三维打印方法和导电液体三维打印系统与流程

本公开涉及一种使用激光束加热构建表面的三维打印方法。本发明还公开了一种包括激光器的导电液体三维打印系统。

背景技术：

用于由熔融铝合金构建3d部件的导电液体三维打印机在本领域中是已知的。此类系统的示例公开于美国专利号9,616,494中。该系统通过使用由电磁线圈施加的直流脉冲来工作，以响应于一系列脉冲而排出熔融铝滴。液滴所指向的台板平移以允许液滴连接并且积聚以产生三维部件。

然而，熔融铝滴有时不能平滑地或以足够的粘结强度结合。此外，3d部件可具有不期望的孔隙度，以及在制造期间不均匀的构建表面、未焊接的液滴和形状不一致性。所有这些均导致成品部件劣化的物理特性，诸如疲劳强度和拉伸强度，以及外观问题。

因此，用于提高由导电液体三维打印机制成的三维部件的质量的方法和系统将是本领域中的一大进步。

技术实现要素：

本公开的实施方案涉及一种三维打印方法。该方法包括通过将激光束照射在构建表面上来加热平台上的构建表面的第一部分，以便提供具有第一沉积温度的预热的液滴接触点。液态打印材料的第一液滴从3d打印机的打印头喷射，以便将该第一液滴沉积在处于该第一沉积温度的该预热的液滴接触点上。

本公开的另一个实施方案涉及导电液体三维打印系统。该系统包括平台；打印头，所述打印头用于在所述平台上的液滴接触点处喷射导电液态打印材料的液滴；以及激光器，该激光器被配置为将激光束引导至液滴接触点处。

应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都只是示例性和解释性的，而不是对所要求保护的本教导内容的限制。

附图说明

并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本教导内容的实施方案，并与说明书一起用于解释本教导内容的原理。

图1示出了根据本公开的实施方案的加热构建表面以进行三维打印的方法的流程图。

图2示出了根据本公开的示例的导电液体三维打印系统的透视图。

图3示出了构建喷嘴的内部组件的分解视图。

图4示出了根据本公开的实施方案的构建喷嘴和激光器的示意性侧视图。

图5示出了沿图4的构建喷嘴的线5截取的剖视图，示出了构建喷嘴的内部组件。

图6示出了根据本公开的实施方案的打印头的剖视图。

图7以激光器的透视图示出了根据本公开的实施方案的包含液态导电材料的喷嘴泵和构建表面的剖面透视图。

图8示出了泵室中液态导电材料的示意性剖视图，包括液态材料流出泵室和电磁线圈。

图9示出了根据本公开的实施方案的产生形成3d物体的液滴的喷嘴泵的透视图。

图10示出了入射在构建表面上的激光束的图像。

图11示出了根据本公开的示例的温度数据的曲线图。

应注意的是，附图的一些细节已被简化并被绘制为有利于理解实施方案，而不是保持严格的结构准确性、细节和比例。

具体实施方式

现在将详细地参考本教导内容的实施方案，附图中示出了这些实施方案的示例。在附图中，通篇使用类似的附图标号来命名相同的元件。在以下描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中以举例的方式示出了可实践本教导内容的具体示例性实施方案。因此，以下描述仅是示例性的。

在通过导电液体三维打印机打印熔融金属的过程期间，从打印机喷射的熔融液滴和构建表面之间的温差导致成品构建部件的构建强度、孔隙率和表面光洁度的不一致。测试已表明，为了将熔融金属适当地熔合到基部构建材料，可将接收表面温度控制到沉积温度。例如，对于铝和铝合金，该温度为约400℃至约550℃或更高。导电液体三维打印机系统使用设定至例如约400℃的加热基板来加热初始层。然而，随着部件从基板继续生长，来自基板的加热不能保持上表面上的较高温度以便确保熔融液滴和冷却的顶部表面之间的良好粘结。

与导电液体三维打印机结合使用的激光器系统提供混合系统，该混合系统允许较低成本的熔融液滴沉积系统控制液滴沉积到的构建表面上的目标位置处的温度，以提供液滴与构建部件的牢固、内聚和/或均匀的粘结和/或部件的减小的孔隙率。

