[發明專利]一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統

有效

• 申請號: 201410273867.4
• 申請日: 2014-06-18
• 公開（公告）號: CN104028761A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 杜軍;魏正英;陳禎;盧秉恒;李素麗
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

【技術領域】

本發明屬于金屬三維增材制造領域，具體涉及一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統。

【背景技術】

增材制造(又稱3D打印)是二十世紀八十年代發展起來的一種新型制造技術，其核心思想是將三維零件進行二維離散，形成片層數據，逐層累加成形零件。液滴噴射制造是3D打印的一種，利用金屬熔滴的可控噴射，可以實現金屬熔滴直接成形零件三維實體，其基本原理是通過坩堝內部產生的瞬間脈沖壓力，使溶液通過坩堝底部微小噴嘴噴出并形成單顆粒金屬熔滴，然后將此熔滴準確地沉積到移動基板上預設位置，按照一定的沉積路徑，經過逐層堆積成形，最終形成復雜的零件實體。

申請號為201210593134.X的專利“一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快速成型的方法及裝置”公開了一種利用坩堝加熱使金屬熔融，通過攝像系統實時分析液滴尺寸數據，在三維運動平臺上沉積金屬零件的方法，該方法可形成均勻可控的金屬液滴。申請號為201310003717.7的專利“微小金屬熔滴形成裝置以及利用該裝置形成微小金屬熔滴的方法”公開了一種通過控制加載應力波控制金屬熔滴尺寸的方法。

針對熔滴沉積成型法已有研究，但就金屬熔滴沉積成型而言，仍存在諸多影響成型精度和質量的問題亟待解決，如熔滴流淌難控制、成型層間熱應力集中引起的熱裂紋、凝固時氣體被封閉造成氣穴以及固化收縮微孔等等均會影響到最終產品的精度和質量，其中金屬熔滴沉積凝固過程中熔體流淌、凝固過程的精確控制是制約金屬熔滴沉積成型技術發展的瓶頸，因此對熔滴流淌、凝固成型過程的精確控制已成為金屬熔滴沉積成型中研究重點和難點。

【發明內容】

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提供了一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統。其集成了金屬熔滴沉積成型技術、微噴技術以及電磁場作用下金屬凝固成型理論。利用壓力脈沖在坩堝腔體內產生膨脹、收縮的脈沖壓力，通過控制脈沖壓力的變化，迫使金屬熔滴通過間隙可調噴嘴可控均勻按需噴射，通過調整驅動控制參數以及間隙可調噴嘴與基板相對位置實現對金屬微熔滴的微量按需供給，在臨近微熔滴沉積區域施加外置電磁場，實現小空間、大場強、大時間溫度梯度環境下電磁場約束對金屬微熔滴流淌、快速凝固后成型的控形控性精確沉積成型，減少能耗，提高成形件的加工質量。

為了達到上述目的，本發明采用如下的技術方案予以實現：

一種金屬微噴熔滴電磁約束沉積成型系統，包括間隙微調儀、壓電執行器、壓電閥、惰性氣體罐、加熱元件、坩堝、間隙可調噴嘴、交變磁場、交變電場、基板、三維工作臺、壓力控制器、控制系統、溫度控制器、手套箱和運動控制卡；其中，

三維工作臺設置在手套箱內的底部，基板位于工作臺的上端面，基板上設有交變磁場和交變電場；用于盛放金屬溶液的坩堝位于基板的正上方，坩堝周圍設置加熱元件，間隙可調噴嘴設置在坩堝的底部，坩堝的頂部從下至上依次設置有絕熱元件、壓電執行器和間隙微調儀，間隙微調儀用于控制壓電執行器產生的脈沖壓力，從而調節坩堝內的金屬溶液通過間隙可調噴嘴噴射金屬熔滴的頻率；設置在手套箱外的真空泵通過輸氣管與手套箱相連通，設置在手套箱外的惰性氣體罐通過壓力閥與手套箱相連通，且壓力閥位于手套箱內；控制系統用于分別對壓力控制器、溫度控制器以及運動控制卡進行控制，壓力控制器用于控制壓力閥調節手套箱內的惰性氣體含量，溫度控制器用于控制加熱元件對坩堝內的金屬溶液加熱，運動控制卡通過控制三維工作臺實現對金屬熔滴成型的X、Y和Z三個方向的運動控制。

本發明進一步改進在于，交變磁場和交變電場用于對間隙可調噴嘴噴射的金屬熔滴進行約束控制，間隙可調噴嘴噴射的金屬熔滴的直徑為50～200μm。

本發明進一步改進在于，開始工作時，開啟控制系統，采用真空泵對手套箱抽真空，壓力控制器通過控制壓力閥對手套箱沖入惰性氣體，從而手套箱保護熔滴成型過程不被氧化；運動控制卡控制三維工作臺帶動基板運動，使基板與間隙可調噴嘴的距離正好的在金屬熔滴噴射沉積的位置；溫度控制器控制加熱元件對坩堝內的金屬熔液加熱，間隙微調儀通過控制壓電執行器產生的脈沖壓力，調節坩堝內的金屬溶液通過間隙可調噴嘴噴射金屬熔滴在基板上沉積成型；交變磁場和交變電場可對間隙可調噴嘴噴射的金屬熔滴進行約束成型，實現對金屬熔滴在基板上成型位置和成型精度的控制，三維工作臺通過帶動基板運動，從而實現金屬熔滴在基板上X、Y和Z三個方向的精確成型。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：