金屬微滴軌道控向三維打印成形裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬微滴軌道控向三維打印成形裝置及方法，用于解決現(xiàn)有基于均勻金屬微滴噴射的增材制造方法難以成形三微結(jié)構(gòu)復(fù)雜金屬制件的技術(shù)問題。技術(shù)方案是包括金屬微滴噴射裝置（1）、導(dǎo)向塊（4）、固定軸（8）導(dǎo)向連桿（12）、旋轉(zhuǎn)輪（13）和步進電機（14）組成的微滴軌道控向裝置，微滴軌道控向裝置通過固定軸（8）連接到金屬微滴噴射裝置（1）上。導(dǎo)向塊（4）通過導(dǎo)向連桿（12）在旋轉(zhuǎn)輪（13）、步進電機（14）的帶動下旋轉(zhuǎn)夾角α進行堆積?；诮饘傥⒌诬壍揽叵蛉S打印成形裝置的成形方法，可根據(jù)制件成形的需要，由導(dǎo)軌控制金屬微滴飛行及堆積的方向，從而成形現(xiàn)有微滴噴射打印裝置難以成形的復(fù)雜三維金屬結(jié)構(gòu)。
【專利說明】金屬微滴軌道控向三維打印成形裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬微滴三維打印成形裝置，特別涉及一種金屬微滴軌道控向三維打印成形裝置。還涉及采用該裝置的金屬微滴軌道控向三維打印成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于均勻金屬微滴噴射的增材制造技術(shù)是借鑒噴墨打印原理，通過控制微小金屬熔滴的噴射及層層打印，以實現(xiàn)金屬零件成形的技術(shù)。該技術(shù)相比其他使用高能束的增材制造技術(shù)，具有無需昂貴的大功率高能量源和特殊的原材料、設(shè)備成本和運行成本低廉、成形過程中無污染物、廢棄物產(chǎn)生等突出優(yōu)勢，有望用于復(fù)雜金屬件的快速、低成本增材制造，具有極大的工業(yè)應(yīng)用潛力。
[0003]文獻“Zeng Xiang-hui, Qi Lehua, Huang Hua, et al.Experimental researchof pneumatic drop-on—demand high temperature droplet deposition for rapidprototyping.Key Engineering Materials, 2010，419-420:405-408.，，公開了一種基于均勻金屬微滴噴射的增材制造技術(shù)，在該技術(shù)中金屬原材料在坩堝內(nèi)熔化為金屬液體后，在脈沖壓力的作用下，通過坩堝底部微小噴孔噴出并形成金屬微滴，經(jīng)協(xié)調(diào)金屬微滴的噴射過程及基板移動軌跡，實現(xiàn)微滴在基板或已凝固的金屬材料上定位及層層堆積，最終實現(xiàn)金屬零件打印成形。該技術(shù)中金屬微滴噴頭工作溫度較高，通常是固定不動，主要是通過移動三維基板以控制熔滴堆積路徑，進而成形出金屬制件。
[0004]現(xiàn)有基于均勻金屬微滴噴射的增材制造技術(shù)存在如下不足:金屬微滴飛行方向垂直向下，與三維運動基板配合，無法實現(xiàn)具有大傾斜角度的復(fù)雜形狀成形?，F(xiàn)有技術(shù)中，金屬微滴飛行方向不變，主要依靠移動三維運動平臺以控制微滴在基板上的定位與逐層堆積，通常能夠成形出垂直于或略傾斜于基板的結(jié)構(gòu)。當(dāng)制件傾斜角度過大時，垂直堆積的熔滴易出現(xiàn)飛濺、滾落等現(xiàn)象，難以成形出具有曲面、懸臂以及橫梁等結(jié)構(gòu)的三微復(fù)雜金屬制件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有基于均勻金屬微滴噴射的增材制造方法難以成形三微結(jié)構(gòu)復(fù)雜金屬制件的不足，本發(fā)明提供一種金屬微滴軌道控向三維打印成形裝置。