基于磁控偏转的导电流体3D打印系统的制作方法

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种基于磁控偏转的导电流体3D打印系统。

背景技术：

3D打印技术出现在20世纪80年代中期，可以根据计算机中的三维模型通过增加材料过程得到三维实体，因而在行业内也被称为增材制造。可用的材料种类比较广泛，包括金属、聚合物、陶瓷、建筑材料、可食用材料等；原料的形态也具有多种形态，包括块料、粉末、丝材、薄片、液体等。成形过程一般为逐层制造，利用物理、化学等方式将材料选择性的结合在一起。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件被应用在医疗、工业等领域。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

当前3D打印技术可以制造的导电材料主要是金属材料，而金属的加工工艺主要采用粉末(约占市场的60%)；其余的工艺包括金属丝和金属薄片。这些材料本身成本远高于块状材料，比如金属粉末的材料一般为块状材料10倍以上；同时由于成形速度慢，整体成形工艺的成本很高，极大的限制了3D打印金属工艺的规模化生产、应用。而航天航空、汽车、医疗等领域对金属3D打印的需求在不断地增长。在保持3D打印工艺的前提下，如何能够提高速度、降低成本并更大程度的满足这些产业需求成为迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于磁控偏转的导电流体3D打印系统。

本发明的一个实施例提供了一种基于磁控偏转的导电流体3D打印系统10，包括：加热融化系统11、流体输送系统12、偏转系统13、运动平台系统14、计算机控制系统15及温控系统16；其中，

所述加热融化系统11、所述流体输送系统12及所述偏转系统13依次串行连接以依次完成对原材料的进料、融化、流体化及对流体偏转的操作；

所述计算机控制系统分别连接所述加热融化系统11、所述流体输送系统12、所述偏转系统13、所述运动平台系统14及所述温控系统以实现对所述加热融化系统11、所述流体输送系统12、所述偏转系统13、所述运动平台系统14及所述温控系统16的分别控制；

所述温控系统16连接所述加热融化系统11、流体输送系统12及所述运动平台系统14以对所述原材料加工过程中进行温度控制以及对成形产品过程中的温度控制。

在本发明的一个实施例中，所述加热融化系统11包括一个或者多个储料室111和设置在所述储料室内的加热装置。

在本发明的一个实施例中，所述储料室111中的原材料为块状、粉末状的金属、盐类或者导电有机物。

在本发明的一个实施例中，所述加热装置为电阻式加热装置或者感应式加热装置。

在本发明的一个实施例中，所述流体输送系统12包括进气装置、流体输出装置及聚焦装置；其中，

所述进气装置包括气泵121、气压计122、气体阀123及分阀门124；所述气体阀123连接所述气泵121，用于将所述气泵121产生的气体分配至不同的所述储料室111，所述分阀门124与所述储料室111一一对应设置以控制进入对应所述储料室111的气流；所述气压计122设置在所述气泵121与所述气体阀123之间以监测所述气泵121产生的气体压强值；

所述流体输出装置包括液体阀125和喷嘴126，所述液体阀125连接于所述储料室111的出料口和所述喷嘴126之间，完成所述原材料形成的流体的输出；

所述聚焦装置127设置于所述喷嘴126处用于减小所述流体的液流横截面。

在本发明的一个实施例中，所述偏转系统13包括电控制装置及磁偏转装置；其中，

所述电控制装置包括导电部件、电流源131和接地端132；所述导电部件位于所述流体输送系统12的喷嘴126位置处用于对流体进行导电化处理形成导电流体；所述电流源131连接所述导电部件，所述接地端132设置于所述运动平台系统14的成形平台141处，以使所述电流源131、所述导电部件、所述导电流体、所述成形平台141之间形成电性闭合回路；

所述磁偏转装置包括磁偏转线圈133，设置于靠近所述喷嘴126处，以在所述喷嘴126处形成磁场。

在本发明的一个实施例中，所述计算机控制系统15通过调节所述电流源131的电流和所述磁偏转线圈133的磁场以改变流体的偏转方向。

在本发明的一个实施例中，所述运动平台系统14包括成形平台141和运动控制机构142；所述成形平台141在所述运动控制机构142驱动下进行多方位的移动。

在本发明的一个实施例中，所述运动控制机构142为多轴数控机构，由所述多轴数控机构控制所述成形平台141上下左右平动或旋转运动。

在本发明的一个实施例中，所述温控系统16包括原材料温控装置161、喷嘴温控装置162和成形平台温控装置163；其中，

所述原材料温控装置161设置于所述加热融化系统11的所述储料室111侧壁位置处用于监测并控制所述储料室111中原材料融化的温度；

所述喷嘴温控装置162设置于所述流体输送系统12的所述喷嘴126位置处用于监测并控制所述喷嘴126处流体的温度；

所述成形平台温控装置163设置于所述运动平台系统14的所述成形平台141位置处用于监测并控制所述成形平台141处的成形产品的冷凝温度。

本发明实施例，通过对原材料加热生成流体，并通过所述磁控偏转系统完成对流体的偏转控制，从而完成3D打印。采用本方法的原材料不受原材料形状限制，且原材料可配比，实现从单一材料到梯度材料的打印，因此该磁控偏转的导电流体3D打印系统具有原材料成本低，制作速度快，可制造功能性梯度材料等特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于磁控偏转的导电流体3D打印系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种基于磁控偏转的导电流体3D打印系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于磁控偏转的导电流体3D打印系统的磁偏转原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于磁控偏转的导电流体3D打印系统的结构框图，该基于磁控偏转的导电流体3D打印系统包括：加热融化系统11、流体输送系统12、偏转系统13、运动平台系统14、计算机控制系统15及温控系统16；

