CN103990801B - 一种金属液滴电子约束成形装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属液滴电子约束成形装置，由坩埚、加热元件、脉冲发生器、温度控制仪、喷嘴、带电导液板、工作台和两组正交带电极板组成。该发明基于金属液滴喷射制造工艺，通过给金属液滴带电，使其进入两组带电极板时发生偏转，进而控制金属液滴的带电量和两组带电极板的带电量，实现金属液滴的精确堆积成形，减少能耗，提高成形件的加工质量。

Description

一种金属液滴电子约束成形装置
技术领域
本发明属于三维快速成形领域，具体涉及一种金属液滴电子约束成形装置。
背景技术
快速成形是二十世纪八十年代发展起来的一种新型制造技术，其核心思想是将三维零件进行二维离散，形成片层数据，逐层累加成形零件。与传统减材料制造相比，快速成形是一种集计算机辅助设计、精密机械、数控、激光和材料学为一体的新型加工技术，可以有效缩短产品的开发周期，降低产品的研发成本，为企业赢得发展的先机。
液滴喷射制造时快速成形的一种，利用金属熔滴的可控喷射，可以实现金属熔滴直接成形零件三维实体，其基本原理是通过坩埚内部产生的瞬间脉冲压力，使溶液通过坩埚底部微小喷嘴喷出并形成单颗粒金属熔滴，然后将此熔滴准确地沉积到移动基板上预设位置，按照一定的沉积路径，经过逐层堆积成形，最终形成复杂的零件实体。如何精确控制液滴的均匀程度和尺寸大小以及凝固位置是液滴喷射制造技术的关键所在。
申请号为201210593134.X的专利“一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法及装置”公开了一种利用坩埚加热使金属熔融，通过摄像***实时分析液滴尺寸数据，在三维运动平台上沉积金属零件的方法，该方法可形成均匀可控的金属液滴。申请号为201310003717.7的专利“微小金属熔滴形成装置以及利用该装置形成微小金属熔滴的方法”公开了一种通过控制加载应力波控制金属熔滴尺寸的方法。上述文献在一定程度上可以控制熔滴尺寸均匀，但没有解决金属液滴凝固位置的精确控制，结构相对复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现金属液滴的精确堆积成形，减少能耗，提高成形件加工质量的金属液滴电子约束成形装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括容纳熔融金属的坩埚，以及设置在坩埚外侧与温度控制仪相连的加热元件，坩埚顶部连接管上安装有三通泄气阀，三通泄气阀一端设有泄气孔，三通泄气阀另一端经电磁阀与气瓶连接，且在电磁阀上还安装有脉冲发生器，在坩埚的下端设置有环形带电导液板，带电导液板的下端设置有喷嘴，坩埚下部设置两组正交带电极板和工作台，两组正交带电极板分别为X’极板和X极板，以及Y’极板和Y极板，X’极板和X极板分别带有相反极性的电荷，在X’极板和X极板之间形成电场，Y’极板和Y极板也分别带有相反极性的电荷，在Y’极板和Y极板之间形成电场。
所述的气瓶内装有压缩惰性气体。
本发明通过脉冲发生器控制，在坩埚内部产生气压脉冲，使得坩埚内的熔融金属经由带电导液板，由坩埚底部的的喷嘴喷出均匀的带电金属液滴；坩埚下部设置两组带有相反电极属性的正交带电极板，分别为X’极板和X极板，以及Y’极板和Y极板，在两组正交带电极板之间形成电场，使进入电场的带电液滴发生偏转，在工作台上实现精确沉积成形。实现了工作台不移动或移动量很小的情况下完成金融熔滴成形，降低了因工作台移动引起的大量能耗；同时，通过控制带电金属液滴的带电量和两组带电极板的带电量，可以精确控制带电金属熔滴在工作台上沉积的位置。
附图说明：
图1.本发明的结构原理图
图2.带电金属液滴下落过程偏转原理图
图中：其中：1.工作台，2.X’极板，3.X极板，4.金属液滴，5.Y’极板，6.Y极板，7.喷嘴，8.带电导液板，9.温度控制仪，10.熔融金属，11.加热元件，12.坩埚，13.三通泄气阀，14.泄气孔，15.脉冲发生器，16.电磁阀，17.气瓶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明：
如图1所示，本发明在坩埚12外侧设有加热元件11，加热元件11对坩埚12进行加热，使坩埚12内的金属变为熔融金属10，加热元件11的加热温度通过温度控制仪9精确控制，保证坩埚12内的熔融金属10始终处于熔融状态。坩埚12顶部连接管上安装三通泄气阀13，三通泄气阀13一端设有泄气孔14，三通泄气阀13另一端连接电磁阀16，电磁阀16的开关通过脉冲发生器15控制，电磁阀16与气瓶17连接，气瓶17连接内装有压缩惰性气体。电磁阀16在脉冲发生器16的控制下实现特定时刻的开启和关闭，从而使得坩埚12内部的压力的升高或降低，坩埚12内部气体通过泄气孔14泄压。气瓶17内的惰性气体，通过脉冲发生器15控制，进入坩埚12内，在坩埚12内部产生气压脉冲，使得坩埚12内的熔融金属10经由带电导液板8，由坩埚12底部的喷嘴7喷出均匀的带电金属液滴4。
坩埚12下部设置两组正交带电极板，分别为X’极板2和X极板3，以及Y’极板5和Y极板6。X’极板2和X极板3分别带有相反极性的电荷，在X’极板2和X极板3之间形成电场，Y’极板5和Y极板6也分别带有相反极性的电荷，在Y’极板5和Y极板6之间形成电场。带电金属液滴4从喷嘴7喷出后，首先进入X’极板2和X极板3之间的电场，在电场作用下，带电金属液滴4下落过程中发生偏转，进入Y’极板5和Y极板6之间的电场，在电场作用下，带电金属液滴4下落过程中也发生偏转，在工作台1上完成金属熔滴逐层堆积成形。带电金属液滴4在X’极板2和X极板3之间电场偏转的方向垂直于X方向，带电金属液滴4在Y’极板5和Y极板6之间电场偏转的方向垂直于Y方向，由于两组电极为正交电极，带电金属液滴4实现了沿X和Y方向的偏转，可实现工作台1不移动或移动量很小的情况下完成金融熔滴成形，降低了因工作台1移动引起的大量能耗。通过控制带电金属液滴4的带电量和两组带电极板的带电量，可以控制带电金属熔滴4在工作台1上沉积的位置。
本发明的工作过程：如图1、2所示，开始工作时，开启温度控制仪9控制加热元件11对坩埚12进行加热，使坩埚12内的金属成为熔融金属10；同时，通过脉冲发生器15控制电磁阀16，使得气瓶17内的压缩气体经由三通泄气阀13进入坩埚12，在坩埚12内形成瞬时脉冲压力，将熔融金属10经带电导液板8带电后通过喷嘴7进入两组带电正交电极，在电极中发生偏转，在工作台1上实现精确沉积成形。
当金属液滴4的带电量为+q，质量为m，初速度为v0，X’极板2带电量为-U，X极板3带电量为+U，电极板长度为L，宽度为d时，通过计算可以得到带电金属液滴4下落到电极板末端时的偏移量S和速度v。带电金属液滴4以初速度v进入Y’极板5和Y极板6之间的电场中，发生偏转，同样可以计算得到带电金属液滴4的偏移量，在工作台1上精确堆积成形。通过控制金属液滴4的带电量为+q，带电基板的带电量和带电极性属性，电极板长度为L，宽度为d和进入电场的初速度，可以控制金属液滴4在工作台1的不同位置精确成形。

