首页 / 专利库 / 诊断设备和程序 / 梯度线圈 / 制造中金属的磁流体动力沉积

制造中金属的磁流体沉积

阅读:520发布:2022-02-25

专利汇可以提供制造中金属的磁流体沉积专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且装置、系统、和方法涉及对液体金属施加磁 流体 动 力 ,以沿受控样式喷射液体金属,例如受控的三维样式,作为物体 增材制造 的零件。磁流体动力可以脉冲方式施加,以喷射液体金属液滴,以提供对被制造物体准确性的控制。脉动可以施加在具有高共振 频率 的流体腔室中,使得可在宽 频率范围 有效地控制液滴喷射,包括适用于以适合商业上可行的三维制造的速率进行液体金属喷射的高频率。,下面是制造中金属的磁流体沉积专利的具体信息内容。

1.一种用于喷射液体金属的喷嘴,该喷嘴包括:
壳体,限定具有进入区域和排出区域的流体腔室的至少一部分;
一个或多个磁体,相对于壳体设置,磁体的磁场被引导穿过壳体;和
电极,在进入区域和排出区域之间限定出流体腔室中的发射腔室的至少一部分,其中至少在基本上位于排出区域的排出孔附近的点,电流可从电极传导到发射腔室,且在基本上位于排出孔附近的点,电流与发射腔室中的磁场交叉,以从排出孔喷射液体金属。
2.如权利要求1所述的喷嘴,其中发射腔室和排出孔之间的流体腔室的容积小于流体腔室总容积的约百分之十。
3.如权利要求1所述的喷嘴,其中发射腔室的容积大于流体腔室总容积的约百分之50。
4.如权利要求1所述的喷嘴,其中流体腔室具有的轴向长度大于约2mm且小于约2cm。
5.如权利要求1所述的喷嘴,其中电极中的至少一个与限定了流体腔室至少一部分的壳体的一部分整体形成,使得所述至少一个电极和限定了流体腔室中的至少一个的壳体的所述部分用相同材料形成。
6.如权利要求5所述的喷嘴,其中电极中的至少一个与至少限定了流体腔室的排出区域的壳体的一部分整体形成,使得所述至少一个电极和限定了排出区域的壳体的所述部分用相同材料形成。
7.如权利要求1所述的喷嘴,其中壳体是导电材料杆,且电流可沿与杆的轴向维度平行的轴线在电极之间传导。
8.如权利要求1所述的喷嘴,其中发射腔室在与液体金属从进入区域朝向排出区域行进的方向垂直的平面中包括大致矩形截面,且来自电极的电流可沿大致矩形截面传导到液体金属中。
9.如权利要求1所述的喷嘴,进一步包括过滤器,其沿流体腔室设置且与排出区域间隔开。
10.如权利要求1所述的喷嘴,其中电极中的至少一个用钽、铌或其组合形成。
11.一种增材制造系统,该系统包括:
喷嘴,包括壳体、一个或多个磁体、和电极,喷嘴限定具有进入区域和排出区域的流体腔室,一个或多个磁体将磁场引导通过壳体,且电极在进入区域和排出区域之间限定流体腔室中的发射腔室的至少一部分,其中电流可从电极传导,使得电流在基本上位于排出区域的排出孔附近的点处与发射腔室中的磁场交叉;
机器人系统,机械地联接到喷嘴;
电源,与电极电连通;和
控制器,与机器人系统和电源电通信,控制器配置为
让机器人系统运动,以沿受控的三维样式定位喷嘴的排出区域,和
基于排出区域沿受控的三维样式的位置,促动电源,以向电极输送脉冲电流,以让液体金属从排出区域喷射,以形成三维物体。
12.如权利要求11所述的系统,其中脉冲电流的频率在排出区域的最大运动速度下小于约5kHz。
13.如权利要求11所述的系统,其中脉冲电流具有基于喷嘴速度的频率。
14.如权利要求11所述的系统,其中脉冲电流具有基于三维样式的一个或多个特征的频率。
15.一种增材制造方法,该方法包括:
在至少部分地通过壳体限定的流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入区域和排出区域;
引导磁场通过壳体;
让排出区域沿受控的三维样式运动;和
基于排出区域沿受控的三维样式的位置,将脉冲电流传导到进入区域和排出区域之间的流体腔室中的发射腔室中的液体金属,其中脉冲电流的频率小于流体腔室中液体金属的共振频率,且脉冲电流沿与发射腔室中磁场交叉的方向,使得电流脉冲将液体金属从排出区域喷射,以形成三维物体。
16.如权利要求15所述的方法,其中脉冲电流基本上在排出区域附近传导到发射腔室中的液体金属。
17.如权利要求15所述的方法,其中流体腔室中液体金属的共振频率大于约10kHz。
18.如权利要求15所述的方法,其中发射腔室的容积大于流体腔室容积的约百分之50。
19.如权利要求15所述的方法,其中液体金属的电阻率基本上类似于限定了发射腔室的材料的电阻率。
20.一种用于喷射液体金属的喷嘴,该喷嘴包括:
壳体,限定流体腔室的至少一部分,流体腔室具有进入区域和排出区域;
一个或多个磁体,被支撑在壳体上,磁体的磁场被引导穿过壳体;和
电极,在进入区域和排出区域之间限定出流体腔室中的发射腔室的至少一部分,其中电流能沿与发射腔室中的磁场交叉的方向从电极传导到发射腔室,且限定了流体腔室的排出区域的壳体的一部分用陶瓷材料形成。
21.如权利要求20所述的喷嘴,其中陶瓷材料包括矾土、蓝宝石、红宝石、氮化化铝、氮化、硅铝氮聚合材料和碳化中的一种或多种。
22.如权利要求20所述的喷嘴,其中远离排出区域限定了流体腔室至少一部分的壳体的一部分用金属形成。
23.如权利要求20所述的喷嘴,其中远离排出区域限定了流体腔室至少一部分的壳体的一部分用陶瓷材料形成。
24.如权利要求20所述的喷嘴,其中限定了发射腔室的至少一部分的电极用金属形成。
25.如权利要求20所述的喷嘴,其中电极中的至少一个与远离排出区域限定了流体腔室至少一部分的壳体的一部分整体形成,使得所述至少一个电极和远离排出区域限定了流体腔室至少一部分的壳体的所述部分用相同材料形成。
26.如权利要求20所述的喷嘴,其中发射腔室基本上在排出区域的排出孔附近。
27.如权利要求20所述的喷嘴,其中发射腔室的容积大于流体腔室总容积的约百分之
50。
28.如权利要求20所述的喷嘴,其中电极包括衬里,该衬里沿进入区域和排出区域之间的流体腔室的至少一部分设置。
29.如权利要求28所述的喷嘴,其中衬里被到限定了流体腔室的壳体的材料上。
30.如权利要求28所述的喷嘴,其中设置衬里的壳体材料包括一氮化、氮化钛铝、碳化钛、矾土、钛和碳氮化钛中的一种或多种。
31.如权利要求20所述的喷嘴,进一步包括与发射腔室热连通的至少一个加热器。
32.如权利要求31所述的喷嘴,其中加热器包括围绕发射腔室的至少一部分设置的感应线圈。
33.如权利要求20所述的喷嘴,其中电极用第一材料形成且壳体用第二材料形成,第二材料具有比第一材料更高的熔化温度
34.如权利要求20所述的喷嘴,其中电极用钽、铌或其组合形成。
35.一种增材制造方法,该方法包括:
在具有进入区域和排出区域的流体腔室中提供液体金属,流体腔室至少部分地通过壳体限定,流体腔室;
引导磁场通过壳体;
让排出区域以受控样式运动;和
基于排出区域沿受控样式的位置,通过在进入区域和排出区域之间限定出流体腔室中的发射腔室的至少一部分的电极传导电流,其中限定了发射腔室的至少一部分的电极具有的电阻率基本上等于运动通过发射腔室的液体金属的电阻率,且限定了排出区域的壳体的一部分具有的电阻率基本上大于运动通过排出区域的液体金属的电阻率,且通过电极传导的电流沿与发射腔室中的磁场交叉的方向传导到液体金属中,以从排出区域喷射液体金属的至少一部分。
36.一种用于喷射液体金属的喷嘴,该喷嘴包括:
壳体,限定流体腔室的至少一部分,流体腔室具有进入区域和排出区域,且排出区域具有在排出孔附近的喉部;
一个或多个磁体,相对于壳体设置,磁体的磁场被引导穿过壳体;和
电极在进入区域和排出区域之间限定了流体腔室中的发射腔室的至少一部分,其中在排出孔附近的壳体的外表面包括膜,该膜相对于可稳定支撑在电极所限定的发射腔室的至少一部分中的液体金属基本上是不润湿的。
37.如权利要求36所述的喷嘴,其中可稳定支撑在发射腔室中的液体金属和膜之间的接触大于约90度。
38.如权利要求36所述的喷嘴,其中限定了喉部的壳体材料相对于可稳定支撑在发射腔室中的液体金属是可润湿的。
39.如权利要求38所述的喷嘴,其中与限定了喉部的壳体材料相比,可稳定支撑发射腔室中的液体金属与所述膜具有更大的接触角。
40.如权利要求38所述的喷嘴,其中喉部基本上是圆柱形的,且喉部的直径基本上等于排出孔的直径。
41.如权利要求36所述的喷嘴,其中所述膜与排出孔附近的壳体的所述部分整体形成。
42.如权利要求36所述的喷嘴,其中所述膜包括形成限定喉部的壳体的所述部分的材料的氧化物。
43.如权利要求36所述的喷嘴,其中所述膜包括氧化钽和氧化铬中的一种或多种。
44.如权利要求36所述的喷嘴,其中所述膜相对于铝、铝合金和焊剂中的一种或多种不润湿。
45.如权利要求36所述的喷嘴,其中电极中的至少一个与在电极中的所述至少一个附近的壳体的一部分整体形成,使得电极中的所述至少一个与壳体的所述部分用相同材料形成。
46.如权利要求36所述的喷嘴,其中一个或多个磁体布置为使得磁场被引导穿过发射腔室,且电极布置为使得从电极传导到发射腔室中的电流与发射腔室中的磁场交叉。
47.一种增材制造方法,该方法包括:
在流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入孔和排出孔,且流体腔室具有在排出孔附近的喉部,其中流体腔室至少部分地通过壳体限定;
引导磁场通过壳体;和
让电流以脉冲形式进入流体腔室中的发射腔室中的液体金属,脉冲电流与发射腔室中的磁场交叉,以让液体金属从排出孔喷射,其中,在电流脉冲流入液体金属的过程中,喉部被液体金属润湿,且限定了排出孔的壳体的外表面基本上不被液体金属润湿。
48.如权利要求47所述的方法,其中限定了排出孔的壳体的外表面包括膜,该膜为限定了喉部的壳体材料的氧化物膜。
49.如权利要求48所述的方法,其中所述膜包括氧化钽和氧化铬中的一种或多种。
50.如权利要求47所述的方法,其中液体金属和限定了排出孔的壳体外表面之间的接触角大于液体金属与限定了喉部的壳体材料之间的接触角。
51.如权利要求50所述的方法,其中液体金属和限定了排出孔的壳体外表面之间的接触角大于约90度。
52.如权利要求47所述的方法,其中液体金属包括铝、铝合金和焊剂中的一种或多种。
53.如权利要求47所述的方法,其中脉冲电流具有的最大频率小于约10kHz。
54.如权利要求47所述的方法,进一步包括让壳体相对于构建表面以受控的三维样式运动,以形成三维物体。
55.一种方法,包括:
在至少部分地通过壳体限定的流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入区域和排出区域;
引导磁场通过壳体;和
将第一电流输送到在进入区域和排出区域之间的流体腔室中的发射腔室中的液体金属,第一电流包括与液体金属中的磁场交叉的波动电流,以在附接到排出区域的弯液面上施加脉动,附接到排出区域的液体金属上的脉动力使得附接到排出区域的弯液面弹跳。
56.如权利要求55所述的方法,其中排出区域包括排出孔和喉部,且弯液面附接到喉部和排出孔中的一个或多个。
57.如权利要求55所述的方法,其中施加在弯液面上的脉动力具有的幅值足以使得形成在弯液面上的金属氧化层破坏,所述金属氧化层包括液体金属的金属氧化物。
58.如权利要求55所述的方法,进一步包括,至少部分地基于向壳体中的液体金属输送第一电流的持续时间,通过排出区域喷射液体金属。
59.如权利要求58所述的方法,其中液体金属从排出区域喷射并经过预定时间段。
