软件，将金属微滴增材制造装置安装于可以沿竖直方向上下移动的导轨滑台之上，并在金属微滴增材制造装置下方设置二维位移平台，沿两个互相垂直的方向任意移动，由此构成3D打印的位移机构。打印基板可以采用高温陶瓷加热板，打印过程中根据打印金属材料设置对应的基板温度，通常打印基板的温度需要略低于金属材料的熔点。使用切片软件将三维零件逐层切片处理，并给出G代码(G-code)格式的路径文件，使用上位机控制三维位移滑台按G代码规划的路径产生对应的位移。在打印过程中，由于零件具有复杂的几何结构，金属微滴增材制造装置在逐层喷射沉积液态金属微滴的过程中需要反复多次开启和关闭。因此，需要通过外部脉冲电源产生合理的电压电流参数，使得高频金属液滴的喷射状态(形态、尺寸)在开、关过程中能够保持稳定。金属微滴增材制造装置的开启、关闭控制信号均由控制主体发出，控制主体通过产生一组对称的PWM(脉冲宽度调制)波形，控制IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件导通，即可实现对脉冲电源输出电压波形的控制。

具体地，控制主体实时监测当前打印路径内是否需要金属液滴填充，如果需要金属液滴填充，则向脉冲电源发出双路对称PWM波信号，脉冲电源输出正负间隔脉冲，向励磁电感线圈101反复充电、放电；如果当前打印路径内无需金属液滴填充，则停止PWM波输出，脉冲电源也停止输出脉冲电压，励磁电感线圈101内部无充、放电电流，液滴喷射因此停止。如图9所示，控制主体产生两路PWM波并同时加载在H桥回路(电子电路)中的IGBT(Q1～Q4)上，当Q1和Q4为高电平段，Q2和Q3为低电平段，Q1和Q4导通，Q2和Q3截止，电源VCC沿箭头方向向励磁电感线圈101充电，励磁电感线圈101内部形成充电电流，对应图8三角波(近似)的上升沿；如图10所示，当Q1和Q4为低电平段，Q2和Q3为高电平段，Q1和Q4截止，Q2和Q3导通，施加在励磁电感线圈101两端的电压反向，线圈内部电流迅速释放，该过程对应图8三角波(近似)的下降沿；当四个IGBT(Q1～Q4)均截止时，励磁电感线圈101两侧无电压输入，此时电磁驱动金属微滴喷射过程停止。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种金属微滴增材制造装置，其特征在于，包括：加热机构(300)、送料机构(200)和电磁驱动机构(100)；

所述电磁驱动机构(100)包括励磁电感线圈(101)、坩埚(102)和喷嘴(103)；所述送料机构(200)与所述坩埚(102)内部连通，所述送料机构(200)用于向所述坩埚(102)内输送金属丝料，所述加热机构(300)环形布置于所述坩埚(102)的外部，所述加热机构(300)用于将所述坩埚(102)内的金属丝料加热并熔化，形成液态金属熔池；

所述喷嘴(103)与所述坩埚(102)连接，所述励磁电感线圈(101)环形布置于所述喷嘴(103)的外部，所述励磁电感线圈(101)用于在通电作用下向所述喷嘴(103)内提供洛伦兹力，以控制所述喷嘴(103)内的液态金属形成金属微滴喷射或液滴夹断停止。

2.根据权利要求1所述的金属微滴增材制造装置，其特征在于，还包括控制主体；

所述控制主体分别与所述送料机构(200)、加热机构(300)和所述电磁驱动机构(100)电信号连接，所述控制主体能够调节所述送料机构(200)的启闭，以控制所述坩埚(102)内的金属熔池液面(500)高度，所述控制主体能够控制所述加热机构(300)的加热温度，且所述控制主体能够控制所述电磁驱动机构(100)中的所述励磁电感线圈(101)两端施加的电压脉冲宽度调制波形。

3.根据权利要求2所述的金属微滴增材制造装置，其特征在于，还包括壳体(400)和保温层(411)；

所述加热机构(300)、送料机构(200)和电磁驱动机构(100)均安装于所述壳体(400)内部，所述壳体(400)具有夹层，所述保温层(411)填充于所述夹层内，所述保温层(411)沿着所述壳体(400)的圆周方向均匀布置。

