一种熔融惯性喷射组件及增材制造系统的制作方法

本发明涉及一种熔融惯性喷射组件及增材制造系统，属于增材制造领域。

背景技术

目前通过加热熔化打印材料快速成型零件所采用的增材制造技术主要有：选区激光烧结（selectivelasersintering，sls）技术、选区激光熔化（selectivelasermelting，slm）技术、直接金属粉末激光烧结(directmetallasersintering，dmls)、激光近净成形（laserengineerednetshaping，lens）技术、电子束选区熔化（electronbeamselectivemelting，ebsm）技术、电弧增材制造（wirearcadditivemanufacture，waam）技术和熔融沉积成型（fuseddepositionmodeling，fdm）技术等。

采用选区激光烧结技术（sls）、选区激光熔化技术（slm）、直接金属粉末激光烧结(dmls)、激光近净成形（lens）技术、电子束选区熔化（ebsm）技术的增材制造系统，需使用激光或电子束作为热源加热打印材料来实现零件直接快速成形制造，其设备结构相对复杂、材料要求高、能源消耗大，设备成本普遍较高。

采用电弧增材制造技术（waam）的增材制造系统，利用电弧加热打印材料来实现金属零件直接快速成形制造，虽有材料适用范围较广、成型效率高、设备及材料成本低的优势，但同时也存在成形精度低、成形稳定性差、设备自动化水平不高等问题。

采用熔融沉积成型技术（fdm）技术的增材制造系统，一般利用电阻性热源加热热塑性塑料或类似材料来实现零件直接快速成形制造，虽然也有材料适用范围较广、成型效率高、设备及材料成本低等优势，但所使用的技术原理仅适用于以聚合物为基础材料的熔融温度较低的增材制造系统，并不能适用于类似金属、玻璃等高熔点材料的快速直接成型。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种熔融惯性喷射组件及增材制造系统，具有结构相对简单、材料适用范围广、成形精度较高、成形稳定性好，成型效率高、设备及材料成本低、同时适用于高熔点和低熔点材料快速直接成型的特点，以弥补现有增材制造系统的缺点和不足。

本发明的技术方案是：一种熔融惯性喷射组件，包括具有喷口的贮液腔，还包括：

加热器，配置用来将所述贮液腔中的固体打印材料熔化并保持为可流动的液体状态；

惯性驱动器，配置用来驱动所述贮液腔沿喷口轴向作加速度绝对值变化的运动，以控制贮液腔内贮存的液体打印材料与贮液腔内壁产生相对惯性力，从而使一定量的液体打印材料脱离所述喷口形成喷射液滴。

所述加热器为电磁感应加热线圈，至少部分围绕在所述贮液腔的外壁面。

所述贮液腔上设有用于检测其温度的温度传感器，温度传感器的信号输出端与贮液腔温度控制装置的信号输入端口连接，贮液腔温度控制装置的信号输出端口与加热器的控制端口电性连接。

所述惯性驱动器包括固定端、运动端和动作元件，固定端通过动作元件与运动端连接，运动端与贮液腔连接，用于驱动贮液腔沿喷口的轴向作加速度绝对值变化的运动。

所述运动端上设有用于检测其加速度的加速度传感器，加速度传感器的信号输出端与惯性驱动控制装置的信号输入端口连接，惯性驱动控制装置的信号输出端口与惯性驱动器的控制端口电性连接，其中，惯性驱动控制装置用于产生一个或多个电压波形施加到惯性驱动器，以控制熔融惯性喷射组件喷射打印材料液滴的大小和速率。

