一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置及方法

1.本发明属于金属增材制造和喷射成形技术领域，具体涉及一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置及方法。


背景技术：

2.金属增材制造技术是一种通过逐层添加材料的方式制造物体的技术，随着金属增材制造技术的不断发展，微滴喷射式金属增材制造技术已经成为激光增材之外的另一个主流方向。目前，微滴喷射式金属增材制造技术主要有粘结剂喷射式、金属纳米颗粒喷射式和金属熔滴喷射式三个技术流派。
3.粘结剂喷射式金属增材制造是粘结剂喷射与铺粉交替进行，使金属粉末粘接成形；之后再将粘接成形的三维构件放入高温炉中脱脂烧结以提升其致密度。金属纳米颗粒喷射式金属增材制造技术是打印金属纳米颗粒墨水，墨水挥发后将成形的三维结构烧结成形。但该两种方法都需要烧结等后处理工艺，增加了工艺的复杂性，且没法保证成形件致密度。
4.目前的熔滴喷射增材制造方法主要有连续流熔滴喷射和按需熔滴喷射两种。其喷射方法主要有活塞挤出式、气动脉冲式和电磁脉冲式等多种熔滴按需喷射方法。上述三种方法分别利用压电陶瓷(或其他致动元件)、高压气体和电磁线圈作为致动元件，在相对密闭的储液腔内产生一个瞬时的压力脉冲，使高温的液态金属从喷孔喷出形成熔滴。
5.活塞挤出式熔滴喷射技术利用活塞快速下压，在喷孔处产生一个压力脉冲从而使实现熔滴的按需喷射。高压气体脉冲式熔滴喷射技术需要使用密闭的坩埚，坩埚下部开设有喷孔，上部开设有两路气路；其中一路通过进气阀与高压起源相连，另一路通过排气阀与大气相连。将排气阀关闭，进气阀打开便可在密闭的坩埚内形成一个气压正脉冲，实现熔滴喷射，之后关闭进气阀的同时再打开排气阀，使坩埚与大气联通，便可以停止熔滴喷射。该技术可以实现较高熔点金属的熔滴喷射，但是由于涉及道阀门的开关，喷射频率较低。电磁脉冲式熔滴喷射技术利用电磁线圈在坩埚内的熔融金属内感应出涡流，或者通过外部电路直接施加大电流，利用磁场对电流的洛伦兹力在坩埚内产生一个压力脉冲，实现熔滴喷射。
6.上述三种喷射方法所需的致动元件和驱动机构整体体积普遍较大，难以将多个独立的喷孔高密度的集成到一个喷头上，所以目前商业化的熔滴喷射式增材制造设备通常都只采用一个喷孔；另一方面，其致动元件、驱动机构整体上结构较为复杂，整个机构的可靠性不高，尤其是对于熔点超过1000摄氏度的高熔点金属，其工作可靠性更低，难以满足高熔点金属的稳定高效喷射需求。
7.基于以上问题，本发明提出一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射方法，其喷射原理完全不同于上述的活塞挤出式、气动脉冲式和电磁脉冲式等熔滴喷射原理，无需复杂的致动元件和驱动机构，也无需相对密闭的坩埚，可很稳定高效的实现高熔点金属的熔滴的按需喷射和一个坩埚多个喷孔的阵列化熔滴喷射。


技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置及方法，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。
9.为了实现上述发明目的1，采用如下技术方案：
10.一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置，包括坩埚、电磁感应加热系统、喷管以及喷管驱动系统，所述坩埚内装有高熔点金属，其底部开设有小孔；所述电磁感应加热系统布置在坩埚外围，用于将金属加热融化并将熔融金属的温度保持在熔点以上；所述喷管顶端与喷管驱动系统连接，底端伸入坩埚内部并穿过小孔，小孔与喷管为间隙配合；所述喷管上部侧壁开设有与大气相通的通气孔，下部侧壁开设有进液孔，底端内腔为圆锥台状并开设有喷孔；所述喷管驱动系统用于驱动喷管沿其轴线方向上实现亚毫米级别的往复移动。
11.进一步地，所述喷管与小孔之间的间隙为几十微米，该间隙大小以熔融金属在静止和喷射过程中，不发生泄露为上限。
12.进一步地，所述喷孔直径为几百微米，所述进液孔浸没在熔融金属中，熔融金属通过进液孔进入喷管内部，使喷管内的液位与坩埚内的液位保持一致。
