一種低熔點金屬多維結構的液相打印系統及打印方法
【專利摘要】本發明提供一種低熔點金屬多維結構的液相打印系統，包括：注射泵陣列、注射針頭陣列、液態金屬池，恒溫箱、恒溫浴槽及控制單元；所述注射泵陣列包括m×n個注射泵，各注射泵進口與液態金屬池連接；注射針頭與恒溫浴槽垂直相對，注射針頭進液口與所述注射泵出射端一一連接；控制單元與注射泵陣列連接。本發明提出的方法引入了流體的靈巧控制機制，對液態金屬注射液滴實施了有效的緩沖、破碎和浮力作用，特別是由于其熱容大，因而可提供較之傳統氣體散熱方式高效得多的液體冷卻處理，這使得注射入液相環境中的液態金屬可以快速凝固，從而實現多維結構的短時成型，同時還減少了傳統方法中不易避免的氧化作用。
【專利說明】一種低熔點金屬多維結構的液相打印系統及打印方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于印刷領域，具體涉及一種多維結構的液相打印方法及其系統。

【背景技術】
[0002]3D打印技術是快速成型方法的一種，是增材制造的實現形式，近一、二年來發展尤為迅猛。常規的3D打印途徑是利用計算機預先設計出產品的三維模型，通過軟件對模型加以切分和離散化，分解出打印工序，再使用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬、塑料、陶瓷等材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，從而制造出所設計的終端產品。迄今為止，此類加工大多是在空氣中完成，借助氣體冷卻自然形成結構件，或通過砂粒、粉末等冷卻高溫液體結構使之成型，因此可形象地將傳統的3D制造稱為是干式打印；然而，這種冷卻通常比較緩慢，因而樣品的制作速度過低，特別是對熔點通常在六、七百度甚至上千度的高溫液態金屬，情況更是如此。不過，由于自身超越傳統加工途徑的諸多獨特性能，3D打印技術在航空航天，醫療，科技教育等領域正逐步獲得一定應用，并顯示出廣闊的應用和發展前景，它將與其它數字化生產模式一起，可望推動第三次工業革命的到來。
[0003]迄今為止，現有的3D打印技術由于采用塑料或聚合物等材料，主要只能制作無功能的結構支撐件，由于導電金屬和支撐材料之間巨大的熔點差和迥異的制作過程，這些現有方法在機械和電子元件的同時制作上尚面臨很大困難，已有的方法普遍存在制作時間長、適用對象有限等不足。特別是，若要制作有導電性的金屬構件時，由于常規金屬材料如銅、鋁等熔點極高，往往需要極高的燒結溫度，耗能大，常規的空氣冷卻效果弱，結構件凝固成型時間過長，打印過程的控制困難，亟需改進。
[0004]為提升金屬件打印速度和降低制造難度，本發明提供一種針對熔點遠低于常規金屬的低熔點金屬墨水(如熔點500°C以下)的液相打印方法和系統，這種液相打印技術對高溫金屬也有適用性。低熔點液態金屬熱導率高，粘度低，熔化凝固過程容易實現，其在打印【技術領域】的應用是一個全新的課題。


【發明內容】

[0005]針對本【技術領域】現狀，本發明從有別于傳統上的干式3D打印技術思路出發，首次提供一種概念嶄新的金屬構件液相打印方法和系統，借助低熔點金屬墨水，通過引入獨特的液相打印環境，實現多維金屬構件的快速打印。
[0006]本發明的一個目的是提供一種低熔點金屬多維結構的液相打印系統。
[0007]本發明的另一個目的是提出一種低熔點金屬多維結構的液相打印方法。
[0008]實現本發明上述目的技術方案為:
[0009]一種低熔點金屬多維結構的打印系統，其包括:注射泵陣列、注射針頭陣列、液態金屬池，恒溫箱、恒溫浴槽和控制單元；
[0010]所述注射泵陣列包括mXn個注射泵，排列為mXn陣列，各注射泵進口與液態金屬池連接；液態金屬池可以為方形，圓形等形狀的容器。液態金屬池的材質為玻璃或不與液態金屬互溶的金屬材料。
