[发明专利]一种金属熔液3D打印喷头及打印方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种3D打印喷头及打印方法，尤指一种以活塞驱动的喷射式金属熔液3D打印喷头，属于快速成形制造技术领域。

背景技术

微滴式3D打印是目前制造领域研究的技术热点之一，该技术通过将打印材料以微滴的形式连续喷出，并按设计的路径逐层叠加，逐渐形成实体。其中，采用熔融金属材料进行微滴式3D打印属于研究热点和难点之一，主要因为熔融金属温度高、易凝固、易氧化，导致易对设备（主要是喷头）造成损害和难以维护。

现有的熔融金属3D打印喷头主要采用惰性压缩气体直接驱动、气动膜片驱动、压电陶瓷驱动等形式。然而，由于气体具有明显的可压缩性，直接采用压缩气流驱动喷头内的金属熔液其压力难以控制，频率也难以提高，且气体易将熔液“射穿”而仅喷出气流；采用脉冲气体挤压弹性膜片的形式工作时，是靠膜片沿喷头轴向的微小弹性变形量来挤出熔液，挤出量可调整区间小，且因膜片所能承受的温度及疲劳等影响，使用性能及寿命都受到一定限制；采用压电陶瓷驱动时，实际上是利用压电陶瓷在极化方向的高频伸/缩，带动与其连接的推杆挤压熔液，该方法易于调整打印频率，但周期挤出量几乎不能调节。

发明内容

本发明的目的在于设计一种金属熔液3D打印喷头及打印方法，采用此喷头及打印方法能够使微滴喷射过程即可以有足够高的频率，同时驱动压力可调，亦即喷射量可调。

为了实现上述的技术特征，本发明所采用的技术特征是：一种金属熔液3D打印喷头，它包括喷头本体和气压供给系统，所述喷头本体包括气腔壳体，气腔壳体内部设置有活塞，活塞的活塞杆与压电陶瓷相连提供动力，气腔壳体和壳体底座共同形成气腔，壳体底座的左侧加工有进料通道，进料通道的顶部设置有补料口，壳体底座的底部安装有坩埚，坩埚的外部设置有加热器，坩埚的底座安装有坩埚端盖，坩埚通过坩埚端盖密封有熔液腔，在熔液腔和气腔之间设置有陶瓷薄片，坩埚端盖的中心加工设置有喷嘴，所述壳体底座的右侧加工有进气口，所述气压供给系统与进气口相连，所述气压供给系统包括稳压回路和调压回路，调压回路与进气口相连，稳压回路与调压回路相连。

所述调压回路包括单向阀和溢流阀，单向阀与溢流阀并联，并联回路的左侧回路与进气口相连通，右侧回路与稳压回路相连。

所述稳压回路包括气泵、气动单向阀、储气罐和安全阀，所述储气罐与调压回路相连，储气罐之后安装有气动单向阀，在气动单向阀和储气罐之间并联有安全阀，气动单向阀之后连接有气泵。

所述气腔内部的压缩气体为氦气。

所述补料口与补料罐相连，所述补料罐内部安装有气压泵，能够保证其内部气压稳定。

所述稳压回路中的安全阀的卸荷压力P1能够保证回路中有稳定的气压输出使其等于P1，所述调压回路中的溢流阀的卸荷压力P0能够保证打印时气腔中所需的最大压力等于P0，当气腔中某时刻的实际压力P2大于P0，溢流阀自动打开卸荷，若P2小于P1，单向阀自动打开向气腔充气，在调节和设定压力时，需保证P1<P0。

所述陶瓷薄片与气腔相接触的上端面为非对称凸台面，陶瓷薄片被限制在气腔的进气口和熔液腔的进料通道之间，并沿轴向在气腔壳体的下端面和坩埚的上端面之间小距离往复运动，当活塞压缩气腔内气体使陶瓷薄片向熔液腔移动时，熔液受挤压，陶瓷薄片逐渐遮挡进料通道，直到其向下运动到极限位置到达坩埚的上端面，形成一个节流孔，防止受压的熔液从进料通道回流；在活塞回复过程中，熔液由节流孔进入熔液腔，陶瓷薄片在熔液的浮力作用下移动至与气腔壳体的下端面接触，进料通道被逐渐打开，此时起到隔断气腔与熔液腔的作用，同时气腔完成充气，为保证顺利补料，与补料口连接的补料罐内需保持一定的压力P3，设定P3=P1。

采用上述金属熔液3D打印喷头的打印方法，它包括以下步骤，1）调试过程，开始调试时，通过稳压回路给气腔充气，同时设定安全阀的卸荷压力为P1，活塞在压电陶瓷的驱动下压缩气腔内部气体，使气腔压力升高到某个设定值P0，此后活塞继续挤压，在气腔压力的作用下，有熔液从喷嘴挤出，如果熔液未能成滴，调节溢流阀来改变P0的大小，直到可打印均匀一致的微滴。

2）打印过程，当系统调试好后，使活塞回到初始位置，如果在上一阶段活塞压缩气体过程中，气腔内部气体存在泄漏，则气腔内部的压力值会小于P1，此时储气罐中的气体就会经单向阀进入气腔自动进行补充，此后活塞在压电陶瓷的驱动下压缩气腔内部密封的气体，使熔液以微滴形式喷出，按预先设计好的路径移动喷头，并重复以上打印过程，即可连续打印，若需调节打印频率，只需调节压电陶瓷激励电压的频率即可。