一种用于金属三维打印的液滴生成方法与流程

本发明涉及三维打印技术，尤其是涉及一种用于金属三维打印的液滴生成方法，属于增材制造技术领域。

背景技术：

三维打印技术最早起源于19世纪末的美国，直到20世纪七八十年代在日本和美国得到完善并商业化。现在常见的主流三维打印技术，例如立体光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，FDM)、选择性激光烧结(Selecting Laser Sintering，SLS)、三维粉末粘接(Three Dimensional Printing and Gluing，3DP)，于20世纪八九十年代在美国获得商业化。通过堆叠熔化原料实现三维打印的技术中，例如常见的FDM塑料打印和其它类似原理的金属打印，其中重要核心组件之一就是产生熔融原料的熔炉/挤出头/发生装置。目前有不少关于产生熔融金属原料的发生装置的专利申请，例如申请号为201410513433.7、名称为“一种用于金属熔融挤出成型的3D打印头”的中国专利申请，又如申请号为201520533246.5、名称为“一种用于半固态金属挤出沉积成型的装置”的中国专利申请，这些专利申请无法产生液滴，产生连续的金属流。也有可以产生金属液滴的公知技术，应用于金属三维打印的成型过程中，例如文献Experiments on remelting and solidification of molten metal droplets deposited in vertical columns(来源：期刊名《Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of the Asme》，2007年第129卷第2期311-318页)中记载的装置及方法，主要原理是采用气体推动微型熔炉/坩埚内的液态金属从喷嘴喷出而形成金属流，如果使用脉冲气流在微型熔炉/坩埚内产生脉冲式的压强振动就可以在喷嘴出口处形成金属液滴，但由于气体是可压缩的物质形态，存在压力传导延滞，金属液滴的生成速度不高；申请号为201520561484.7、名称为“一种液态金属打印墨盒”的中国专利申请就使用了该文献中记载的技术，但该专利申请提出的结构并不适用于高熔点材料(例如陶瓷、钛合金等)、也不能在工作过程中连续添加固态原料。又如申请号为201310721955.1、名称为“一种提高金属熔滴按需打印沉积成形零件致密度的方法”的中国专利申请，也是将液态金属从熔炉/坩埚内喷出而形成金属液滴。这些产生金属液滴的方法都是通过施加压力和利用流体的特性来产生金属液滴，由于液态金属的表面张力和粘滞力都比较高，不容易产生体积微小的金属液滴，金属液滴的生成速度慢。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种集成于金属三维打印成型过程中的金属液滴简易生成方法，所生成的金属液滴与已打印成型的金属之间实现冶金融合，可通过电场调控金属液滴冷却后的内部组织形态。

为了实现上述的发明目的，本发明采用的技术方案是：一种用于金属三维打印的液滴生成方法，它采用加热装置将固态金属原料加热熔化以获得液态金属或软化且可流动的金属，液态金属或软化且可流动的金属在外力的作用下形成金属流；通过累积所述的液态金属或软化且可流动的金属来实现三维打印，在累积所述的液态金属或软化且可流动的金属的过程中将金属流片段化以形成金属液滴；

其特征在于：

在累积液态金属的过程中，在液态金属与已打印成型的金属之间施加电流，通过电阻发热的方式将液态金属流的局部加热气化以将液态金属流切断(也属于熔断)，在已打印成型的金属上形成金属液滴；

或者，在累积软化且可流动的金属的过程中，在软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间施加电流，通过电阻发热的方式将软化且可流动的金属的局部加热并液化形成液态金属，所形成的液态金属的局部被电流进一步加热气化以将液态金属切断(也属于熔断)，在已打印成型的金属上形成金属液滴；

所述的已打印成型的金属是由先前的液态金属在不具备流动性之后形成。先前累积的液态金属的热量被与其相接触的物体及环境导走，当温度下降到一定阈值之后，就失去流动性(包括蠕变)。