4.根据权利要求3所述的金属微滴增材制造装置，其特征在于，所述壳体(400)包括外壳主体(401)、上端盖(402)、内壳主体(403)和喷嘴外壳(404)；

所述外壳主体(401)开设有容置空间，所述内壳主体(403)位于所述容置空间内，且所述内壳主体(403)与所述外壳主体(401)的内壁抵接，所述上端盖(402)与所述外壳主体(401)的端部密封连接，且所述上端盖(402)与所述内壳主体(403)连接，所述喷嘴外壳(404)套设于所述喷嘴(103)的外部，且所述内壳主体(403)与所述喷嘴外壳(404)抵接固定。

5.根据权利要求4所述的金属微滴增材制造装置，其特征在于，所述壳体(400)还包括坩埚固定架(405)；

所述坩埚固定架(405)位于所述内壳主体(403)和所述坩埚(102)之间，所述坩埚固定架(405)夹持于所述坩埚(102)的外部，且所述坩埚固定架(405)与所述内壳主体(403)之间通过阶梯卡接固定。

6.根据权利要求4所述的金属微滴增材制造装置，其特征在于，所述送料机构(200)包括金属丝料供给管路(201)、激光位移传感器(202)和石英视窗(203)；

所述上端盖(402)上开设有观测孔，所述石英视窗(203)与所述观测孔密封连接，且所述石英视窗(203)上开设供料通道，所述金属丝料供给管路(201)通过所述供料通道伸入至所述容置空间内部，且所述金属丝料供给管路(201)与所述坩埚(102)连通，所述金属丝料供给管路(201)与外部金属丝料输送机构连通；

所述激光位移传感器(202)与所述石英视窗(203)对应布置，所述激光位移传感器(202)与所述控制主体电信号连接，所述激光位移传感器(202)用于检测所述坩埚(102)内的金属熔池液面(500)高度信息，并将此高度信息输送至控制主体处，所述控制主体对应控制外部金属丝料输送机构向所述金属丝料供给管路(201)输送金属丝料。

7.根据权利要求4所述的金属微滴增材制造装置，其特征在于，所述加热机构(300)包括加热圈电极(301)、加热圈(302)、热电偶连接管(303)和热电偶(304)；

所述上端盖(402)上开设有电极孔和热电偶(304)通孔，所述加热圈(302)沿着所述坩埚(102)的外部环形布置，所述加热圈电极(301)贯穿所述电极孔与所述加热圈(302)电性连接，且所述加热圈电极(301)与所述电极孔密封连接；

所述热电偶(304)与所述坩埚(102)的外侧壁贴合，所述热电偶连接管(303)贯穿所述热电偶(304)通孔与所述热电偶(304)电性连接；所述热电偶(304)与所述控制主体电信号连接，所述热电偶(304)用于检测所述坩埚(102)的温度信息，并将此温度信息输送至所述控制主体处，所述控制主体对应控制所述加热圈电极(301)的电压和输出功率。

8.根据权利要求7所述的金属微滴增材制造装置，其特征在于，所述热电偶连接管(303)与所述热电偶(304)通孔通过陶瓷胶水密封。

9.根据权利要求4所述的金属微滴增材制造装置，其特征在于，所述上端盖(402)上开设有惰性气体通道(412)，所述惰性气体通道(412)与所述坩埚(102)内部连通。

10.根据权利要求4-9任一项所述的金属微滴增材制造装置，其特征在于，所述电磁驱动机构(100)还包括励磁线圈水冷环(104)、水冷环密封盖(105)和密封圈(106)；

所述励磁线圈水冷环(104)位于所述外壳主体(401)远离所述上端盖(402)的一端，所述水冷环密封盖(105)位于所述励磁线圈水冷环(104)和所述外壳主体(401)之间，所述水冷环密封盖(105)分别与所述励磁线圈水冷环(104)和所述外壳主体(401)连接，所述密封圈(106)位于所述励磁线圈水冷环(104)和水冷环密封盖(105)之间，所述励磁线圈水冷环(104)套设于所述喷嘴外壳(404)外部；

所述励磁线圈水冷环(104)开设有环形通道(114)、进水口(124)和出水口(134)，所述进水口(124)和所述出水口(134)分别位于所述环形通道(114)相对的两侧，所述励磁电感线圈(101)容置于所述环形通道(114)内，所述环形通道(114)内用于流动冷却液，以调节所述励磁电感线圈(101)的温度。

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