本发明还提供一种熔融惯性喷射增材制造系统，包括：

一间建造室；

安装于所述建造室内的至少1个以上权利要求1至5任一所述的熔融惯性喷射组件；

安装于所述建造室内的打印床，具有一个表面，配置用来接收熔融惯性喷射组件喷射的打印材料；

安装于所述建造室内的机械定位组件，配置用来控制所述熔融惯性喷射组件与打印床的相对位置；

安装于所述建造室内的供料装置，配置用来向所述熔融惯性喷射组件中的贮液腔输送固体打印材料；

控制器，与所述熔融惯性喷射组件和机械定位组件的控制端口连接，用于驱使所述熔融惯性喷射组件按预定的模型在打印床上制造物体。

所述建造室内设有保护气体供应装置，被配置为用于向贮液腔及其喷口周围提供保护气体，以防止高温易氧化打印材料产生氧化反应。

所述建造室内设有温度调节装置，用于保持或调节建造室内至少一部分区域的温度。

所述熔融惯性喷射组件中设有识别材料供应状态传感器，其信号输出端与材料供应控制装置的信号输入端口连接，材料供应控制装置的信号输出端口与供料装置的控制端口连接，以控制供料装置将打印材料输送到贮液腔内。

本发明熔融惯性喷射增材制造系统采用惯性喷射技术制造基于数字模型的3d打印物体。将打印材料在设置有喷口的贮液腔内熔化，通过有控制地使用惯性驱动力将贮液腔内熔化的液态打印材料从喷口排出。同时，机械定位组件根据数字模型生成的路径移动喷射装置和/或打印床，喷出的打印材料液滴沉积到打印床并凝固形成3d打印物体。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用惯性驱动喷射技术进行快速成形制造，可精确控制熔融液滴材料喷射，结构简单、成形精度高、成形稳定性好、材料利用率高。

2、本发明可采用电阻或电磁感应加热实现零件直接快速成形制造，适用于各种低熔点和高熔点材料的快速直接成型，结构简单、材料适用范围广、设备及材料成本低。

3、按照本发明实施的增材制造系统和方法，可实现高熔点材料（包括金属材料）的低成本增材制造。

附图说明

图1是熔融惯性喷射增材制造系统示意图；

图2是其中一种熔融惯性喷射组件示意图；

图3是另一种熔融惯性喷射组件示意图；

图4熔融惯性喷射组件与控制器连接示意图；

附图中：100熔融惯性喷射增材制造系统，101.3d打印机，102构件区，103三维物体，104外部环境，106三维数字模型，108计算机，110建造室，112外壳，114保护气体供应装置，116温度调节装置，118供料装置，120熔融惯性喷射组件，122喷口，124壳体，126温度传感器，140打印床，142表面，144打印床温度控制装置，150机械定位组件，160控制器，162处理器，164存储器，166贮液腔温度控制装置，168材料供应控制装置，170惯性驱动控制装置，180网络接口，182网络，212打印材料，220贮液腔，230加热器，250惯性驱动器，252运动端，254固定端，256动作元件，258加速度传感器，260识别材料供应状态传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍：

请参阅图2至图4，根据本发明一种熔融惯性喷射组件120，包括贮液腔220、加热器230和惯性驱动器250。

贮液腔220可以基本密封，以便熔化的打印材料212可以容纳在贮液腔220的受控环境中。贮液腔220可以由金属制成，金属也可包括金属氧化物（例如氧化铝）、金属碳化物（例如碳化钨）。贮液腔220还可以或由其它材料制成，例如陶瓷材料、石英、石墨等。在贮液腔220的底端设有喷口122，工作时液体从喷口122喷射出来完成打印。

喷口122可以是一个孔或开口，其用于从熔融惯性喷射组件120中喷射打印材料212液滴，喷口122可以具有在10μm-1mm范围内的直径，例如10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、100μm、200μm、400μm、1mm等等。在一些实施方案中，贮液腔220和/或喷口122的几何设计可以用于影响液态打印材料212的粘度或表面142张力。

在一些实施例中，贮液腔220和喷口122可经过表面处理，以改善液态打印材料212与贮液腔220和喷口122的润湿性。

在一些实施例中，贮液腔220大约具有0.001毫升和1毫升之间的体积，也可以采用其它体积。

加热器230，配置用来将所述贮液腔220中的固体打印材料212熔化并保持为可流动的液体状态。具体地，加热器230可以包括如图中所示的感应线圈，其中至少一部分感应线圈围绕着贮液腔220。另外，加热器230也可以采用一个或多个电阻加热或其他适用于在贮液腔220内熔化打印材料212的任何加热方式。