該裝置包括金屬微滴噴射裝置和噴嘴，金屬微滴噴射裝置通過噴嘴噴出微滴，還包括導(dǎo)向塊、導(dǎo)軌、連接軸、彈簧、固定軸、固定塊、吸合器、浮動塊、導(dǎo)向連桿、旋轉(zhuǎn)輪、步進電機和角度標尺組成的微滴軌道控向裝置，微滴軌道控向裝置通過固定軸連接到金屬微滴噴射裝置上。吸合器工作時，浮動塊與固定塊合并，金屬微滴直接噴射到其下的導(dǎo)向塊上的導(dǎo)軌中，并在其中轉(zhuǎn)變前進的方向。導(dǎo)向塊通過導(dǎo)向連桿在旋轉(zhuǎn)輪、步進電機的帶動下旋轉(zhuǎn)夾角α進行堆積?；诮饘傥⒌诬壍揽叵蛉S打印成形裝置的成形方法，可根據(jù)制件成形的需要，由導(dǎo)軌控制金屬微滴飛行及堆積的方向，從而成形曲面、懸臂梁、大角度傾斜面等現(xiàn)有微滴噴射打印裝置難以成形的復(fù)雜三維金屬結(jié)構(gòu)。[0006]本發(fā)明還提供采用該裝置的金屬微滴軌道控向三維打印成形方法。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案:一種金屬微滴軌道控向三維打印成形裝置，包括金屬微滴噴射裝置I和噴嘴2，金屬微滴噴射裝置I通過噴嘴2噴出微滴3，其特點是:還包括導(dǎo)向塊4、導(dǎo)軌5、連接軸6、彈簧7、固定軸8、固定塊9、吸合器10、浮動塊11、導(dǎo)向連桿12、旋轉(zhuǎn)輪13、步進電機14和角度標尺15組成的微滴軌道控向裝置，微滴軌道控向裝置通過固定軸8連接到金屬微滴噴射裝置I上。微滴軌道控向裝置上的浮動塊11通過連接軸6與固定塊9連接，彈簧7與連接軸6同軸。浮動塊11下連接導(dǎo)向塊4和角度標尺15 ;導(dǎo)向塊4上有導(dǎo)軌5。導(dǎo)向塊4通過導(dǎo)向連桿12與旋轉(zhuǎn)輪13連接，旋轉(zhuǎn)輪13與步進電機14的軸連接。吸合器10工作時，浮動塊11與固定塊9合并，金屬微滴3直接噴射到其下的導(dǎo)向塊4上的導(dǎo)軌5中，并在其中轉(zhuǎn)變前進的方向。導(dǎo)向塊4通過導(dǎo)向連桿12在旋轉(zhuǎn)輪13、步進電機14的帶動下旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)后與水平方向的夾角α由角度標尺15顯示，夾角α正比于步進電機14轉(zhuǎn)過的角度ω。當(dāng)吸合器10不工作時，浮動塊11由彈簧7推動與固定塊9分離，此時金屬微滴3直接進行堆積。
[0008]所述導(dǎo)軌5的材料是陶瓷。
[0009]一種采用上述裝置的金屬微滴軌道控向三維打印成形方法，其特點是包括以下步驟:
[0010]步驟一，吸合器10不工作時，浮動塊11由彈簧7推動與固定塊9分離，此時金屬微滴3直接打印到基板上。
[0011]步驟二，進行可控定向堆積時，吸合器10工作，浮動塊11與固定塊9合并，金屬微滴3噴射在其下的導(dǎo)向塊4上的導(dǎo)軌5中，其前進方向順著導(dǎo)軌5改變。
[0012]步驟三，導(dǎo)軌5水平時，金屬微滴3前進的方向順著導(dǎo)軌5的弧線變化，最終變?yōu)閷?dǎo)軌末端的方向，并堆積于基板或是已凝固的金屬微滴3上。
[0013]在堆積以后，基板向后移動一個設(shè)定的堆積距離，然后繼續(xù)堆積金屬微滴以成形出懸臂、大傾斜角度斜面或曲面結(jié)構(gòu)。