因为多数金属的熔点与沸点之间存在较大的温差，例如纯钛在一个标准大气压下的熔点为1660℃、沸点为3287℃(数据来源：百度百科)，如果在极短时间内使用高强度、高密度的能量加热“线状”液态钛金属，可以将其远离“低温体”(例如已打印成型的金属)的区域加热至沸点、而其与“低温体”(例如已打印成型的金属)临近的区域因为其热量部分被“低温体”导走而无法达到沸点，例如在十万分之一秒内在长度为100微米、直径60微米的液态钛金属丝上施加强度为200安培的电流，温度达到沸点的区域快速气化而导致液态钛金属丝断裂(熔断)，与“低温体”临近以及相接触的区域未被气化而与“低温体”保持连接并粘附在“低温体”(例如已打印成型的金属)上；保留在“低温体”(例如已打印成型的金属)上的液态金属在极短时间内仍保持液态，形成金属液滴。在形成金属液滴的过程中，“电阻发热”也会发生在“低温体”(例如已打印成型的金属)与液态金属相接触且位于“低温体”一侧的部位，当发热功率和能量密度超过一定阈值时，“电阻发热”作用使“低温体”的该部位熔化，金属的热量传导速度不足以抵消“电阻发热”所引发的局部熔化，从而在“低温体”(例如已打印成型的金属)与液态金属相接触的交界面的“低温体”一侧形成紧贴交界面的微型熔池。在常温条件下的固态金属表面产生微型熔池，这在工业上很常见，例如通过激光、电弧、等离子体等加热方式将金属工件表面的局部瞬间熔化、甚至气化，就是利用一定功率的高密度能量在极短时间内将金属局部加热至熔点以上(金属局部的升温速度远远超过金属的散热速度)。

可选地，所述的在液态金属与已打印成型的金属之间施加电流，是在液态金属与已打印成型的金属发生接触之后才施加电流；所述的在软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间施加电流，是在软化且可流动的金属与已打印成型的金属发生接触之后才施加电流。

可选地，在三维打印系统打印金属零件的第一层的过程中：

在累积液态金属的过程中，在液态金属与三维打印支撑平台或支撑层之间施加电流，通过电阻发热的方式将液态金属流的局部加热气化以将液态金属流切断(也属于熔断)，在三维打印支撑平台或支撑层上形成金属液滴；

或者，在累积软化且可流动的金属的过程中，在软化且可流动的金属与三维打印支撑平台或支撑层之间施加电流，通过电阻发热的方式将软化且可流动的金属的局部加热并液化形成液态金属，所形成的液态金属的局部被电流进一步加热气化以将液态金属切断(也属于熔断)，在三维打印支撑平台或支撑层上形成金属液滴；

所述的三维打印系统打印金属零件，是按层构建，即所要打印的金属零件以层的形式叠加形成；

所述的三维打印支撑平台，是支撑所要打印的金属零件的平台；

所述的支撑层，是与所要打印的金属零件相接触的支撑性导电材料层。

可选地，所述的在液态金属与三维打印支撑平台或支撑层之间施加电流，是在液态金属与三维打印支撑平台或支撑层发生接触之后才施加电流；所述的在软化且可流动的金属与三维打印支撑平台或支撑层之间施加电流，是在软化且可流动的金属与三维打印支撑平台或支撑层发生接触之后才施加电流。

可选地，所述的加热装置，将固态金属原料加热熔化以获得液态金属，或将固态金属原料加热形成软化且可流动的金属，通过压力将液态金属或软化且可流动的金属从加热装置内推出而形成金属流。

可选地，所述的加热装置，其加热方式采用电磁感应加热、或电弧加热、或等离子体加热、或电阻发热。

可选地，所述的软化且可流动的金属，是金属被加热熔化、但未达到液化的程度，在外力的作用下可以发生形变(包括蠕变)、移动或流动。

可选地，所述的三维打印，所使用的原料除了纯金属，可以是其它导电性材料(非纯金属)，其三维打印方法与所述的金属三维打印方法相同(即，通过累积液态导电性材料或软化且可流动的导电性材料来实现三维打印)；当采用其它导电性材料(非纯金属)作为三维打印的原料，所生成的液滴就是所使用的原料的液滴，生成液滴的方法与上述的金属液滴生成方法相同(即，在累积液态导电性材料或软化且可流动的导电性材料的过程中将导电性材料流进行片段化以形成导电性材料液滴，通过电阻发热的方式气化导电性材料流的局部以实现片段化)。例如：金属与陶瓷的混合物(如Ti(C,N)基金属陶瓷，属于合金)，导电性化合物(如碳化钛TiC)，都是导电性材料、但不是纯金属材料。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过在液态金属与已打印成型的金属之间施加大电流，在液态金属以及已打印成型的金属与液态金属的接触部位产生“电阻发热”，从而使液态金属的温度进一步升高，在液态金属的远离已打印成型的金属的局部温度达到沸点，而位置接近已打印成型金属的液态金属因为其热量部分被已打印成型金属导走、使该部位的温度无法达到沸点，导致液态金属流被高温切断(熔断)，从而在已打印成型的金属上产生金属液滴；由于液态金属流的熔断是依靠电流，而非机械动力，此方式降低了金属三维打印系统的复杂度，可控性更高；该方法可以产生体积微小的金属液滴，液滴生成速度快，控制方法简单。

