一种用于金属三维打印的液滴生成方法技术

本发明专利技术公开了一种用于金属三维打印的液滴生成方法，在金属三维打印成型的累积液态金属或软化且可流动的金属的过程中将金属流片段化以形成金属液滴；其特征在于：在累积液态金属或软化且可流动的金属的过程中，在金属流与已打印成型的金属之间施加电流，通过电阻发热的方式将金属流的局部加热气化并熔断金属流，在已打印成型的金属上形成金属液滴。本发明专利技术可以在金属三维打印的成型过程中快速生成体积微小的金属液滴，控制方法简单，响应速度高；解决了FDM三维打印技术中常见的熔化原料“拖曳”问题；生成的金属液滴与已打印成型的金属之间实现“冶金融合”，连接强度极高；可以将“冶金电场调控”集成于金属三维打印的成型过程中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三维打印技术，尤其是涉及一种用于金属三维打印的液滴生成方法，属于增材制造

技术介绍
三维打印技术最早起源于19世纪末的美国，直到20世纪七八十年代在日本和美国得到完善并商业化。现在常见的主流三维打印技术，例如立体光固化成型法(StereoLithographyApparatus,SLA)、熔融沉积制造(FusedDepositionModeling，FDM)、选择性激光烧结(SelectingLaserSintering，SLS)、三维粉末粘接(ThreeDimensionalPrintingandGluing，3DP)，于20世纪八九十年代在美国获得商业化。通过堆叠熔化原料实现三维打印的技术中，例如常见的FDM塑料打印和其它类似原理的金属打印，其中重要核心组件之一就是产生熔融原料的熔炉/挤出头/发生装置。目前有不少关于产生熔融金属原料的发生装置的专利申请，例如申请号为201410513433.7、名称为“一种用于金属熔融挤出成型的3D打印头”的中国专利申请，又如申请号为201520533246.5、名称为“一种用于半固态金属挤出沉积成型的装置”的中国专利申请，这些专利申请无法产生液滴，产生连续的金属流。也有可以产生金属液滴的公知技术，应用于金属三维打印的成型过程中，例如文献Experimentsonremeltingandsolidificationofmoltenmetaldropletsdepositedinverticalcolumns(来源：期刊名《JournalofManufacturingScienceandEngineering-TransactionsoftheAsme》，2007年第129卷第2期311-318页)中记载的装置及方法，主要原理是采用气体推动微型熔炉/坩埚内的液态金属从喷嘴喷出而形成金属流，如果使用脉冲气流在微型熔炉/坩埚内产生脉冲式的压强振动就可以在喷嘴出口处形成金属液滴，但由于气体是可压缩的物质形态，存在压力传导延滞，金属液滴的生成速度不高；申请号为201520561484.7、名称为“一种液态金属打印墨盒”的中国专利申请就使用了该文献中记载的技术，但该专利申请提出的结构并不适用于高熔点材料(例如陶瓷、钛合金等)、也不能在工作过程中连续添加固态原料。又如申请号为201310721955.1、名称为“一种提高金属熔滴按需打印沉积成形零件致密度的方法”的中国专利申请，也是将液态金属从熔炉/坩埚内喷出而形成金属液滴。这些产生金属液滴的方法都是通过施加压力和利用流体的特性来产生金属液滴，由于液态金属的表面张力和粘滞力都比较高，不容易产生体积微小的金属液滴，金属液滴的生成速度慢。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种集成于金属三维打印成型过程中的金属液滴简易生成方法，所生成的金属液滴与已打印成型的金属之间实现冶金融合，可通过电场调控金属液滴冷却后的内部组织形态。为了实现上述的专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于金属三维打印的液滴生成方法，它采用加热装置将固态金属原料加热熔化以获得液态金属或软化且可流动的金属，液态金属或软化且可流动的金属在外力的作用下形成金属流；通过累积所述的液态金属或软化且可流动的金属来实现三维打印，在累积所述的液态金属或软化且可流动的金属的过程中将金属流片段化以形成金属液滴；其特征在于：在累积液态金属的过程中，在液态金属与已打印成型的金属之间施加电流，通过电阻发热的方式将液态金属流的局部加热气化以将液态金属流切断(也属于熔断)，在已打印成型的金属上形成金属液滴；或者，在累积软化且可流动的金属的过程中，在软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间施加电流，通过电阻发热的方式将软化且可流动的金属的局部加热并液化形成液态金属，所形成的液态金属的局部被电流进一步加热气化以将液态金属切断(也属于熔断)，在已打印成型的金属上形成金属液滴；所述的已打印成型的金属是由先前的液态金属在不具备流动性之后形成。先前累积的液态金属的热量被与其相接触的物体及环境导走，当温度下降到一定阈值之后，就失去流动性(包括蠕变)。因为多数金属的熔点与沸点之间存在较大的温差，例如纯钛在一个标准大气压下的熔点为1660℃、沸点为3287℃(数据来源：百度百科)，如果在极短时间内使用高强度、高密度的能量加热“线状”液态钛金属，可以将其远离“低温体”(例如已打印成型的金属)的区域加热至沸点、而其与“低温体”(例如已打印成型的金属)临近的区域因为其热量部分被“低温体”导走而无法达到沸点，例如在十万分之一秒内在长度为100微米、直径60微米的液态钛金属丝上施加强度为200安培的电流，温度达到沸点的区域快速气化而导致液态钛金属丝断裂(熔断)，与“低温体”临近以及相接触的区域未被气化而与“低温体”保持连接并粘附在“低温体”(例如已打印成型的金属)上；保留在“低温体”(例如已打印成型的金属)上的液态金属在极短时间内仍保持液态，形成金属液滴。在形成金属液滴的过程中，“电阻发热”也会发生在“低温体”(例如已打印成型的金属)与液态金属相接触且位于“低温体”一侧的部位，当发热功率和能量密度超过一定阈值时，“电阻发热”作用使“低温体”的该部位熔化，金属的热量传导速度不足以抵消“电阻发热”所引发的局部熔化，从而在“低温体”(例如已打印成型的金属)与液态金属相接触的交界面的“低温体”一侧形成紧贴交界面的微型熔池。在常温条件下的固态金属表面产生微型熔池，这在工业上很常见，例如通过激光、电弧、等离子体等加热方式将金属工件表面的局部瞬间熔化、甚至气化，就是利用一定功率的高密度能量在极短时间内将金属局部加热至熔点以上(金属局部的升温速度远远超过金属的散热速度)。可选地，所述的在液态金属与已打印成型的金属之间施加电流，是在液态金属与已打印成型的金属发生接触之后才施加电流；所述的在软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间施加电流，是在软化且可流动的金属与已打印成型的金属发生接触之后才施加电流。可选地，在三维打印系统打印金属零件的第一层的过程中：在累积液态金属的过程中，在液态金属与三维打印支撑平台或支撑层之间施加电流，通过电阻发热的方式将液态金属流的局部加热气化以将液态金属流切断(也属于熔断)，在三维打印支撑平台或支撑层上形成金属液滴；或者，在累积软化且可流动的金属的过程中，在软化且可流动的金属与三维打印支撑平台或支撑层之间施加电流，通过电阻发热的方式将软化且可流动的金属的局部加热并液化形成液态金属，所形成的液态金属的局部被电流进一步加热气化以将液态金属切断(也属于熔断)，在三维打印支撑平台或支撑层上形成金属液滴；所述的三维打印系统打印金属零件，是按层构建，即所要打印的金属零件以层的形式叠加形成；所述的三维打印支撑平台，是支撑所要打印的金属零件的平台；所述的支撑层，是与所要打印的金属零件相接触的支撑性导电材料层。可选地，所述的在液态金属与三维打印支撑平台或支撑层之间施加电流，是在液态金属与三维打印支撑平台或支撑层发生接触之后才施加电流；所述的在软化且可流动的金属与三维打印支撑平台或支撑层之间施加电流，是在软化且可流动的金属与三维打印支撑平台或支撑层发生接触之后才施加电流。可选地，所述的加热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于金属三维打印的液滴生成方法，它采用加热装置将固态金属原料加热熔化以获得液态金属或软化且可流动的金属，液态金属或软化且可流动的金属在外力的作用下形成金属流；通过累积所述的液态金属或软化且可流动的金属来实现三维打印，在累积所述的液态金属或软化且可流动的金属的过程中将金属流片段化以形成金属液滴；其特征在于：在累积液态金属的过程中，在液态金属与已打印成型的金属之间施加电流，通过电阻发热的方式将液态金属流的局部加热气化以将液态金属流切断，在已打印成型的金属上形成金属液滴；或者，在累积软化且可流动的金属的过程中，在软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间施加电流，通过电阻发热的方式将软化且可流动的金属的局部加热并液化形成液态金属，所形成的液态金属的局部被电流进一步加热气化以将液态金属切断，在已打印成型的金属上形成金属液滴；所述的已打印成型的金属是由先前的液态金属在不具备流动性之后形成。