[0014]步驟四，浮動塊11與固定塊9合并，浮動塊11下的導(dǎo)向塊4通過導(dǎo)向連桿12和旋轉(zhuǎn)輪13與步進電機14連接，在步進電機14的作用下旋轉(zhuǎn)角度α，金屬微滴3通過導(dǎo)向塊4上導(dǎo)軌5后改變其堆積的方向，最終逐層堆積出復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬件。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:該裝置包括金屬微滴噴射裝置和噴嘴，金屬微滴噴射裝置通過噴嘴噴出微滴，還包括導(dǎo)向塊、導(dǎo)軌、連接軸、彈簧、固定軸、固定塊、吸合器、浮動塊、導(dǎo)向連桿、旋轉(zhuǎn)輪、步進電機和角度標尺組成的微滴軌道控向裝置，微滴軌道控向裝置通過固定軸連接到金屬微滴噴射裝置上。吸合器工作時，浮動塊與固定塊合并，金屬微滴直接噴射到其下的導(dǎo)向塊上的導(dǎo)軌中，并在其中轉(zhuǎn)變前進的方向。導(dǎo)向塊通過導(dǎo)向連桿在旋轉(zhuǎn)輪、步進電機的帶動下旋轉(zhuǎn)夾角α進行堆積。基于金屬微滴軌道控向三維打印成形裝置的成形方法，可根據(jù)制件成形的需要，由導(dǎo)軌控制金屬微滴飛行及堆積的方向，從而成形曲面、懸臂梁、大角度傾斜面等現(xiàn)有微滴噴射打印裝置難以成形的復(fù)雜三維金屬結(jié)構(gòu)。
[0016]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作詳細說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明金屬微滴軌道控向三維打印成形裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。[0018]圖2是圖1裝置打開狀態(tài)示意圖。
[0019]圖3是圖1裝置合并狀態(tài)示意圖。
[0020]圖4 Ca)是實施例1具有錐面制件的成形過程示意圖；圖4 (b)是金屬微滴噴射時堆積到導(dǎo)軌中，其運動方向由導(dǎo)軌改變的示意圖；圖4 (C)是在基板旋轉(zhuǎn)運動的配合下，金屬微滴在單壁圓管最高一層上開始逐點逐層堆積出滿足要求的錐面示意圖。
[0021]圖5 Ca)實施例2具有懸臂結(jié)構(gòu)制件的成形過程示意圖；圖5 (b)是金屬微滴到達導(dǎo)軌的前端在已堆積的金屬上繼續(xù)堆積的示意圖；圖5 (c)是由于導(dǎo)軌前端的依托作用，金屬微滴在基體上進行凝固。在堆積以后，基板向后移動一個設(shè)定的堆積距離以繼續(xù)堆積金屬微滴，從而堆積出懸臂結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5 (d)是通過改變步進電機的角度，導(dǎo)軌與水平面的夾角可改變?yōu)槿我鉂M足設(shè)計要求的角度，從而能夠改變金屬微滴的堆積方向，實現(xiàn)具有一定傾斜角度的結(jié)構(gòu)打印的示意圖。
[0022]圖中，1-金屬微滴噴射裝置,2-噴嘴,3-金屬微滴,4-導(dǎo)向塊,5-導(dǎo)軌,6_連接軸，7-彈簧，8-固定軸，9-固定塊，10-吸合器，11-浮動塊，12-導(dǎo)向連桿，13-旋轉(zhuǎn)輪，14-步進電機，15-角度標尺，16-打印中的制件，17-具有錐面制件，18-具有懸臂結(jié)構(gòu)制件。
【具體實施方式】
[0023]以下實施例參照圖1-5。
[0024]裝置實施例:本發(fā)明金屬微滴軌道控向三維打印成形裝置，包括金屬微滴噴射裝置I和噴嘴2，還包括導(dǎo)向塊4、導(dǎo)軌5、連接軸6、彈簧7、固定軸8、固定塊9、吸合器10、浮動塊11、導(dǎo)向連桿12、旋轉(zhuǎn)輪13、步進電機14和角度標尺15組成的微滴軌道控向裝置，微滴軌道控向裝置通過固定軸8連接到金屬微滴噴射裝置I上。金屬微滴噴射裝置I通過噴嘴2噴出微滴3，其下部的微滴軌道控向裝置，用于改變金屬微滴3的堆積方向。主要作用是通過控制導(dǎo)軌5的角度，使噴射的金屬微滴3的前進方向沿著導(dǎo)軌5改變，實現(xiàn)微滴控向堆積之目的。