(2)本发明通过在液态金属与已打印成型的金属之间施加大电流，在液态金属以及已打印成型的金属与液态金属的接触部位产生“电阻发热”，可以使已打印成型的金属与液态金属相接触的部位发生熔化，进而使液态金属与已打印成型的金属之间实现以“熔融”的方式进行连接(即“冶金融合”)，使三维打印产生的金属零件获得极高的结构强度。

(3)本发明通过在三维打印的成型过程中同步产生金属液滴，解决了加热装置挤出或喷出的金属流在累积的过程中产生的“拖曳”问题。液态金属的表面张力和粘滞力较大，软化且可流动的金属的粘滞力比液态金属更大，在累积液态金属或软化且可流动的金属的过程中，会发生“拖曳”，在打印像素队列中具有先后顺序关系的不相邻的两个像素点之间产生连接两个像素点的丝状金属“桥”，或产生与某些像素点连接的金属丝，可能对金属三维打印造成不良影响。本发明通过“熔断”的方式在产生液滴的同时，也避免了“拖曳”的产生。

(4)本发明通过施加电流产生的“电阻发热”来产生金属液滴，可以使用软化但还未完全液化的金属作为原料，通过“电阻发热”的方式将软化且可流动的金属局部加热液化，再进一步加热使所获得的液态金属局部气化而产生金属液滴，可以降低加热装置的工作温度，进而获得较高的可实施性和降低能耗。

(5)本发明通过施加电流产生的“电阻发热”来调控金属三维打印成型过程中的成型部位金属的熔化状态，电场对合金在液态状态下的晶核生长过程产生影响，适当的电场参数(例如振荡频率、电流强度等)可以提升合金的力学性能；有不少关于电场对金属组织的影响的研究，例如文献：题目：《脉冲电场作用下金属组织的研究进展》(综述)，作者：何力佳，刊物：《辽宁工学院学报》，2003年第23卷第5期；又如文献：题目：《外加电场对合金凝固组织的影响》(综述)，作者：刘谨(等)，刊物：《铸造》，2012年，第61卷第8期。本发明可以将“冶金电场调控”集成于金属三维打印的成型过程中。

综上所述，本发明的有益效果：可以在金属三维打印的成型过程中快速生成体积微小的金属液滴，控制方法简单，响应速度高；解决了FDM三维打印技术中常见的熔化原料“拖曳”问题；生成的金属液滴与已打印成型的金属之间实现“冶金融合”，连接强度极高；可以将“冶金电场调控”集成于金属三维打印的成型过程中；可实施性高。本发明具有实质性进步。

附图说明

图1是示意图，用于说明本发明的一个较佳具体实施例，金属三维打印系统打印第一层金属，图中的箭头D1表示移动方向；

图2是示意图，是图1中的虚线CC所指示的局部的放大图，用于说明金属三维打印系统在打印第一层金属时的生成金属液滴的过程；

图3是示意图，用于说明图2所示的金属液滴生成过程在施加电流之前的状态；

图4和图5是示意图，用于说明图1所示的本发明的较佳具体实施例在金属三维打印系统打印第二层金属时的生成金属液滴的过程；

其中的标号：1-微型熔炉，2-喷嘴，3-熔化的金属原料，4-支撑层，5-支撑平台，6-发热电流发生电路，7-已打印成型的金属。

具体实施方式

下面列举本发明的一个较佳具体实施例并结合附图对本发明进行详细描述。

如图1至图5所示的本发明的一个具体实施例：一种用于金属三维打印的液滴生成方法，它采用加热装置将固态金属原料加热熔化以获得液态金属或软化且可流动的金属，液态金属或软化且可流动的金属在外力的作用下形成金属流；通过累积所述的液态金属或软化且可流动的金属来实现金属三维打印，在累积所述的液态金属或软化且可流动的金属的过程中将金属流片段化以形成金属液滴；所述的液态金属在不具备流动性之后形成已打印成型的金属；所述软化且可流动的金属，是金属被加热熔化、但未达到液化的程度，在外力的作用下可以发生形变(包括蠕变)、移动或流动；