[0011]所述注射針頭陣列包括mXn個注射針頭，排列為mXn陣列，注射針頭與恒溫浴槽液體表面垂直相對，注射針頭進液口與所述注射泵出射端一一連接；m和η互相獨立地為大于I小于100的正整數；
[0012]所述注射泵陣列、注射針頭陣列、液態金屬池，恒溫浴槽均設置在恒溫箱內；
[0013]所述控制單元與注射泵陣列連接。
[0014]其中，所述注射針頭內徑范圍為5nm-5cm。例如14G針頭(內徑1.54mm)、34G針頭(內徑0.06mm)等。
[0015]其中，所述恒溫浴槽為底面平整的容器，材質為玻璃或不與液態金屬互溶的金屬材料，所述恒溫浴槽的容積為0.05-1000L。恒溫浴槽可以為方形、圓形等形狀的容器。
[0016]其中，所述恒溫浴槽還設置有控溫裝置和控制流體流動的裝置。
[0017]一種低熔點金屬多維結構的液相打印方法，包括步驟:
[0018]I)在液態金屬池中加載液態金屬作為打印墨水，所述液態金屬為熔點在
30C _500°C范圍的低熔點金屬，選自鎵基合金、鉍基合金、銦基合金、添加有直徑為5nm-900nm的記憶合金納米顆粒的鎵基合金、秘基合金、銦基合金中的一種；
[0019]所述記憶合金選自鎳鈦合金、欽鎳銅、鈦鎳鐵、鈦鎳鉻、銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金、鐵系合金(Fe-Mn-Si，Fe-Pd)中的一種或多種；
[0020]2)注射針頭用于向一端與注射泵陣列相連，另一端浸入恒溫浴槽的流體中或置于空氣中；注射泵從液態金屬池抽取液態金屬并注射，其出射端與注射針頭陣列相連；
[0021]3)控制打印的環境溫度高于液態金屬的熔點，在控制單元中設計打印的模型，并進行切分離散化，然后控制注射泵陣列中每個泵的流速和注射時間，使液態金屬從注射針頭中流出，在下落過程中或下落后凝固為固體。
[0022]打印的環境溫度可由恒溫箱實現，可控制環境溫度高于液態金屬熔點10_30°C ;恒溫浴槽的流體的溫度控制為低于液態金屬熔點1_50°C。
[0023]所述控制單元為裝有軟件的計算機。軟件可以為采用典型編程語言如C++、Java、PLC等編制而成的控制程序。
[0024]其中，所述注射針頭的注射速度為0.0001 μ L/hr- lL/min。
[0025]其中，所述恒溫浴槽內裝有水、酒精、煤油、抗凍液、液氮(在容器中是液體，只是有蒸發)、505膠水或娃膠中的一種。
[0026]其中，所述恒溫浴槽控制為溫度恒定在液態金屬的熔點以下的溫度。
[0027]或，所述恒溫浴槽控制為在Tb至Tc溫度之間勻速降溫，所述Tb大于所述液態金屬的熔點1-40°C,所述Tc低于所述液態金屬的熔點1-60°C。所述液態金屬為具有記憶功能的液態金屬，此時由在鎵基合金、鉍基合金、銦基合金中添加直徑在5nm-900nm范圍的鎳鈦合金、欽鎳銅、鈦鎳鐵、鈦鎳鉻、銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金、鐵系合金(Fe-Mn-Si, Fe-Pd)等納米顆粒添加物后形成。隨著恒溫浴槽溫度的變化，液態金屬隨時間發生形變，從而實現4D (4維)打印功能。
[0028]本發明的有益效果在于:
[0029]1.本發明提供的方法成型速度快。引入了流體的靈巧控制機制，對液態金屬注射液滴實施了有效的緩沖阻擋、擊碎作用和浮力作用，特別是由于其熱容大，溫度和流場速度調節方便，因而可提供較之傳統氣體或沙粒、粉末等散熱方式高效得多的液體冷卻，這使得注射入液相環境中的液態金屬可以迅速凝固，從而實現3D結構的快速成型，同時還減少了傳統打印方法中不易避免的氧化作用。
[0030]2.成型結構形式多樣。由于液相環境溫度場及流場調控靈活，利用流體流速及流向乃至液態金屬流速及流向以及彼此之間的流體相互作用的控制，可以制造出各種獨特結構的3D金屬件，比如旋轉體等，這顯著擴展了傳統3D打印技術的范疇和加工范圍，具有十分重要的應用價值和科學意義。
