CN116368010A - 改进的金属沉积系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种产生熔融金属微滴的系统和方法。该系统可以用于3D打印。该系统依赖微滴相对于金属微线的末端的动量变化，以使微滴从金属微线的末端分离。动量变化可以通过使用振动的打印头来产生。在其他实施例中，质量块撞击打印头，以使微滴从金属微线分离。金属微线可以使用比如激光器、感应线圈或等离子电弧等热源加热。

Description

改进的金属沉积系统

本申请要求于2020年9月3日提交的美国临时专利申请第63/074,261号的优先权，该申请的公开内容通过援引全部纳入本文。

技术领域

本公开的实施例涉及用于按需生成或产生熔融金属微滴的装置、系统、方法和工艺，用于增材制造、对物体和部件的分层创建、3D打印或液态金属打印。

背景技术

在液态金属打印领域，熔融金属微滴用于通过将微滴分层地分配到构建平台上来构建三维(3D)部件和物体。通常使用各种工艺。

一种这样的工艺通过使用激光能量爆发将熔融金属微滴从金属微线的末端分离，激光能量爆发在用作喷嘴的通道或管内蒸发一些熔融金属，并将蒸发推动的熔融金属微滴引导到期望的轨迹上。

其他工艺通常包括贮器、坩埚、池或熔融金属的其他容器，使用单个喷嘴或在某些情况下使用多个喷嘴从熔融金属中产生微滴。对于商业上可行的金属增材制造工艺，任何对单个喷嘴或多个喷嘴给料的坩埚都带来许多挑战，包括：

·熔融金属微滴的轨迹的一致性和可重复性；

·多喷嘴情景下的按需滴落；

·金属产量的可扩展性；

·高温材料；

·控制系统的复杂性；

·维护范围和间隔；以及

·故障间隔时间。

如上所述，这些工艺有缺点。因此，如果有系统和方法允许在不使用熔融金属池和喷嘴的情况下产生熔融金属微滴，则将是有利的。此外，如果此系统和方法不依赖导向槽或金属的蒸发，将是有利的。

发明内容

公开了一种产生熔融金属微滴的系统和方法。该系统可以用于3D打印。该系统依赖微滴相对于金属微线的末端的动量变化，以使微滴从金属微线的末端分离。动量变化可以通过使用振动的打印头来产生。在其他实施例中，质量块撞击打印头，以使微滴从金属微线分离。金属微线可以使用比如激光器、感应线圈或等离子电弧等热源加热。

根据一个实施例，公开了一种用于按需形成熔融金属微滴的系统。该系统包括：托架；致动器，其中，金属微线由该致动器推动；热源，该热源定位在金属微线的末端附近，从而使金属微线的末端被加热到超过其熔点，使得形成微滴；以及机构，该机构产生托架的动量变化，其中，微滴相对于金属微线的末端的动量变化使微滴从金属微线的末端分离。在某些实施例中，该系统还包括基材，该基材用于接纳微滴，其中，基材能够沿着X、Y和Z方向相对于托架移动。在一些实施例中，托架设置在直线引导件之间，使得托架的运动被直线引导件限制在一个方向上。在某些实施例中，微滴相对于金属微线的末端的动量变化通过托架在直线引导件内的振动运动完成。在一些实施例中，微滴相对于金属微线的末端的动量变化通过托架的振动运动相对直线引导件硬止动完成。在某些实施例中，微滴相对于金属微线的末端的动量变化通过质量块撞击托架而向微滴进行动量传递来完成。在一些实施例中，热源包括用于发射激光束的激光器。在一些实施例中，来自激光器的光通过光纤电缆输送到在金属微线的末端附近的区域。在一些实施例中，光纤电缆包括透镜，该透镜用于将激光束聚焦在金属微线的末端上。在一些实施例中，热源包括感应线圈，该感应线圈围绕金属微线的末端定位。在一些实施例中，热源包括两个电极，其中，对两个电极中的至少一个电极施加电压，以在金属微线的末端附近产生等离子电弧。在一些实施例中，热源包括电极，其中，对电极和金属微线中的至少一者施加电压，以在金属微线的末端附近产生等离子电弧。在某些实施例中，该系统包括至少第二致动器，其中，多个金属微线供料各自由其相应的致动器给送，并且每个金属微线供料都被热源熔化，其中，每个微滴由于微滴相对于相应的金属微线的动量变化而分离。在某些实施例中，热源附接到托架，并且在托架正在运动时，致动器朝向热源给送金属微线。在一些实施例中，热源附接到直线引导件之一，使得热源不随着托架运动。在某些实施例中，托架沿着上下方向运动。在一些实施例中，致动器安装在托架上。在一些实施例中，热源被设计成使得施加到金属微线的末端的热能的量和比率使得末端上方的金属微线保持为固体。在某些实施例中，由于金属微线的主动温度管理(比如经由传导或对流)，末端上方的金属微线保持为固体。