13.进一步地，所述电磁感应加热系统包括加热线圈和电源，所述加热线圈缠绕在坩埚外围。
14.进一步地，所述喷管驱动系统采用往复式气动工具或电磁阀驱动装置或者任意能够驱动喷管实现亚毫米级往复位移的装置。
15.进一步地，所述坩埚内喷管的数量为一个或多个，当喷管数量为多个时，喷管驱动系统对每个喷管的运动独立控制或者对多个喷管同时控制。
16.为了实现上述发明目的2，采用如下技术方案：
17.一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射方法，采用如上所述的一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置，首先喷管驱动系统驱动喷管从其初始位置，也就是其上极限位置，向下移动，在喷管快速下移过程中，喷管内的熔融金属与喷管管壁的液固界面上存在一个相对运动，管壁对熔融金属产生一个向下的剪切作用力，使其产生一个向下的加速度；由于熔融金属具有较大的惯性，其向下的运动速度会远小于喷管的运动速度，熔融金属在喷管内的液面基本保持不动；由于喷管内熔融金属的体积保持不变，所以喷管下移将导致喷孔处的熔融金属相对于喷管向上移动，在喷管的底部会有部分气体进入，使熔融金属在喷管底部的锥形区内形成一个内凹或外凸形状的液面；
18.喷管下移直至达到下极限位置后，喷管驱动系统开始驱动喷管上移，此时喷管内的熔融金属有一个向下的速度，与喷管底端锥面产生碰撞，由于水锤效应，在喷孔处产生一个很大的压力脉冲，从而将熔融金属从喷孔喷出；喷管在驱动系统的驱动下继续向上移动，回到其初始位置，也就是上极限位置，喷管一次往复位移产生一次熔滴喷射。
19.进一步地，所述喷管的位移随时间呈正弦曲线规律或者三角形规律变化，所述极限位置包括上极限位置和下极限位置，上、下极限位置之间的距离大小以能够实现稳定的熔滴喷射为标准。
20.进一步地，根据实际需要调整喷管上移的速度v、喷孔与进液孔之间的距离h；h和v越大，产生的水锤压力越大，喷射的金属熔滴速度越大，射流时间越长，喷射的熔滴体积越
大。
21.本发明带来的有益技术效果：
22.(1)本发明喷管内熔融金属本身产生的水锤压力作为熔融金属的喷射动力，只需对喷管施加一个沿其轴向的往复小位移即可实现任意高温熔融金属的按需喷射，在技术上容易实现，整个装置工作可靠性高。
23.(2)熔融金属喷射的速度和喷射体积可以利用喷管位移的速度和管内熔融金属的质量来定量调控，所喷射的熔滴体积一致性好。
24.(3)可以利用单个坩埚实现多喷孔喷射，使喷射效率按喷孔数量倍增。
25.(4)可以不使用坩埚而直接利用喷管作为加热容器，使喷头结构更为紧凑，工作可靠性更高。
附图说明
26.图1为本发明中高熔点金属熔滴按需喷射装置的结构示意图；
27.图2为本发明中喷管位移和喷孔内压力随时间变化的曲线图；
28.其中，(a)为喷管位移随时间呈正弦规律变化，(b)为喷管位移随时间呈三角形规律变化；
29.图3为本发明中利用单个坩埚多个喷管喷射打印的示意图；
30.图4为本发明中利用喷管直接作为加热容器的装置示意图；
31.图5为本发明中高熔点金属熔滴喷射示意图；
32.其中，(a)为喷管内壁可以被熔融金属润湿；(b)为喷管内壁不可以被熔融金属润湿；
33.其中，1-坩埚；2-喷管；3-喷管驱动系统；4-加热线圈；5-熔融金属；6-通气孔；7-进液孔；8-喷孔；9-金属熔滴；10-移动平台；11-打印工件；12-送丝机构；13-送丝及进气孔；14-石墨套管；15-金属丝材；
具体实施方式
34.下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
35.一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置，如图1所示，包括坩埚1、电磁感应加热系统、喷管2以及喷管驱动系统3；
36.坩埚1内装有高熔点金属，其底部开设有略大于喷管2外径的小孔；电磁感应加热系统包括加热线圈4和电源，加热线圈4缠绕在坩埚1外围，用于将金属加热融化并将熔融金属5的温度保持在熔点以上；
