[發明專利]一種金屬熔液3D打印噴頭及打印方法

有效

• 申請號: 201610000043.9
• 申請日: 2016-01-01
• 公開（公告）號: CN105499577B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 陳從平;黃杰光;聶葳;胡瓊;李林波;冉艷華
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y50/02
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所42103
• 代理人: 成鋼

技術領域

本發明涉及一種3D打印噴頭及打印方法，尤指一種以活塞驅動的噴射式金屬熔液3D打印噴頭，屬于快速成形制造技術領域。

背景技術

微滴式3D打印是目前制造領域研究的技術熱點之一，該技術通過將打印材料以微滴的形式連續噴出，并按設計的路徑逐層疊加，逐漸形成實體。其中，采用熔融金屬材料進行微滴式3D打印屬于研究熱點和難點之一，主要因為熔融金屬溫度高、易凝固、易氧化，導致易對設備（主要是噴頭）造成損害和難以維護。

現有的熔融金屬3D打印噴頭主要采用惰性壓縮氣體直接驅動、氣動膜片驅動、壓電陶瓷驅動等形式。然而，由于氣體具有明顯的可壓縮性，直接采用壓縮氣流驅動噴頭內的金屬熔液其壓力難以控制，頻率也難以提高，且氣體易將熔液“射穿”而僅噴出氣流；采用脈沖氣體擠壓彈性膜片的形式工作時，是靠膜片沿噴頭軸向的微小彈性變形量來擠出熔液，擠出量可調整區間小，且因膜片所能承受的溫度及疲勞等影響，使用性能及壽命都受到一定限制；采用壓電陶瓷驅動時，實際上是利用壓電陶瓷在極化方向的高頻伸/縮，帶動與其連接的推桿擠壓熔液，該方法易于調整打印頻率，但周期擠出量幾乎不能調節。

發明內容

本發明的目的在于設計一種金屬熔液3D打印噴頭及打印方法，采用此噴頭及打印方法能夠使微滴噴射過程即可以有足夠高的頻率，同時驅動壓力可調，亦即噴射量可調。

為了實現上述的技術特征，本發明所采用的技術特征是：一種金屬熔液3D打印噴頭，它包括噴頭本體和氣壓供給系統，所述噴頭本體包括氣腔殼體，氣腔殼體內部設置有活塞，活塞的活塞桿與壓電陶瓷相連提供動力，氣腔殼體和殼體底座共同形成氣腔，殼體底座的左側加工有進料通道，進料通道的頂部設置有補料口，殼體底座的底部安裝有坩堝，坩堝的外部設置有加熱器，坩堝的底座安裝有坩堝端蓋，坩堝通過坩堝端蓋密封有熔液腔，在熔液腔和氣腔之間設置有陶瓷薄片，坩堝端蓋的中心加工設置有噴嘴，所述殼體底座的右側加工有進氣口，所述氣壓供給系統與進氣口相連，所述氣壓供給系統包括穩壓回路和調壓回路，調壓回路與進氣口相連，穩壓回路與調壓回路相連。

所述調壓回路包括單向閥和溢流閥，單向閥與溢流閥并聯，并聯回路的左側回路與進氣口相連通，右側回路與穩壓回路相連。

所述穩壓回路包括氣泵、氣動單向閥、儲氣罐和安全閥，所述儲氣罐與調壓回路相連，儲氣罐之后安裝有氣動單向閥，在氣動單向閥和儲氣罐之間并聯有安全閥，氣動單向閥之后連接有氣泵。

所述氣腔內部的壓縮氣體為氦氣。

所述補料口與補料罐相連，所述補料罐內部安裝有氣壓泵，能夠保證其內部氣壓穩定。

所述穩壓回路中的安全閥的卸荷壓力P1能夠保證回路中有穩定的氣壓輸出使其等于P1，所述調壓回路中的溢流閥的卸荷壓力P0能夠保證打印時氣腔中所需的最大壓力等于P0，當氣腔中某時刻的實際壓力P2大于P0，溢流閥自動打開卸荷，若P2小于P1，單向閥自動打開向氣腔充氣，在調節和設定壓力時，需保證P1<P0。

所述陶瓷薄片與氣腔相接觸的上端面為非對稱凸臺面，陶瓷薄片被限制在氣腔的進氣口和熔液腔的進料通道之間，并沿軸向在氣腔殼體的下端面和坩堝的上端面之間小距離往復運動，當活塞壓縮氣腔內氣體使陶瓷薄片向熔液腔移動時，熔液受擠壓，陶瓷薄片逐漸遮擋進料通道，直到其向下運動到極限位置到達坩堝的上端面，形成一個節流孔，防止受壓的熔液從進料通道回流；在活塞回復過程中，熔液由節流孔進入熔液腔，陶瓷薄片在熔液的浮力作用下移動至與氣腔殼體的下端面接觸，進料通道被逐漸打開，此時起到隔斷氣腔與熔液腔的作用，同時氣腔完成充氣，為保證順利補料，與補料口連接的補料罐內需保持一定的壓力P3，設定P3=P1。

采用上述金屬熔液3D打印噴頭的打印方法，它包括以下步驟，1）調試過程，開始調試時，通過穩壓回路給氣腔充氣，同時設定安全閥的卸荷壓力為P1，活塞在壓電陶瓷的驅動下壓縮氣腔內部氣體，使氣腔壓力升高到某個設定值P0，此后活塞繼續擠壓，在氣腔壓力的作用下，有熔液從噴嘴擠出，如果熔液未能成滴，調節溢流閥來改變P0的大小，直到可打印均勻一致的微滴。

2）打印過程，當系統調試好后，使活塞回到初始位置，如果在上一階段活塞壓縮氣體過程中，氣腔內部氣體存在泄漏，則氣腔內部的壓力值會小于P1，此時儲氣罐中的氣體就會經單向閥進入氣腔自動進行補充，此后活塞在壓電陶瓷的驅動下壓縮氣腔內部密封的氣體，使熔液以微滴形式噴出，按預先設計好的路徑移動噴頭，并重復以上打印過程，即可連續打印，若需調節打印頻率，只需調節壓電陶瓷激勵電壓的頻率即可。