一种液态金属打印笔管的制作方法

本发明涉及一种液态金属打印笔管，尤其涉及一种应用于液态金属打印领域的打印笔管。

背景技术：

现有技术中,在打印液态金属时，通常采用电磁铁控制打印笔管进行下压动作，该设计的缺点是很难控制打印时电磁铁加速造成的瞬时冲力。例如，实际设置电磁铁下压力度为100g，但是实际操作时，打印笔管下压在基材上的瞬时冲力可达到800-1000g。

现有技术中的其他方案，如气压控制、电机控制等，都有各自的缺陷，比如具有迟滞的问题，会给精确打印带来一定的影响。

同时，使用低熔点液态金属进行打印时，现有技术中实现加热熔融的技术手段通常是使用电热片进行加热，而这种方法在实际应用中会造成电热片加热不均匀、加热效率低、加热点温度与打印笔尖温度偏差过大等问题。

技术实现要素：

本发明提供一种液态金属打印笔管，能够很好的控制打印时的笔管下压的瞬时冲力，提高液态金属打印精度。

本发明提供一种液态金属打印笔管，其中打印笔管具有上部圆柱体、下部圆柱体和渐缩锥形体，上部圆柱体直径大于下部圆柱体直径，渐缩锥形体位于下部圆柱体的底面，打印笔管具有一内腔，用于容纳液态金属；笔槽为圆柱形套筒体，笔槽与打印笔管的下部圆柱体间隙配合，打印笔管在打印过程中能够在笔槽的腔体内实现自由落体，同时打印笔管的上部圆柱体可支撑打印笔管始终竖直处于笔槽内，打印笔管的下部圆柱体伸出笔槽的内部腔体下表面；加热线圈呈上下螺旋缠绕形成于笔槽的圆柱形套筒体中；缓冲线圈呈上下螺旋缠绕形成于打印笔管的渐缩锥形体中；笔尖突出形成在所述打印笔管的渐缩锥形体下表面，构成所述打印笔管的末端。

进一步的，打印笔管还包括笔尖卡槽，其位于打印笔管的渐缩锥形体下表面，固定笔尖；打印笔管还包括配重片和配重片固定螺母，配重片和配重片固定螺母位于打印笔管的上部圆柱体的上表面，配重片调节液态金属打印笔管的整体配重，以适配相应的打印压力，配重片固定螺母固定配重片。

进一步的，还包括送料装置，其位于打印笔管和笔槽的旁侧，具有储料腔和送料通道，送料通道的末端靠近打印笔管的上部圆柱体的上表面，将待打印的液态金属物料输送至打印笔管内。

进一步的，还包括笔槽运动装置，由电磁铁、磁极和连接件组成，笔槽运动装置位于打印笔管和笔槽的另一旁侧，磁极位于连接件的一端，连接件的另一端连接笔槽，将电磁铁进行通电或断电操作后，其吸附或放开磁极，进而带动连接件的另一端的笔槽上抬或下落。

进一步的，还包括笔管温度传感器、笔尖温度传感器和数据接收件，笔管温度传感器位于打印笔管的下部圆柱体内，笔尖温度传感器位于打印笔管的渐缩锥形体内，两个传感器均通过蓝牙传输相应位置的液态金属温度数据给数据接收器。

进一步的，数据接收件接收笔管温度传感器和笔尖温度传感器的温度数据后，将两个温度数据进行耦合比对；当数据差值小于1％时，将实时数据发送给上位机，记录和显示现有的液态金属打印温度；当数据差值大于1％时，将数据发送给上位机并输出“--”标示，不显示现有数据，代表打印笔管内温度不均。

进一步的，加热线圈的两个端点，在液态金属打印前，其与交变电路连通，此时交变磁场对打印笔管内的液态金属物料进行加热熔融；在液态金属打印时，其与直流电路连通，此时加热线圈和缓冲线圈之间的电磁感应缓冲打印笔管的震动幅度。

进一步的，笔槽处于上抬状态时，加热线圈的下端点和缓冲线圈的上端点距离大于3cm；笔槽处于下落状态时，加热线圈的下端点和缓冲线圈的上端点距离小于1cm。

进一步的，打印笔管由多层硅钢片压制而成，配重片采用硅片制成。

进一步的，打印笔管的内腔为反凸形结构。

本发明的有益效果：

1、有效减少了打印时打印笔管的下压冲力，使打印时的压力变得简单可控；

2、采用涡流双点加热的方式，使得液态金属的加热效率更高、加热更加均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的实施例所示打印笔管结构图。

其中：1-打印笔管，2-笔槽，3-加热线圈，4-缓冲线圈，5-笔尖，6-笔尖卡槽，7-配重片，8-配重片固定螺母，9-送料装置，10-电磁铁，11-磁极，12-连接件，13-笔管温度传感器，14-笔尖温度传感器，15-数据接收件，20-运动模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下本发明实施例中的各技术特征均可以相互结合。