37.喷管2为细长的管柱结构，其顶端与喷管驱动系统3连接，底端伸入坩埚1内部并穿过小孔，小孔与喷管2为间隙配合，两者之间的间隙为几十微米，该间隙大小以熔融金属5在静止和喷射过程中，不发生泄露为上限；喷管2上部侧壁开设有与大气相通的通气孔6，下部侧壁开设有进液孔7，喷管2内腔整体呈圆柱状，其底端呈圆锥台状，并开设有喷孔8，喷孔8直径为几百微米，进液孔7浸没在熔融金属5中，熔融金属5通过进液孔7进入喷管2内部，使喷管2内的液位与坩埚1内的液位保持一致；
38.喷管驱动系统3采用往复式气动工具、电磁阀驱动装置或者任意能够驱动喷管实
现亚毫米级往复位移的装置，用于驱动喷管2沿其轴线方向上实现亚毫米级别的精准往复移动，精准移动包括首先使喷管2在其轴线方向上向底部按特定的速度移动特定的距离，然后再反向按特定的速度移动相同的距离，回到其初始位置；
39.为了减小喷管驱动系统3的振动冲击，降低打印过程中的噪音，喷管2的位移随时间呈正弦规律变化，如图2(a)所示，但是随着时间呈线性规律的位移，如图2(b)所示，以及其他的位移形式，也可以产生相同的喷射效果。
40.坩埚1内喷管2的数量为一个或多个，如图3所示，只需在一个坩埚1内插入多个喷管2，便可集成多个喷孔8，喷管驱动系统3对每个喷管的运动独立控制或者对多个喷管同时控制，便可以实现多喷孔打印，使喷射效率按喷孔数量倍增；
41.该高熔点金属熔滴按需喷射装置还可以直接利用喷管2作为加热容器将高熔点金属丝材15熔化，在喷管2的底部形成一定高度的液柱，如图4所示，喷管2顶端与喷管驱动系统3连接，底端为圆锥台状，并开设有喷孔8，喷管2上部设有送丝及进气孔13，喷管2外部套设有石墨套管14，石墨套管14外部缠绕有加热线圈4，高熔点金属丝材15通过送丝机构12穿过送丝及进气孔13进入喷管2内，在加热线圈4的加热作用下成为熔融金属5，通过喷管驱动系统3对喷管施加特定频率和幅值的振动，便可以实现熔融金属5的按需喷射。此装置免去了坩埚，不仅可以使喷头整体结构更为紧凑，还避免了喷头构件(喷管与坩埚)之间的相对运动，提升了系统的可靠性。但是，由于喷管2内可存储的液态金属量有限，所以对熔融金属温度和液面高度的控制难度较大。
42.一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射方法，采用如上所述的一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置，首先喷管驱动系统驱动喷管从其初始位置0，也就是其上极限位置，向下移动，在喷管快速下移过程中，喷管内的熔融金属与喷管管壁的液固界面上存在一个相对运动，管壁对熔融金属产生一个向下的剪切作用力，使其产生一个向下的加速度；由于熔融金属具有较大的惯性，其向下的运动速度会远小于喷管的运动速度，熔融金属在喷管内的液面基本保持不动；由于喷管内熔融金属的体积保持不变，所以喷管下移将导致喷孔处的熔融金属相对于喷管向上移动；
43.对于可以润湿喷管内壁的熔融金属来说，喷管内熔融金属的底部将形成如图5(a)所示的内凹液面，内凹的深度通常为喷管向下移动位移的3倍左右；对于喷管内壁不能被熔融金属润湿的情况，其在喷孔处的液面会保持外凸状，如图5(b)所示，但是熔融金属液面在喷孔处相对于喷孔的位移大小与其整体喷射的效果，基本与可润湿的情况一致；
44.喷管在t3时刻下移到下极限位置3，喷管驱动系统开始驱动喷管上移，此时喷管内的熔融金属有一个向下的速度(该向下的速度由喷管下移过程中对其的剪切力导致)，与喷管底端锥面产生碰撞(碰撞时刻介于t4和t5时刻)，由于水锤效应，在喷孔处产生一个很大的压力脉冲，从而将熔融金属熔滴9从喷孔喷出；在t6时刻喷管驱动系统驱动喷管回到初始位置0，喷管一次往复位移产生一次熔滴喷射。
45.极限位置包括上极限位置和下极限位置，上、下极限位置之间的距离大小以实现稳定的熔滴喷射为标准。
46.根据实际需要调整喷管2上移的速度v、喷孔8与进液孔7之间的距离h；h和v越大(代表喷管内的熔融金属质量也就越大，相应的动能也就越大)，产生的水锤压力越大，喷射的金属熔滴速度越大，射流时间越长，喷射的熔滴体积越大。
47.实施例1：利用石墨坩埚、不锈钢喷管实现金属锡的熔滴喷射增材制造