[0031]3.可實現3D機電系統同時打印。本發明由于采用了不同于傳統的導電型液態金屬打印材料，可與傳統塑料、聚合物等配合打印，形成同時包括機械支撐件及導電結構在內的3D功能器件。
[0032]4.可持續發展面廣泛。本發明提供的液相打印是傳統干式打印的重要革新和補充，大大提升了 3D打印的速度和應用范疇，二者的結合可望更好地滿足各類打印需求。而且，液相溶液調整溫度，在形狀記憶合金實現4D變形方面較之已有方式更加快捷。
[0033]5.金屬構件制造耗能低。本發明由于引入了熔點遠低于常規金屬如銅、鈦、鋁等的熔點在3°C -500°C范圍乃至更低的液態金屬墨水，因而升溫融化難度得以顯著降低，特別是若采用室溫金屬流體時，則幾乎不消耗加熱方面的能量，因而制作金屬構件能耗較低，實用價值顯著。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為本發明的低熔點金屬多維結構的打印系統結構圖；
[0035]圖2為0，1，2，3維低熔點金屬結構的液相3D打印示意圖，圖2中a，b，c，d分別為0，1，2，3維低熔點金屬結構的打印示意圖；
[0036]圖3為4維低熔點金屬結構的液相打印流程示意圖。其中(a)為初始打印出的直向金屬條示意圖；(b)為恒溫浴槽溫度變為Tc時金屬結構圖。
[0037]圖中:1.注射泵陣列，2.注射針頭陣列，3.液態金屬池，4.恒溫箱，5.恒溫浴槽，6.計算機。

【具體實施方式】
[0038]下面通過最佳實施例來說明本發明。本領域技術人員所應知的是，實施例只用來說明本發明而不是用來限制本發明的范圍。
[0039]實施例中，如無特別說明，所用手段均為本領域常規的手段。
[0040]實施例1:0維金屬結構的打印方法
[0041]打印系統如圖1。，包括:注射泵陣列1、注射針頭陣列2、液態金屬池3，恒溫箱4、恒溫浴槽5和計算機6 ;注射泵陣列包括2X2個注射泵，排列為2X2陣列，各注射泵進口與液態金屬池連接；注射針頭陣列包括2X2.個注射針頭，排列為2X2陣列，注射針頭與恒溫浴槽液體表面垂直相對，注射針頭進液口與所述注射泵出射端一一連接。所述注射泵陣列1、注射針頭陣列2、液態金屬池3，恒溫浴槽5均設置在恒溫箱內；計算機與注射泵陣列連接。本實施例中針頭選為14G針頭，其內徑為1.54mm;注射泵型號選為商業化設備PumpllPlus,其流速在 0.0014ul/hr-7.91ml/hr 范圍內可調。
[0042]恒溫浴槽5為底面平整的容器，材質為玻璃，容積為10L，里面裝水；液態金屬池3的材質為玻璃。
[0043]O維金屬結構即為小球。選定Bi31.6In48.8Sn19.6合金(熔點為59°C)為打印墨水，將恒溫箱4設置為80°C左右，恒溫浴槽5溫度設為20°C，則根據所需金屬小球的尺寸選擇相對應的針頭2 (例如直徑2_小球，針頭采用14G針頭)，通過計算機6設置注射泵I的推射速度，抽吸出液態金屬池3中的原液并從針頭逐滴下落，進入恒溫水浴槽5后迅速凝固，前后兩滴不發生黏連，這樣得到的成品為顆粒狀液態金屬小球，如圖2a所示。
[0044]本實施例中，恒溫水浴槽5內水的溫度和流場可以調節，由此可實現不同熔點金屬和產品的打印。比如除上述Bi31.6In48.8Sn19.6合金墨水外，打印金屬墨水也可更換為前述列舉的各類熔點在3°C -500°C范圍的低熔點液態金屬墨水如鎵基合金、鉍基合金、銦基合金中的一種或其鎳鈦合金納米顆粒(1nm直徑)添加物。
[0045]利用同樣的系統，以Ga15In13SnZn合金為打印墨水，將恒溫箱4設置為20°C，恒溫浴槽5溫度設為0°C，打印得直徑2_鎵基合金小球。同樣的方法還可以打印得鉍基合金、銦基合金小球。將直徑為5nm-900nm的記憶合金納米顆粒添加在金屬墨水中，打印得具有記憶能力的鉍基合金、銦基合金小球。
