[發明專利]液態金屬3D打印噴頭裝置及設有該裝置的3D打印機

在審

• 申請號: 201610346359.3
• 申請日: 2016-05-23
• 公開（公告）號: CN107414080A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: 桂林;田露;高猛
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115;B33Y30/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 李相雨

技術領域

本發明涉及3D打印設備技術領域，尤其涉及一種液態金屬3D打印噴頭裝置及設有該裝置的3D打印機。

背景技術

3D打印技術是快速成型技術的一種，又稱增材制造技術，是一種以計算機設計的數字模型文件為基礎，以物件本身的材料，例如尼龍材料、石膏材料、金屬材料、橡膠等材料為“墨水”，并以不同層構建創建部件。通常是利用熔融沉積式(簡稱FDM)、電子束自由成形制造(簡稱EBF)、分層實體制造(簡稱LOM)等方法，將塑料、金屬或陶瓷粉末等墨水材料通過逐層打印的方式來制造物品。

對于純金屬、合金等材料的3D打印，目前大多采用的是選擇性激光燒結技術(簡稱SLS)、激光工程化凈成形技術(簡稱LENS)和電子束選區熔化技術(簡稱EBSM)三種典型工藝。在這些工藝中均采用金屬粉末作為打印墨水，并在氣體中進行冷卻成型。綜合應用了計算機輔助設計/計算機輔助制造(CAD/CAM)技術、材料科學、精密機械控制等多方面的知識和技術的3D金屬打印技術，相比傳統的減材制造技術，金屬的3D打印大大縮短了產品研制周期，加快了新產品的制造速度，降低了成本，在珠寶、工業設計、建筑、工程和施工(AEC)、汽車、航空航天、牙科和醫療產業，以及其他領域都有廣泛的應用前景。因此3D金屬打印是當前金屬制造技術的一個重要發展方向。但由于常規金屬材料如銅、鋁等熔點極高，往往需要極高的燒結溫度，因此打印過程耗能高，控制難度大；部件在常規的空氣冷卻中效果較弱，結構件凝固成型時間過長，打印過程的控制困難，亟需改進；此外，熔融金屬或金屬粉末的輸運和噴射過程復雜，一般采用機械泵及運動 部件加以控制，這些因素均導致此類傳統金屬打印設備整體結構龐大而且復雜，價格昂貴，因而不易普及到大眾或家庭中使用。

低熔點液態金屬還沒有被用于打印材料，但低熔點金屬熱導率大，粘度低，熔化凝固過程容易實現，其在打印技術領域的應用是一個全新的課題。

此外，傳統的金屬3D打印技術在尺寸上仍然有限制，最小的尺寸只能達到100至幾百微米的量級，從很大程度上制約了現有的金屬3D打印技術的發展。

鑒于上述背景技術的缺陷，本發明提供了一種液態金屬3D打印噴頭裝置及設有該裝置的3D打印機。。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是提供了一種液態金屬3D打印噴頭裝置及設有該裝置的3D打印機，能夠實現液態金屬的高精度微滴堆積打印。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種液態金屬3D打印噴頭裝置，其特征在于，包括用于產生液態金屬微液滴的液滴產生機構，所述液滴產生機構包括相交設置的液態金屬微流道和主流體微流道，在所述主流體微流道內的連續相主流體的剪切力作用下，所述液態金屬微流道內的液態金屬能均勻分散成多組所述液態金屬微液滴。

進一步的，所述主流體微流道為至少兩條，兩條所述主流體微流道分別相對的連通在所述液態金屬微流道的兩側，且均與所述液態金屬微流道成一定角度相交設置；所述液態金屬微流道的末端連通有噴嘴。

進一步的，所述液滴產生機構還包括液態金屬儲液槽，所述液態金屬儲液槽的一端與液態金屬微流道連通，另一端通過液態金屬壓力 進口連接有壓力控制機構，所述壓力控制機構用于驅動并控制所述液態金屬儲液槽內的液態金屬向液態金屬微流道內流動的速度；所述液態金屬儲液槽上設有液態金屬注入口。

進一步的，所述主流體微流道通過主流體進樣口連通有主流體采樣瓶，所述主流體采樣瓶與壓力控制機構連通，以驅動并控制所述主流體微流道內的連續相主流體的流動速度。

進一步的，所述壓力控制機構為氣壓式微流體進樣系統、注射泵或蠕動泵。

進一步的，還包括加熱控溫機構，所述加熱控溫機構用于控制所述液滴產生機構內的液態金屬的溫度。

進一步的，所述加熱控溫機構包括熱電片、電加熱絲和熱電偶，所述熱電片設置于所述液滴產生機構的外側，電加熱絲設置于所述液滴產生機構內，以控制所述液滴產生機構內的液態金屬溫度；所述熱電偶的測溫端伸入到所述液滴產生機構內，以測量所述液滴產生機構內的液態金屬的溫度。

進一步的，所述液態金屬微流道中的液態金屬的固化溫度小于等于200℃；優選所述液態金屬為鎵單質金屬、鎵銦合金、鎵銦錫合金、鉍銦錫合金或鉍銦錫鋅合金中的一種或幾種混合。

進一步的，所述主流體微流道中的連續相主流體包括丙三醇溶液、氫氧化鈉溶液、或硅油溶液中的一種或幾種混合。