48.所采用的装置如图1所示，装置下放置有移动平台10，采用的为石墨坩埚，利用高频感应加热将金属锡熔化并将其温度保持在熔点以上80摄氏度；利用不锈钢材质作为喷管，喷管外径3mm，内径2mm，喷孔半锥角为20
°
，喷孔大小300微米；打印过程中，液柱的高度保持为30mm；利用往复式气动工具作为喷管驱动系统，在本实施例中，往复式气动工具选用的是气动超声波打磨机，往复运动频率1500赫兹，最大位移200微米。所实现的单次喷射的射流长度约为3700微米，单次喷射的熔滴体积约为200纳升，打印成形效率为1080毫升每小时。打印过程中，整个喷射系统仅在z方向上向上运动，移动平台10在xy平面内做二维运动，最终得到打印工件11。
49.实施例2：利用石墨坩埚、陶瓷喷管实现金属铝的熔滴喷射增材制造
50.由于高温的金属铝液极易氧化堵塞喷孔，所用打印过程中，将整个打印系统置于手套箱提供的惰性气体环境中，以避免高温铝液的氧化。所采用的装置如图1所示，装置下放置有移动平台10，采用的为石墨坩埚，利用高频感应加热将金属铝熔化并将其温度保持在熔点以上100摄氏度；利用三氧化二铝陶瓷材质的作为喷管，喷管外径3mm，内径2mm，喷孔半锥角为20
°
，喷孔大小600微米；打印过程中，液柱的高度保持为30mm；利用往复式气动工具作为喷管驱动系统，往复运动频率600赫兹，最大位移300微米。所实现的单次喷射的射流长度约为3000微米，单次喷射的熔滴体积约为300纳升，打印成形效率为648毫升每小时。打印过程中，整个喷射系统仅在z方向上向上运动，移动平台10在xy平面内做二维运动，最终得到打印工件11。
51.实施例3：利用陶瓷喷管作为喷管和加热容器实现金属铁的熔滴喷射增材制造
52.为了避免高温熔融铁液的氧化，利用氩气管路为喷孔处提供局部惰性气体环境。所采用的装置如图4所示，装置下放置有移动平台10，利用三氧化二铝陶瓷材质的作为喷管，喷管外径6mm，内径4mm，喷孔半锥角为20
°
，喷孔大小600微米；为了提高加热效率，在陶瓷喷管外套一层石墨套管；利用送丝机构12将直径2mm的铁丝通过送丝孔送入喷管，利用高频感应加热将金属铁丝熔化并将其温度保持在熔点以上150摄氏度；打印过程中，金属液柱的高度保持为30mm；
53.本实施例采用电磁阀驱动装置作为喷管驱动系统，采用mac电磁阀，将喷管固定在阀芯上，设定其阀芯往复运动频率为500赫兹，最大位移为400微米。所实现的单次喷射的射流长度约为3000微米，单次喷射的熔滴体积约为300纳升，打印成形效率为540毫升每小时。。打印过程中，整个喷射系统仅在z方向上向上运动，移动平台10在xy平面内做二维运动，最终得到打印工件11。
54.本发明利用喷管内高温熔融金属与喷管相对运动所产生的水锤压力作为喷射动力，可稳定、高效、可靠的实现高熔点金属的熔滴按需喷射，从而实现基于熔滴喷射的高熔点金属增材制造。本发明只需对喷管施加一个沿其轴向的往复小位移即可实现任意高温熔融金属的按需喷射，喷射过程操作简单、易于控制，整个系统工作可靠性高，在技术上容易实现。熔融金属喷射的速度和喷射体积可以利用喷孔直径、喷管位移的速度和管内熔融金属的质量来定量调控，喷射速度的调节范围为几米每秒至几十米每秒，单次喷射体积的调控范围为皮升量级至纳升量级，喷射速度和喷射体积的可调节范围大。
55.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领
域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置，其特征在于，包括坩埚、电磁感应加热系统、喷管以及喷管驱动系统，所述坩埚内装有高熔点金属，其底部开设有小孔；所述电磁感应加热系统布置在坩埚外围，用于将金属加热融化并将熔融金属的温度保持在熔点以上；所述喷管顶端与喷管驱动系统连接，底端伸入坩埚内部并穿过小孔，小孔与喷管为间隙配合；所述喷管上部侧壁开设有与大气相通的通气孔，下部侧壁开设有进液孔，底端内腔为圆锥台状并开设有喷孔；所述喷管驱动系统用于驱动喷管沿其轴线方向上实现亚毫米级别的往复移动。2.