在一些实施例中，在贮液腔220上安装有用于检测其温度的温度传感器126，温度传感器126的信号输出端与贮液腔220贮液腔温度控制装置166的信号输入端口连接，贮液腔220贮液腔温度控制装置166的信号输出端口与加热器230的控制端口电性连接。如此贮液腔220内部的温度可以通过贮贮液腔温度控制装置166进行控制，一旦贮液腔220内部的温度超过打印材料212熔点温度，打印材料212就会在熔融惯性喷射组件120的贮液腔220之内被熔化，并注满贮液腔220。

在一些实施例中，加热器230大约具有0.1kw和1.0kw之间的功率，也可以采用其它大小的功率。

惯性驱动器250，配置用来驱动所述贮液腔220沿喷口122轴向作加速度绝对值变化的运动，以控制贮液腔220内贮存的液体打印材料212与贮液腔220内壁产生相对惯性力，从而使一定量的液体打印材料212脱离所述喷口122形成喷射液滴。惯性驱动器250可以包括压电驱动器（图2为压电双晶片直线驱动器，图3为压电陶瓷堆栈直线驱动器），也可以采用电磁驱动、电致伸缩驱动、磁致伸缩驱动或其他驱动方式一的种或多种适用于驱动贮液腔220产生加速度绝对值变化运动的任何驱动装置。

惯性驱动器250包括固定端254、运动端252和动作元件256，固定端254通过电力驱动的动作元件256与运动端252连接，运动端252与贮液腔220连接。一般情况下，贮液腔220固定在运动端252，运动端252的动作方向与喷口122轴向一致，动作元件256通过控制器160驱动使运动端252产生加速度绝对值变化的运动。

惯性驱动器250和贮液腔220之间的连接部分可以采用减少贮液腔220或加热器230与惯性驱动器250间热传导的设计，以避免惯性驱动器250受贮液腔220温度影响，例如在贮液腔220和惯性驱动器250的连接部分采用隔热防护。

在一些实施例中，在运动端252上安装有用于检测其加速度的加速度传感器258，加速度传感器258的信号输出端与惯性驱动控制装置170的信号输入端口连接，惯性驱动控制装置170的信号输出端口与惯性驱动器250的控制端口电性连接，其中，惯性驱动控制装置170用于产生一个或多个电压波形施加到惯性驱动器250，通过控制贮液腔220内可流动液态打印材料212与贮液腔220内壁产生的相对惯性力的大小，进一步控制熔体惯性喷射器喷口122喷射液滴的大小和速率。一般情况下，惯性驱动控制装置170输出锯齿波形脉冲施加到惯性驱动器250，惯性驱动器250运动端252产生的加速度与时间呈锯齿状曲线关系，单个脉冲周期内的最大加速度值大约在5g和100g之间，也可以采用其它最大加速度值，喷射液滴的速率由脉冲周期时间决定，每一次脉冲周期对应产生一次喷射。在一些实施例中，熔融惯性喷射组件120的每一次喷射可以喷出400pl、500pl、600pl、700pl、800pl、900pl、1nl、或其他一些合适体积的液滴。

在一些实施例中，熔融惯性喷射组件120的部分组件，如贮液腔220、加热器230和贮液腔220温度传感器126等组件，可以安装在同一个壳体124中整体与惯性驱动器250的运动端252固定连接。

请参阅图1和图4，根据本发明一种熔融惯性喷射增材制造系统1，被配置为使用打印材料212进行三维打印，其中打印材料212包括金属、聚合物、陶瓷和玻璃等。增材制造系统包括一台3d打印机101，其具有一间建造室110、一个熔融惯性喷射组件120、一张打印床140、若干个机械定位组件150和一控制器160。

在一般情况下，建造室110内可以容纳增材制造系统的其它组件包括：熔融惯性喷射组件120、打印床和机械定位组件150，用于在建造室110内成形一个或多个三维物体103。

