液态金属3D打印喷头装置及设有该装置的3D打印机的制作方法

本实用新型涉及3D打印设备技术领域，尤其涉及一种液态金属3D打印喷头装置及设有该装置的3D打印机。

背景技术：

3D打印技术是快速成型技术的一种，又称增材制造技术，是一种以计算机设计的数字模型文件为基础，以物件本身的材料，例如尼龙材料、石膏材料、金属材料、橡胶等材料为“墨水”，并以不同层构建创建部件。通常是利用熔融沉积式(简称FDM)、电子束自由成形制造(简称EBF)、分层实体制造(简称LOM)等方法，将塑料、金属或陶瓷粉末等墨水材料通过逐层打印的方式来制造物品。

对于纯金属、合金等材料的3D打印，目前大多采用的是选择性激光烧结技术(简称SLS)、激光工程化净成形技术(简称LENS)和电子束选区熔化技术(简称EBSM)三种典型工艺。在这些工艺中均采用金属粉末作为打印墨水，并在气体中进行冷却成型。综合应用了计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)技术、材料科学、精密机械控制等多方面的知识和技术的3D金属打印技术，相比传统的减材制造技术，金属的3D打印大大缩短了产品研制周期，加快了新产品的制造速度，降低了成本，在珠宝、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车、航空航天、牙科和医疗产业，以及其他领域都有广泛的应用前景。因此3D金属打印是当前金属制造技术的一个重要发展方向。但由于常规金属材料如铜、铝等熔点极高，往往需要极高的烧结温度，因此打印过程耗能高，控制难度大；部件在常规的空气冷却中效果较弱，结构件凝固成型时间过长，打印过程的控制困难，亟需改进；此外，熔融金属或金属粉末的输运和喷射过程复杂，一般采用机械泵及运动 部件加以控制，这些因素均导致此类传统金属打印设备整体结构庞大而且复杂，价格昂贵，因而不易普及到大众或家庭中使用。

低熔点液态金属还没有被用于打印材料，但低熔点金属热导率大，粘度低，熔化凝固过程容易实现，其在打印技术领域的应用是一个全新的课题。

此外，传统的金属3D打印技术在尺寸上仍然有限制，最小的尺寸只能达到100至几百微米的量级，从很大程度上制约了现有的金属3D打印技术的发展。

鉴于上述背景技术的缺陷，本实用新型提供了一种液态金属3D打印喷头装置及设有该装置的3D打印机。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是提供了一种液态金属3D打印喷头装置及设有该装置的3D打印机，能够实现液态金属的高精度微滴堆积打印。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种液态金属3D打印喷头装置，其特征在于，包括用于产生液态金属微液滴的液滴产生机构，所述液滴产生机构包括相交设置的液态金属微流道和主流体微流道，在所述主流体微流道内的连续相主流体的剪切力作用下，所述液态金属微流道内的液态金属能均匀分散成多组所述液态金属微液滴。

进一步的，所述主流体微流道为至少两条，两条所述主流体微流道分别相对的连通在所述液态金属微流道的两侧，且均与所述液态金属微流道成一定角度相交设置；所述液态金属微流道的末端连通有喷嘴。

进一步的，所述液滴产生机构还包括液态金属储液槽，所述液态金属储液槽的一端与液态金属微流道连通，另一端通过液态金属压力 进口连接有压力控制机构，所述压力控制机构用于驱动并控制所述液态金属储液槽内的液态金属向液态金属微流道内流动的速度；所述液态金属储液槽上设有液态金属注入口。

进一步的，所述主流体微流道通过主流体进样口连通有主流体采样瓶，所述主流体采样瓶与压力控制机构连通，以驱动并控制所述主流体微流道内的连续相主流体的流动速度。

进一步的，所述压力控制机构为气压式微流体进样系统、注射泵或蠕动泵。

进一步的，还包括加热控温机构，所述加热控温机构用于控制所述液滴产生机构内的液态金属的温度。

进一步的，所述加热控温机构包括热电片、电加热丝和热电偶，所述热电片设置于所述液滴产生机构的外侧，电加热丝设置于所述液滴产生机构内，以控制所述液滴产生机构内的液态金属温度；所述热电偶的测温端伸入到所述液滴产生机构内，以测量所述液滴产生机构内的液态金属的温度。