因此，本公开的实施方案涉及混合导电液体三维(3d)构建系统，其中导电液滴被沉积在构建表面上，同时采用激光器预热系统来调节液滴与构建表面接触的区域中的构建表面温度。通过升高液滴接触点处的局部区域中的温度，可实现液滴与构建表面的更完整且受控的粘结，从而导致更好的构建质量和在整个粘结部和整个成品部件中改善的材料特性。与其中构建表面的温度不升高至期望温度的相同过程相比，刚好在液滴沉积之前以及液滴沉积期间升高构建表面的温度可改善液滴与先前沉积层的聚结。

本公开的方法和系统的优点包括以下项中的一个或多个：交互式激光器系统，该交互式激光器系统可基于时间、能量和部件结构来提高构建的性能以改善添加剂材料性能；有针对性地加热以在有限的区中将温度升高精确的量以改善导电液体三维打印机中的部件结构；改善的部件特性，诸如较低的孔隙率、较高的屈服强度、较高的疲劳循环和/或表面质量等；在3d打印期间调节局部温度以改善材料粘结的能力；基于物体形状、大小和/或材料来调节局部温度以改善构建特性诸如表面外观和其他部件特性的能力；允许在构建过程期间随着部件方向的变化在液态金属撞击的点处进行加热；局部预热可降低对几何完整性的影响；加热区周围的区域可用作支承边界；通过使用切片数据基于部件几何形状来控制到部件的能量的能力；允许在聚焦位置(例如，体素)处获得较高的温度纬度，这是通过常规表面加热(例如，辐射或感应加热)无法实现的三维打印方法

本公开的实施方案涉及一种三维打印方法。如图1的流程图所示，该方法包括通过将激光束照射在构建表面上来加热平台上的构建表面的第一部分，以便提供具有第一沉积温度的预热的液滴接触点。液态打印材料的第一液滴从3d打印机的打印头喷射，以便将该第一液滴沉积在处于该第一沉积温度的该预热的液滴接触点上。

加热构建表面的一部分和喷射液态打印材料的液滴的过程可重复任何次数，以便沉积多个液滴，直到3d部件完成。例如，该方法可包括通过在构建表面处照射激光束来加热构建表面的不同于第一部分的第二部分，从而提供具有第二沉积温度的第二预热的液滴接触点；以及从打印头喷射打印材料的第二液滴以将第二液滴沉积在处于第二沉积温度的预热的液滴接触点上。该方法还包括调节激光束相对于构建表面的位置，以便加热每个连续液滴沉积在上面的液滴接触点。

在一个实施方案中，液滴(例如，第一液滴、第二液滴和相继沉积的液滴)包括熔融金属。例如，熔融金属可包括选自铝(例如，纯铝或铝合金)、铜(例如，纯铜或铜合金，诸如青铜)和银(例如，纯银或银合金)的至少一种金属。铝合金的示例包括6000系列合金诸如a16061，以及300系列诸如356、7000系列诸如7075以及4000系列诸如4043。可采用可使用液体3d打印技术打印的任何其他铝合金或其他金属。金属可以任何期望的形式供应给3d打印机，诸如线材(例如，包括本文所述的任何金属的线材)或其他形式，如下文更详细描述的那样。

构建表面的沉积温度将取决于正在被3d打印的材料的类型。例如，对于铝和铝合金，沉积温度可在约400℃至约800℃的范围内，诸如约400℃至约600℃，或约400℃至约550℃。根据所沉积的金属，也可以采用这些范围之外的温度。在适当的沉积温度，诸如上文所列出的那些温度下，熔融液滴以产生粘结部的均匀方式与构建部件结合，这些粘结部形成牢固且一致的构建结构。另一方面，对于铝和铝合金，当构建表面温度降至低于约400℃时，液滴不会那么平滑地或以期望的粘结强度结合。这可导致部件中的孔隙率、不均匀的构建表面、未焊接的液滴和形状不一致性，这继而可导致劣化的物理特性，诸如成品部件的疲劳强度和拉伸强度以及外观问题。然而，如果构建表面的温度为400℃或更高，则构建质量得到更好的控制。通过用激光器指向表面，可将构建表面的温度控制并且升高至与在采用较低构建表面温度的情况下将发生的粘结相比在熔融液滴和构建表面之间产生改善的粘结的水平。激光器允许在部件移动通过x轴、y轴和z轴构建图案时加热表面以形成表面层。激光的聚焦能量允许受控的能量递送到待加热的局部区域(例如，包括每个熔融液滴直接接触构建表面的位置的区域)。这允许当部件在进入的熔融液滴下方行进时加热部件的表面。