具体实施方式

参见图1，打印笔管1用于存放低熔点液态金属，低熔点金属在打印笔管1内进行加热并熔融，以72℃熔点的铋铟锡合金为例，最合适的打印笔管1重20g，填充铋铟锡金属后为23g，打印笔管1由多层硅钢片压制而成。笔槽2用于支撑打印笔管，打印时，笔槽2下落，其内部的打印笔管1自由落体，当笔槽2抬起时，同时将自由竖直状态的打印笔管1抬起，笔槽2约束打印笔管1，使打印笔管1在打印时始终处于竖直状态。加热线圈3和缓冲线圈4均有两种工作状态，其中，加热线圈3位于笔槽2内部。笔尖5用于打印写出低熔点液态金属并形成具体的图形，笔尖5可以更换。笔尖卡槽6用于固定笔尖5。配重片6用于调整打印笔管1整体的配重，以调节至最合适的打印压力，配重片6采用硅片，可以避免受到电磁感应影响产生的热能，且硅片的熔点较高，适应大部分低熔点液态金属的加热温度。配重片固定螺母8用于固定配重片7。送料装置9内存储0.5×0.5mm的球形物料，球形物料为铋铟锡金属熔融后压模而成。电磁铁10通电时吸附磁极，借磁力控制笔槽2上抬或下落。磁极11协助电磁铁10控制笔槽2上抬或下落。连接件12连接磁极11和笔槽2。笔管温度传感器13用于检测打印笔管1内低熔点液态金属的温度，并将温度数据通过蓝牙传输传递给数据接收件15。笔尖温度传感器14用于检测即将进入笔尖5的低熔点液态金属的温度，并将温度数据通过蓝牙传输传递给数据接受件15。数据接收件15接收笔管温度传感器13和笔尖温度传感器14的温度数据后，将两个温度数据进行耦合比对，当数据差值小于1％时，将实时数据发送给上位机，记录和显示现有的打印温度；当数据差值大于1％时，将数据发送给上位机并输出“--”标示，不显示现有数据，代表打印笔管1内温度不均。

采用本发明实施例中的打印笔管1的工作过程如下：

在打印前，加热线圈3的两个端点a和b与交变电路连通，线圈内产生一个交变磁场，交变磁场会在打印笔管1内的低熔点液态金属中产生电涡流，通过涡流效应生热熔化低熔点金属，加热线圈3产生的交变电场会跟缓冲线圈4之间产生电磁感应，形成一个低效率的变压器。根据电压器原理，加热线圈3产生的能量会有一部分在低熔点液态金属内形成电涡流而变成热能，而另一部分能量会传递至缓冲线圈4，由缓冲线圈4转化为热能，以使缓冲线圈4包覆的低熔点液态金属产生电涡流而变成热能。为使加热线圈3的大部分能量不传递至缓冲线圈4，在笔槽2处于抬升状态时，加热线圈3与缓冲线圈4之间的距离应至少隔开3cm以上。采用上述技术方案，打印笔管1处于加热状态时，加热线圈3及缓冲线圈4会同时对其包覆的两处金属进行加热，而且低熔点液态金属又具备良好的导热能力，因此，打印笔管1内部的低熔点液态金属受热均匀。为加强加热线圈3的涡流效应，打印笔管1的内部结构可适应性采用反凸形结构，增强加热时打印笔管1内的涡流生热效应。

当打印时，电磁铁10通电吸附磁极11，再通过连接件12将笔槽2下压，打印笔管1在笔槽2内自由落体。同时，加热线圈3的两个端点a和b与直流电源连通，此时的加热线圈3可当作一个电磁铁，加热线圈3产生的磁场通过缓冲线圈4，打印笔管1自由落体时，缓冲线圈4由于磁通量发生变化，与加热线圈3发生电磁感应产生互相吸附的力量，以此减缓打印笔管1的下落速度。而打印笔管1落在基材上时，会产生上下方向的轻微震动，打印笔管1在向上震动时，缓冲线圈4再次与加热线圈3之间发生电磁感应产生相互抵触的力量，以此减缓打印笔管1向上的震动幅度。为加强缓冲线圈4的缓冲效果，笔槽2在下压状态时，打印笔管1自由落体到在基材上，此时加热线圈3底部与缓冲线圈4顶部之间的距离应在1cm以内。采用上述技术方案，打印笔管1在打印时,冲撞在基材上的冲力可以有效减少，打印时的压力可以依靠配重片及打印笔管1自身的重力进行操控。

在打印后，笔槽2抬升，随之架起打印笔管1，加热线圈3的两个端点a和b再次与交变电路连通，继续对液态金属进行加热。数据接收件15接收笔管温度及笔尖温度进行比对，当笔管温度到达设置数值时，若与笔尖温度偏差较大，则进入恒温模式，即进行功率低的加热状态，待笔管温度与笔尖温度基本持平时，即可开始打印。

在上述工作过程中，加热线圈和缓冲线圈的距离控制是个相对复杂的一个过程，影响因素有线圈的粗细、匝数、低熔点液态金属的导磁率等。当加热线圈和缓冲线圈的距离太远时，缓冲线圈无法达到很好的缓冲效果；当加热线圈和缓冲线圈的距离太近时，两个线圈系统又会变成转化效率较高的变压器，此时加热线圈的大部分功率会被缓冲线圈夺取。因此，当选用的低熔点液态金属导磁率较高时，则加热线圈和缓冲线圈的距离应相应拉远，当选用的低熔点金属的导磁率较低时，则加热线圈和缓冲线圈的距离应相应拉近。根据打印时选用的低熔点液态金属的种类的不同，加热线圈和缓冲线圈之间的距离也不同，因此，打印笔管1的结构也要采用相应的适应性设置。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。