60.如权利要求55所述的方法,进一步包括将第二电流输送到发射腔室中的液体金属,其中第二电流与液体金属中的磁场交叉,以通过排出区域喷射液体金属,以形成物体。
61.如权利要求60所述的方法,其中第二电流包括的脉冲电流与第一电流的脉冲电流不同。
62.如权利要求60所述的方法,进一步包括让排出区域沿对应于物体制造的受控样式运动,其中向液体中输送第二电流是基于排出区域沿受控样式的位置。
63.如权利要求62所述的方法,其中受控样式包括三维样式。
64.如权利要求62所述的方法,其中将第二电流输送到发射腔室中的液体金属包括至少部分地基于排出区域沿受控样式的位置在脉冲电流和直电流之间切换。
65.一种制造系统,包括:
喷嘴,包括壳体、磁体和电极,壳体至少部分地限定流体腔室,该流体腔室具有进入区域和排出区域,磁体相对于壳体设置,磁体的磁场延伸穿过流体腔室,且电极在进入区域和排出区域之间限定流体腔室中的发射腔室的至少一部分,电极相对于磁体定位,使得来自电极的电流与发射腔室中的磁场交叉;
机器人系统,机械地联接到喷嘴,机器人系统能运动以定位所述排出区域;
电源,与喷嘴的电极电连通;和
控制器,与机器人系统和电源电通信,控制器配置为
让机器人系统运动,以将排出区域沿与物体制造对应的受控运动样式定位,将第一电流通过电极输送到发射腔室中的液体金属,第一电流包括与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉的脉冲电流,以在附接到排出区域的液体金属的弯液面上产生脉动力,和
沿排出区域的受控运动样式,将第二电流通过电极输送到发射腔室中的液体金属,第二电流与液体金属中的磁场交叉,以通过排出区域喷射液体金属,以形成物体。
66.如权利要求65所述的系统,其中控制器进一步配置为将第三电流通过电极输送到发射腔室中的液体金属,第三电流与液体金属中的磁场交叉,以在远离受控样式的排出区域的一位置处通过排出区域喷射液体金属。
67.如权利要求66所述的系统,其中控制器配置为至少部分地基于第一电流向发射腔室中的液体金属输送的持续时间来输送第三电流。
68.如权利要求66所述的系统,其中控制器配置为在从输送第一电流切换到输送第二电流之间输送第三电流。
69.如权利要求66所述的系统,其中控制器配置为输送第三电流并经过预定时间段。
70.如权利要求66所述的系统,其中受控样式包括三维样式。
71.一种增材制造方法,该方法包括:
在至少部分地通过壳体限定的流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入区域和排出区域;
引导磁场通过壳体;
让排出区域沿受控的三维样式运动;和
在进入区域和排出区域之间至少部分地限定出流体腔室中的发射腔室的电极之间输送电流,电流与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉,以从排出区域喷射液体金属;和基于排出区域沿受控的三维样式的位置,对在构建板上的或在之前的金属沉积层上的经喷射液体金属聚集体的一个或多个预定部分的多孔性进行控制。
72.如权利要求71所述的方法,其中控制经喷射液体金属聚集体的一个或多个预定部分的多孔性包括在聚集体中的三维物体和支撑结构之间形成界面,该支撑结构和三维物体具有比界面低的多孔性。
73.如权利要求72所述的方法,其中界面、支撑结构和三维物体用相同材料形成。
74.如权利要求72所述的方法,其中界面相对于三维物体易碎。
75.如权利要求74所述的方法,进一步包括通过向界面施加挤压力和剪切力中的一种或多种而将三维物体从支撑结构分离。
76.如权利要求71所述的方法,其中对经喷射液体金属的聚集体的一个或多个预定部分的多孔性进行控制包括改变从排出区域喷射液体金属的速度。
77.如权利要求76所述的方法,其中改变从排出区域喷射液体金属的速度包括改变输送到发射腔室中的液体金属的电流幅值。
78.如权利要求76所述的方法,其中将电流输送到发射腔室中的液体金属包括以脉冲方式输送电流。
79.如权利要求76所述的方法,其中改变从排出区域喷射液体金属的速度包括改变电流脉冲的幅值和持续时间中的至少一个。
80.如权利要求71所述的方法,其中对经喷射液体金属的聚集体的一个或多个预定部分的多孔性进行控制包括改变从排出区域喷射的液体金属的温度。
81.如权利要求80所述的方法,其中改变从排出区域喷射的液体金属的温度包括降低经喷射液体金属的温度,以增加构建板上或之前的金属沉积层上的经喷射液体金属聚集体的预定部分的多孔性。
82.一种计算机程序产品,包括实施在非瞬时计算机可读介质中的非瞬时计算机可执行代码,其在一个或多个处理器上执行时,执行的步骤为:
让壳体的排出区域以受控的三维样式运动;
向至少部分地通过电极限定的发射腔室中的液体金属输送电流,输送的电流与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉,以从与发射腔室流体连通的排出区域喷射液体金属;和基于排出区域沿受控的三维样式的位置,对在基板上的或在之前的金属沉积层上的经喷射液体金属聚集体的一个或多个预定部分的多孔性进行控制。
83.如权利要求82所述的计算机程序产品,其中对经喷射液体金属的聚集体的一个或多个预定部分的多孔性进行控制包括改变从排出区域喷射液体金属的速度。
84.如权利要求83所述的计算机程序产品,其中改变从排出区域喷射液体金属的速度包括改变电流幅值。
85.如权利要求83所述的计算机程序产品,其中将电流输送到发射腔室中的液体金属包括以脉冲方式输送电流。
86.如权利要求85所述的计算机程序产品,其中改变从排出区域喷射液体金属的速度包括改变电流脉冲的幅值和持续时间中的至少一个。
87.如权利要求82所述的计算机程序产品,其中对经喷射液体金属的聚集体的一个或多个预定部分的多孔性进行控制包括改变从排出区域喷射的液体金属的温度。
88.如权利要求87所述的计算机程序产品,其中改变从排出区域喷射的液体金属的温度包括降低经喷射液体金属的温度,以增加基板上的或之前的金属沉积层上的经喷射液体金属聚集体的预定部分的多孔性。
89.一种用于喷射液体金属的喷嘴,该喷嘴包括:
壳体,限定流体腔室的至少一部分,流体腔室具有进入区域和排出区域;
一个或多个磁体,相对于壳体设置,磁体的磁场延伸穿过壳体;和
电极,在进入区域和排出区域之间限定出流体腔室中的发射腔室的至少一部分,其中在电极之间传导的电流与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉,以从排出区域喷射液体金属;和
热绝缘层,设置在一个或多个磁体中的至少一个和壳体之间,热绝缘层具有的热导率小于安装了绝缘层的壳体的一部分的热导率。
90.如权利要求89所述的喷嘴,其中与电极之间传导电流所沿的方向相比,壳体沿磁场延伸通过壳体所沿的方向较薄。
91.如权利要求89所述的喷嘴,其中一个或多个磁体距发射腔室小于约2mm。
92.如权利要求89所述的喷嘴,其中热绝缘层为约0.8mm到约1.2mm厚。
93.如权利要求89所述的喷嘴,其中热绝缘层包括石英陶瓷和铝硅陶瓷中的一种或多种。
94.如权利要求89所述的喷嘴,其中热绝缘层通过由磁体施加在壳体上的磁性力而保持就位。
95.如权利要求89所述的喷嘴,其中热绝缘层具有的热导率大于约0.015W/m-K且小于约0.1W/m-K。
96.如权利要求89所述的喷嘴,其中一个或多个磁体与热沉器热连通,该热沉器与壳体间隔开。
97.如权利要求96所述的喷嘴,其中热沉器包括可运动通过热沉器以将热量携带离开一个或多个磁体的冷却流体。
98.如权利要求96所述的喷嘴,进一步包括扇,其对着热沉器,以将热量携带离开一个或多个磁体。
99.如权利要求89所述的喷嘴,其中一个或多个磁体包括固定磁体和电磁体中的一种或多种。
100.一种增材制造方法,该方法包括:
在至少部分地通过壳体限定的流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入区域和排出区域;
将液体金属加热到一温度,该温度大于与通过热绝缘层耦合到壳体的至少一个磁体的磁场强度的损耗有关的温度;
将电流输送到电极之间的被加热液体金属,所述电极在进入区域和排出区域之间限定出流体腔室中的发射腔室;和
将来自至少一个磁体的磁场引导到发射腔室中的被加热液体金属,磁场与发射腔室中的电流交叉,以从排出区域喷射液体金属。
101.如权利要求100所述的方法,其中至少一个磁体距发射腔室小于约2mm。
102.如权利要求100所述的方法,其中热绝缘层通过至少一个磁体和壳体之间的磁性力保持就位。
103.如权利要求100所述的方法,进一步包括让至少一个磁体冷却。
104.如权利要求103所述的方法,其中让至少一个磁体冷却包括通过热沉器从至少一个磁体去除热量,所述热沉器与至少一个磁体热连通且与壳体间隔开。
105.如权利要求104所述的方法,其中从至少一个磁体去除热量包括让冷却流体运动通过热沉器。
106.如权利要求104所述的方法,其中从至少一个磁体去除热量包括在热沉器上方强制空气流动,用于强制对流冷却。
107.如权利要求100所述的方法,其中至少一个磁体包括固定磁体和电磁体中的一种或多种。
108.如权利要求100所述的方法,其中与沿电流方向相比,壳体沿与磁场轴线平行的方向较薄。
109.一种增材制造方法,该方法包括:
在至少部分地通过壳体限定的流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入区域和排出区域;
引导磁场通过壳体;
让排出区域以受控样式运动;和
在进入区域和排出区域之间限定出流体腔室中的发射腔室至少一部分的电极之间输送电流,电流与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉,以从排出区域喷射液体金属;和基于排出区域沿受控样式的位置,在脉冲电流和直电流之间控制电流,以形成物体。
110.如权利要求109所述的方法,其中受控样式是三维样式且物体是三维物体。
111.如权利要求109所述的方法,其中电流被控制为沿正被形成的物体的边界的脉冲电流。
112.如权利要求109所述的方法,其中在排出区域沿正被形成的物体的边界中的偏差运动时,电流被控制为直流。
113.如权利要求109所述的方法,其中脉冲电流的频率小于流体腔室中液体金属的共振频率。
114.如权利要求109所述的方法,其中脉冲电流的频率基于排出区域的运动速度。
115.如权利要求109所述的方法,其中脉冲电流的频率基于距受控样式的边缘的距离。
116.如权利要求109所述的方法,其中在排出区域的最大运动速度下,脉冲电流的频率小于约5kHz。
117.如权利要求109所述的方法,其中从脉冲电流切换为直流能增加从排出区域喷射的液体金属的质量流率。
118.一种计算机程序产品,包括实施在非瞬时计算机可读介质中的非瞬时计算机可执行代码,其在一个或多个处理器上执行时,执行的步骤为:
让喷嘴的排出区域以受控样式运动;
在电极之间输送电流,该电极限定了与排出区域流体连通的发射腔室的至少一部分,电流与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉,以从排出区域喷射液体金属;和基于排出区域沿受控样式的位置,控制向发射腔室中的液体金属输送的电流,其中在脉冲电流和直流之间控制电流,以形成物体。
119.如权利要求118所述的计算机程序产品,其中电流被控制为沿正被形成的物体的边界的脉冲电流。
120.如权利要求118所述的计算机程序产品,其中在排出区域沿正被形成的物体的边界中的偏差运动时,电流被控制为直流。