构建表面可以是液滴沉积在其上的任何表面。例如，构建表面可以是平台的表面，有时被称为构建板。在另一个实施方案中，构建表面是构建在平台上的3d部件的表面部分。

平台还可以通过除激光束之外的第二装置加热，诸如加热元件、辐射加热等。例如，可使用第二加热装置将平台加热至基部温度，然后用激光束进行附加加热。基部温度可为任何期望的温度，诸如在约300℃至约500℃，或约350℃至约450℃，或约380℃至约420℃范围内的温度。

由激光束辐射的构建表面的部分被加热，从而形成局部热点，该局部热点具有与未被辐射的周围构建表面的温度相比增加的温度。如本文所述，喷射到该热点上的熔融金属液滴可具有改善的沉积特性并且/或者导致成品部件具有改善的特性。图10示出了在液滴120的沉积之前入射在构建表面上的激光束125的图像。

从打印机喷射的熔融金属液滴在沉积到构建表面上之前可具有任何合适大小的直径，诸如在约0.05mm至约2mm、或约0.1mm至约1mm、或约0.5mm范围内的直径。在沉积之后，液滴可扩散以具有更宽的尺寸。例如，直径为0.5mm的液滴可在撞击构建表面时扩散以覆盖约0.7mm的区域。

例如，如图4所示，激光束125相对于平台112的顶部表面成角度θ。该角度可以是将允许激光器结合到系统中并且将通过激光束提供构建表面的有效加热的任何合适的角度。在一个实施方案中，该角度在约10度至约45度的范围内，诸如约20度至约40度、或约30度。

在本公开的方法中可采用喷射熔融金属液滴的任何3d打印技术。在一个实施方案中，3d打印机采用由电磁线圈施加的直流脉冲以喷射第一液滴，如下文更详细描述的那样。该方法可包括以任何期望的速率将液滴沉积在构建表面上。例如，多个液滴可以约0.1hz至约2000hz，诸如约1hz至约1200hz、或约10hz至约1000hz、或约100hz至约1000hz范围内的频率喷射。

如上所述，本公开的方法包括调节激光束相对于构建表面的位置，并且重复加热在上面沉积熔融金属液滴的构建表面的部分的过程。可通过移动激光器、构建表面或两者来相对于构建表面调节激光束的位置。在一个示例中，如下文更详细描述的那样，激光束的位置包括沿z轴移动激光束和打印头；以及沿x轴、y轴或x轴和y轴两者移动平台。激光束和平台的移动可同时发生或在不同的时间发生。

在一个实施方案中，该方法还包括确定待施加到构建表面的部分以在液滴接触点处实现沉积温度的热能的量。热能的量可基于多个因素来确定，诸如构建表面的部分的几何形状、被辐射的构建表面的部分距平台112的距离“x”(图4)、平台的温度以及被辐射的构建表面的部分的温度中的一者或多者。然后可基于待施加到构建表面的部分的热能的量来控制激光束。例如，构建表面的该部分被辐射的时间长度可减小或增加以在液滴接触点处提供期望的温度。

在液滴接触点的沉积之前，可以用激光器将构建表面辐射至期望的温度。有时可能期望在液滴沉积在液滴接触点上之后将液滴接触点继续加热一段时间。在一个实施方案中，激光辐照度的施加刚好在液滴沉积之前以及液滴沉积期间发生，以提供液滴与部件的先前沉积层的良好聚结。在另选的实施方案中，用激光器在液滴接触点处对构建表面的加热可在液滴沉积在液滴接触点上之前停止。

导电液体三维打印系统

本公开的一个实施方案涉及可用于执行本文所述的三维打印方法的导电液体三维打印系统。该系统包括平台和用于在平台上的液滴接触点处喷射导电液态打印材料的液滴的打印头。激光器被配置为将激光束引导至液滴接触点处。

图2示出本文中称为液态金属3d打印机100的导电液体三维打印系统的示例。用于形成三维金属物体的液态金属液滴由被塔104支承的打印头102产生。打印头102附连到竖直z轴轨道106a和106b，并且可在塔104上竖直调节，表示为沿z轴的移动。塔104由例如由钢管或任何其他合适的材料制成的框架108支承。

与框架108相邻的是由例如花岗岩或其他合适材料形成的基部110。基部110支承平台112，在该平台上形成3d物体。平台112由x轴轨道114a和114b支承，这使得平台112能够沿x轴移动。x轴轨道114a和114b附连到级116。级116由y轴轨道118a和118b支承，这使得级116能够沿y轴移动。