进一步的，所述液态金属微流道中的液态金属的固化温度小于等于200℃；优选所述液态金属为镓单质金属、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金或铋铟锡锌合金中的一种或几种混合。

进一步的，所述主流体微流道中的连续相主流体包括丙三醇溶液、氢氧化钠溶液、或硅油溶液中的一种或几种混合。

本实用新型还提供了一种3D打印机，包括打印基台、冷却装置和如权利要求1-8任一项所述的液态金属3D打印喷头装置，所述打印基台对应设置于所述液态金属3D打印喷头装置的下部，所述冷却装置设置于所述打印基台的下部。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有以下有益效果：

1、本实用新型的液态金属3D打印喷头装置包括用于产生液态金属微液滴的液滴产生机构，液滴产生机构包括相交设置的液态金属微 流道和主流体微流道，在主流体微流道内的连续相主流体的剪切力作用下，液态金属微流道内的液态金属能均匀分散成多组液态金属微液滴，利用上述两种流体之间剪切力的作用而产生大小均匀可控、速度可调的低熔点液态金属微液滴，并对其固化、叠加，从而实现了3D打印；

2、本实用新型的液态金属微流道和主流体微流道分别与压力控制装置连接，通过分别调整两种液体的进样速度或者压力即可控制两种互不相溶流体的速度，从而精确控制产生的液态金属微液滴的大小与喷射速度，从而使得打印出的微液滴达到几个微米甚至是几百纳米的量级。

3、由于该液态金属3D打印喷头装置是利用机械力驱动流体，无外加电力输入驱动设备，因此避免了电泄露的危险与干扰，减少了各种复杂的涂层加工等绝缘措施，减少能耗；

4、该液态金属3D打印喷头装置采用加热控温机构，与设置在3D打印机上的冷却装置相配合，使得该3D打印机对于所打印的低熔点液态金属的种类范围大大拓宽，应用范围较广。

综上所述，本实用新型的液态金属3D打印喷头装置采取微机械加工的方法制成，该装置具有加工过程简单、可批量复制、可控性好、稳定性高、体积小、微液滴产生速度均匀以及大小可控等诸多优点，能够实现液态金属的高精度微滴堆积打印。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的液态金属3D打印喷头装置的爆炸示意 图；

图2为本实用新型实施例的液滴产生机构的剖视图；

图3为本实用新型实施例的液态金属储液槽的剖视图；

图4为本实用新型实施例的液态金属微液滴在液态金属微流道内的产生原理图；

图5为本实用新型实施例的3D打印机的轴侧图。

其中：1、液态金属微流道；2、主流体微流道；3、液态金属储液槽；4、液态金属注入口；5、液态金属压力进口；6、主流体进样口；7、喷嘴；8-1、热电片；8-2、热电偶；9、压力控制机构；10、冷却装置；11、主流体样品瓶；12、打印基台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1、图4所示，本实施例提供的液态金属3D打印喷头装置包括用于产生液态金属微液滴的液滴产生机构，液滴产生机构包括相交设置的液态金属微流道1和主流体微流道2，利用液态金属微流道1和主流体微流道2相交设置，使其形成流动聚焦结构的微流道，在主流体微流道2内的连续相主流体的剪切力作用下，液态金属微流道1内的液态金属能均匀分散成多组液态金属微液滴，利用连续相主流体与液态金属的互不相溶的特性，当连续相主流体穿过液态金属时，在 连续相主流体的剪切力作用下，液态金属就能被分散成大小均匀、尺寸可控的球形液态金属微液滴，这些液态金属微液滴均匀的由喷嘴7喷在打印基地上，可以实现堆积式3D打印。其中，图4中所示的箭头方向为连续相主流体的流动方向。

为了保证实现3D打印效果，优选本实施例中，液态金属微流道1中的液态金属为低熔点液态金属，其固化温度小于等于200℃，进一步优选液态金属为镓单质金属、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金或铋铟锡锌合金中的一种或几种混合；主流体微流道2中的连续相主流体包括丙三醇溶液、氢氧化钠溶液、或硅油溶液中的一种或几种混合，优选采用丙三醇与氢氧化钠溶液的混合溶液，也可以采用硅油等粘度相近的溶液，本实施例中，连续相主流体优选为丙三醇与质量分数为30％的氢氧化钠溶液以体积比9:1混合而成。