121.如权利要求118所述的计算机程序产品,其中脉冲电流的频率基于排出区域的运动速度。
122.如权利要求118所述的计算机程序产品,其中脉冲电流的频率基于距受控样式边缘的距离。
123.如权利要求118所述的计算机程序产品,其中在排出区域的最大运动速度下,脉冲电流的频率小于约5kHz。
124.一种增材制造系统,该系统包括:
喷嘴,包括壳体、磁体和电极,壳体限定流体腔室的至少一部分,流体腔室具有进入区域和排出区域,磁体相对于壳体设置,磁体的磁场延伸穿过壳体,且在进入区域和排出区域之间电极限定出流体腔室中的发射腔室的至少一部分,电极相对于磁体定位为使得在电极之间输送的电流与发射腔室中的磁场交叉;
机器人系统,机械地联接到喷嘴且能运动,以定位排出区域;
电源,与喷嘴的电极电连通;和
控制器,与电源电通信,控制器配置为
让机器人系统运动,以让排出区域沿受控样式定位,
将电流从电极输送到发射腔室中的液体金属,
基于排出区域沿受控样式的位置,控制向发射腔室中的液体金属输送的电流,其中在脉冲电流和直流之间控制电流,以形成物体。
125.如权利要求124所述的系统,其中电流被控制为沿正被形成的物体的边界的脉冲电流。
126.如权利要求124所述的系统,其中在排出区域沿正被形成的物体的边界中的偏差运动时,电流被控制为直流。
127.如权利要求124所述的系统,其中脉冲电流的频率基于排出区域的运动速度。
128.如权利要求124所述的系统,其中脉冲电流的频率基于距受控样式边缘的距离。
129.一种制造系统,该系统包括:
喷嘴,包括
壳体,限定出流体腔室,流体腔室具有进入区域和排出区域,
一个或多个磁体,相对于壳体设置,磁体的磁场被引导穿过壳体;和
电极,在进入区域和排出区域之间限定出流体腔室中的发射腔室的至少一部分,电极相对于磁体布置为使得在电极之间流动的电流与发射腔室中的磁场交叉,以从排出区域喷射液体金属;和
机器人系统,联接到喷嘴且可运动,以让排出区域沿受控样式定位;和
进给系统,能与金属线接合,进给系统可促动为在液体金属从排出区域沿受控样式喷射以形成物体时经过进入区域将金属线引导到流体腔室。
130.如权利要求129所述的系统,其中进给系统包括能与金属线接合的多个辊子,所述多个辊子能旋转以将金属线进给到流体腔室中。
131.如权利要求129所述的系统,进一步包括加热器,其与流体腔室热连通。
132.如权利要求131所述的系统,其中加热器包括感应加热器。
133.如权利要求129所述的系统,其中进给系统可促动为以可变速率将金属线引导到进入区域中,可变速率至少部分地基于从排出区域喷射液体金属的速率。
134.如权利要求129所述的系统,进一步包括传感器,其朝向进入区域,该传感器配置为在进入区域每一侧沿预定轴向距离检测金属线和液体金属之间的界面,且该传感器与进给系统电通信,以基于从传感器接收的信号改变金属线进入该进入区域的运动速率。
135.如权利要求134所述的系统,其中传感器配置为在进入区域每一侧沿预定轴向距离检测金属线和液体金属之间的不连续性。
136.如权利要求134所述的系统,其中进入区域每一侧的预定轴向距离基本上等于进入区域最大尺寸的一半。
137.如权利要求134所述的系统,其中传感器包括机器视觉和光学断光束传感器中的一个或多个。
138.如权利要求129所述的系统,进一步包括擦拭器,其能相对于进入区域运动,以在进入区域中或附近去除碎屑。
139.如权利要求129所述的系统,进一步包括增压气体源,其可促动为相对于进入区域散布增压气体,以在进入区域中或附近去除碎屑。
140.如权利要求139所述的系统,其中增压气体源布置为沿朝向排出区域的方向将增压气体引导通过进入区域。
141.一种制造方法,该方法包括:
朝向流体腔室引导金属线,该流体腔室至少部分地通过壳体限定,流体腔室具有进入区域和排出区域;
让金属线的一部分熔化为液体金属,其中金属线和液体金属之间的界面在进入区域附近;
将液体金属从流体腔室输送到至少部分地通过电极限定的发射腔室,该发射腔室在进入区域和排出区域之间的流体腔室中;和
对发射腔室中的液体金属施加磁流体动力,其中在液体金属通过磁流体动力从排出区域喷射时,以足以在界面处保持金属线和液体金属之间连续接触的速率将金属线引导进入流体腔室。
142.如权利要求141所述的方法,其中界面在壳体以外。
143.如权利要求141所述的方法,其中界面在进入区域每一侧的预定轴向距离内。
144.如权利要求143所述的方法,其中预定轴向距离为进入区域最大轴向尺寸的约一半。
145.如权利要求141所述的方法,进一步包括在进入区域中和附近以机械方式去除碎屑。
146.如权利要求145所述的方法,其中以机械方式去除碎屑包括让擦拭器相对于进入区域运动。
147.如权利要求141所述的方法,进一步包括以气动方式去除进入区域中和附近的碎屑。
148.如权利要求147所述的方法,其中以气动方式去除碎屑包括沿朝向排出区域的方向将增压气体引导通过进入区域。
149.如权利要求141所述的方法,进一步包括以电气方式去除进入区域中和附近的碎屑,其中以电气方式去除碎屑包括相对于磁场沿一方向在电极之间引导电流脉冲,以在液体金属中沿从发射腔室朝向进入区域的方向形成磁流体动力。
150.一种制造方法,该方法包括:
在至少部分地通过电极限定的发射腔室中提供液体金属,发射腔室与通过壳体限定的排出区域流体连通,该壳体支撑电极;
将磁场引导到发射腔室中的液体金属;和
沿与发射腔室中的磁场交叉的方向从电极输送电流到发射腔室中的液体金属,以从排出区域喷射液体金属,以形成物体,其中在每一个电极和液体金属之间的相应界面处电极和液体金属用相同材料形成。
151.如权利要求150所述的方法,进一步包括让排出区域以受控的三维样式运动,排出区域与发射腔室流体连通,其中基于排出区域沿受控的三维样式的位置从电极输送电流到发射腔室中的液体金属。
152.如权利要求150所述的方法,进一步包括,远离每一个电极和液体金属的相应界面,冷却每一个电极,这种冷却在每一个电极中形成相应的温度梯度。
153.如权利要求152所述的方法,其中每一个电极中的温度梯度保持电极和通过壳体限定的相应凹部中的液体金属之间的相应界面,在液体金属从排出区域喷射时,每一个界面保留在相应凹部中。
154.如权利要求153所述的方法,其中每一个凹部沿与液体金属朝向排出区域行进的方向成径向的方向延伸。
155.如权利要求153所述的方法,其中冷却每一个电极包括每一个电极的、远离与液体金属所成的相应界面的那一部分让每一个电极强制对流冷却。
156.如权利要求155所述的方法,其中每一个电极的强制对流冷却包括至少部分地基于液体金属从排出区域喷射的速率调整冷却流体的速率。
157.如权利要求150所述的方法,其中在发射腔室中提供液体金属包括从通过壳体限定的进入区域引导液体金属到发射腔室,液体金属从进入区域行进到发射腔室的方向与发射腔室中的电流和磁场交叉。
158.如权利要求157所述的方法,其中发射腔室的轴向长度比从进入区域到排出区域的轴向长度的一半更大。
159.如权利要求157所述的方法,其中从进入区域到排出区域的轴向长度大于约2mm且小于约2cm。
160.一种用于喷射液体金属的系统,该系统包括:
电极,限定发射腔室的至少一部分,电流能在电极之间传导到发射腔室中的液体金属;
一个或多个磁体,相对于电极设置,磁体的磁场延伸穿过发射腔室且与发射腔室中的电流交叉;和
壳体,限定流体腔室的至少一部分,该流体腔室具有进入区域、排出区域、和凹部,其中电极设置在凹部中,使得发射腔室位于进入区域和排出区域之间的流体腔室中,且发射腔室的最大径向尺寸大于发射腔室附近的流体腔室一部分的最大径向尺寸。
161.如权利要求160所述的系统,进一步包括金属供料,且能运动到流体腔室中,该金属供料和电极用相同材料形成。
162.如权利要求161所述的系统,进一步包括热源,其在流体腔室中或附近与金属供料热连通,以形成能运动到发射腔室中的液体金属。
163.如权利要求160所述的系统,其中壳体具有比电极材料更高的熔化温度。
164.如权利要求160所述的系统,其中每一个电极的至少一部分沿远离发射腔室的方向延伸到壳体以外。
165.如权利要求160所述的系统,进一步包括热沉器,联接到远离发射腔室的每一个电极的至少一部分。
166.如权利要求165所述的系统,其中热沉器包括能运动远离每一个电极的所述至少一部分的流体,以在每一个电极的所述至少一部分处进行冷却。
167.如权利要求160所述的系统,其中发射腔室具有的轴向长度大于流体腔室的轴向长度的百分之50。
168.如权利要求160所述的系统,其中流体腔室的轴向长度大于约2mm且小于约2cm。
169.一种方法,包括:
在至少部分地通过壳体限定的流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入区域和排出区域;
引导磁场通过壳体;
输送第一电流到静止状态下的、壳体中的液体金属,第一电流与液体金属中的磁场交叉,以在液体金属上施加拉回力,拉回力足以沿从排出区域朝向进入区域的方向抽取静止状态下的液体金属;和
选择性地输送第二电流到液体金属,第二电流与液体金属中的磁场交叉,以在液体金属上施加发射力,以从排出区域喷射液体金属。
170.如权利要求169所述的方法,其中拉回力足以保持附接到排出区域的静止状态下的液体金属的弯液面。
171.如权利要求170所述的方法,其中排出区域具有在排出孔附近的喉部,拉回力足以保持喉部中的或附接到排出孔的弯液面。
172.如权利要求169所述的方法,进一步包括让排出区域沿受控样式运动。
173.如权利要求172所述的方法,其中受控样式是受控的三维样式。
174.如权利要求172所述的方法,其中第二电流沿不到受控样式的全部选择性地输送到液体流中。
175.如权利要求172所述的方法,其中第二电流至少基于排出区域沿受控样式的位置可变。
176.如权利要求169所述的方法,其中第二电流包括脉冲电流,脉冲电流从排出区域喷射出液体金属液滴。
177.如权利要求176所述的方法,其中选择性地输送第二电流到液体金属包括将发射脉冲传导到流体腔室中的液体金属,且将拉回脉冲传导到流体腔室中的液体金属,发射脉冲和拉回脉冲具有相反的极性,且拉回脉冲具有与第一电流相同的极性。
178.如权利要求177所述的方法,其中拉回脉冲先于用于喷射相应液滴的发射脉冲。
179.如权利要求177所述的方法,其中拉回脉冲跟随用于相应液滴喷射的发射脉冲。
180.如权利要求169所述的方法,其中第二电流在脉冲电流和直电流之间可变。
181.如权利要求169所述的方法,其中选择性地输送第二电流到液体金属包括将第二电流引导到电极之间的液体金属,所述电极在进入区域和排出区域之间限定流体腔室中的发射腔室。
182.如权利要求181所述的方法,其中输送第一电流到液体金属包括引导第一电流到电极之间的液体金属。
183.一种制造系统,包括:
喷嘴,包括壳体、磁体和电极,壳体限定流体腔室,该流体腔室具有进入区域和排出区域,磁体相对于壳体设置,磁体的磁场延伸穿过流体腔室,且电极在进入区域和排出区域之间限定流体腔室中的发射腔室的至少一部分,电极相对于磁体定位,使得来自电极的电流与发射腔室中的磁场交叉;
电源,与电极电连通;和
控制器,与电源电通信,控制器配置为
输送第一电流到静止状态下的、壳体中的液体金属,第一电流与液体金属中的磁场交叉,以在液体金属上施加拉回力,拉回力足以沿从排出区域朝向进入区域的方向抽取静止状态下的液体金属,和