[0046]并且，水也可更換為其他液體如:酒精，煤油、抗凍液、液態有機材料如505膠水、硅膠，乃至液氮等，可實現更為靈活的高質量打印。
[0047]實施例2:1維金屬結構的多維打印方法
[0048]系統如實施例1。
[0049]所要打印的I維金屬結構為金屬線，選定Bi31.6In48.8Sn19.6合金(熔點為59°C)為打印墨水。恒溫箱4設置為80 V，恒溫水浴槽5設為45°C，內裝水。注射泵陣列包括2 X 10個注射泵，排列為2X10陣列，各注射泵進口與液態金屬池連接；注射針頭陣列包括2X10個注射針頭，排列為2X10陣列，注射針頭與恒溫浴槽液體表面垂直相對，注射針頭進液口與所述注射泵出射端一一連接。根據所要打印金屬線的直徑選擇相應的針頭2和注射泵I的推射速度在0.0014μ l/hr-7.91ml/hr范圍，使液滴下落后與已打印的金屬線融合并迅速凝固，得到一條金屬長線，如圖2b即為豎向打印示意圖。恒溫浴槽5內液體也可不限于水。
[0050]同樣的方法還可以打印得鉍基合金、銦基合金或具有記憶能力的合金金屬線。
[0051]實施例3 2維金屬結構的多維結構打印方法
[0052]系統如實施例1。
[0053]所要打印的2維金屬結構為“凹”字形金屬面，選定Bi31.6In48.8Sn19.6合金(熔點為59°C )為原液。恒溫箱4設置為80°C，恒溫浴槽5設為45°C，內裝水。注射泵陣列包括80X80個注射泵，排列為2X2陣列，各注射泵進口與液態金屬池連接；注射針頭陣列包括80X80個注射針頭，排列為80X80陣列，注射針頭與恒溫浴槽液體表面垂直相對，注射針頭進液口與所述注射泵出射端一一連接。
[0054]首先在計算機6中采用C++編制的控制軟件設計出要打印的結構并設定打印程序，選擇相應的針頭2，設定每個注射泵I的推射速度0.01 μ 1/hr。然后啟動打印，打出“凹”字形金屬結構后取出(如圖2c所示的俯視圖)，進行表面加工即得成品。恒溫浴槽5內液體也可不限于水。
[0055]同樣的方法還可以打印得鉍基合金、銦基合金或具有記憶能力的合金金屬面。
[0056]實施例4 3維金屬結構的多維結構打印方法
[0057]系統如實施例1。所要打印的3維金屬結構為兩個不同直徑圓柱相接的凸臺，選定Bi31.6In48.8Sn19.6合金(熔點為59°C)為打印墨水。恒溫箱4設置為80°C，恒溫浴槽5設為45°C，內裝水。注射泵陣列包括2X 10個注射泵，排列為2X2陣列，各注射泵進口與液態金屬池連接；注射針頭陣列包括2X 10個注射針頭，排列為2X 10陣列，注射針頭與恒溫浴槽液體表面垂直相對，注射針頭進液口與所述注射泵出射端一一連接。
[0058]首先在計算機6中用采用C++編制的控制軟件畫出三維模型，用軟件將模型切分離散化，設定打印步驟，選擇相應的針頭2的型號為14G針頭，確定注射泵陣列I中每個泵的推射速度0.01 μ Ι/hr。然后啟動打印，一層一層疊加，打印出物體后經表面加工即得成品。圖2d為打印示意圖。恒溫浴槽5內液體也可不限于水。
[0059]同樣的方法還可以打印得鉍基合金、銦基合金或具有記憶能力的合金三維結構。
[0060]實施例5 4維金屬結構的多維結構打印方法
[0061]這里，4維結構式指采用低熔點形狀記憶合金后，所形成結構可在液相溫度的調控下對應改變，也就是說，結構件與時間存在對應關系，這種瞬態變化的結構超出傳統的3D結構概念。4維結構是國際上新近出現的概念，但成熟制造技術極少，本發明為此提供了具體的打印方法和系統，有助于推動4D打印技術的發展。
