[发明专利]金属微滴轨道控向三维打印成形装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属微滴三维打印成形装置，特别涉及一种金属微滴轨道控向三维打印成形装置。还涉及采用该装置的金属微滴轨道控向三维打印成形方法。

背景技术

基于均匀金属微滴喷射的增材制造技术是借鉴喷墨打印原理，通过控制微小金属熔滴的喷射及层层打印，以实现金属零件成形的技术。该技术相比其他使用高能束的增材制造技术，具有无需昂贵的大功率高能量源和特殊的原材料、设备成本和运行成本低廉、成形过程中无污染物、废弃物产生等突出优势，有望用于复杂金属件的快速、低成本增材制造，具有极大的工业应用潜力。

文献“Zeng Xiang-hui,Qi Lehua,Huang Hua,et al.Experimental research of pneumatic drop-on-demand high temperature droplet deposition for rapid prototyping.Key Engineering Materials,2010,419-420:405-408.”公开了一种基于均匀金属微滴喷射的增材制造技术，在该技术中金属原材料在坩埚内熔化为金属液体后，在脉冲压力的作用下，通过坩埚底部微小喷孔喷出并形成金属微滴，经协调金属微滴的喷射过程及基板移动轨迹，实现微滴在基板或已凝固的金属材料上定位及层层堆积，最终实现金属零件打印成形。该技术中金属微滴喷头工作温度较高，通常是固定不动，主要是通过移动三维基板以控制熔滴堆积路径，进而成形出金属制件。

现有基于均匀金属微滴喷射的增材制造技术存在如下不足：金属微滴飞行方向垂直向下，与三维运动基板配合，无法实现具有大倾斜角度的复杂形状成形。现有技术中，金属微滴飞行方向不变，主要依靠移动三维运动平台以控制微滴在基板上的定位与逐层堆积，通常能够成形出垂直于或略倾斜于基板的结构。当制件倾斜角度过大时，垂直堆积的熔滴易出现飞溅、滚落等现象，难以成形出具有曲面、悬臂以及横梁等结构的三微复杂金属制件。

发明内容

为了克服现有基于均匀金属微滴喷射的增材制造方法难以成形三微结构复杂金属制件的不足，本发明提供一种金属微滴轨道控向三维打印成形装置。该装置包括金属微滴喷射装置和喷嘴，金属微滴喷射装置通过喷嘴喷出微滴，还包括导向块、导轨、连接轴、弹簧、固定轴、固定块、吸合器、浮动块、导向连杆、旋转轮、步进电机和角度标尺组成的微滴轨道控向装置，微滴轨道控向装置通过固定轴连接到金属微滴喷射装置上。吸合器工作时，浮动块与固定块合并，金属微滴直接喷射到其下的导向块上的导轨中，并在其中转变前进的方向。导向块通过导向连杆在旋转轮、步进电机的带动下旋转夹角α进行堆积。基于金属微滴轨道控向三维打印成形装置的成形方法，可根据制件成形的需要，由导轨控制金属微滴飞行及堆积的方向，从而成形曲面、悬臂梁、大角度倾斜面等现有微滴喷射打印装置难以成形的复杂三维金属结构。

本发明还提供采用该装置的金属微滴轨道控向三维打印成形方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种金属微滴轨道控向三维打印成形装置，包括金属微滴喷射装置1和喷嘴2，金属微滴喷射装置1通过喷嘴2喷出微滴3，其特点是：还包括导向块4、导轨5、连接轴6、弹簧7、固定轴8、固定块9、吸合器10、浮动块11、导向连杆12、旋转轮13、步进电机14和角度标尺15组成的微滴轨道控向装置，微滴轨道控向装置通过固定轴8连接到金属微滴喷射装置1上。微滴轨道控向装置上的浮动块11通过连接轴6与固定块9连接，弹簧7与连接轴6同轴。浮动块11下连接导向块4和角度标尺15；导向块4上有导轨5。导向块4通过导向连杆12与旋转轮13连接，旋转轮13与步进电机14的轴连接。吸合器10工作时，浮动块11与固定块9合并，金属微滴3直接喷射到其下的导向块4上的导轨5中，并在其中转变前进的方向。导向块4通过导向连杆12在旋转轮13、步进电机14的带动下旋转，其旋转后与水平方向的夹角α由角度标尺15显示，夹角α正比于步进电机14转过的角度ω。当吸合器10不工作时，浮动块11由弹簧7推动与固定块9分离，此时金属微滴3直接进行堆积。

所述导轨5的材料是陶瓷。

一种采用上述装置的金属微滴轨道控向三维打印成形方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一，吸合器10不工作时，浮动块11由弹簧7推动与固定块9分离，此时金属微滴3直接打印到基板上。

步骤二，进行可控定向堆积时，吸合器10工作，浮动块11与固定块9合并，金属微滴3喷射在其下的导向块4上的导轨5中，其前进方向顺着导轨5改变。