从电极选择性地输送第二电流到发射腔室中的液体金属,第二电流与液体金属中的磁场交叉,以在液体金属上施加发射力,以从排出区域喷射液体金属。
184.如权利要求183所述的系统,进一步包括机器人系统,其机械地联接到喷嘴且能运动,以让喷嘴的排出区域定位,其中控制器进一步配置为让机器人系统运动,以让排出区域沿受控样式定位。
185.如权利要求184所述的系统,其中第二电流沿不到受控样式的全部选择性地输送到液体流中。
186.如权利要求184所述的系统,其中第二电流至少基于排出区域沿受控样式的位置可变。
187.如权利要求184所述的系统,其中受控样式是三维样式。
188.如权利要求183所述的系统,其中选择性地输送第二电流包括脉冲电流和直电流之间控制第二电流。

说明书全文

制造中金属的磁流体沉积

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请根据35§119(e)要求2016年3月3日提交的美国临时专利申请No.62/303,341的权益,其全部内容因此引用并入本文。

技术领域

[0003] 本文所述的装置、系统和方法涉及制造磁流体动力(MHD)系统,且更具体地涉及用于通过金属材料进行制造的磁流体动力系统。

背景技术

[0004] 电流可与磁场组合以在液体金属上赋予MHD力。这种力可推动液体金属以形成金属物体。尽管MHD力可用于形成金属物体,但是与速度、准确性、控制和材料性能有关的问题为使用MHD力以大批量进行物体形成带来了挑战。因而,需要一种使用MHD力进行金属制造的商业上可行的技术。发明内容
[0005] 装置、系统、和方法涉及对液体金属施加磁流体动力,以沿受控样式喷射液体金属,例如受控的三维样式,作为物体增材制造的零件。磁流体动力可以脉冲方式施加,以喷射液体金属液滴,以提供对被制造物体准确性的控制。脉动可以施加在具有高共振频率的流体腔室中,使得可在宽频率范围有效地控制液滴喷射,包括适用于以适合商业上可行的三维制造的速率进行液体金属喷射的高频率。在一个方面,用于喷射液体金属的喷嘴包括壳体,该壳体限定流体腔室的至少一部分,其具有进入区域和排出区域;一个或多个磁体,相对于壳体设置,磁体的磁场被引导穿过壳体;和电极,限定出在进入区域和排出区域之间的流体腔室中的发射腔室的至少一部分,其中至少在基本上位于排出区域的排出孔附近的点,电流可从电极传导到发射腔室,且在基本上位于排出孔附近的点,电流与发射腔室中的磁场交叉,以从排出孔喷射液体金属。
[0006] 发射腔室和排出孔之间的流体腔室的容积可以小于流体腔室总容积的约百分之十。发射腔室的容积可以大于流体腔室总容积的约百分之50。流体腔室可以具有的轴向长度大于约2mm且小于约2cm。电极中的至少一个可以与限定了流体腔室至少一部分的壳体的一部分整体形成,使得至少一个电极和限定了流体腔室中的至少一个的壳体的该部分用相同材料形成。电极中的至少一个可以与至少限定了流体腔室的排出区域的壳体的一部分整体形成,使得至少一个电极和限定了排出区域的壳体的该部分用相同材料形成。壳体可以是导电材料杆,且电流可沿与杆的轴向维度平行的轴线在电极之间传导。发射腔室可以在与液体金属从进入区域朝向排出区域行进的方向垂直的平面中包括大致矩形截面,且来自电极的电流可沿大致矩形截面传导到液体金属中。
[0007] 喷嘴可以包括过滤器,其沿流体腔室设置且与排出区域间隔开。电极中的至少一个可以用钽、铌或其组合形成。
[0008] 在另一方面,本文公开的增材制造系统包括:喷嘴,其包括一个或多个磁体和电极,喷嘴限定具有进入区域和排出区域的流体腔室,一个或多个磁体将磁场引导通过壳体,且电极在进入区域和排出区域之间限定流体腔室中的发射腔室的至少一部分,其中电流从电极传导,使得电流在基本上位于排出区域的排出孔附近的点处与发射腔室中的磁场交叉;机器人系统,机械地联接到喷嘴;电源,与电极电连通;和控制器与机器人系统和电源电通信,控制器配置为让机器人系统运动,以让喷嘴的排出区域以受控的三维样式定位,且基于排出区域沿受控的三维样式的位置,促动电源,以向电极输送脉冲电流,以让液体金属从排出区域喷射,以形成三维物体。
[0009] 脉冲电流的频率在排出区域的最大运动速度下可以小于约5kHz。脉冲电流可以具有基于喷嘴速度的频率。脉冲电流可以具有基于三维样式的一个或多个特征的频率。
[0010] 在另一方面,本文公开的增材制造方法包括:在至少部分地通过壳体限定的流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入区域和排出区域;引导磁场通过喷嘴;让排出区域沿受控的三维样式运动;和基于排出区域沿受控的三维样式的位置,将脉冲电流传导到进入区域和排出区域之间的流体腔室中的发射腔室中的液体金属,其中脉冲电流的频率小于流体腔室中液体金属的共振频率,且脉冲电流沿与发射腔室中磁场交叉的方向,使得电流脉冲将液体金属从排出区域喷射,以形成三维物体。
[0011] 脉冲电流可以基本上在排出区域附近传导到发射腔室中的液体金属。流体腔室中液体金属的共振频率可以大于约10kHz。发射腔室的容积可以大于流体腔室容积的约百分之50。液体金属的电阻率可以基本上类似于限定了发射腔室的材料的电阻率。
[0012] 在一个方面,本文公开的用于喷射液体金属的喷嘴包括:壳体,该壳体限定流体腔室的至少一部分,流体腔室具有进入区域和排出区域;一个或多个磁体,被支撑在壳体上,磁体的磁场被引导穿过壳体;和电极,在进入区域和排出区域之间限定出流体腔室中的发射腔室的至少一部分,其中电流能沿与发射腔室中的磁场交叉的方向从电极传导到发射腔室,且限定了流体腔室的排出区域的壳体的一部分用陶瓷材料形成。
[0013] 陶瓷材料可以包括矾土、蓝宝石、红宝石、氮化化铝、氮化、硅铝氮聚合材料和碳化中的一种或多种。远离排出区域限定了流体腔室至少一部分的壳体的一部分可以用金属形成。远离排出区域限定了流体腔室至少一部分的壳体的一部分可以用陶瓷材料形成。限定了发射腔室的至少一部分的电极可以用金属形成。电极中的至少一个可以与远离排出孔限定了流体腔室至少一部分的壳体的一部分整体形成,使得至少一个电极和远离排出孔限定了流体腔室至少一部分的壳体的该部分用相同材料形成。发射腔室可以基本上在排出孔排出区域附近。发射腔室可以大于流体腔室总容积的约百分之50。
[0014] 电极可以包括衬里,该衬里沿进入区域和排出区域之间的流体腔室的至少一部分设置。衬里可以被到限定了流体腔室的壳体的材料上。设置了衬里的壳体材料可以包括一氮化、氮化钛铝、碳化钛、矾土、钛和碳氮化钛中的一种或多种。喷嘴可以包括至少一个加热器,其与发射腔室热连通。加热器可以包括围绕发射腔室的至少一部分设置的感应线圈。电极可以用第一材料形成且壳体可以用第二材料形成。第二材料具有的熔化温度比第一材料更高。电极可以用钽、铌或其组合形成。
[0015] 在另一方面,本文公开的增材制造方法包括在流体腔室中提供液体金属,该流体腔室具有进入区域和排出区域,流体腔室至少部分地通过壳体限定,流体腔室;引导磁场通过壳体;让排出区域以受控样式运动;和基于排出区域沿受控样式的位置,通过在进入区域和排出区域之间限定了流体腔室中的发射腔室的至少一部分的电极传导电流,其中限定了发射腔室的至少一部分的电极具有的电阻率基本上等于运动通过发射腔室的液体金属的电阻率,且限定了排出区域的壳体的一部分可以具有的电阻率基本上大于运动通过排出区域的液体金属的电阻率,且通过电极传导的电流沿与发射腔室中的磁场交叉的方向传导到液体金属中,以从排出区域喷射液体金属的至少一部分。
[0016] 在一个方面,本文公开的用于喷射液体金属的喷嘴包括:壳体,该壳体限定流体腔室的至少一部分,流体腔室具有进入区域和排出区域,且排出区域具有在排出孔附近的喉部;一个或多个磁体,相对于壳体设置,磁体的磁场被引导穿过壳体;和电极在进入区域和排出区域之间限定了流体腔室中的发射腔室的至少一部分,其中在排出孔附近的壳体的外表面包括膜,该膜相对于可稳定支撑在电极所限定的发射腔室的至少一部分中的液体金属可以基本上是不润湿的。
[0017] 的装置、系统、和方法涉及对液体金属施加磁流体动力,以沿受控样式喷射液体金属,例如受控的三维样式,作为物体增材制造的零件。限定了喉部的壳体材料相对于可稳定支撑在发射腔室中的液体金属可以是可润湿的。与限定了喉部的壳体材料相比,可稳定支撑发射腔室中的液体金属与所述膜具有更大的接触。喉部可以基本上是圆柱形的,且喉部的直径可以基本上等于排出孔的直径。所述膜可以与排出孔附近的壳体的所述部分整体形成。所述膜可以包括形成限定喉部的壳体的所述部分的材料的氧化物。所述膜可以包括氧化钽和氧化铬中的一种或多种。所述膜相对于铝、铝合金和焊剂中的一种或多种可以是不润湿的。
[0018] 电极中的至少一个可以与在电极中的所述至少一个附近的壳体的一部分整体形成,使得电极中的所述至少一个与壳体的所述部分用相同材料形成。一个或多个磁体可以布置为使得磁场被引导穿过发射腔室,且电极可以布置为使得从电极传导到发射腔室中的电流与发射腔室中的磁场交叉。
[0019] 在另一方面,本文所构思的增材制造方法包括:在流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入孔和排出孔,且流体腔室具有在排出孔附近的喉部,其中流体腔室至少部分地通过壳体限定;引导磁场通过壳体;和让电流以脉冲形式进入流体腔室中的发射腔室中的液体金属,脉冲电流与发射腔室中的磁场交叉,以让液体金属从排出孔喷射,其中,在电流脉冲流入液体金属的过程中,喉部被液体金属润湿,且限定了排出孔的壳体的外表面基本上不被液体金属润湿。
[0020] 限定了排出孔的壳体的外表面可以包括膜,该膜为限定了喉部的壳体材料的氧化物膜。所述膜可以包括氧化钽和氧化铬中的一种或多种。液体金属和限定了排出孔的壳体外表面之间的接触角可以大于液体金属与限定了喉部的壳体材料之间的接触角。液体金属和限定了排出孔的壳体外表面之间的接触角可以大于约90度。液体金属可以包括铝、铝合金和焊剂中的一种或多种。脉冲电流具有的最大频率可以小于约10kHz。
[0021] 方法可以包括让壳体相对于构建表面以受控的三维样式运动,以形成三维物体。
[0022] 在另一方面,本文公开的方法包括:在至少部分地通过壳体限定的流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入区域和排出区域;引导磁场通过壳体;将第一电流输送到在进入区域和排出区域之间的流体腔室中的发射腔室中的液体金属,第一电流包括与液体金属中的磁场交叉的波动电流,以在附接到排出区域的弯液面上施加脉动力,附接到排出区域的液体金属上的脉动力使得附接到排出区域的弯液面弹跳。
[0023] 排出区域可以包括排出孔和喉部,且弯液面可以附接到喉部和排出孔中的一个或多个。施加在弯液面上的脉动力具有的幅值可足以使得形成在弯液面上的金属氧化层破坏,所述金属氧化层包括液体金属的金属氧化物。方法可以包括,至少部分地基于向壳体中的液体金属输送第一电流的持续时间,通过排出区域喷射液体金属。液体金属可以从排出孔喷射并经过预定时间段。方法可以包括将第二电流输送到发射腔室中的液体金属,其中第二电流与液体金属中的磁场交叉,以通过排出区域喷射液体金属,以形成物体。第二电流可以包括的脉冲电流与第一电流的脉冲电流不同。方法可以包括让排出区域沿对应于物体制造的受控样式运动,其中向液体中输送第二电流是基于排出区域沿受控样式的位置。受控样式可以包括三维样式。将第二电流输送到发射腔室中的液体金属可以包括至少部分地基于排出孔沿受控样式的位置在脉冲电流和直电流之间切换。