当熔融金属(例如，熔融铝)120的液滴落到平台112上时，平台112沿x轴和y轴的编程水平移动导致三维物体的形成。级116和平台112沿x轴轨道114a和114b以及y轴轨道118a和118b的编程移动可借助于例如致动器122a和122b执行，如本领域的普通技术人员将理解的那样。液态金属3d打印机100被设计成以竖直取向操作，但也可以采用其他取向。

图2还示出了铝源132和铝线130。另选的实施方案可利用条状、棒状、颗粒状或附加形式的铝。在另选的实施方案中，如本领域的普通技术人员将理解的，可使用对系统进行适当调节的任何具有足够良好的导电性的液态或胶态混合物来代替铝。

打印头102包括喷嘴泵300和激光器124。例如，如图2所示，激光器124可设置在打印头102内，并且以允许激光束125行进穿过孔128并且辐射构建表面(例如，平台112或正在其上制造的三维部件)的方式配置。液态金属3d打印机100和操作打印机的方法在美国专利号9,616,494中进行了更详细的描述，该专利的公开内容全文以引用方式并入本文。

激光器可以是可实现所需辐照度的任何合适类型的激光器。辐照度可根据例如被沉积的金属的类型和沉积速率而变化。一般来讲，液滴喷射到构建表面上的速度越快，所需辐照度越高。所需辐照度范围的示例为约1000w/cm²至约10,000w/cm²，诸如约1500w/cm²至约5,000w/cm²或约2000w/cm²至约3,000w/cm²。在一个示例中，激光器可提供具有1800w/cm²或更大、诸如2000w/cm²或更大的辐照度的激光束。可采用具有可实现期望的辐照度的功率和光学配置的任何组合的激光器，包括准直和非准直激光器。

图3示出打印头102的某些内部组件(包括喷嘴泵300)的分解视图。上部泵壳体210、泵分隔件204和下部泵壳体214一起形成第一室，在本文中称为泵室220。图3所示的内部组件由非导电材料诸如氮化硼制成。

图4示出了组装的打印头102的内部组件。上部泵壳体210、泵分隔件204(图3所示)和下部泵壳体214组装在一起以形成喷嘴泵300。

图5是沿图4的线5截取的剖视图，包括喷嘴泵300的组装组件。图5示出了从第一端部和第二端部延伸的通道404，在第一端部处，铝线130进入打印头102，并且在第二端部处，液态铝离开通道404并且进入泵室220。泵室220与喷嘴410相邻。中间包402围绕通道404。

图6示出了打印头102的一部分的剖视图，该部分包括冷却的线材入口608、外部套管606和由电磁线圈510包封的喷嘴泵300。在一个实施方案中，将铝线130馈送到冷却的线入口608以及由铜制成的线引导件和气体密封件610中。然后，铝线130穿过由例如macor陶瓷制成的绝缘耦合器604，其中惰性气体142通过也由例如macor陶瓷制成的熔体屏蔽气体入口602供应，以在铝熔化之前施加保护性惰性气体142屏蔽。

熔融铝或其他导电液体在重力和惰性气体142沿纵向z轴施加到喷嘴泵300的正压作用下向下流动。由例如镍铬合金制成的电加热元件620a和620b将由例如火砖制成的加热炉618的内部加热至铝的熔点660℃以上。导热中间包402将热量传递到从铝源132供应的铝线130，从而使其在进入喷嘴泵300时熔化。中间包402可包含例如氮化硼或其他合适的导热材料。

图7示出了熔融铝向下流经泵分隔件204周围的上部泵壳体210以形成熔融铝710的装料。熔融铝710的装料主要包含在泵室220内，其中少量熔融铝包含在上部泵壳体210中以保持泵室220被完全加注。泵室220的上部区段中过量的熔融铝将增加熔融铝710的装料的惯性，并且导致喷嘴泵300的燃烧速率的不期望的降低。在另选的实施方案中，泵分隔件204中的分隔器的数量可变化。

电磁线圈510被成形为围绕喷嘴泵300。调节喷嘴泵300内部的惰性气体142上的压力以克服喷嘴410处的大部分表面张力，以便形成凸弯月面810。在脉冲之前泵室220内的预压力由惰性气体142设定，以形成带有小于喷嘴孔440的半径的球形盖的凸弯月面810。该压力由杨氏定律确定为p＝2×表面张力/孔440半径。

图8是穿过喷嘴泵300的简化3d截面，仅示出了电磁线圈510和熔融铝710的装料。熔融铝710的装料被示出为在泵室220中处于适当的水平以供操作。熔融铝710的装料的上游部分的形状符合泵分隔件204和分隔器206。