在一些实施例中，建造室110可以是环境密封的，其中建造室110包括外壳112，用于将构建区102与从外部环境104隔离，环境密封的建造室110可以包括基本气密或密封的腔室。环境密封的建造室110有利于易高温氧化的打印材料212的制造，环境密封的建造室110可以清除内部的氧气，或者控制输送保护气体到构建区102中。环境密封的建造室110同时也可以起到热密封作用，防止构建区与外部环境104的进行热传递。为了保持建造室110的密封，外壳112上的任何开口或开孔，例如，用于打印材料212供料装置118、电子设备连接的接口等，可以采取包括密封连接件等类似方式进行密封处理。

打印床140安装在建造室110内，并且包括表面142，表面142可以是刚性的且基本上是平面的，该表面142配置成用于接收从熔融惯性喷射组件120释放的液态打印材料212液滴，以形成三维物体103。打印床140可以在建造室110内可通过机械定位组件150与熔融惯性喷射组件120形成相对移动，具体而言，打印床140可相对于熔融惯性喷射组件120在一个或多个轴方向移动。例如，打印床140可沿z轴移动，或沿x-y平面移动，与熔融惯性喷射组件120的运动结合工作，以形成用于制造物体工作路径。在一些实施例中，打印床140也可以是可旋转的。

打印床140可包括一个打印床温度控制装置144，其用于维持或调整至少一部分打印床140的温度，打印床温度控制装置144可以全部或部分嵌入打印床140内，打印床温度控制装置144可以包括但不限制采用加热器230、液体循环冷却、风扇、鼓风机等的一种或多种方式。

机械定位组件150在结构上配置用来定位喷口122在建造室110内相对于打印床140的位置。机械定位组件150可以包括xyz直角坐标结构、三角并联臂结构、机械臂结构或其他合适的机械结构，如图中描绘的，机械定位组件150通过控制一个或多个的熔融惯性喷射组件120和打印床相对运动来定位喷口122与打印床的位置。

在一些实施例中，机械定位组件150可将打印床140沿一个或多个轴线平移，并且可以旋转打印床140。应该理解的是，可采用各种各样的已知的结构和技术，以实现控制沿一个或多个轴的线性运动。通常，机械定位组件150可包括但不限于步进电动机、编码直流电动机、齿轮、皮带、滑轮、蜗轮、螺纹等的各种组合。

熔融惯性喷射组件120或其中一部分可以通过机械定位组件150相对于打印床140进行移动，例如，熔融惯性喷射组件120通过机械定位组件150沿着一条工作路径移动，并沉积打印材料212（例如，液体金属）以形成物体，或打印床140在建造室110之内移动，而熔融惯性喷射组件120保持固定。

建造室110内还可以包括一个或多个供料装置118，用于向熔融惯性喷射组件120的贮液腔220输送固体打印材料212。打印材料212可以是线材或丝材，供料装置118可以通过导管将打印材料212直接导入熔融惯性喷射组件120的贮液腔220。打印材料212和贮液腔220之间的连接部分可以采用减少贮液腔220与打印材料212间热传导的设计，以避免供料装置118及打印材料212受贮液腔220温度影响，例如在贮液腔220和固体打印材料212的交界部分采用热绝缘导管连接。

在一些实施例中，打印材料212的线材直径大约为80μm、90μm、100μm、0.5毫米、1毫米、1.5毫米、2毫米、2.5毫米、3毫米或一些其他合适的直径。

在其它实施方式中，打印材料212也可以包括粉末材料。

供料装置118可以包括一种或多种方式，例如同时采用送丝机和送粉器给多个熔融惯性喷射组件120输送打印材料212。应该理解的是，可采用各种各样的已知合适的结构和技术，以实现打印材料212的输送。

在一些实施例中，在熔融惯性喷射组件120中设有识别材料供应状态传感器260，其信号输出端与材料供应控制装置168的信号输入端口连接，材料供应控制装置168的信号输出端口与供料装置118的控制端口连接，以控制供料装置118将打印材料212输送到贮液腔220内。如此识别信号到控制器160可以识别金属的传导性、材料供应状态、溶体液面高度、喷口（122）的工作状态等其他合适的信息。控制器160通过接收的识别信号，可以控制供料装置118输送到贮液腔220打印材料212的量，以及控制加热器230的温度(例如，感应线圈)等其他合适的任务。