[0024] 在另一方面,本文公开制造系统包括:喷嘴,其包括壳体、磁体和电极,壳体至少部分地限定流体腔室,该流体腔室具有进入区域和排出区域,磁体相对于壳体设置,磁体的磁场延伸穿过流体腔室,且电极在进入区域和排出区域之间限定流体腔室中的发射腔室的至少一部分,电极相对于磁体定位,使得来自电极的电流与发射腔室中的磁场交叉;机器人系统,机械地联接到喷嘴,机器人系统能运动以定位所述排出区域;电源,与喷嘴的电极电连通;和控制器,与机器人系统和电源电通信,控制器配置为让机器人系统运动以让排出区域沿与物体制造对应的受控样式定位,将第一电流通过电极输送到发射腔室中的液体金属,第一电流包括与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉的脉冲电流,以在附接到排出区域的液体金属的弯液面上产生脉动力,且沿排出区域的受控样式运动通过电极输送第二电流到发射腔室中的液体金属,第二电流与液体金属中的磁场交叉,以通过排出区域喷射液体金属,以形成物体。
[0025] 控制器可以进一步配置为将第三电流通过电极输送到发射腔室中的液体金属,第三电流与液体金属中的磁场交叉,以在远离受控样式的排出孔的位置处通过排出区域喷射液体金属。控制器可以配置为至少部分地基于第一电流向发射腔室中的液体金属输送的持续时间输送第三电流。控制器可以配置为在从输送第一电流切换到输送第二电流之间输送第三电流。控制器可以配置为输送第三电流并经过预定时间段。受控样式可以包括三维样式。
[0026] 在另一方面,本文公开的增材制造方法包括:在至少部分地通过壳体限定的流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入区域和排出区域;引导磁场通过壳体;让排出区域沿受控的三维样式运动;和在进入区域和排出区域之间至少部分地限定出流体腔室中的发射腔室的电极之间输送电流,电流与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉,以从排出区域喷射液体金属;和基于排出区域沿受控的三维样式的位置,控制在构建板上或在之前的金属沉积层上的经喷射液体金属聚集体的一个或多个预定部分的多孔性。
[0027] 控制经喷射液体金属聚集体的一个或多个预定部分的多孔性可以包括在聚集体中的三维物体和支撑结构之间形成界面,该支撑结构和三维物体具有比界面更低的多孔性。界面、支撑结构和三维物体可以用相同材料形成。界面可以相对于三维物体易碎。方法可以包括通过向界面施加挤压力和剪切力中的一种或多种而将三维物体从支撑结构分离。控制经喷射液体金属的聚集体的一个或多个预定部分的多孔性可以包括改变从排出区域喷射的液体金属的速度。改变从排出区域喷射的液体金属的速度可以包括包括改变输送到发射腔室中的液体金属的电流幅值。将电流输送到发射腔室中的液体金属可以包括以脉冲方式输送电流。改变从排出区域喷射的液体金属的速度可以包括改变电流脉冲的幅值和持续时间中的至少一个。控制经喷射液体金属的聚集体的一个或多个预定部分的多孔性可以包括改变从排出区域喷射的液体金属的温度。改变从排出区域喷射的液体金属的温度可以包括降低经喷射液体金属的温度,以增加构建板上或之前沉积的金属层上的经喷射液体金属聚集体的预定部分的多孔性。
[0028] 在另一方面,本文公开的计算机程序产品包括:实施在非瞬时计算机可读介质中的非瞬时计算机可执行代码,其在一个或多个处理器上执行时,执行的步骤为:让壳体的排出区域以受控的三维样式运动;向至少部分地通过电极限定的发射腔室中的液体金属输送电流,输送的电流与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉,以从与发射腔室流体连通的排出区域喷射液体金属;和基于排出区域沿受控的三维样式的位置,控制在基板上或在之前的金属沉积层上的经喷射液体金属聚集体的一个或多个预定部分的多孔性。
[0029] 控制经喷射液体金属的聚集体的一个或多个预定部分的多孔性可以包括改变从排出区域喷射的液体金属的速度。改变从排出区域喷射的液体金属的速度可以包括改变电流幅值。将电流输送到发射腔室中的液体金属可以包括以脉冲方式输送电流。改变从排出区域喷射的液体金属的速度可以包括改变电流脉冲的幅值和持续时间中的至少一个。控制经喷射液体金属的聚集体的一个或多个预定部分的多孔性可以包括改变从排出区域喷射的液体金属的温度。改变从排出区域喷射的液体金属的温度可以包括降低经喷射液体金属的温度,以增加基板上或之前沉积的金属层上的经喷射液体金属聚集体的预定部分的多孔性。
[0030] 在一个方面,本文公开的用于喷射液体金属的喷嘴包括:壳体,该壳体限定流体腔室的至少一部分,流体腔室具有进入区域和排出区域;一个或多个磁体,相对于壳体设置,磁体的磁场延伸穿过壳体;和电极,在进入区域和排出区域之间限定出流体腔室中的发射腔室的至少一部分,其中在电极之间传导的电流与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉,以从排出孔喷射液体金属;和热绝缘层,设置在一个或多个磁体中的至少一个和壳体之间,热绝缘层具有的热导率小于安装了绝缘层的壳体的一部分的热导率。
[0031] 与电极之间传导电流所沿的方向相比,壳体沿磁场延伸通过壳体所沿的方向可以较薄。一个或多个磁体距发射腔室可以小于约2mm。热绝缘层可以为约0.8mm到约1.2mm厚。热绝缘层可以包括石英陶瓷和铝硅陶瓷中的一种或多种。热绝缘层可以通过由磁体施加在壳体上的磁性力而保持就位。热绝缘层可以具有的热导率大于约0.015W/m-K且小于约
0.1W/m-K。一个或多个磁体可以与热沉器热连通,该热沉器与壳体间隔开。热沉器可以包括可运动通过热沉器以将热量携带离开一个或多个磁体的冷却流体喷嘴可以包括扇,其对着热沉器,以将热量携带离开一个或多个磁体。一个或多个磁体可以包括固定磁体和电磁体中的一种或多种。
[0032] 在另一方面,本文公开的增材制造方法包括:在至少部分地通过壳体限定的流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入区域和排出区域;将液体金属加热到一温度,该温度大于与通过热绝缘层耦合到壳体的至少一个磁体的磁场强度损耗有关的温度;将电流输送到电极之间的被加热液体金属,所述电极在进入区域和排出区域之间限定出流体腔室中的发射腔室;和将来自至少一个磁体的磁场引导到发射腔室中的被加热液体金属,磁场与发射腔室中的电流交叉,以从排出区域喷射液体金属。
[0033] 至少一个磁体距发射腔室可以小于约2mm。热绝缘层可以通过至少一个磁体和壳体之间的磁性力保持就位。方法可以包括让至少一个磁体冷却。让至少一个磁体冷却可以包括通过热沉器从至少一个磁体去除热量,所述热沉器与至少一个磁体热连通且与壳体间隔开。从至少一个磁体去除热量可以包括让冷却流体运动通过热沉器。从至少一个磁体去除热量可以包括在热沉器上方强制空气流动,用于强制对流冷却。至少一个磁体可以包括固定磁体和电磁体中的一种或多种。与沿电流方向相比,壳体沿与磁场轴线平行的方向可以较薄。
[0034] 在另一方面,本文公开的增材制造方法包括:在至少部分地通过壳体限定的流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入区域和排出区域;引导磁场通过壳体;让排出区域以受控样式运动;和在进入区域和排出区域之间限定出流体腔室中的发射腔室至少一部分的电极之间输送电流,电流与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉,以从排出区域喷射液体金属;和基于排出区域沿受控样式的位置,在脉冲电流和直流之间控制电流,以形成物体。
[0035] 受控样式可以是三维样式且物体可以是三维物体。电流可以被控制为沿正被形成的物体的边界的脉冲电流。在排出区域沿正被形成的物体的边界中的偏差(excursion)运动时,电流可以被控制为直流。脉冲电流的频率可以小于流体腔室中液体金属的共振频率。脉冲电流的频率可以基于排出区域的运动速度。脉冲电流的频率可以基于距受控样式边缘的距离。脉冲电流的频率在排出区域的最大运动速度下可以小于约5kHz。从脉冲电流切换为直流可以增加从排出区域喷射的液体金属的质量流率。
[0036] 在另一方面,本文公开的计算机程序产品包括:实施在非瞬时计算机可读介质中的非瞬时计算机可执行代码,其在一个或多个处理器上执行时,执行的步骤为:让喷嘴的排出区域以受控样式运动;在电极之间输送电流,该电极限定了与排出区域流体连通的发射腔室的至少一部分,电流与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉,以从排出区域喷射液体金属;和基于排出区域沿受控样式的位置,控制向发射腔室中的液体金属输送的电流,其中在脉冲电流和直流之间控制电流,以形成物体。
[0037] 电流可以被控制为沿正被形成的物体的边界的脉冲电流。在排出区域沿正被形成的物体的边界中的偏差运动时,电流可以被控制为直流。脉冲电流的频率可以基于排出区域的运动速度。脉冲电流的频率可以基于距受控样式边缘的距离。脉冲电流的频率在排出区域的最大运动速度下可以小于约5kHz。
[0038] 在另一方面,本文公开的增材制造系统包括:喷嘴,包括壳体、磁体和电极,壳体限定流体腔室的至少一部分,流体腔室具有进入区域和排出区域,磁体相对于壳体设置,磁体的磁场延伸穿过壳体,且在进入区域和排出区域之间电极限定出流体腔室中的发射腔室的至少一部分,电极相对于磁体定位为使得在电极之间输送的电流与发射腔室中的磁场交叉;机器人系统,机械地联接到喷嘴且能运动,以定位排出区域;电源,与喷嘴的电极电连通;和控制器,与电源电通信,控制器配置为让机器人系统运动,以让排出区域以受控样式定位,从电极输送电流到发射腔室中的液体金属,基于排出区域沿受控样式的位置,控制输送到发射腔室中的液体金属的电流,其中可以在脉冲电流和直流之间控制电流,以形成物体。
[0039] 电流可以被控制为沿正被形成的物体的边界的脉冲电流。在排出区域沿正被形成的物体的边界中的偏差运动时,电流可以被控制为直流。脉冲电流的频率可以基于排出区域的运动速度。脉冲电流的频率可以基于距受控样式边缘的距离。
[0040] 在另一方面,本文公开的制造系统包括:喷嘴,包括限定了流体腔室的壳体,流体腔室具有进入区域和排出区域,一个或多个磁体相对于壳体设置,磁体磁场被引导穿过壳体,且电极在进入区域和排出区域之间限定出流体腔室中的发射腔室的至少一部分,电极相对于磁体布置,使得电极之间流动的电流与发射腔室中的磁场交叉,以从排出区域喷射液体金属;和机器人系统,联接到喷嘴且可运动,以让排出区域沿受控样式定位;和进给系统,能与金属线接合,进给系统可促动为在液体金属从排出区域沿受控样式喷射以形成物体时经过进入区域将金属线引导到流体腔室。
[0041] 进给系统可以包括能与金属线接合的多个辊子,所述多个辊子能旋转以将金属线进给到流体腔室中。系统可以包括与流体腔室热连通的加热器。加热器可以包括感应加热器。进给系统可以促动为以可变速率将金属线引导到进入区域中,可变速率至少部分地基于从排出区域喷射液体金属的速率。系统可以包括传感器,其朝向进入区域,传感器配置为在进入区域每一侧沿预定轴向距离检测金属线和液体金属之间的界面,且传感器与进给系统电通信,以基于从传感器接收的信号改变金属线进入进入区域的运动速率。传感器可以配置为在进入区域每一侧沿预定轴向距离检测金属线和液体金属之间的不连续性。进入区域每一侧的预定轴向距离可以基本上等于进入区域最大尺寸的一半。传感器可以包括机器视觉和光学断光束传感器中的一个或多个。系统可以可以擦拭器,其能相对于进入区域运动,以在进入区域中或附近去除碎屑。系统可以包括增压气体源,可促动为相对于进入区域散布增压气体,以在进入区域中或附近去除碎屑。增压气体源可以布置为沿朝向排出区域的方向将增压气体引导通过进入区域。