[0025]微滴軌道控向裝置通過固定軸8連接到微滴打印設(shè)備上，并保證整個導(dǎo)向裝置與噴射裝置的相對位置精度。浮動塊11通過連接軸6與固定塊9連接，彈簧7與連接軸6同軸。浮動塊11下連接導(dǎo)向塊4和角度標尺15;導(dǎo)向塊4上有陶瓷材料構(gòu)成的導(dǎo)軌5。導(dǎo)向塊4通過導(dǎo)向連桿12與旋轉(zhuǎn)輪13連接，旋轉(zhuǎn)輪13與步進電機14的軸連接。
[0026]吸合器10工作時，浮動塊11與固定塊9合并，金屬微滴3直接噴射到其下的導(dǎo)向塊4上的導(dǎo)軌5中，并在其中轉(zhuǎn)變前進的方向。導(dǎo)向塊4通過導(dǎo)向連桿12在旋轉(zhuǎn)輪13、步進電機14的帶動下旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)后與水平方向的夾角α可由角度標尺15顯示出，該角度正比于步進電機14轉(zhuǎn)過的角度ω，也是堆積制件與水平方向的夾角，實現(xiàn)了堆積制件傾斜角度的控制。當(dāng)吸合器10不工作時，浮動塊11由彈簧7推動與固定塊9分離，此時金屬微滴3可直接進行堆積。
[0027]方法實施例1:
[0028]具有錐面制件的成形過程。首先直接堆積金屬微滴3得到制件的垂直結(jié)構(gòu)，此過程中，吸合器10不工作時，浮動塊11由彈簧7推動與固定塊9分離，此時金屬微滴3可直接堆積到基板上，噴射的金屬微滴3堆積到按照一定軌跡運動的基板上，形成具有錐面制件17的垂直部分，即圖4(a)所示的垂直于基板的單壁圓管。進行錐面部分堆積時，吸合器10通電工作，浮動塊11與固定塊9合并，金屬微滴3直接噴射在其下的導(dǎo)向塊4上的導(dǎo)軌5中。之后，根據(jù)具有錐面的制件17的錐面與水平面之間的傾斜角度α，設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)動角度ω，從而使導(dǎo)軌5與水平面之間的夾角改變?yōu)棣痢Ｕ{(diào)整基板的位置，使得導(dǎo)軌5前端與圖4 (a)所示的基體最高一層水平對齊。此時，啟動噴射程序，金屬微滴3噴射時堆積到導(dǎo)軌5中，其運動方向由導(dǎo)軌5改變，如圖4 (b)所示。在基板旋轉(zhuǎn)運動的配合下，金屬微滴3將會在單壁圓管最高一層上開始逐點逐層堆積出滿足要求的錐面，如圖4 (c)所
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[0029]方法實施例2:
[0030]具有懸臂結(jié)構(gòu)制件的成形過程。在成形具有懸臂結(jié)構(gòu)制件18時，首先直接堆積金屬微滴3得到制件的垂直結(jié)構(gòu)，此過程中與實施例1中的步驟相同，在基板上逐層堆積以形成零件的垂直基體，如圖5 (a)所示。然后啟動吸合器10，浮動塊11與固定塊9合并，金屬微滴3直接堆積在其下的導(dǎo)向塊4上的導(dǎo)軌5中。此時，設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)動角度ω，從而使導(dǎo)軌5與水平面平行。導(dǎo)軌5的前端處于水平位置并且與“主體墻”的某一層對齊，金屬微滴3進入導(dǎo)軌5后，前進的方向順著導(dǎo)軌5的弧線變化，最終變?yōu)樗角斑M。金屬微滴3到達導(dǎo)軌5的前端在已堆積的金屬上繼續(xù)堆積，如圖5 (b)所示；由于導(dǎo)軌5前端的依托作用，金屬微滴3在基體上進行凝固。在堆積以后，基板向后移動一個設(shè)定的堆積距離以繼續(xù)堆積金屬微滴，從而堆積出懸臂結(jié)構(gòu)，如圖5 (c)所示。