根据权利要求1所述的一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置，其特征在于，所述喷管与小孔之间的间隙为几十微米，该间隙大小以熔融金属在静止和喷射过程中，不发生泄露为上限。3.根据权利要求1所述的一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置，其特征在于，所述喷孔直径为几十微米至几百微米，所述进液孔浸没在熔融金属中，熔融金属通过进液孔进入喷管内部，使喷管内的液位与坩埚内的液位保持一致。4.根据权利要求1所述的一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置，其特征在于，所述电磁感应加热系统包括加热线圈和电源，所述加热线圈缠绕在坩埚外围。5.根据权利要求1所述的一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置，其特征在于，所述喷管驱动系统采用往复式气动工具、电磁阀驱动装置或者任意能够驱动喷管实现亚毫米级往复位移的装置。6.根据权利要求1所述的一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置，其特征在于，所述坩埚内喷管的数量为一个或多个，当喷管数量为多个时，喷管驱动系统对每个喷管的运动独立控制或者对多个喷管同时控制。7.一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置，首先喷管驱动系统驱动喷管从其初始位置，即上极限位置，向下移动，在喷管快速下移过程中，喷管内的熔融金属与喷管管壁的液固界面上存在一个相对运动，管壁对熔融金属产生一个向下的剪切作用力，使其产生一个向下的加速度；由于熔融金属具有较大的惯性，其向下的运动速度会远小于喷管的运动速度，熔融金属在喷管内的液面基本保持不动；由于喷管内熔融金属的体积保持不变，所以喷管下移将导致喷孔处的熔融金属相对于喷管向上移动，在喷管的底部会有部分气体进入，使熔融金属在喷管底部的锥形区内形成一个内凹或外凸形状的液面；喷管下移直至达到下极限位置后，喷管驱动系统开始驱动喷管上移，此时喷管内的熔融金属有一个向下的速度，与喷管底端锥面产生碰撞，由于水锤效应，在喷孔处产生一个很大的压力脉冲，从而将熔融金属从喷孔喷出；喷管在驱动系统的驱动下继续向上移动，回到其初始位置，即上极限位置，喷管一次往复位移产生一次熔滴喷射。8.根据权利要求7所述的一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射方法，其特征在于，所述喷管的位移随时间呈正弦曲线规律或者三角形规律变化，所述极限位置包括上极限位置和下极限位置，上、下极限位置之间的距离大小以能够实现稳定的熔滴喷射为标准。9.根据权利要求7所述的一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射方法，其特征在于，根据实际需要调整喷管上移的速度v、喷孔与进液孔之间的距离h；h和v越大，产生的
水锤压力越大，喷射的金属熔滴速度越大，射流时间越长，喷射的熔滴体积越大。

技术总结
本发明公开了一种利用水锤效应的高熔点金属熔滴按需喷射装置，包括坩埚、电磁感应加热系统、喷管以及喷管驱动系统，坩埚内装有高熔点金属，其底部开设有小孔；电磁感应加热系统用于将金属加热融化并将熔融金属的温度保持在熔点以上；喷管顶端与喷管驱动系统连接，底端伸入坩埚内部并穿过小孔，小孔与喷管为间隙配合；喷管上部侧壁开设有与大气相通的通气孔，下部侧壁开设有进液孔，底端开设有喷孔；喷管驱动系统用于驱动喷管沿其轴线方向上实现亚毫米级别的往复移动。喷管内熔融金属本身产生的水锤压力作为熔融金属的喷射动力，只需对喷管施加一个沿其轴向的往复小位移即可实现任意高温熔融金属的按需喷射，整个装置工作可靠性高。靠性高。靠性高。


技术研发人员：张彦振 赵小迪 胡国放 李子豪 贺炜威 吴玉尧 闫明宇 王继德 王宁 左连磊 邦蒙良 刘永红 纪仁杰 蔡宝平
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/9/23