Claims (1)

1.一种金属液滴电子约束成形装置，其特征在于：包括容纳熔融金属(10)的坩埚(12)，以及设置在坩埚(12)外侧与温度控制仪（9）相连的加热元件(11)，坩埚(12)顶部连接管上安装有三通泄气阀(13)，三通泄气阀(13)一端设有泄气孔(14)，三通泄气阀(13)另一端经电磁阀(16)与气瓶(17)连接，且在电磁阀(16)上还安装有脉冲发生器(15)，在坩埚(12)的下端设置有环形带电导液板(8)，带电导液板(8)的下端设置有喷嘴(7)，坩埚(12)下部设置两组正交带电极板和工作台(1)，两组正交带电极板分别为X’极板(2)和X极板(3)，以及Y’极板(5)和Y极板(6)，X’极板(2)和X极板(3)分别带有相反极性的电荷，在X’极板(2)和X极板(3)之间形成电场，Y’极板(5)和Y极板(6)也分别带有相反极性的电荷，在Y’极板(5)和Y极板(6)之间形成电场；
所述的气瓶(17)内装有压缩惰性气体；
开始工作时，开启温度控制仪(9)控制加热元件(11)对坩埚(12)进行加热，使坩埚(12)内的金属成为熔融金属(10)；同时，通过脉冲发生器(15)控制电磁阀(16)，使得气瓶(17)内的压缩气体经由三通泄气阀(13)进入坩埚(12)，在坩埚(12)内形成瞬时脉冲压力，将熔融金属(10)经带电导液板(8)带电后通过喷嘴(7)进入两组带电正交电极，在电极中发生偏转，在工作台(1)上实现精确沉积成形。
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