[0031]此外，通過改變步進電機的角度，導(dǎo)軌5與水平面的夾角可改變?yōu)槿我鉂M足設(shè)計要求的角度，從而能夠改變金屬微滴的堆積方向，實現(xiàn)具有一定傾斜角度的結(jié)構(gòu)打印(如圖5 (d)所示)。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬微滴軌道控向三維打印成形裝置，包括金屬微滴噴射裝置(I)和噴嘴(2)，金屬微滴噴射裝置(I)通過噴嘴(2)噴出金屬微滴(3)，其特征在于:還包括導(dǎo)向塊(4)、導(dǎo)軌(5)、連接軸(6)、彈簧(7)、固定軸(8)、固定塊(9)、吸合器(10)、浮動塊(11)、導(dǎo)向連桿(12)、旋轉(zhuǎn)輪(13)、步進電機(14)和角度標尺(15)組成的微滴軌道控向裝置，微滴軌道控向裝置通過固定軸(8)連接到金屬微滴噴射裝置(I)上；微滴軌道控向裝置上的浮動塊(11)通過連接軸(6)與固定塊(9)連接，彈簧(7)與連接軸(6)同軸；浮動塊(11)下連接導(dǎo)向塊(4)和角度標尺(15);導(dǎo)向塊(4)上有導(dǎo)軌(5);導(dǎo)向塊(4)通過導(dǎo)向連桿(12)與旋轉(zhuǎn)輪(13)連接，旋轉(zhuǎn)輪(13)與步進電機(14)的軸連接；吸合器(10)工作時，浮動塊(11)與固定塊(9)合并，金屬微滴(3)直接噴射到其下的導(dǎo)向塊(4)上的導(dǎo)軌(5)中，并在其中轉(zhuǎn)變前進的方向；導(dǎo)向塊(4)通過導(dǎo)向連桿(12)在旋轉(zhuǎn)輪(13)、步進電機(14)的帶動下旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)后與水平方向的夾角α由角度標尺(15)顯示，夾角α正比于步進電機(14)轉(zhuǎn)過的角度ω ;當(dāng)吸合器(10)不工作時，浮動塊(11)由彈簧(7)推動與固定塊(9)分離，此時金屬微滴(3)直接進行堆積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬微滴軌道控向三維打印成形裝置，其特征在于:所述導(dǎo)軌(5)的材料是陶瓷材料。
3.一種采用權(quán)利要求1所述裝置的金屬微滴軌道控向三維打印成形方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一，吸合器(10)不工作時，浮動塊(11)由彈簧(7)推動與固定塊(9)分離，此時金屬微滴(3)直接打印到基板上； 步驟二，進行可控定向堆積時，吸合器(10)工作，浮動塊(11)與固定塊(9)合并，金屬微滴(3 )噴射在其下的導(dǎo)向塊(4 )上的導(dǎo)軌(5 )中，其前進方向順著導(dǎo)軌(5 )改變； 步驟三，導(dǎo)軌(5)水平時，金屬微滴(3)前進的方向順著導(dǎo)軌(5)的弧線變化，最終變?yōu)閷?dǎo)軌末端的方向，并堆積于基板或是已凝固的金屬微滴(3)上； 在堆積以后，基板向后移動一個設(shè)定的堆積距離，然后繼續(xù)堆積金屬微滴以成形出懸臂、大傾斜角度斜面或曲面結(jié)構(gòu)； 步驟四，浮動塊(11)與固定塊(9)合并，浮動塊(11)下的導(dǎo)向塊(4)通過導(dǎo)向連桿(12)和旋轉(zhuǎn)輪(13)與步進電機(14)連接，在步進電機(14)的作用下旋轉(zhuǎn)角度α，金屬微滴(3)通過導(dǎo)向塊(4)上導(dǎo)軌(5)后改變其堆積的方向，最終逐層堆積出復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬件。
【文檔編號】B22F3/115GK103691951SQ201310713252
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】羅俊, 齊樂華, 鐘宋義, 張代聰, 楊方 申請人:西北工業(yè)大學(xué)