附图说明

为了更好地理解本公开，请参考附图，这些附图通过援引而并入本文，在附图中：

图1示出了根据一个实施例的用于熔融金属的沉积的设备；以及

图2示出了根据一个实施例的打印头；

图3示出了根据第二实施例的打印头；

图4A至图4D示出了将微滴与金属微线分离的一个机构；

图5A至图5D示出了将微滴与金属微线分离的第二机构；

图6A至图6D示出了将微滴与金属微线分离的第三机构；

图7A至图7B示出根据另一个实施例的打印头；

图8示出了具有固定热源的打印头；以及

图9A至图9D示出了使用固定热源加热并将微滴与金属微线分离的一个机构。

具体实施方式

图1示出了产生熔融金属微滴的设备。这些熔融金属微滴用于通过将微滴分层地分配到构建平台上来构建三维(3D)部件和物体。

该设备包括一个或多个金属线源1。这些金属线源1可以是金属微线盒、卷轴或供应装置。在采用超过一个金属线源1的实施例中，这些金属线源1可以包含相同或不同类型的金属微线。打印头2与金属线源1连通。打印头2产生熔融金属微滴3，这些熔融金属微滴朝向构建平台4喷射，在该构建平台上分层产生金属部件。

比如计算机、服务器、专用微控制器或其他合适的处理单元等控制器5向该设备提供指令。控制器5可以直接附接到设备，或可以通过网络或因特网通信。

从控制器到设备的指令根据要产生的期望部件得到。该期望部件被切成多个截面区，每个截面区都对应于设备将构建部件所用的层中的相应一个层。

金属微线7的直径可以在50微米至3000微米的范围内。金属微线7从金属线源1推动到打印头2可以通过使用压电致动器、步进电机或音圈来实现。在某些实施例中，有单个致动器来推动金属微线。在其他实施例中，可以使用一起工作的多个致动器。

打印头2可以包含单个熔融金属微滴发生器或熔融金属微滴发生器的阵列，每个熔融金属微滴发生器都被供应有相同类型的金属微线或不同类型的金属微线。打印头2通过使用熔融金属微滴发生器朝向构建平台4喷射熔融金属微滴3。打印头2能够以最大频率喷射微滴。在微滴之间的最小时间可以被称为微滴生成周期。此外，打印头2能够跳过一个或多个微滴，也被称为按需滴落。在XY平面上，打印头2和构建平台4以向量、工具路径类型的轨迹或光栅扫描类型的运动相对彼此运动。喷射的熔融金属微滴3根据控制器5发出的指令分层铺设。如上所述，三维部件或物体由多层构建而成。打印头2和构建平台4也可以沿着Z方向更多地相对彼此。

图2示出了打印头2的放大图。打印头2包括托架6，该托架保持金属微线7。托架6由设置在托架6的相反侧的直线引导件11保持。托架6可能够相对于直线引导件11比如沿着上下方向运动。在某些实施例中，直线引导件11将托架的运动限制在只有一个方向，比如上下、左右或前后。例如，可以使用杆15或其他刚性构件将托架6连接到比如气缸等旋转部件16。旋转部件16可以由电机以固定或可变的转速(RPM)驱动。杆15在不是旋转轴线的位置处联接到旋转部件16。旋转部件16的中心是固定的，使得旋转部件16的旋转使杆15以往复方式运动，从而使托架6相对于直线引导件11运动。旋转部件16可以以打印头的最大频率旋转，使得托架6上下运动，用于生成每个微滴。在某些实施例中，托架6可以沿着X或Y方向相对于直线引导件11运动。

在托架6内可以有一个或多个致动器8，用于推动金属微线7穿过托架6。在一些实施例中，致动器8可以位于托架6上。在其他实施例中，致动器8可以是位于托架6之外的定位器，在这种情况下，柔性驱动轴可以将托架6连接到致动器8。致动器8可以是压电装置或电机。将金属微线7推动，其方式为可以控制推动距离。

