CN118043192A - 用于产生用于增材制造的熔融金属液滴的系统和方法 - Google Patents

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CN118043192A CN202280054585.8A CN202280054585A CN118043192A CN 118043192 A CN118043192 A CN 118043192A CN 202280054585 A CN202280054585 A CN 202280054585A CN 118043192 A CN118043192 A CN 118043192A
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Abstract

本公开涉及一种用于增材制造的系统。该系统包括框架、与框架一起配置的CNC床。金属分配机构，配置为在CNC床上喷射金属液滴。金属分配机构配置为相对于CNC床可控地移动，以制造物体。金属分配机构包括第一喷嘴，该第一喷嘴在功能上与CNC床一起配置，用于可控地分配CNC床上的金属液滴，并且该喷嘴流体配置有具有金属的储存器。活塞，其配置有储存器，并且活塞配置为从储存器推动熔融金属，使得熔融金属从储存器朝向第一喷嘴释放。活塞由绝热材料制成，换能器与活塞一起配置，以促进活塞的机械急动，从而促进熔融金属从储存器中推出。

Description

用于产生用于增材制造的熔融金属液滴的系统和方法
技术领域
本公开涉及增材制造领域。更具体地，本公开涉及一种用于产生用于增材制造的熔融金属滴的系统。
背景技术
背景描述包括可能有助于理解本发明的信息。这并不是承认本文提供的任何信息是现有技术或与目前要求保护的发明相关，或者明确或隐含引用的任何出版物是现有技术。
在增材制造领域，按需熔滴是产生小尺寸熔融金属熔滴以多维打印金属的方法之一。按需微滴(DoD)可以使用多种技术来实现。在所有这些DoD技术中，产生熔融金属液滴的方法之一是通过使用致动器，利用金属活塞推动熔融金属。使用DoD，致动器将运动传递给保持在熔融金属内的活塞。活塞推动熔化的金属从喷嘴中喷出。在这个过程中，由于金属在高温下处于熔融状态，金属活塞将热量从熔融金属池传递到致动器或换能器(transducer)，并由于过热而损坏它。此外，为了保护换能器免受损坏，应使用耐高温换能器或换能器专用冷却系统。这增加了增材制造系统的总成本。
此外，金属印刷机和聚合物印刷机由于它们的打印过程而作为两种独立的机器在市场上销售。与聚合物挤出温度相比，金属在高温下印刷。这种温差不允许金属和聚合物一起印刷。作为组合金属和金属印刷的替代方案，导电油墨印刷机在商业上可用于印刷带有聚合物的导电油墨。这些印刷机在绝缘表面上印刷导电材料，使电子元件相互连接，形成一个工作的电子电路。由于其技术和导电油墨的高电阻，这种技术在2D仅限于印刷低功率电子电路。这种限制可以通过使用直接金属印刷3D和更高维度的电子电路来解决。
因此，需要一种没有上述问题的用于增材制造的改进系统。
本公开的目的
本文中至少一实施例满足的本公开的一些目的如下所列。
本公开的一个目的是提供一种用于增材制造的系统，其需要较少的维护成本，因为换能器被保护免于被熔融金属的热量损坏。
本公开的一个目的是提供一种用于增材制造的系统，其能够印刷金属，而不需要高温适应性换能器或用于换能器的专用冷却系统。
本公开的目的是提供一种用于增材制造的系统，其使用绝热活塞并减少进气系统中的热损失。
本公开的目的是提供一种用于增材制造的系统，其使用绝热活塞并减少进气系统中的热损失。
本公开的一个目的是提供一种用于增材制造的系统，其中防止换能器发热可以使得能够使用适于低温使用的许多其他换能器来产生熔融金属液滴。
本公开的一个目的是提供一种用于增材制造的系统，其能够组合金属和聚合物增材制造系统，用于印刷多维电子电路及其绝缘体，以及多维金属和聚合物部件，例如2D、3D等。
发明内容
本公开涉及增材制造领域。更具体地，本公开涉及一种用于产生用于增材制造的熔融金属滴的系统。