选用上述材质的液态金属和连续相主流体，能保证两种溶液互不相容，确保液态金属能被快速分割成液态金属微液滴。

本实施例的流动聚焦结构的微流道中，如图2、图3所示，主流体微流道2为至少两条，两条主流体微流道2分别相对的连通在液态金属微流道1的两侧，且均与液态金属微流道1成一定角度相交设置；液态金属微流道1的末端连通有喷嘴7，液态金属沿着液态金属微流道1流向喷嘴7的过程中，被相对联通的主流体微流道2内流经的连续相主流体的剪切力分割成液态金属微液滴，故此，由喷嘴7中流出的液态金属为均匀滴出的液态金属微液滴。

本实施例中，液态金属微流道1、主流体微流道2和喷嘴7的流道高度与宽度均可制作成各式尺寸，量级在百纳米级至毫米级都可，本实施例中采用宽度200μm×高度150μm的流道尺寸。

需要说明的是，本实施例的主流体微流道2和液态金属微流道1的分布结构可以为图2所示的流动聚焦结构，主流体微流道2自液态金属微流道1的两侧相交并连通，使得连续相主流体横向流动，而液态金属纵向流动，利用连续相主流体横向流动的剪切力分割纵向流动 的液态金属，从而得到液态金属微液滴；也可以将主流体微流道2和液态金属微流道1的分布结构设计为T形流道结构或共轴流道结构，以产生均匀的液态金属微液滴。

液滴产生机构还包括液态金属储液槽3，在液态金属储液槽3上设有液态金属注入口4，可以向液态金属储液槽3中补充液态金属。液态金属储液槽3的一端与液态金属微流道1连通，另一端通过液态金属压力进口5连接有压力控制机构9，压力控制机构9利用压力驱动并控制液态金属储液槽3内的液态金属向液态金属微流道1内流动的速度，压力控制机构9还可以同时与主流体微流道2连接，利用压力驱动并控制连续相主流体的流动速度，通过分别调整两种液体的进样速度或者压力即可控制两种互不相溶流体的速度，从而精确控制产生的液态金属微液滴的大小与喷射速度，从而使得打印出的微液滴达到几个微米甚至是几百纳米的量级；此外，由于压力驱动机构是利用机械力驱动流体，无外加电力输入驱动设备，因此避免了电泄露的危险与干扰，减少了各种复杂的涂层加工等绝缘措施，减少能耗。优选压力控制机构9为气压式微流体进样系统、注射泵或蠕动泵。

主流体微流道2通过主流体进样口6连通有主流体采样瓶，主流体采样瓶与压力控制机构9连通，以驱动并控制主流体微流道2内的连续相主流体的流动速度。

本实施例的液态金属3D打印喷头装置还包括加热控温机构，加热控温机构用于控制液滴产生机构内的液态金属的温度，利用加热控温机构可以对液态金属微流道1甚至整个液态金属3D打印喷头装置进行加热，确保液态金属处于熔融状态。

加热控温机构包括热电片8-1、电加热丝和热电偶8-2，热电片8-1设置于液滴产生机构的外侧，电加热丝设置于液滴产生机构内，以控制液滴产生机构内的液态金属温度，热电偶8-2的测温端伸入到液滴产生机构内，以测量液滴产生机构内的液态金属的温度。

需要说明的是，加热控温机构除了热电片8-1、电加热丝和热电偶 8-2组合以外，还可以为电加热块或电加热片，可将电加热块或电加热片贴敷于液滴产生机构的外侧，以确保加热效果；电加热丝可以为镓基合金或是熔盐等液态导电材料灌注的微通道形成的电加热丝，也可以是通过溅射、喷涂或者固化等工艺形成的固体导电内置电加热丝。

如图5所示，本实施例提供的3D打印机包括打印基台12、冷却装置10和如上所述的液态金属3D打印喷头装置，打印基台12对应设置于液态金属3D打印喷头装置的下部，与喷嘴7对应设置，作为液态金属微液滴的堆积打印的场所；冷却装置10设置于打印基台12的下部，冷却装置10用于将所打印出的液态金属微液滴进行快速冷却，使其固化保持形状，以便进行多层叠加打印；冷却装置10优选为冷态、或电热片、或制冷片、或液体冷浴等。该3D打印机的加工过程简单、可控性好、稳定性高、微液滴产生速度均匀且大小可控，此外，液态金属3D打印喷头装置采用加热控温系统，与3D打印机上的冷却装置10相结合，使得该3D打印机对于所打印的低熔点液态金属的种类范围大大拓宽，应用范围较广。