其特征在于：

在累积液态金属的过程中，在液态金属与已打印成型的金属之间施加电流，通过电阻发热的方式将液态金属流的局部加热气化以将液态金属流切断/熔断，在已打印成型的金属上形成金属液滴；

或者，在累积软化且可流动的金属的过程中，在软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间施加电流，通过电阻发热的方式将软化且可流动的金属的局部加热并液化形成液态金属，所形成的液态金属的局部被电流进一步加热气化以将液态金属切断/熔断，在已打印成型的金属上形成金属液滴。

在本具体实施例中，在金属三维打印系统打印金属零件的第一层的过程中：

在累积液态金属的过程中，在液态金属与三维打印支撑平台或支撑层之间施加电流，通过电阻发热的方式将液态金属流的局部加热气化以将液态金属流切断/熔断，在三维打印支撑平台或支撑层上形成金属液滴；

或者，在累积软化且可流动的金属的过程中，在软化且可流动的金属与三维打印支撑平台或支撑层之间施加电流，通过电阻发热的方式将软化且可流动的金属的局部加热并液化形成液态金属，所形成的液态金属的局部被电流进一步加热气化以将液态金属切断/熔断，在三维打印支撑平台或支撑层上形成金属液滴。

在本具体实施例中，所述的金属三维打印系统打印金属零件，是按层构建，即所要打印的金属零件以层的形式叠加形成；所述的三维打印支撑平台，是支撑所要打印的金属零件的平台；所述的支撑层，是与所要打印的金属零件相接触的支撑性导电材料层。

在本具体实施例中，所述的加热装置，主要由微型熔炉1和电磁感应线圈(在附图中未示出)组成，微型熔炉1的下端设置有喷嘴2；微型熔炉1的壳体采用特种钨合金制造；电磁感应线圈围绕在微型熔炉1下段的外围，电磁感应线圈产生的中频交变磁场在微型熔炉1的壳体及其内部的金属原料耦合感生涡流，继而导致发热，将固态金属原料加热熔化，固态金属原料的熔化状态(包括液化和软化)由加热功率及加热时长决定；通过挤压产生的高压将液态金属或软化且可流动的金属从加热装置内推出而形成金属流。通过设置于微型熔炉1内的螺杆或活塞推动熔化的金属原料3，或者采用常见的FDM三维打印技术中使用的挤出方式，对熔化的金属原料3产生挤压作用。

在本具体实施例中，金属三维打印系统的支撑平台5与所要打印的金属零件之间设置有支撑层4。支撑层4为一片与所要打印的金属零件相同材料的平整的金属板，支撑层4作为耗材，避免支撑平台5被“电阻发热”引起的微型熔融导致的损伤。支撑平台5能进行上下移动，加热装置能进行基于水平面的二维移动(水平面的法线与竖直方向重合或平行)。微型熔炉1与支撑层4都被连接到发热电流发生电路6，发热电流发生电路6产生的电流经过微型熔炉1、支撑层4传导至被从喷嘴2喷出并且与支撑层4或已打印成型的金属7相接触的液态金属或软化金属。喷嘴2的内径为60μm；在打印金属零件的第一层时，喷嘴2的下端面与支撑层4上表面的距离为100μm；在打印金属零件的第二层时，喷嘴2的下端面与已打印成型的金属7上平面的距离为100μm。

在本具体实施例中，三维打印的原料使用纯金属(仅含金属，不含其它化合物)，产生的液滴是纯金属液滴。

具体应用方案：

加热装置将固态金属原料加热熔化，在微型熔炉1内获得熔化的金属原料3，熔化的金属原料3被挤压而从喷嘴2喷出。加热装置往图1中所示的箭头D1指示的方向移动。

微型熔炉1喷射液态金属的方式有两种：第一种，间断式/脉冲式，通过在微型熔炉1内部产生脉冲式压力振动，使得微型熔炉1在每个像素点对应位置喷射出某个体积的金属液；第二种，连续式，在设定的时长内，在微型熔炉1内部的挤出压力维持稳定，在微型熔炉1移动的过程中边移动边喷出。在本具体实施例中，采用第二种方式(连续式)。

产生金属液滴的过程，如图2至图5所示。

图3所示，在金属三维打印系统打印金属零件的第一层时，液态金属被从喷嘴2喷出后，液态金属接触到支撑层4的瞬间，金属三维打印系统的控制系统监测到液态金属与支撑层4接触，即监测到微型熔炉1与支撑层4之间建立了电气连接；之后，控制系统启动发热电流发生电路6。在本具体实施例中，控制系统在液态金属与支撑层4接触之后的千万分之一秒内监测到该“事件”和启动发热电流发生电路6。