可以使用多种不同的热源来加热金属微线7的末端，以形成金属微滴13。

在一个实施例中，比如光纤电缆等光导管9可以设置在托架6附近。激光束形式的光可以通过光导管9传输。光导管9可以具有弧形部分，使得激光束聚焦在金属微线7的端部。光纤电缆可以包括透镜10，用于将出射光束聚焦在金属微线7的末端处。来自激光束的能量可以使金属微线7的末端从固体转变成液体，从而形成微滴。

在另一个实施例中，可以不使用激光器。相反，可以使用比如感应线圈等不同的热源来加热金属微线7的末端，以产生液体。此实施例在图3中示出。类似的部件已经被给予了相同的附图标记。在此实施例中，激光器被感应线圈14替代，该感应线圈可以环绕金属微线7的末端。当向感应线圈14施加根据感应线圈14的特性和感应线圈中金属微线的材料、直径和长度所确定的功率量时，金属微线7的末端被加热并转变成液体状态。

在另一个实施例中，用于熔化金属微线7的末端的热源可能不是激光器或感应线圈，而是等离子电弧。图7A和图7B示出了利用等离子电弧19的实施例。类似的部件已经被给予了相同的附图标记。在图7A所示的实施例中，通过在两个电极18的间隙上施加电势，在这两个电极之间产生等离子电弧19，该间隙可以填充或可以不填充空气以外的气体(比如保护气体)。施加到电极18的电压可以是交流电压或直流电压。电压的大小可以根据电极18之间的距离、金属微线7的厚度和使用的金属类型来确定。电压可以施加到一个电极或两个电极。本领域的技术人员可以根据这些参数容易地确定电压的适当大小。等离子电弧19足够热到将金属微线7从固体熔化为液体。将金属微线7的末端推动到等离子电弧19中，该等离子电弧将加热金属微线7并使金属微线转变到液体状态。

在图7B所示的实施例中，金属微线7的末端作为产生等离子电弧19的两个电极18之一，该等离子电弧也将加热金属微线7并使金属微线转变成液体状态。在某些实施例中，金属微线7接地，并且对电极18供应电压，该电压可以是交流电压或直流电压。进一步，施加到电极18的电压可以是正的或负的。在其他实施例中，此电压可以施加到金属微线7。在又其他实施例中，将电压施加到金属微线7和电极18两者。这些电压可以是交流的或直流的，可以是正的或负的，而且大小可以不同。

在一些实施例中，设计热源，使得施加到金属微线7的末端的热能的量和比率使得末端7上方的金属微线保持为固体。在其他实施例中，由于金属微线的主动温度管理(比如经由传导或对流)，末端上方的金属微线7保持为固体。

在所有实施例中，微滴的大小由金属微线7被致动器8所推动的距离控制。在一些实施例中，金属微滴13的直径可以在150微米至3000微米的范围内。此外，一个或多个微滴可以通过不推动金属微线7而被跳过。

在某些实施例中，在直线引导件11上可以设置有硬止动件12。

金属微滴13可以通过动量变化从金属微线7的末端分离。描述了三个不同的实施例，每个实施例都能够产生动量变化，该动量变化向金属微滴13施加可以超过10G的力。在某些实施例中，力超过100G。在一些实施例中，施加到金属微滴13的力可以是1000G或以上的量级，从而将重力对微滴分离取向和后续轨迹的影响降低至最低。

在图4A至图4D所示的第一实施例中，使用振动释放金属微滴13。首先，如图4A所示，由于旋转部件16的旋转，托架6开始沿着第一振动方向运动。这可以是向下方向。如图4B所示，当托架6沿着第一振动方向运动时，金属微线7被致动器8推动，并且线末端从固相熔化为液相。形成微滴的金属的量由致动器8的速度、托架6的速度和微线的直径确定。熔融金属微滴接纳运动方向。在振动运动结束时，如图4C所示，托架6减速、改变方向以及沿着第二相反方向再次加速。减速率、加速率、振动运动行进的速度和距离根据微线直径、微滴直径和微滴质量来选择，以迫使金属微滴13从金属微线7分离，并保证金属微滴13沿着在振动运动的原始第一方向期间所经受的方向继续其运动(见图4B)。如图4D所示，托架6沿着第二相反方向行进，直到其到达原始位置，在该原始位置处，托架减速、改变方向并再次加速，以开始下一个周期循环。请注意，尽管图4A至图4D示出了沿着Z方向发生的振动，但是托架6和直线引导件11可以被配置为使得振动沿着X或Y方向发生。尽管图4A至图4D示出了具有激光器的打印头，但可以理解，相同的顺序应用于具有比如感应线圈或等离子电弧等另一热源的打印头。