建造室110内包括一个或多个熔融惯性喷射组件120（在图中详细示出），用于将固体打印材料212熔化并喷射到打印床表面142，以成形三维物体103。

建造室110内还可以包括一个保护气体供应装置114。对于环境密封的建造室110，其用于向建造室110提供保护气体并去除建造室110内部的氧气；对于非环境密封的建造室110，其用于向贮液腔220周围或构建区中输送保护气体，以防止在高温易氧化的打印材料212产生氧化反应，该保护气体供应装置114可以输送包括但不限于惰性气体、二氧化碳和氮气的一种或多种气体。

建造室110内还可以包括一个温度调节装置116，用于保持或调节建造室110（或构建区102）的至少一部分的温度。温度调节装置116以包括但不限于加热器230、液体循环冷却、风扇、鼓风机等的一种或多种方式。

温度调节装置116还可以在建造室110中循环空气以控制温度，以提供更均匀的温度，或者在建造室110中传递热量。温度调节装置116可以包括一种或多种方式，例如把电流转化成热的电阻元件，电磁感应加热、外加电流产生热或冷的珀耳帖效应器件，或任何其他加热和/或冷却装置。

控制器160可以为增材制造系统一个或多个组件提供控制功能，例如，控制器160可以同时控制熔融惯性喷射组件120和机械定位组件150，控制器160可以控制熔融惯性喷射组件120如打印材料212的沉积速度、连续沉积打印材料212等参数，同时，控制器160也可以通过控制机械定位组件150，控制熔融惯性喷射组件120或打印床140的任何一方或双方的定位。

在一般情况下，控制器160可以控制增材制造系统100的其他组件，例如所述的增材制造系统的熔融惯性喷射组件120、打印床140、机械定位组件150、其他的温度控制系统和任何其他组件，以基于提供的三维数字模型106来制造三维物体103。

控制器160可以包括一个微处理器162或其他处理电路，其具有足够的计算能力来提供相关的功能，如执行一个操作系统、提供图形用户界面等，并可以通过网络接口180连接到网络182，以实现增材制造系统与网络站服务器或主机的远程通信。

在实际操作中，为准备一个三维物体103的增材制造，可以首先采用计算装置用于物体的设计，该设计可以是cad文件等包含的三维数字模型106文件，计算装置一般可以包括台式计算机108、膝上型计算机108、网络计算机108、平板电脑、智能电话、智掌上电脑或任何可以参与本系统的计算机108设备。

在一些实施例中，计算装置与打印机是一体的，计算装置可以包括如本文所述的控制器160或控制器160的一个组成部分。计算装置也可以代替控制器160，除非从上下文中明确地说明，计算装置的任何功能都可以由控制器160执行，反之亦然。

在另一些实施例中，计算装置可以通过网络182与控制器160进行通信或以其它方式连接。

计算装置和控制器160可以包括一个或多个处理器162（和/或其它处理电路）和存储器164，用于执行本文所描述的功能，并且通常涉及与本文所述的增材制造系统的管理相关的各种处理任务，处理器162和存储器164可以是本文所述或在本领域中已知的任何存储器164。

在一些实施例中，控制器160和增材制造系统的其它组件可以通过网络接口180与远程计算机108（例如，计算装置）通信。

增材制造系统还可以包括第二个熔融惯性喷射组件120，结构如前所述，此处不再赘述。用于打印制成材料，打印材料212包括金属、蜡、聚合物、盐和碱中的一种或多种。

在一些实施例中，控制器160还可以被配置为同时独立地操作第一和第二熔融惯性喷射组件120，或者以其他适当的方式操作。在一些实施例中，控制器160可以被配置为基于预定的支撑设计定位打印床或熔融惯性喷射组件120，从而制造包含支撑结构的三维物体103。

在一些实施方案中，该系统还可以包括具有第三喷口122的第三熔融惯性喷射组件120以及第四熔融惯性喷射组件120、第五熔融惯性喷射组件120等。

如本文所述，一个或多个熔融惯性喷射组件120可适于沉积金属。该金属包括金属合金，例如铝合金、钢、不锈钢或其他一些合适的合金。

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。