本公开的一方面涉及一种用于增材制造的系统。该系统包括框架、与框架一起配置的计算机数字控制(CNC)床，用于支撑要在其上制造的物体。CNC床配置为在多维轴上移动。金属分配机构，其配置为将金属液滴喷射到CNC床上。金属分配机构配置为相对于CNC床可控地移动，用于制造物体。金属分配机构包括第一喷嘴，该第一喷嘴在功能上与CNC床一起配置，用于可控地分配CNC床上的金属液滴，并且该喷嘴流体配置有具有金属的储存器。活塞，其配置有储存器，并且该活塞配置为从储存器推动熔融金属，使得熔融金属从储存器朝向第一喷嘴释放。活塞由绝热和电绝缘材料制成，换能器与活塞一起配置，以使活塞能够将熔融金属从储存器中喷出。
在一方面，绝热材料可以包括硼硅酸盐玻璃。
在一方面，储存器可以由铝制成，并且储存器配置有用于接收金属的金属卷轴。
在一方面，该系统可以包括感应加热器，该感应加热器配置在储存器周围以熔化储存器内的金属。
在一方面，系统换能器可以是磁致伸缩换能器和压电换能器中的任何一种。
在一方面，换能器电性配置有电压源，以接收输入电压脉冲，用于促进活塞的机械急动(mechanical jerking)。
在一方面，该系统可以包括聚合物挤出机，该聚合物挤出机配置为通过与CNC床一起配置的第二喷嘴在CNC床上挤出聚合物以制造物体，并且该聚合物挤出机配置为相对于CNC床和金属分配机构移动。
在一方面，聚合物挤出机可以配置有用于接收聚合物的聚合物线轴。
在一方面，系统可以包括具有控制器的控制单元，该控制单元可操作地与CNC床、金属分配机构和聚合物挤出机结合，控制单元配置成控制床、金属分配机构和聚合物挤出机之间的相对运动，其中控制单元配置为控制CNC床、金属分配机构和聚合物挤出机的操作顺序。
在一方面，该物体可以配置为通过从聚合物挤出机连续挤出聚合物，并从金属分配机构分配熔融金属来制造。
根据以下对优选实施例的详细描述以及附图，本发明主题的各种目的、特征、方面和优点将变得更加明显，在附图中，相同的数字表示相同的部件。
附图说明
附图被包括进来以提供对本公开的进一步理解，并且被并入并构成本说明书的一部分。附图示出了本公开的示例性实施例，并与描述一起用于解释本公开的原理。这些图仅用于说明，因此不是对本公开的限制。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，相同类型的各种部件可以通过在参考标记后加上第二标记来区分，该第二标记用于区分相似的部件。如果说明书中只使用了第一参考标注，则描述适用于具有相同第一参考标记的任何一个类似组件，与第二参考标记无关。
图1示出了根据本公开的实施例的用于金属增材制造的系统的示例性表示。
图2示出了根据本公开实施例的金属分配机构的示例性表示。
图3示出了根据本公开的实施例的金属分配机构内部的坩埚的示例性表示。
具体实施方式
以下是在附图中描绘的本公开的实施例的详细描述。这些实施例如此详细，以清楚地传达本公开。然而，所提供的细节数量并不旨在限制实施例的预期变化；相反，本发明旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本公开范围内的所有修改、等同物和替代物。
在以下描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明实施例的透彻理解。对于本领域技术人员来说，显然可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。
本公开涉及增材制造领域。更具体地，本公开涉及一种用于产生用于增材制造的熔融金属液滴的系统。
本公开详细阐述了用于增材制造的系统。该系统包括框架、与框架一起配置的计算机数字控制(CNC)床，用于支撑要在其上制造的物体。CNC床配置为在多维空间中移动；金属分配机构，其配置为将金属滴喷射到CNC床上。金属分配机构配置为相对于CNC床可控地移动，用于制造物体。金属分配机构包括第一喷嘴，该第一喷嘴在功能上与CNC床一起配置，用于可控地分配CNC床上的金属液滴，并且该喷嘴流体配置有具有金属的储存器。活塞，其和储存器一起配置，并且活塞配置为从储存器推动熔融金属，使得熔融金属从储存器朝向第一喷嘴释放。活塞由绝热和电绝缘材料制成，换能器与活塞一起配置，以通过传递机械冲击使活塞能够从储存器中挤出熔融金属。
在一实施例中，绝热材料可以包括硼硅酸盐玻璃。
在一实施例中，储存器可以由铝制成，并且储存器配置有用于接收金属的金属卷轴。