其中，加热融化系统11、流体输送系统12及偏转系统13依次串行连接以依次完成对原材料的进料、融化、流体化及对流体偏转的操作；

计算机控制系统分别连接加热融化系统11、流体输送系统12、偏转系统13、运动平台系统14及温控系统以实现对加热融化系统11、流体输送系统12、偏转系统13、运动平台系统14及温控系统16的分别控制；

温控系统16连接加热融化系统11、流体输送系统12及运动平台系统14以对原材料加工过程中进行温度控制以及对成形产品过程中的温度控制。

其中，加热融化系统11、流体输送系统12、偏转系统13、运动平台系统14、及温控系统16都可以处于工作腔中且在保护气氛下工作；

本实施例中，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于磁控偏转的导电流体3D打印系统的结构示意图。加热融化系统11包括一个或者多个储料室111和设置在储料室内的加热装置。

本实施例中，储料室111中的原材料为块状、粉末状的金属、盐类或者导电有机物。原材料的形状包括但不限于块状或者粉末状，只要在熔融或者流体状态下可实现导电均可，此处不做任何限制。

本实施例中，加热装置为电阻式加热装置或者感应式加热装置。

其中，加热熔化系统可以将原材料熔化并保持在设定的温度范围。

本实施例中，流体输送系统12包括进气装置、流体输出装置及聚焦装置；其中，

进气装置包括气泵121、气压计122、气体阀123及分阀门124；气体阀123连接气泵121，用于将气泵121产生的气体分配至不同的储料室111，分阀门124与储料室111一一对应设置以控制进入对应储料室111的气流；气压计122设置在气泵121与气体阀123之间以监测气泵121产生的气体压强值；

流体输出装置包括液体阀125和喷嘴126，液体阀125连接于储料室111的出料口和喷嘴126之间，完成原材料形成的流体的输出；

聚焦装置127设置于喷嘴126处用于减小流体的液流横截面。

其中，原材料形成的流体供给到流体输送系统12。流体流出可以在重力、外加压力或者复合作用下，优选地，压力为气压或者机械压力。压力可以调节从而控制流体在离开喷嘴时的速度、发散角等。

其中，多种原材料可以按照一定的比例进行配比，可以通过调整每个储料室111的气体阀123及分阀门124和流体输出装置的液体阀125实现从单一材料到梯度材料的打印。

优选地，聚焦系统127为聚焦线圈(组)。

本实施例中，偏转系统13包括电控制装置及磁偏转装置；其中，

电控制装置包括导电部件、电流源131和接地端132；导电部件位于流体输送系统12的喷嘴126位置处用于对流体进行导电化处理形成导电流体；电流源131连接所述导电部件，接地端132设置于运动平台系统14的成形平台141处，以使电流源131、导电部件、导电流体、成形平台141之间形成电性闭合回路；

磁偏转装置包括磁偏转线圈133，设置于靠近喷嘴126处，以在喷嘴126处形成磁场。

本实施例中，偏转系统包括但不局限于磁偏转装置。

本实施例中，导电部件131优选为喷嘴126。

其中，电流源131可以为直流电流源。直流电流源能够根据需求迅速调整电流的强度，使流过导电流体的电流在设定区间。

本实施例中，计算机控制系统15通过调节电流源131的电流和磁偏转线圈133的磁场以改变流体的偏转方向。

本实施例中，运动平台系统14包括成形平台141和运动控制机构142；成形平台141在运动控制机构142驱动下进行多方位的移动。

本实施例中，运动控制机构142为多轴数控机构，由多轴数控机构控制成形平台141上下左右平动或旋转运动。

本实施例中，温控系统16包括原材料温控装置161、喷嘴温控装置162和成形平台温控装置163；其中，

原材料温控装置161设置于加热融化系统11的储料室111侧壁位置处用于监测并控制储料室111中原材料融化的温度；

喷嘴温控装置162设置于流体输送系统12的喷嘴126位置处用于监测并控制喷嘴126处流体的温度；

成形平台温控装置163设置于运动平台系统14的成形平台141位置处用于监测并控制成形平台141处的成形产品的冷凝温度，以控制不同的冷凝速度。

其中，工作时，加热融化系统11在温控系统16的控制下，原材料熔化为导电流体，导电流体通过流体输送系统12由喷嘴126喷出，经过偏转系统13到达成形平台141上迅速冷却形成固体层片。离开喷嘴126的导电流体在接触到成形平台141或者成形平台上已经打印的层片时，外部的电流源131、导电流体、成形平台141或者成形平台上已经堆积的层面以及喷嘴126构成电性闭合回路。如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种基于磁控偏转的导电流体3D打印系统的磁偏转原理示意图，如图所示，根据偏转量的需求，通过改变磁场的强度或者改变流体中电流的强度，可以改变导电流体的偏转角，从而使得导电流体到达成形平台141的不同区域。在当前层片完成后直接进行下一层片的堆积，直到所有的层片堆积工作完成。在不同层片间进行切换时，该工艺可以不停止工作，从而大幅度的提高了成形的速度。

具体地，该偏转公式，其中，B是磁场强度，I是通过导电液体的电流强度，V是流体进入磁场时的速度，M是材料的特性。

进一步地，M可以包括密度和液流的横截面A；

可以将导电流体在磁场中的偏转距离d具体用以下公式近似：

完成打印的产品可以根据应用需求进行后处理，包括但不限于去除应力、机加工。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。