【技术特征摘要】
1.一种用于金属三维打印的液滴生成方法，它采用加热装置将固态金属原料加热熔化以获得液态金属或软化且可流动的金属，液态金属或软化且可流动的金属在外力的作用下形成金属流；通过累积所述的液态金属或软化且可流动的金属来实现三维打印，在累积所述的液态金属或软化且可流动的金属的过程中将金属流片段化以形成金属液滴；其特征在于：在累积液态金属的过程中，在液态金属与已打印成型的金属之间施加电流，通过电阻发热的方式将液态金属流的局部加热气化以将液态金属流切断，在已打印成型的金属上形成金属液滴；或者，在累积软化且可流动的金属的过程中，在软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间施加电流，通过电阻发热的方式将软化且可流动的金属的局部加热并液化形成液态金属，所形成的液态金属的局部被电流进一步加热气化以将液态金属切断，在已打印成型的金属上形成金属液滴；所述的已打印成型的金属是由先前的液态金属在不具备流动性之后形成。2.根据权利要求1所述的用于金属三维打印的液滴生成方法，其特征在于：所述的在液态金属与已打印成型的金属之间施加电流，是在液态金属与已打印成型的金属发生接触之后才施加电流；所述的在软化且可流动的金属与已打印成型的金属之间施加电流，是在软化且可流动的金属与已打印成型的金属发生接触之后才施加电流。3.根据权利要求1所述的用于金属三维打印的液滴生成方法，其特征在于：在三维打印系统打印金属零件的第一层的过程中：在累积液态金属的过程中，在液态金属与三维打印支撑平台或支撑层之间施加电流，通过电阻发热的方式将液态金属流的局部加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁福鹏，岳海军，罗朝宝，
申请(专利权)人：梁福鹏，
类型：发明
国别省市：上海;31