在一实施例中，该系统可以包括感应加热器，该感应加热器配置在储存器周围以熔化储存器内的金属。
在一实施例中，系统换能器可以是磁致伸缩换能器和压电换能器中的任何一种。
在一实施例中，换能器可以电性配置有电压源，以接收输入电压脉冲，用于促进活塞的机械急动。
在一实施例中，该系统可以包括聚合物挤出机，该聚合物挤出机配置为通过功能上与CNC床配置在一起的第二喷嘴在CNC床上挤出聚合物以制造物体，并且该聚合物挤出机配置为相对于CNC床和金属分配机构移动。
在一实施例中，聚合物挤出机可以配置有用于接收聚合物的聚合物线轴。
在一实施例中，系统可以包括具有控制器的控制单元，该控制单元可操作地与CNC床、金属分配机构和聚合物挤出机结合，控制单元配置成控制床、金属分配机构和聚合物挤出机之间的相对运动，其中控制单元配置为控制CNC床、金属分配机构和聚合物挤出机的操作顺序。
在一实施例中，物体可以配置成通过从聚合物挤出机连续挤出聚合物，并从金属分配机构分配熔融金属来制造。
图1示出了根据本公开的实施例的用于金属增材制造的系统的示例性表示。
图2示出了根据本公开实施例的金属分配机构的示例性表示。
图3示出了根据本公开的实施例的金属分配机构内部的坩埚的示例性表示。
如图所示，用于增材制造的系统100可以包括框架“F”。计算机数字控制(CNC)床118可以与框架F一起可移动地配置，并且CNC床身118可以配置用于支撑要在其上制造的物体。CNC床118可以配置为在多维空间中移动。金属分配机构104可以配置为将金属液滴喷射到CNC床118上。金属可以是任何低熔点导电金属，例如但不限于铜和铝。金属分配机构104可以配置为相对于CNC机床118可控地移动，用于制造物体。该物体可以包括但不限于物品和电子电路。系统100可以包括聚合物挤出机102，其可以配置为在CNC床118上挤出聚合物以制造物体。聚合物挤出机102可以配置为相对于CNC床118和金属分配机构104移动。聚合物挤出机102可以配置有用于接收聚合物的聚合物线轴106。
在一实施例中，金属分配机构104可以包括第一喷嘴122，该第一喷嘴122可以定位成但不限于垂直于CNC床118。第一喷嘴122可以具有直径大约为1至300微米的孔，并且可以配置为可控地将金属液滴分配到CNC床118上。第一喷嘴122可以由不锈钢制成，但不限于此。第一喷嘴122可以流体配置有其中具有金属的储存器110。活塞116可以与储存器110一起配置，并且可以配置为从储存器110推动熔融金属，以从储存器110向第一喷嘴122释放熔融金属。活塞116可以由绝热材料制成，例如但不限于硼硅酸盐玻璃和陶瓷。换能器120，其与活塞一起配置以促进活塞的机械急动，从而促进熔融金属从储槽110中推出。聚合物挤出机102可以配置为通过与聚合物挤出机102流体一起配置的第二喷嘴124将聚合物挤出到CNC床118上。第一喷嘴122和第二喷嘴124可以在功能上与CNC床一起配置，并且可以在相对于CNC床的任何方向(例如，正交)上进行配置。第一喷嘴122和第二喷嘴124的位置可以变化(手动地或自动地)以制造物体。
在一实施例中，储存器110可以由但不限于铝制成，并且储存器可以配置有用于接收金属的金属卷轴108。系统100可以包括具有线圈112的感应加热器114，线圈112可以配置在储存器110周围以熔化储存器110内的金属。换能器120可以是但不限于基于磁致伸缩材料的换能器和能够将电信号转换成机械运动的压电换能器。换能器120可以电性配置有电压源(未示出)，以接收输入电压脉冲，用于促进活塞的机械急动。换能器120可以转换成电压脉冲，该电压脉冲可以转换成机械冲击，该机械冲击可以传递到活塞116，以便于熔融金属从储存器110中释放。
在一实施例中，换能器120在垂直于CNC床118的方向上的机械冲击可以将绝热活塞116朝向坩埚或储存器110移动。由绝热材料制成的活塞116用于防止换能器120由于来自储存器110的热传递而损坏。绝热活塞116可以充当加热的熔融金属和换能器120之间的绝热体。来自波形发生器(也称为电压源)的每个脉冲可以提供一个从第一喷嘴122喷射的熔融金属液滴。