[0042] 在另一方面,本文公开的增材制造方法包括:将金属线朝向至少部分地通过壳体限定的流体腔室引导,流体腔室具有进入区域和排出区域;让金属线的一部分熔化为液体金属,其中金属线和液体金属之间的界面在进入区域附近;将液体金属从流体腔室输送到至少部分地通过电极限定的发射腔室,该发射腔室在进入区域和排出区域之间的流体腔室中;和对发射腔室中的液体金属施加磁流体动力,其中在液体金属通过磁流体动力从排出区域喷射时,以足以在界面处保持金属线和液体金属之间连续接触的速率将金属线引导进入流体腔室。
[0043] 界面可以在壳体以外。界面可以在进入区域每一侧的预定轴向距离内。预定轴向距离可以为进入区域最大轴向尺寸的约一半。方法可以包括以机械方式去除进入区域中和附近的碎屑。以机械方式去除碎屑可以包括让擦拭器相对于进入区域运动。方法可以包括以气动方式去除进入区域中和附近的碎屑。以气动方式去除碎屑可以包括沿朝向排出区域的方向将增压气体引导通过进入区域。方法可以包括以电气方式去除进入区域中和附近的碎屑,其中以电气方式去除碎屑包括相对于磁场沿一方向在电极之间引导电流脉冲,以在液体金属中沿从发射腔室朝向进入区域的方向形成磁流体动力。
[0044] 在另一方面,本文公开的制造方法包括:在至少部分地通过电极限定的发射腔室中提供液体金属,发射腔室与通过壳体限定的排出区域流体连通,该壳体支撑电极;将磁场引导到发射腔室中的液体金属;和沿与发射腔室中的磁场交叉的方向从电极输送电流到发射腔室中的液体金属,以从排出区域喷射液体金属,以形成物体,其中在每一个电极和液体金属之间的相应界面处电极和液体金属用相同材料形成。
[0045] 方法可以包括让排出区域以受控的三维样式运动,排出区域与发射腔室流体连通,其中基于排出区域沿受控的三维样式的位置从电极输送电流到发射腔室中的液体金属。方法可以包括,远离每一个电极和液体金属的相应界面,冷却每一个电极,这种冷却在每一个电极中形成相应的温度梯度。每一个电极中的温度梯度可以保持电极和通过壳体限定的相应凹部中的液体金属之间的相应界面,在液体金属从排出区域喷射时,每一个界面保留在相应凹部中。每一个凹部可以沿与液体金属朝向排出区域行进的方向成径向的方向延伸。冷却每一个电极可以包括远离与液体金属所成的相应界面沿每一个电极的一部分让每一个电极强制对流冷却。每一个电极的强制对流冷却可以包括至少部分地基于液体金属从排出区域喷射的速率调整冷却流体的速率。在发射腔室中提供液体金属可以包括从通过壳体限定的进入区域引导液体金属到发射腔室,液体金属从进入区域行进到发射腔室的方向与发射腔室中的电流和磁场交叉。发射腔室的轴向长度可以比从进入区域到排出区域的轴向长度的一半更大。从进入区域到排出区域的轴向长度可以大于约2mm且小于约2cm。
[0046] 在另一方面,本文公开的用于喷射液体金属的系统包括:电极,限定发射腔室的至少一部分,电流能传导到电极之间的发射腔室中的液体金属;一个或多个磁体,相对于电极设置,磁体的磁场延伸穿过发射腔室且与发射腔室中的电流交叉;和壳体,限定流体腔室的至少一部分,该流体腔室具有进入区域、排出区域、和凹部,其中电极设置在凹部中,使得发射腔室在进入区域和排出区域之间位于流体腔室,且发射腔室的最大径向尺寸大于发射腔室附近的流体腔室一部分的最大径向尺寸。
[0047] 系统可以包括金属供料,其能运动到流体腔室中,该金属供料和电极用相同材料形成。系统可以包括热源,其在流体腔室中或附近与金属供料热连通,以形成能运动到发射腔室中的液体金属。壳体可以具有比电极材料更高的熔化温度。每一个电极的至少一部分可以沿远离发射腔室的方向延伸到壳体以外。系统可以包括热沉器,联接到远离发射腔室的每一个电极的至少一部分。热沉器可以包括能运动远离每一个电极的所述至少一部分的流体,以在每一个电极的所述至少一部分处进行冷却。发射腔室可以具有的轴向长度大于流体腔室的轴向长度的百分之50。流体腔室的轴向长度可以大于约2mm且小于约2cm。
[0048] 本文公开的方法包括:在至少部分地通过壳体限定的流体腔室中提供液体金属,流体腔室具有进入区域和排出区域;引导磁场通过壳体;输送第一电流到静止状态下的、壳体中的液体金属,第一电流与液体金属中的磁场交叉,以在液体金属上施加拉回力,拉回力足以沿从排出区域朝向进入区域的方向抽取静止状态下的液体金属;和选择性地输送第二电流到液体金属,第二电流与液体金属中的磁场交叉,以在液体金属上施加发射力,以从排出区域喷射液体金属。
[0049] 拉回力可以足以保持附接到排出区域的静止状态下的液体金属的弯液面。排出区域可以具有在排出孔附近的喉部,拉回力可以足以保持喉部中的或附接到排出孔的弯液面。方法可以包括让排出区域沿受控样式运动。受控样式可以是受控的三维样式。第二电流可以沿不到受控样式的全部选择性地输送到液体流中。第二电流可以至少基于排出区域沿受控样式的位置可变。第二电流可以包括脉冲电流,脉冲电流从排出区域喷射出液体金属液滴。选择性地输送第二电流到液体金属可以包括将发射脉冲传导到流体腔室中的液体金属,且将拉回脉冲传导到流体腔室中的液体金属,发射脉冲和拉回脉冲具有相反的极性,且拉回脉冲具有与第一电流相同的极性。
[0050] 拉回脉冲可以先于用于喷射相应液滴的发射脉冲。拉回脉冲可以跟随用于相应液滴喷射的发射脉冲。第二电流在脉冲电流和直电流之间可变。选择性地输送第二电流到液体金属可以包括将第二电流引导到电极之间的液体金属,所述电极在进入区域和排出区域之间限定流体腔室中的发射腔室。输送第一电流到液体金属可以包括引导第一电流到电极之间的液体金属。
[0051] 在另一方面,本文公开的制造系统可以包括:喷嘴,其包括壳体、磁体和电极,壳体限定流体腔室,该流体腔室具有进入区域和排出区域,磁体相对于壳体设置,磁体的磁场延伸穿过流体腔室,且电极在进入区域和排出区域之间限定流体腔室中的发射腔室的至少一部分,电极相对于磁体定位,使得来自电极的电流与发射腔室中的磁场交叉;电源,与电极电连通;和控制器,与电源电通信,控制器配置为输送第一电流到壳体中的静止状态的液体金属,第一电流与液体金属中的磁场交叉,以在液体金属上施加拉回力,拉回力足以沿从排出区域朝向进入区域的方向抽取静止状态下的液体金属,且从电极选择性地输送第二电流到发射腔室中的液体金属,第二电流与液体金属中的磁场交叉,以在液体金属上施加发射力,以从排出区域喷射液体金属,选择性地输送第二电流到液体金属,第二电流与液体金属中的磁场交叉,以在液体金属上施加发射力,以从排出区域喷射液体金属。
[0052] 系统可以包括机器人系统,机械地联接到喷嘴且能运动,以让喷嘴的排出区域定位,其中控制器进一步配置为让机器人系统运动,以让排出区域沿受控样式定位。第二电流可以沿不到受控样式的全部选择性地输送到液体流中。第二电流可以至少基于排出孔沿受控样式的位置可变。受控样式可以是三维样式。选择性地输送第二电流可以包括在脉冲电流和直电流之间控制第二电流。附图说明
[0053] 本文所述的系统和方法在所附权利要求中给出。然而,出于说明的目的,在以下附图中给出一些实施方式:
[0054] 图1是三维打印机的方图,其用于金属制造的MHD沉积。
[0055] 图2A是图1的三维打印机的进给系统和喷嘴的等轴视图。
[0056] 图2B是图2A的进给系统和喷嘴的截面侧视图。
[0057] 图2C是图2A的喷嘴的俯视图。
[0058] 图2D是在图2A的喷嘴中的液体金属中产生MHD力的示意性显示。
[0059] 图3是通过施加MHD力打印液体金属的示例性方法的流程图
[0060] 图4是在脉冲电流模式和直流模式控制电流的示例性方法的流程图,以控制通过MHD力进行液体金属喷射的速率。
[0061] 图5是使用MHD力以形成具有一个或多个多孔特征的示例性方法的流程图,所述一个或多个多孔特征有助于将零件从零件的支撑结构分离。
[0062] 图6是使用MHD力以将流体腔室中的静止液体金属的弯液面向回拉动的示例性方法的流程图。
[0063] 图7A和7B是在拉回力施加到弯液面时喷嘴的静止液体金属的弯液面位置的一系列比较示意图。
[0064] 图8是示例性方法800的流程图,其使用MHD力以让静止液体金属的弯液面在喷嘴的排出区域中弹跳(bounce)。
[0065] 图9是喷嘴的截面侧视图,其包括沿流体腔室的进入区域的过滤器。
[0066] 图10是沿流体腔室的进入区域包括通道的喷嘴的截面侧视图。
[0067] 图11是包括经风扇冷却磁体的喷嘴的等轴视图。
[0068] 图12是喷嘴截面的等轴视图,该喷嘴包括与壳体的至少一部分整体形成的电极。
[0069] 图13是喷嘴的截面侧视图,其包括在壳体形成为衬里的电极。
[0070] 图14是喷嘴的截面等轴视图,喷嘴包括用材料组合形成的喷嘴和壳体。
[0071] 图15是喷嘴的截面侧视图,喷嘴包括在壳体的外表面上的不润湿膜。
[0072] 图16是包括颈部区域的喷嘴的截面等轴视图。
[0073] 图17是包括颈部区域的喷嘴的截面等轴视图,具有在颈部区域之后的壳体截面。
[0074] 图18是包括颈部区域的喷嘴的截面等轴视图,具有不同高度的喷嘴部分。

具体实施方式

[0075] 现在将参考附图描述实施例。但是,签署内容可以以许多不同形式实施且不应理解为是对本文所述的所示出实施例的限制。
[0076] 所有本文提到的文献通过引用全部并入本文。以单数形式描述的项目应该被理解为包括多个项目,且反之亦然,除非另有明确描述或从本文可清楚得知。语法连词的目的是表示所连接短语、句子、词语等的任何和全部分离和连结的组合,除非另有说明或从上下文清楚得知。由此,术语“或”通常应该被理解为表示“和/或”等等。
[0077] 本文对数值范围的描述不是限制性的,表示落入该范围的任何和所有值的个别替代,除非在本文另有说明,且这种范围内的每一个单独值并入到本说明书中,如单独在本文描述了一样。词语“约”、“大约”等在与数值连用时应理解为表示本领域技术人员为满足特定目的的需要进行操作所带来的偏差。值和/或数值的范围在本文仅作为例子提供,且构成对所述实施例范围的限制。使用本文提供的任何和所有例子或示例性用语(“例如”、“如”等)目的仅仅是更好地给出实施例而不是对实施例的范围做出限制。说明书中的用语不应被理解为表示对于实施所述实施例来说必不可少的任何未要求的要素。
[0078] 在以下描述中,应理解,例如“第一”、“第二”、“顶”、“底”、“上”、“下”等的术语是为方便所使用的词语且不应被理解为是限制性术语。
[0079] 如在本文使用的,术语“液体金属”应理解为液体形式的金属和金属合金,且另外或替换地包括含有液体形式的金属和金属合金的任何流体,除非另有说明或通过上下文得知。
[0080] 现在参见图1-2D,三维打印机100可包括喷嘴102、进给系统104、和机器人系统106。通常,随进给系统104让固体金属112从金属供应源113运动并进入喷嘴102,机器人系统106可让喷嘴102在构建腔室110的加工空间108中沿受控样式(controlled pattern)运动。如后文详述,固体金属112可在喷嘴102中或附近被熔化以形成液体金属112',且通过作用在喷嘴102中的液体金属112'上的磁场和电流组合,磁流体动力学(MHD)力可将液体金属