在图5A至图5D所示的第二实施例中，金属微滴13通过硬止动件使用振动来释放。此实施例类似于之前的实施例。首先，如图5A所示，由于旋转部件16的旋转，托架6沿着第一振动方向运动。这可以是向下方向。如图5B所示，当托架6沿着第一振动方向运动时，金属微线7被致动器8推动，并且线末端从固相熔化为液相。形成微滴的金属的量由致动器8的速度、托架6的速度和微线的直径确定。熔融金属微滴经受该运动方向。在振动运动结束时，如图5C所示，托架6减速、撞击硬止动件12、改变方向并沿着相反方向再次加速。减速率、加速率、振动运动行进的速度和距离根据微线直径、微滴直径和微滴质量来选择，以迫使金属微滴13从金属微线7分离，并保证金属微滴13沿着在振动运动的原始第一方向期间所经受的方向继续其运动(见图5B)。在某些实施例中，托架6在撞击硬止动件12之前可以不减速。如图5D所示，托架6沿着第二相反方向行进，直到其到达原来位置，在该原来位置处，托架减速、改变方向并再次加速，以开始下一个周期的循环。请注意，尽管图5A至图5D示出了沿着Z方向发生的振动，但是托架6和直线引导件11可以被配置为使得振动沿着X或Y方向发生。此外，尽管图5A至图5D示出了具有激光器的打印头，但可以理解，相同的顺序应用于具有比如感应线圈或等离子电弧等另一热源的打印头。

在如图6A至图6D所示的第三实施例中，使用动量传递释放金属微滴13。在此实施例中，托架接触周期性的动量传递。首先，如图6B所示，当托架6沿着第一振动方向运动时，金属微线7被推动，并且线末端从固相熔化为液相。形成微滴的金属的量由致动器8的速度、托架6的速度和微线的直径确定。形成期望的微滴后，托架6沿着微滴运动的期望方向经受动量，并将该动量传递到熔融金属微滴，如图6C所示。例如，在一个实施例中，托架6是静止的。杆15与质量块17连通。当旋转部件16旋转时，质量块17上下运动。杆15和质量块17的尺寸被设置为使得质量块17在其冲程的底部冲击托架6。在经受动量后，金属微滴13就与金属微线7分离，并沿着动量的方向运动，如图6D所示。下一个周期循环开始。此外，尽管图6A至图6D示出了具有激光器的打印头，但可以理解，相同的顺序应用于具有比如感应线圈或等离子电弧等另一热源的打印头。

尽管之前图中的每个图都示出了热源被安装或联接到托架，但是其他的实施例也是可以的。例如，如图8所示，热源20(其可以是激光束、感应线圈或等离子电弧)不固定到托架6，而是相对于直线引导件11保持静止。此实施例的其他方面类似于上面描述的那些实施例，类似的部件也被给予了相同的附图标记。在此实施例中，热源20位于振动逆转方向并且金属微滴13与金属微线7的末端分离的点处。

图9A至图9D示出了图8的打印头的操作。如图9A所示，在托架6开始沿着第一方向运动的同时，事件的顺序以金属微线7处于全速前进位置中开始。这可以是向下方向。托架6的运动将使金属微线7插入热源20中，该热源将把金属微线7从固体形状融化成液体形状。在沿着第一方向的运动期间，金属微线7被致动器8持续推动到热源中，从而增加用于形成微滴的金属量。在振动运动结束时，如图9C所示，托架6减速、改变方向以及沿着第二相反方向再次加速。减速率、加速率、振动运动行进的速度和距离根据微线直径、微滴直径和微滴质量来选择，以迫使金属微滴13从金属微线7分离，并保证金属微滴13沿着在振动运动的原始第一方向期间所经受的方向继续其运动，如图9C所示。如图9D所示，托架6沿着第二相反方向行进，直到其到达其减速的原始位置。在沿着第二方向运动期间，推动金属微线7，以开始下一个周期循环。机构的此实施例在事件的正时方面具有优点，并且可以用于实现某些频率的微滴生成。