在一实施例中，为了多维印刷金属，首先，可以使用基于零电压开关的感应加热电路114和感应线圈112在储存器110内熔化金属。可以使用低熔点的金属(例如但不限于焊料合金Sn96.5Ag3.5)来多维打印工件。因为金属印刷需要储存器110内熔融金属池的最佳温度。可以使用但不限于K型热电偶来保持储存器110的温度。可以使用温度传感器在数据库中感测和维护储存器110的温度数据，并且可以使用计算机控制的算法比较温度数据的相应变化。使用温度数据，可以保持储存器110内的熔融金属的预定水平，并且一旦达到该水平，活塞116可以被致动以开始从第一喷嘴122分配熔融金属液滴。
在一实施例中，从第一喷嘴122喷射的熔融金属的尺寸可以取决于喷嘴孔的尺寸、活塞116和第一喷嘴122之间的间隙126、坩埚内熔融金属的水平以及施加到换能器120的脉冲的振幅、持续时间和频率中的任何一个或组合。可以通过改变任何讨论的参数来改变液滴尺寸，以选择最佳尺寸的液滴。该系统可包括具有控制器的控制单元，该控制器可操作地配置有金属分配机构104、加热系统、波形发生器、温度传感器和磁致伸缩换能器120。可以使用控制器来控制金属液滴的分配。物体的类型可以包括但不限于电子电路、PCB和多维物体。
在一实施例中，CNC床118可以与多轴计算机数字控制(CNC)机动化系统相关联。CNC系统可以促进工件在三维空间中的移动和定向。控制单元可以配置为基于物体的设计文件(CAD设计文件)在三维空间中驱动工作台的移动和重新定向。在金属印刷过程中，热量可以从熔融金属池传递到玻璃活塞和周围区域(空气)。由于硼硅酸盐玻璃是热的不良导体，它不会将热量从熔融金属池传递到换能器120。这可以防止由热量引起的对换能器120的任何损坏，并且可以在不需要高温顺应性换能器120或用于换能器的专用冷却系统的情况下实现金属的印刷。
在一实施例中，系统可以包括具有控制器的控制单元，该控制单元可操作地与CNC床、金属分配机构和聚合物挤出机结合，控制单元配置为控制床、金属分配机构和聚合物挤出机之间的相对运动。控制单元配置为控制CNC床、金属分配机构和聚合物挤出机的操作顺序。控制金属分配机构104和聚合物挤压机的操作顺序是很重要的，因为在组合金属－聚合物印刷过程中，熔融金属和聚合物之间的相互作用不是直接的，因为高温熔融金属会熔化/损坏聚合物层。聚合物挤出机102可以配置为首先挤出聚合物作为印刷金属的基础。
在一实施例中，聚合物可以包括但不限于PLA/ABS(聚乳酸/丙烯腈丁二烯苯乙烯)。所提出的增材制造系统可以包括配置有感应加热器的一个或多个温度感测设备，以及配置有第一喷嘴和第二喷嘴的一个或多个流量感测设备。一个或多个感测设备和一个或多个流量感测设备可操作地配置有控制器，并且控制器可配置成基于来自一个或多个温度感测设备和一个或多个流量感测设备的输入来控制感应加热器的温度以及第一喷嘴和第二喷嘴的流量控制。
在一实施例中，感应加热器114可以配置为加热用于印刷的金属，活塞116不会变热，因为它也是绝热的或绝热能的。这可以减少感应加热系统中的功率损耗，并且可以防止换能器120发热。防止换能器发热可以使得能够使用许多其他适于低温使用的换能器来产生熔融金属液滴，可以使用硼硅酸盐基玻璃活塞116与不同致动换能器系统的组合来产生熔融金属液滴，用于金属增材制造的应用。
在一实施例中，所提出的系统100可以仅使用金属来打印机械部件，并且使用金属来多维地工作电子电路。通过使用按需金属滴技术产生微米尺寸的金属液滴，熔融金属沉积在工件/CNC床118上。所提出的系统100可以提供简单且容易控制的致动机构。在一实施例中，系统100可以装配有一个或多个额外的头部，以沉积/挤压额外的聚合物、金属或陶瓷材料。这能够制造多材料部件，多材料部件包括但不限于电子电路和功能梯度材料。
所提出的系统可以以微米尺寸液滴的形式喷射熔融金属，用于组合金属和聚合物增材制造的应用。由于液滴可以在亚毫米大小和低温下产生，它开辟了一个在单一系统中集成金属和聚合物的增材制造领域。一个潜在的应用是印刷电子电路，其中聚合物将充当绝缘体，金属轨道将在2D、3D和多维中连接无源和有源电子元件。
此外，在解释说明书时，所有术语应该以与上下文一致的最广泛的可能方式来解释。特别地，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应该被解释为以非排他的方式指代元素、组件或步骤，表示所引用的元素、组件或步骤可以与没有明确引用的其他元素、组件或步骤一起存在、使用或组合。在说明书权利要求提到从由A、B、C…和N组成的组中选择的至少一种的情况下，文本应该被解释为只需要该组中的一种元素，而不是A加N，或者B加N，等等。