112'从喷嘴102沿朝向设置在构建腔室110中的构建板114的方向喷射。通过随喷嘴102沿受控样式运动而反复喷射液体金属112',可形成物体116(例如二维物体或三维物体)。替换地或另外地,物体116可在喷嘴102下方运动(例如在喷嘴102保持静止时)。例如,在受控样式为三维样式的情况下,液体金属112'可以连续的层从喷嘴102喷射,以通过增材制造形成物体116。由此,通常,随喷嘴102喷射液体金属112',进给系统104可连续或基本上连续地向喷嘴102提供构建材料,这可有助于在各种制造应用(包括金属零件的大规模制造)中使用三维打印机100。还如后文详述的,可在喷嘴102中控制MHD力,从而以约一滴液体金属每小时到数千滴液体金属每秒范围的速率按要求滴送液体金属112',且在某些情况下,输送基本上连续的液体金属112'的流。这种对液滴流率的宽范围控制可另外或替换地有助于实现与商业可行的三维制造关联的准确性和速度目标。
[0081] 通常,液体金属112'可以是各种不同金属中的任何一种或多种。例如,液体金属112'可包括对氧化提供一定抵抗的金属,这可有助于在构建腔室110中的不完全受控的环境中操作喷嘴102。由此,例如,液体金属112'可包括铝或铝合金。具体说,液体金属112'可包括铝铸造合金,例如本领域已知的一种或多种合金或其变体。另外或替换地,液体金属
112'可包括通常不用于铸造的一种或多种合金,因为即使在这种合金中发生固化,沉积在物体116上的金属的晶粒尺寸也能被从喷嘴102喷射的液滴尺寸所控制。可形成液体金属
112'的额外或替换的金属例子包括碳、工具钢、不锈钢合金(例如焊剂)中的一种或多种。
[0082] 现在参见图1和2A-2D,喷嘴可包括壳体202、一个或多个磁体204和电极206。壳体202可限定流体腔室208的至少一部分,其具有进入区域210、排出区域212和凹部214。一个或多个磁体204可被支撑在壳体202上或以其他方式被支撑在相对于壳体202固定的位置,通过一个或多个磁体204产生的磁场“M”被引导通过壳体202。具体说,随液体金属112'从进入区域210运动到排出区域212,磁场可沿与液体金属112'相交的方向被引导通过壳体202。
而且,或代替地,电极206可被支撑在壳体202上,以在进入区域210和排出区域212之间限定在流体腔室208中的发射腔室(firing chamber)216的至少一部分。在使用中,如后文详述,进给系统104可接合固体金属112,和另外或替换地,随通过使用一个或多个磁体204和电极
206产生的MHD力将液体金属112'从排出区域212喷射,进给系统104可将固体金属112引导到流体腔室208的进入区域210中。
[0083] 在某些实施方式中,电源118可与电极206电连通且可被控制为产生在电极206之间流动的电流“I”。具体说,电流“I”可与发射腔室216中的液体金属112'中的磁场“M”交叉。应理解,这种交叉的结果是在磁场“M”和电流“I”的交叉部位在液体金属112'造成MHD力(也称为洛伦兹力)。因为MHD力的方向遵循右手定则,所以一个或多个磁体204和电极206可相对于彼此取向为沿可预测方向(例如可让液体金属112'朝向排出区域212运动的方向)在液体金属112'上施加MHD力。液体金属112'上的MHD力具有的类型被称为体力(body force),因为无论电流“I”的流动和磁场“M”的存在位于何处该体力都以分布的方式作用在液体金属112'上。该体力的聚集形成压力,其可导致液体金属112'的喷射。应理解,让磁场“M”和电流基本上垂直于彼此且基本上垂直于液体金属112'从进入区域210到排出区域212的行进方向取向,可实现电流“I”的最高效使用,以通过使用MHD力来喷射液体金属112'。
[0084] 在使用中,电源118可被控制为使得电流“I”在电极206之间脉冲流动。脉冲可产生施加到发射腔室216中的液体金属112'的MHD力的相应脉动。如果脉动的推动力足够,则发射腔室208中液体金属112'上的MHD力的脉动可将相应液滴从排出区域212喷射。因而,通过控制电流“I”的脉冲频率可实现按要求滴送液体金属112'的液滴。例如,在打印零件每一层的外周时,会期望高的位置准确性。在该周边为直线或低曲率的弯曲线的区域中,运动系统能快速经过且因此打印头以高频率发射(fire)。在一些情况下,运动系统的速度受到可能液滴喷射最大频率的限制。该最大频率将取决于打印头的设计、期望液滴的尺寸和其他因素且可以在1到20千赫之间改变。然而,随经过高曲率周边的区域,加速需求(acceleration requirements)会指示以更低速度经过这些区域且因此指示打印头以更低的频率发射。这对于尖锐角部来说尤其是这样,在该处动作机构会即刻停止且打印头会类似地即刻停止发射。
[0085] 在某些实施方式中,可以以控制离开喷嘴102的液体金属112'的液滴形状的方式驱动脉冲电流“I”。具体说,因为电流“I”根据右手定则与磁场“M”相互作用,所以经过发射腔室216的电流“I”的方向(极性)的改变可沿进入区域210和排出区域212之间延伸的轴线改变MHD力在液体金属112'上的方向。由此,例如,通过使得电流“I”的极性相对于与液体金属112'的喷射关联的极性反转,电流“I”可在流体腔室208中的液体金属112'上施加拉回力。
[0086] 每一个脉冲可通过预充电(pre-charge)而成形,其在形成喷射驱动信号以将一滴或多滴液体金属112'从喷嘴102推动之前施加小的拉回力(与液体金属112'从排出区域212喷射的方向相反)。响应于该预充电,液体金属112'可相对于排出区域212被略微向上拉动。以此方式将液体金属112'朝向排出孔略微向上拉动可提供许多优势,包括提供一路径,在该路径中,随大滴液体金属从排出孔射出,大滴液体金属112'可加速以从排出孔更利索地分离,在行进期间形成具有更好表现(例如稳定)的形状的液滴。类似地,退回动作
(retracting motion)可通过沿排出区域212抵抗液体金属112'的表面张力进行拉动而有效地对液体金属112'的前表面施加弹簧载荷。随液体金属112'随后经历MHD力以喷射液体金属112',表面张力的力可有助于使得液体金属112'朝向从排出区域212喷射而加速。
[0087] 进一步地,或代替地,每一个脉冲可成形为在脉冲结束之后具有小的拉回力。在这种情况下,因为拉回力与液体金属112'从排出区域212喷射的行进方向相反,所以在脉冲结束之后小的拉回力可有助于液体金属112'沿排出区域212与液体金属112'的离开液滴利索地分离。由此,在一些实施方式中,通过电源118产生的驱动信号可包括具有拉回信号的小波(wavelet),以对液体金属112'预充电,将液体金属液滴排出的喷射信号,和将液体金属112'的离开液滴沿排出区域212与液体金属112'分离的拉回信号。另外或替换地,通过电源
118产生的驱动信号可包括在每一个脉冲的一些部分之间的一个或多个停顿(dwell)。
[0088] 尽管以高频率让电流“I”形成脉冲可用于实现与可行三维打印关联的速度目标,应理解,流体腔室208中的液体金属112'的共振频率可限制与将电流“I”形成脉冲以将液体金属112'的液滴喷射关联的上频率(upper frequency)。例如,将电流“I”的脉冲速率(和相关的MHD力的脉动速率)保持在比流体腔室208中液体金属112'的共振频率关联的速率更小的速率可降低不利地使得液滴速度太高或太低、液滴体积太大或太小、代替单个液滴而喷射多个液滴、和带有伴随液滴(satellite drop)的可能性。由此,通常,电流“I”可以沿受控样式以基于排出区域212的位置和/或速度变化的频率形成脉冲且传导到发射腔室208中的液体金属112',频率的上限小于流体腔室208中液体金属112'的共振频率。如后文详述,喷嘴20可包括一个或多个特征部,用于实现流体腔室208中液体金属112'的高共振频率,以有助于在高喷射速率下对液体金属液滴输送进行准确控制。
[0089] 在流体腔室208中液体金属112'的共振频率为流体腔室208的总体轴向长度(例如从进入区域210到排出区域212的轴向长度)的函数的情况下,喷嘴102的一些特征部可用于沿短的总体轴向长度产生MHD力(以支持流体腔室208中液体金属112'的高频率喷射),同时保持足够低以避免在电流“I”的脉冲期间在液体金属112'中形成过多的焦加热。即,因为流体腔室208的总体轴向长度被与共振频率有关的因素所限制,所以期望的是高效利用流体腔室208的可用轴向长度,以输送与适当液滴速率、尺寸和速度对应的MHD力所需的电流“I”。
[0090] 在一些实施方式中,流体腔室208的总体轴向长度可大于约2mm和小于约2cm,以产生足够高的共振频率(例如约20kHz),以支持高频率喷射速率(例如沿受控样式在排出孔218的最大运动速度下的高达约5kHz的频率)。在一些情况下,可期望的是基本上将喷嘴102的共振频率增加到液体金属112'的最大喷射频率以上(例如约高出5倍、高出10倍或更多)。
在这种情况下,共振频率的任何激励将让许多震荡得以缓冲掉。这可以是有利的,因为液体金属112'的粘性低(例如在1-5厘泊的范围)且通常是恒定的。为了在流体腔室208的液体金属112'中高效使用可用于形成MHD力的轴向长度,电极206可定位为使得从电极206传导到发射腔室216中的电流“I”在基本上邻近排出区域212的排出孔218的点处与发射腔室216中的磁场“M”交叉。作为基本上在排出孔218的附近引入电流“I”的具体例子,发射腔室216和排出孔218之间的流体腔室208的容积可以小于流体腔室208的总容积的约百分之十。另外或替换地,至少部分地通过电极206限定的发射腔室216的轴向长度可大于流体腔室208的从进入区域210到排出区域212的轴向长度的一半。在一些情况下,进入区域210和排出区域
218的长度之和可小于流体腔室208的总长度的约百分之20。
[0091] 与使用电极206以将电流“I”传导到液体金属112'中相关的具体困难是选择可用于与液体金属112'组合的适当的材料。通常,期望的是选择电极206的材料以使得电极206可在液体金属112'存在的长时间内可靠地操作,其会要求高温以保持熔化状态。因而,电极206的材料具有的熔化温度可等于或大于与电极206接触的液体金属112'的熔化温度,使得电极206将在喷嘴102操作期间不会被消耗并降低对物体116形成污染的可能性。另外或替换地,电极206的材料可基本上与液体金属112'不发生发应(例如材料可相对于液体金属
112'惰性或在液体金属112'存在时形成钝化层),以例如降低材料随时间性能变差的可能性。进一步或代替地,电极的材料具有的电阻率可基本上类似于液体金属112'的电阻率,以有助于使得电流“I”的方向准确,且由此使得从排出区域212喷射的液体金属112'的方向准确。由此,作为具体例子,在液体金属112'为铝或铝合金的情况下,电极可用钽和铌中的一种或多种形成。
[0092] 在一些实施方式中,在每一个电极206和液体金属112'之间的相应界面处,电极206可用与液体金属112'相同的材料形成。应理解,这种实施方式可代表对材料选择问题(尤其是对涉及具有熔化温度、反应性、和电阻率(使用具有不同成分的经济可用的材料难以进行电阻率匹配)中的一种或多种材料的材料选择问题)的有利方案。作为具体例子,用与液体金属112'相同的材料形成电极206可有助于使用钢作为液体金属112'。