本实施例中，该液态金属3D打印喷头装置可采用微机械加工方法(英文简称MEMS)或软刻蚀方法(英文名称Soft-Lithography)加工制作而成，其内部可为应用于微流控领域的聚合物材料PDMS(英文全称为polydimethylsiloxane，中文全称为聚二甲基硅氧烷)制成的多层PDMS层结构，液态金属储液槽3贯穿其所在的PDMS层，这样设计的好处在于在尽可能扩大液态金属储液槽3容量的同时，也可以利用液态金属良好的导热能力，加强电热片的传热，以便更好地加热并保持储液槽内金属呈现熔融状态；液态金属微流道1、主流体微流道2、液态金属储液槽3和喷嘴7均经过微加工的方式制作成一个整体的微流控芯片的形式，由四层PDMS逐层利用等离子清洗机进行表面等离子处理后键合为一个整体；液态金属注入口4、液态金属压力进口5、主流体进样口6利用打孔器直接在相应的PDMS层打孔以便接入相应输入管道即可。

加热控温装置可以采用电加热片、或电加热块、或热电片8-1等，在本实施例中采用电加热片，包裹在微流控芯片的液态金属储液槽3周围，用于熔化并保持内部承载的金属呈现液态；压力控制机构9可以采用气压式微流体进样系统、或注射泵、或蠕动泵等，在此实施例中采用气压式微流体进样系统，因为此种仪器可以精确控制流体驱动压力，操作简单，气压控制稳定；主流体样品瓶11内部装有主流体溶液，由两根管道分别连接主流体进样口6、以及气压式微流体进样系统；液态金属压力进口5经由管道连接到气压式微流体进样系统；冷却装置10可为冷台、或电热片、或制冷片、或液体冷浴等，在此实施例中采用体积分数66％的丙三醇水溶液，容器置于冷台上以保持丙三醇水溶液的温度在零下35度左右，在此溶液中冷却的优点是增大了冷却面积，使打印出液态金属微液滴迅速冷却成型。

低熔点的液态金属可采用镓、镓铟及镓铟锡等镓基合金、铋铟锡及铋铟锡锌等，这些金属的熔点均在200℃以下，在实施例中采用镓作为打印墨水，电加热片的温度将所加热的微流控芯片的温度升至40℃左右，将熔融状态下的液态金属镓注入液态金属储液槽3中；连接管道后，调整液滴产生机构中各个通道的数值，从而控制两种流体的驱动压力，进而产生所需要的液态金属微液滴，液态金属微液滴的尺寸可在几微米到毫米量级之间变化。

综上所述，本实施例的液态金属3D打印喷头装置及3D打印机具有以下有益效果：

1、本实用新型的液态金属3D打印喷头装置包括用于产生液态金属微液滴的液滴产生机构，液滴产生机构包括相交设置的液态金属微流道1和主流体微流道2，在主流体微流道2内的连续相主流体的剪切力作用下，液态金属微流道1内的液态金属能均匀分散成多组液态金属微液滴，利用上述两种流体之间剪切力的作用而产生大小均匀可控、速度可调的低熔点液态金属微液滴，并对其固化、叠加，从而实现了 3D打印；

2、本实用新型的液态金属微流道1和主流体微流道2分别与压力控制机构9连接，通过分别调整两种液体的进样速度或者压力即可控制两种互不相溶流体的速度，从而精确控制产生的液态金属微液滴的大小与喷射速度，从而使得打印出的微液滴达到几个微米甚至是几百纳米的量级。

3、由于该液态金属3D打印喷头装置是利用机械力驱动流体，无外加电力输入驱动设备，因此避免了电泄露的危险与干扰，减少了各种复杂的涂层加工等绝缘措施，减少能耗；

4、该液态金属3D打印喷头装置采用加热控温机构，与设置在3D打印机上的冷却装置10相配合，使得该3D打印机对于所打印的低熔点液态金属的种类范围大大拓宽，应用范围较广。

本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。