图8还示出了围绕喷嘴泵300成形的电磁线圈510，使得磁场线940穿过熔融铝710的装料垂直聚焦。喷嘴泵300对磁场透明。电磁线圈510基于磁流体力学原理对熔融铝710的装料施加力以泵送液态金属。施加于电磁线圈510的阶跃函数直流(dc)电压分布使得施加于电磁线圈510的电流900快速增大，从而产生沿循磁场线940的增大的磁场。用于有效操作的脉冲电压和电流强度的最佳范围以及脉冲持续时间的范围根据流体的电阻率、粘度和表面张力而变化。可能的有效范围很宽，其中另选的实施方案可最佳地在10伏特(v)至1000v和10安培(a)至1000a的范围内。

根据法拉第感应定律，增大的磁场在泵室220内产生电动势，这继而引起熔融铝710中的感应电流930沿圆形路径流动通过熔融铝710的装料。熔融铝710中的感应电流930和磁场通过熔融铝710的装料在环形元件中的熔融铝上产生合成的径向向内的力920(称为洛伦兹力)。熔融铝920上的径向向内的力与所施加的直流电压的平方成比例。

在喷嘴410的入口处出现的峰值压力也与所施加的直流电压的平方成比例。该压力克服了熔融铝中的表面张力和惯性以排出熔融铝的液滴。同时，计算机使级116移动以将熔融铝滴沉积在平台112上的所需位置中。

在本发明的另选的实施方案中，可改变喷嘴的形状以实现平滑的入口罩。在一个实施方案中，通过以大约20us、300安培和1500hz对电磁线圈施加脉冲，可能实现高效的固有电磁加热模式。这产生足够的热量以将壳体和铝保持在750℃，从而使铝熔化。热量通过电磁线圈中的电阻损耗和铝内的感应加热而产生。使用这种加热模式消除了对任何外部加热系统的需要。

图9示出了在平台112上形成3d打印物体1100期间产生一滴熔融铝120的喷嘴泵300。3d打印物体1100位于熔融金属小滴从喷嘴410指向的位置。每滴熔融铝120在被沉积时固化，从而增大3d打印物体1100的体积。3d打印物体1100的正确取向由控制和协调平台112的移动的计算机程序保持。

实施例

将热电偶大致埋入体积为约500mm³的铝部件的中心。该部件通过使用类似于图2所示的导电液体三维构建系统的3d打印来制成。使用150w976nm的纤维耦合激光二极管来预热部件的表面，用发射的激光束以相对于构建表面约30°的锐角指向表面。激光束具有3mm的直径和～2000w/cm²的辐照度水平。

随时间推移记录3d打印金属部件的温度，并且结果在图11的曲线图中示出。图11的曲线图中的两条曲线是从部件的两个不同侧面测量的温度结果。具有相对良好聚结的平滑侧和具有相对较差聚结的构建侧。结果指示，即使相对较低功率的激光器也可以有效地加热铝部件。可通过优化例如激光器类型、功率、光束直径和角度来显著减少部件的加热时间，并且可调节角度以优化能量传递。

尽管阐述本公开的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但具体示例中列出的数值是尽可能精确地报告的。然而，任何数值固有地包含一定的误差，这些误差必然是由它们各自的测试测量值中存在的标准偏差引起的。此外，本文所公开的所有范围应理解为涵盖其中所包含的任何和所有子范围。

虽然已经相对于一个或多个实施方式示出了本教导内容，但是可以对所示示例做出改变和/或修改，而不脱离所附权利要求的精神和范围。此外，虽然本教导内容的特定特征可能仅相对于几个实施方式中的一个被公开，但是这种特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征相结合，这对于任何给定的或特定的功能可能是需要的和有利的。此外，如果术语“包括”、“包含”、“具有”、“带有”或其变体用于具体实施方式和权利要求中，则此类术语旨在以类似于术语“包括”的方式呈包括性。此外，在本文的论述和权利要求中，术语“约”表示列出的值可以有所改变，只要该改变不会导致过程或结构与所示实施方式不一致。最后，“示例性”指示该描述用作示例，而非暗示其是理想的。

应当理解的是，以上公开的和其他的特征和功能的变型或其另选方案可以被组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域的技术人员随后可以做出各种目前未预见或未预料到的替换、修改、变化或改进，这些也旨在被所附权利要求书所涵盖。