[发明专利]金属熔滴喷射系统

说明书

本发明公开用于增材制造的系统和方法，并且具体地采用脉冲激光器或其他加热装置从供体金属微丝产生金属熔滴的此类方法和设备，所述熔滴在集合体中固化时形成3D结构。金属微丝供应源布置成以便通过压电平移器朝向喷嘴区域馈送。在所述喷嘴附近，所述金属微丝的端部部分被加热(例如，通过激光脉冲或电加热器元件)，从而致使所述金属微丝的在所述喷嘴区域附近的所述端部部分形成金属熔滴。接收基板定位成接收从所述喷嘴区域喷射的所述金属熔滴。

本申请是申请号为201880085072.7的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体涉及用于增材制造的方法和设备，并且具体地涉及采用脉冲激光器或其他加热装置从供体微丝产生金属熔滴的此类方法和设备，所述熔滴在集合体中固化时形成三维(“3D”)结构。

背景技术

所谓的“3D打印”或更一般地，增材制造，是用来描述在计算机控制下由数字数据文件制造三维物体的过程的广义术语。已经开发了许多不同的增材制造技术，其中的一些涉及使用激光熔合材料，通常是金属、聚合物或陶瓷粉末。图1中示出的称为激光诱导前向转印(“LIFT”)的更新增材制造工艺从设置在透明基板的背侧(从入射激光束的角度来看)上的薄金属箔或膜中产生并喷射金属熔滴。为了形成熔滴，将激光通过在其上承载金属箔的透明基板聚焦在金属箔的较小区域上。由激光引起的局部加热致使喷射金属箔的熔滴，其中熔滴的大小与入射到箔上的激光束的横截面成比例。如此喷射出的熔滴跨间隙(通常为约几微米)行进并且聚结在接收基板上。参见，例如，Zenou,M.等人的“Laser jetting offemto-liter metal droplets for high resolution 3D printed structures,”Scientific Reports 5,17265；doi:10.1038(2015)。通过在由正在被打印的物体的横截面限定的形成件中喷射重叠的金属熔滴，将此技术应用于3D结构的打印。

发明内容

本文描述了用于增材制造的系统和方法，并且具体地采用脉冲激光器或其他加热装置从供体微丝产生金属熔滴的此类方法和设备，所述熔滴在集合体中固化时形成3D结构。

在一个实施方式中，用于金属激光喷射的系统包括金属微丝(例如，直径约10微米)供应源，所述金属微丝供应源布置成以便通过压电平移器和/或电动平移器朝向喷嘴区域馈送。金属微丝沿其长度支撑在玻璃基板(例如，熔融石英、熔融二氧化硅或陶瓷玻璃)的通孔中，并且喷嘴区域位于通孔的出口处。在控制器的控制下，激光器定位成朝向喷嘴区域发射光脉冲(例如，IR、UV或可见光，其中在激光脉冲的波长处，玻璃基板为透明的或几乎透明的)，其中金属微丝的端部由压电平移器定位，从而致使加热金属微丝的在喷嘴区域附近的端部部分。接收基板定位成接收从喷嘴区域喷射的金属熔滴。加热器可附连到玻璃基板的一个或多个侧面以预热金属微丝。

优选地，金属微丝供应源组织在卷轴承载在其上的线轴中。在一些情况下，金属微丝供应源组织在金属微丝的多个线轴中，每个线轴与其自身相应的压电平移器(和/或电动平移器)和支撑玻璃基板装置相关联。替代地，金属微丝供应源可组织在金属微丝的多个线轴中并且单一玻璃基板由金属微丝线轴中的一些或全部共享。在任何或所有这些情况下，金属微丝供应源可布置成以便通过压电平移器经由一个或多个辊朝向喷嘴区域馈送。

压电平移器可包括布置成在控制器的控制下施加电流时在限定方向上移动金属微丝的一个或多个压电陶瓷。在一些情况下，压电平移器可包括一个或多个纵向压电致动器、一个或多个压电剪切致动器或一个或多个管致动器。附加的压电平移器可布置成使在其上承载金属微丝线轴的卷轴绕中心轴线旋转，从而在控制器的控制下使金属微丝朝向喷嘴区域展开。

在一些实施方式中，激光器包括在扫描激光装置中，所述扫描激光装置被配置成在控制器的控制下在扫描路径上扫描单一激光束，使得激光束在被激活时入射到与金属微丝中相应的一个相关联的多个喷嘴区域中的一个上。此种扫描激光装置可包括扫描镜或声光偏转器。