[0062]在本實施例中，所要打印的是截面為梯形的彎曲金屬條，采用類似于記憶合金的液態金屬(溶點為Tm),由嫁金屬融化后在其內添加直徑為1nm的鎮欽合金納米顆粒，組成熔點Tm為60°C的納米液態金屬。恒溫箱4溫度設置為大于Tm的溫度Ta=80°C，恒溫浴槽5設定為Tb=50°C，內裝水。首先在計算機6中畫出三維模型并離散化，設定打印程序，選擇針頭2，設定注射泵陣列I中每個泵的推射速度在0.0014 μ l/hr-7.91ml/hr范圍。然后啟動打印，打印出直向金屬條(如圖3 (a)所示)后將恒溫浴槽溫度變為Tc=40°C (Tc<Tm),直到金屬條逐漸變為彎曲形，取出后經表面加工即得成品(如圖3 (b)所示)。恒溫浴槽5內液體也可不限于水。
[0063]以上的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通工程技術人員對本發明的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種低熔點金屬多維結構的液相打印系統，其特征在于，包括:注射泵陣列、注射針頭陣列、液態金屬池，恒溫箱、恒溫浴槽和控制單元； 所述注射泵陣列包括mXη個注射泵，排列為mXη陣列，各注射泵進口與液態金屬池連接; 所述注射針頭陣列包括mXn個注射針頭，排列為mXn陣列，注射針頭與恒溫浴槽液體表面垂直相對，注射針頭進液口與所述注射泵出射端一一連接邱和η互相獨立地為大于I小于100的正整數； 所述注射泵陣列、注射針頭陣列、液態金屬池、恒溫浴槽均設置在恒溫箱內； 所述控制單元與注射泵陣列連接。
2.根據權利要求1所述的液相打印系統，其特征在于，所述注射針頭內徑為50nm-5cm。
3.根據權利要求1所述的液相打印系統，其特征在于，所述恒溫浴槽為底面平整的容器，材質為玻璃或不與液態金屬互溶的金屬材料，所述恒溫浴槽的容積為0.05-1000L;所述液態金屬池的材質為玻璃或不與液態金屬互溶的金屬材料。
4.根據權利要求1-4任一所述的液相打印系統，其特征在于，所述恒溫浴槽還設置有控溫裝置和控制流體流動的裝置。
5.一種低熔點金屬多維結構的液相打印方法，包括步驟: 1)在液態金屬池中加載液態金屬作為打印墨水，所述液態金屬為熔點在3°C_500°C范圍的低熔點金屬，選自鎵基合金、秘基合金、銦基合金、添加有直徑為5nm-900nm的形狀記憶合金納米顆粒的鎵基合金、鉍基合金、銦基合金中的一種； 所述記憶合金選自鎳鈦合金、欽鎳銅、鈦鎳鐵、鈦鎳鉻、銅鎳系合金、銅招系合金、銅鋅系合金、鐵系合金中的一種或多種； 2)注射針頭用于向一端與注射泵陣列相連，另一端浸入恒溫浴槽的流體中或置于空氣中；注射泵從液態金屬池抽取液態金屬并注射，其出射端與注射針頭陣列相連； 3)控制打印的環境溫度高于液態金屬的熔點，在控制單元中設計待打印的模型，并進行切分離散化，然后控制注射泵陣列中每個泵的流速和注射時間，使液態金屬從注射針頭中流出，在下落過程中或下落后凝固為固體。
6.根據權利要求5所述的液相打印方法，其特征在于，所述注射針頭的注射速度為0.0001 μ L/hr— lL/min。
7.根據權利要求5所述的液相打印方法，其特征在于，所述恒溫浴槽內裝有水、酒精、煤油、抗凍液、液氮、505膠水或娃膠中的一種。
8.根據權利要求5-7任一所述的液相打印方法，其特征在于，所述恒溫浴槽控制為溫度恒定在液態金屬的熔點以下的溫度。
9.根據權利要求5-7任一所述的液相打印方法，其特征在于，所述恒溫浴槽控制為在Tb至Tc溫度之間勻速降溫，所述Tb大于所述液態金屬的熔點1_40°C，所述Tc低于所述液態金屬的熔點1_60°C。
10.根據權利要求9所述的液相打印方法，其特征在于，所述液態金屬為添加有直徑為5nm-900nm的記憶合金納米顆粒的鎵基合金、秘基合金、銦基合金中的一種。
【文檔編號】B22F3/115GK104416159SQ201310363250
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月20日 優先權日:2013年8月20日
【發明者】王磊, 劉靜 申請人:中國科學院理化技術研究所