尽管没有显示，但是图5A至图5D和图6A至图6D中的实施例也可以使用相对于直线引导件11保持静止的热源来实现。

在这些实施例中的每个实施例中，控制器5可以与致动器8、控制旋转部件16的电机以及热源通信，以执行本文所述的动作。

本文所述的所有实施例都可以在各种非竖直取向上使用。如上所述，施加在金属微滴13上并使金属微滴13与金属微线7分离的力可以远大于重力。动量的方向(其也是打印头振动的方向)将被金属微滴13支持并确定其轨迹。在非竖直取向上，重力对微滴的轨迹的影响小，从而可能使其他直的轨迹略微弯曲。与熔融金属表面张力的力相比，重力对亚毫米级熔融金属微滴的影响也小，从而在竖直平台上能够逐层制造熔融金属微滴结构。

本公开中描述的实施例可以具有许多优点。微滴的分离可以更易预测，此分离的正时也可以更易预测。此外，本系统有能力从不同类型的金属产生更高温度的微滴。此系统还允许微滴可以分离的频率更高。该系统还可以平行化为微滴发生器的阵列，从而使产量更高和单位成本更低。

本公开的范围不受本文所述具体实施例的限制。事实上，除了本文描述的那些，通过前面的描述和附图，本公开的其他各种实施例和修改对于本领域的普通技术人员来说是明显的。因此，这样的其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。另外，尽管本文已在特定环境中为特定目的在特定实现方式的上下文中描述了本公开，但是本领域的普通技术人员将认识到其有用性不限于此，并且本公开可以在任何数量的环境中为任何数量的目的而有益地实现。因此，应考虑如本文所述的本公开的整个广度和精神来解释下面阐述的权利要求。

Claims (19)

1.一种用于按需形成熔融金属微滴的系统，包括：

托架；

致动器，其中，金属微线由所述致动器推动；

热源，所述热源定位在所述金属微线的末端附近，从而使所述金属微线的末端被加热到超过其熔点，使得形成微滴；以及

机构，所述机构用于产生所述托架的动量变化，其中，所述微滴相对于所述金属微线的末端的动量变化使所述微滴从所述金属微线的末端分离。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：基材，用于接纳所述微滴，其中，所述基材能够沿着X、Y和Z方向相对于所述托架移动。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述托架设置在直线引导件之间，使得所述托架的运动被所述直线引导件限制在一个方向上。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述微滴相对于所述金属微线的末端的动量变化通过所述托架在所述直线引导件内的振动运动完成。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述微滴相对于所述金属微线的末端的动量变化通过所述托架的振动运动相对所述直线引导件硬止动完成。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述微滴相对于所述金属微线的末端的动量变化通过质量块撞击所述托架而向所述微滴进行动量传递来完成。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热源包括用于发射激光束的激光器。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，来自所述激光器的光通过光纤电缆输送到在所述金属微线的末端附近的区域。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述光纤电缆包括透镜，用于将所述激光束聚焦在所述金属微线的末端上。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热源包括感应线圈，所述感应线圈围绕所述金属微线的末端定位。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热源包括两个电极，其中，对所述两个电极中的至少一个电极施加电压，以在所述金属微线的末端附近产生等离子电弧。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热源包括电极，其中，对所述电极和所述金属微线中的至少一者施加电压，以在所述金属微线的末端附近产生等离子电弧。

13.根据权利要求1所述的系统，至少还包括：第二致动器，其中，多个金属微线供料各自由其相应的致动器给送，并且每个金属微线供料均被热源熔化，其中，每个微滴由于所述微滴相对于相应的金属微线的动量变化而分离。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热源附接到所述托架，并且在所述托架正在运动时，所述致动器朝向所述热源给送金属微线。

15.根据权利要求3所述的系统，其中，所述热源附接到所述直线引导件中的一个直线引导件，使得所述热源不随着所述托架运动。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述托架沿着上下方向运动。

17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述致动器安装在所述托架上。

18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热源被设计成使得施加到所述金属微线的末端的热能的量和比率使得所述末端上方的所述金属微线保持为固体。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，由于所述金属微线的主动温度管理，例如经由传导或对流，所述末端上方的所述金属微线保持为固体。

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