图2所示，位于喷嘴2、支撑层4之间的液态金属被施加大电流(例如200安培)，液态金属中段偏向喷嘴2一侧被气化、直径逐渐缩小(该过程持续时间极短)，并且由于该部位的温度高于其它部位、表面张力小而导致该部位的金属液被其它更高表面张力的部位牵引而加剧该部位的直径缩小，液态金属中段偏向喷嘴2一侧在短于十万分之一秒的时间内被完全气化(例如五十万分之一秒)，导致液态金属被熔断(被电流切断)；液态金属与支撑层4接触的一端未被蒸发而粘附在支撑层4上，在极短时间内仍然保持液态，即在支撑层4上形成一个金属液滴；液态金属与喷嘴2接触的一端由于喷嘴2的温度低于金属原料的气化温度，喷嘴2将部分热量导走而导致紧贴喷嘴2的液态金属无法被气化。位于喷嘴2内的液态金属由于喷嘴2也是导电的，导致喷嘴2内的液态金属所获得的电流分量远小于位于喷嘴2、支撑层4之间的液态金属，喷嘴2内的液态金属仍处于液态。

当液态金属被切断/熔断后，控制系统监测到该“事件”，即刻关闭发热电流发生电路6。

图2和图3所示的金属液滴生成过程存在于微型熔炉1移动的过程中。微型熔炉1的移动速度与液态金属的喷射速度需要相互协调，通过调节这两个参数来实现金属液滴及其所形成的液滴状已打印成型的金属之间的距离。液态金属的喷射速度又取决于微型熔炉1内的压强、温度及金属原料的种类。

同样道理，如图4和图5所示，在金属三维打印系统打印金属零件的第二层及以上的层时，位于喷嘴2、已打印成型的金属7之间的液态金属也被同样的方式熔断而在已打印成型的金属7上形成金属液滴。

因为多数金属的熔点与沸点之间存在较大的温差，例如纯钛在一个标准大气压下的熔点为1660℃、沸点为3287℃(数据来源：百度百科)，如果在极短时间内使用高强度、高密度的能量加热“线状”液态钛金属，可以将其远离“低温体”(例如已打印成型的金属)的区域加热至沸点甚至更高、而其与“低温体”(例如已打印成型的金属)临近的区域因为其热量部分被“低温体”导走而无法达到沸点，例如在十万分之一秒内在长度为100微米、直径60微米的液态钛金属丝上施加强度为200安培的电流，温度达到沸点的区域快速气化而导致液态钛金属丝断裂(熔断)，与“低温体”临近以及相接触的区域未被气化而与“低温体”保持连接并粘附在“低温体”(例如已打印成型的金属)上；保留在“低温体”(例如已打印成型的金属)上的液态金属在极短时间内仍保持液态，形成金属液滴。

在上述的形成金属液滴的过程中，“电阻发热”也会发生在“低温体”(例如已打印成型的金属)与液态金属相接触且位于“低温体”一侧的部位，当发热功率和能量密度超过一定阈值时，“电阻发热”作用使“低温体”的该部位熔化，金属的热量传导速度不足以抵消“电阻发热”所引发的局部熔化，从而在“低温体”(例如已打印成型的金属)与液态金属相接触的交界面的“低温体”一侧形成紧贴交界面的微型熔池。在常温条件下的固态金属表面产生微型熔池，这在工业上很常见，例如通过激光、电弧、等离子体等加热方式将金属工件表面的局部瞬间熔化、甚至气化，就是利用一定功率的高密度能量在极短时间内将金属局部加热至熔点以上(金属局部的升温速度远远超过金属的散热速度)。

微型熔炉1也可以采用压缩惰性气体推动熔化的金属原料的流动。金属流的生成也可以采用这种方式产生：使用金属丝穿过耐高温的套管，在套管的下端外围设置电磁感应线圈，使用送丝轮推动金属丝的移动，金属丝在套管的下端出口处被加热软化或液化，随即与已打印成型的金属接触。微型熔炉1的壳体，除了可以采用特制钨合金制造，还可以采用石墨等耐高温的导电性材料。

以上所述，仅作为本发明的较佳具体实施例，不能以此限定本发明的实施范围，即依据本发明权利要求书及说明书内容所做的等效变换与修饰，皆仍属于本发明涵盖的范围。