虽然前面描述了本发明的各种实施例，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以设计出本发明的其他和其他实施例。本发明的范围由随后的权利要求确定。本发明不限于所描述的实施例、版本或示例，包括这些实施例、版本或示例是为了使本领域普通技术人员能够结合本领域普通技术人员可获得的信息和知识来制造和使用本发明。
本发明的优点
所提出的发明提供了一种用于增材制造的系统，该系统是成本有效的，因为换能器被保护免受熔融金属的热量损坏。
所提出的发明提供了一种用于增材制造的系统，其需要较少的维护成本，因为换能器被保护免受熔融金属的热量损坏。
所提出的发明提供了一种用于增材制造的系统，该系统能够印刷金属，而不需要高温柔性换能器或用于换能器的专用冷却系统。
所提出的发明提供了一种用于增材制造的系统，该系统使用绝热活塞并减少进气系统中的热损失。
所提出的发明提供了一种用于增材制造的系统，该系统使用绝热活塞并减少进气系统中的热损失。
所提出的发明提供了一种用于增材制造的系统，在该系统中，防止换能器发热可以使得能够使用适于低温使用以产生熔融金属液滴的许多其他换能器。
所提出的发明提供了一种用于增材制造的系统，其能够组合金属和聚合物添加制造系统，用于多维印刷电子电路及其绝缘体，以及多维印刷具有聚合物部件的金属。

Claims (10)

1.一种用于增材制造的系统，所述系统包括：
框架；
计算机数字控制CNC床，所述CNC床和所述框架一起配置，用于支撑要在其上制造的物体；
金属分配机构，所述金属分配机构配置为在所述CNC床上喷射金属液滴，并且所述金属分配机构配置为相对于所述CNC床可控地移动以制造所述物体，所述金属分配机构包括：
第一喷嘴，所述第一喷嘴在功能上和所述CNC床一起配置，用于可控地分配所述CNC床上的所述金属液滴，并且所述喷嘴流体地配置有具有金属的储存器；
活塞，所述活塞和所述储存器一起配置，并且所述活塞配置为从所述储存器推动熔融金属，使得所述熔融金属从所述储存器朝向所述第一喷嘴释放，其中所述活塞由绝热和电绝缘材料制成；以及
换能器，所述换能器和所述活塞一起配置，以使所述活塞能够从所述储存器中喷射熔融金属。
2.根据权利要求1所述的用于增材制造的系统，其中，所述绝热材料包括硼硅酸盐玻璃。
3.根据权利要求1所述的用于增材制造的系统，其中，所述储存器由铝制成，并且所述储存器配置有用于接收金属的金属卷轴。
4.根据权利要求1所述的用于增材制造的系统，其中，所述系统包括感应加热器，所述感应加热器配置在所述储存器周围，以熔化所述储存器内的金属。
5.根据权利要求1所述的用于增材制造的系统，其中，所述系统换能器是磁致伸缩换能器和压电换能器中的任何一种。
6.根据权利要求1所述的用于增材制造的系统，其中，所述换能器电性地配置有电压源，以接收输入电压脉冲，用于促进所述活塞的机械急动。
7.根据权利要求1所述的用于增材制造的系统，其中，所述系统包括聚合物挤出机，所述聚合物挤出机配置为通过在功能上与所述CNC床一起配置的第二喷嘴在所述CNC床上挤出聚合物以制造所述物体，并且所述聚合物挤出机配置位相对于所述CNC床和所述金属分配机构移动。
8.根据权利要求7所述的用于增材制造的系统，其中，所述聚合物挤出机配置有用于接收所述聚合物的聚合物线轴。
9.根据权利要求1所述的用于增材制造的系统，其中，系统包括具有控制器的控制单元，所述控制单元可操作地与所述CNC床、所述金属分配机构和所述聚合物挤出机结合，所述控制单元配置为控制所述床、所述金属分配机构和所述聚合物挤出机之间的相对运动，其中所述控制单元配置为控制所述CNC床、所述金属分配机构和所述聚合物挤出机的操作顺序。
10.根据权利要求1所述的用于增材制造的系统，其中，所述物体配置为通过从所述聚合物挤出机连续挤出所述聚合物，并且从所述金属分配机构分配熔融金属来制造。
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