[0093] 在电极206和液体金属112'用相同材料形成的实施方式中,相应电极206在相应电极206和液体金属112'之间的界面220处熔化。进一步地,界面220可响应于可在喷嘴102的正常操作期间发生的温度波动(除了其他方面)而运动。因而,为了有助于喷嘴102的鲁棒操作,界面220的位置可被控制为在流体腔室208中的预定区域中。例如,发射腔室216的最大径向尺寸可以比发射腔室216附近的流体腔室208的最大径向尺寸更宽(例如比进入区域210、排出区域212或者两者更宽)。继续参见该例子,每一个界面220可被控制为沿着相应凹部214的一部分,该部分远离液体金属112'(其从进入区域210运动到排出区域212)的通常流动路径。
[0094] 在某些情况下,控制每一个界面220的位置可包括让每一个电极206的一部分222冷却,所述部分远离相应界面220。通常,应理解,随液体金属112'从排出区域212喷射,电极206中的最终温度梯度可让界面220沿远离液体金属112'的流动路径的方向运动。因而,为了有助于控制界面218的位置,喷嘴102可包括热沉器224,所述热沉器224联接到每一个电极206的该部分222。作为例子,热沉器224可通过强制对流而让每一个电极206的该部分222冷却,其可以可选地被控制(例如至少部分地基于液体金属112'从排出区域212的喷射率),以实现目标温度。作为更具体的例子,热沉器224可包括可运动离开每一个电极206的该部分222以冷却电极206的流体(例如)。另外或替换地,在每一个电极206的部分222沿离开发射腔室216的方向延伸到壳体202以外的实施方式中,热沉器224可包括风扇,该风扇能操作为让空气在每一个电极206的该部分220上方运动。尽管每一个电极206显示为热联接到热沉器224中的相应一个,但是应理解电极206可替换地联接到单个热沉器。
[0095] 通常,发射腔室中电流“I”的行进方向可影响施加在液体金属112'上的MHD力的方向,且由此可影响液滴输送的准确性。尽管用相同材料形成电极206和液体金属112'或以其他方式让电极206和液体金属112'的电阻率匹配能降低因电极206和液体金属112'的材料电阻率失配而造成的电流“I”的意外错向(misdirection)的可能性,但是电阻率的某种程度的失配仍然会在使用期间存在(例如因材料的略微不同)。因而,为了降低发射腔室208中电流“I”的意外错向的可能性,发射腔室208可限定为在与从进入区域210朝向排出区域212的液体金属112'的行进方向垂直的平面中具有大致矩形截面。因为大致矩形截面不具有最大尺寸,应理解电流“I”更可能沿大致矩形截面均匀分布,例如与具有最大尺寸(优选电流路径可沿其形成)的非矩形截面(例如圆形截面)相比。
[0096] 壳体202可用一材料形成,该材料在热、化学和电气方面能支持电极206和液体金属112',以用于向液体金属112'施加电流“I”以形成构建物体116所必要的MHD力。更具体地,在电流“I”被通过电极206和液体金属112'之间的熔化材料的界面220导入到液体金属112'中的情况下,壳体202的材料可具有比电极206和液体金属112'的材料更高的熔化温度,以支持电极206和液体金属112'之间的界面218。例如,壳体202可用一材料形成,该材料可支持具有的熔化温度大于约550℃且小于约1500℃的液体金属。作为更具体的例子,壳体
202可用陶瓷材料形成,其可承受与某些金属(例如钢)的熔化状态有关的高温。这种陶瓷材料的例子包括但不限于矾土、蓝宝石、红宝石、氮化铝、碳化铝、氮化硅、硅铝氧氮聚合材料和碳化硼中的一种或多种。另外或替换地,壳体202可用多于一种的材料形成,其可用于降低沿壳体202的一些部分使用更昂贵的材料,在该部分处更昂贵材料的性能可以不那么关键且更便宜的材料便可提供足够的性能。
[0097] 加热器226可被沿壳体202支撑,且进一步或代替地,可与流体腔室208中的液体金属112'热连通,以加热流体腔室208中的液体金属112'。另外或替换地,加热器226可在固体金属112运动通过进入区域210且进入流体腔室208时加热固体金属112。加热器226例如可包括电阻加热电路,其包括电阻线(例如可从瑞典的Hallstahammar的Sandvik AB获得的素体铁-铬-铝合金、镍铬耐热合金和 中的一种或多种)。在壳体202用陶瓷材料形成的实施方式中,例如,电阻线可被直接围绕壳体202缠绕。另外或替换地,电阻线可嵌入壳体202的至少一部分中以加热流体腔室208。在某些情况下,加热器226可包括插入到壳体中的一个或多个电热管。电热管包含通常封装到管状容器中的电阻加热元件。进一步地,或代替地,加热器226可包括感应加热电路,其包括围绕壳体202缠绕的感应线圈。其他类型的加热器可进一步或代替地用于向流体腔室输送热量,包括但不限于辐射加热器、对流加热器和其组合。
[0098] 应理解,与喷射液体金属112'的液滴关联的加热需求可取决于液体金属112'的成分。在某些实施方式中,金属可在室温下是液体形式,使得MHD力可施加到液体金属112'而不使用加热器122。在一些实施方式中,例如在铝或铝合金的情况下,壳体202可被加热到大于约600℃(例如约650℃)的温度,使得铝或铝合金在流体腔室208中是液体形式。另外或替换地,在某些实施方式中,例如在钢的情况下,壳体202可被加热到大于约1550℃,使得钢在流体腔室208中为液体形式。
[0099] 一个或多个磁体204可包括固定磁体。例如,一个或多个磁体204可包括能跨经发射腔室216产生足够磁场的稀土磁体或任何其他磁体或磁体组。在一些实施方式中,一个或多个磁体204也可以或替代地包括电磁体。增加液体金属112'中存在的磁场可降低对电流脉冲的幅度和持续时间中的一个或多个的需求,且因此是期望的。在一些实施方式中,可使用永磁体的Hallbach阵列,以增加场强度。
[0100] 一个或多个磁体204可大小设置为且布置为使得通过一个或多个磁体204产生的磁场“M”基本上跨过整个流体腔室208。在电极(例如电极206)用与被喷射的液体金属(例如液体金属112')相同的材料形成的情况下,磁场“M”可沿熔化部分(例如界面220)的整个长度建立,以降低流体涡电流(fluid eddy currents)的可能性。以此方式,在液体金属112'中形成流体涡电流可能性相对于通过跨过较少流体腔室208的磁场形成流体涡电流的可能性可减小。
[0101] 与在发射腔室208中的液体金属112'中产生足够的MHD力有关的难题是,在液体金属112'具有的熔化温度高于与一个或多个磁体204的磁性性能恶化有关的温度(例如大于约150℃的温度)的应用中对一个或多个磁体204进行热管理。具体地,许多磁体的磁场强度随远离磁体的距离快速减小。因而,为了在发射腔室208中产生足够强的磁场,期望的是将一个或多个磁体204置于与流体腔室208相对接近的程度(例如在流体腔室208的约2mm范围内)。然而,在加热器226将发射腔室208加热到与一个或多个磁体204的变差磁场强度有关的温度以上的情况下。这种温度例如可对应于一个或多个磁体204的材料的居里温度。另外或替换地,这种温度可对应于一个或多个磁体204的磁场强度减小约百分之10以上的温度。
[0102] 为了有助于通过一个或多个磁体204的温度敏感性而让磁场强度的竞争性因素(competing consideration)平衡,喷嘴102可包括热绝缘层228。通常,热绝缘层228可较薄,具有大于约0.5mm且小于约2mm的厚度(例如具有大于约0.8mm到小于约1.2mm的厚度)且具有比壳体202的安装了热绝缘层228的部分的热导率更低的热导率。例如,热绝缘层228的热导率可大于约0.015W/m-K且小于约0.1W/m-k。适用于用在热绝缘层228中的示例性材料可包括石英陶瓷(silica ceramic)、铝硅陶瓷(alumina-silica ceramic)和其组合。
[0103] 热绝缘层228可通过由一个或多个磁体204所形成的磁场而保持在壳体202上就位。应理解,热绝缘层228以此方式的这种放置可降低或消除对将热绝缘层228紧固到壳体
202的其他紧固形式的需要。进一步地,或代替地,因为不需要改变(例如钻孔)热绝缘层228来以这种方式安装,所以通过使用一个或多个磁体204安装热绝缘层228可用于保持热绝缘层228的热性能。
[0104] 另外或替换地,与在电极206之间传导电流的方向相比,壳体202可沿一个或多个磁体204的磁场延伸通过壳体202的方向较薄。即,一个或多个磁体204可沿壳体202的较薄部分放置,以有助于通过一个或多个磁体204的近距放置而在发射腔室216中形成强磁场。电极206可沿壳体202的较厚部分放置,以例如有助于安装电极206。另外或替换地,在电极
206和液体金属112'被熔化界面(例如界面220)分离的情况下,电极沿壳体的较厚部分放置可提供发射腔室216中的电极之间的更显著的间隔,以有助于在喷嘴10的操作过程中控制相应凹部214中的相应界面220。
[0105] 在某些情况下,喷嘴102可包括与一个或多个磁体204热连通的热沉器230,以降低来自壳体202的热量对一个或多个磁体204的磁性性能造成不利影响的可能性。热沉器230例如可与壳体202间隔开,以有助于将热量从一个或多个磁体204带走,尽管降低了在热流体腔室208中的液体金属112'的温度以上热沉器230与控制相干扰的可能性。热沉器230可通过强制对流将热量从一个或多个磁体204带走。例如,冷却流体(例如水)可运动通过热沉器230,以提供冷却。另外或替换地,喷嘴102可包括对着热沉器230的一个或多个风扇,提供强制空气对流冷却。在这种情况下,热沉器230可是本领域已知类型的带翅片热沉器。
[0106] 通过使用进给系统104来让金属运动通过系统100可有助于在高速增材制造过程中使用喷嘴102,以提供液体金属112'向流体腔室208的连续或基本上连续的供应。具体说,如后文详述,进给系统104可让固体金属112以足以保持热流体腔室208中的液体金属112'的速率朝向进入区域210运动。另外或替换地,也如后文详述,进给系统104可去除在进入区域210中或周围形成的碎屑,其可用于降低与这种碎屑关联的停机时间和/或零件缺陷
[0107] 进给系统104例如可包括可与固体金属112接合的多个辊子232。固体金属112可以是金属线或其他相似细长形状的形式,使得固体金属112接合在通过多个辊子232限定的相应沟槽中。在使用中,多个辊子232可相对于彼此旋转,以让固体金属112朝向流体腔室208进给。在某些实施方式中,通过加热器226产生以加热壳体202和流体腔室208的热量可在固体金属112运动到进入区域210附近时让固体金属112熔化。
[0108] 在一些实施方式中,进给系统104可促动,以从而以可变的速率将固体金属112引导到进入区域210中。可变速率例如可基于液体金属112'从排出区域212喷射的速率。喷射速率可是从排出区域212而来的液体金属112'喷射的实际量的测量速率(例如通过对着从排出区域212喷射的液体金属112'的传感器测量)。另外或替换地,喷射速率可是基于针对物体116的制造过程中的给定点满足物体116的制造需求所需的液体金属112'量所估计的速率。更通常地,可变速率可用于降低在额外量的液体金属112'被进给系统104提供到流体腔室208之前流体腔室208缺乏液体金属112'的可能性。
[0109] 通常,固体金属112可在进入区域210上方且在壳体202外侧的位置或在进入区域210中的位置熔化为液体金属112'。但是,应理解,将固体金属112熔化到进入区域210中太远可能会造成与热流体腔室208中的液体金属112'中的电流“I”的脉冲相干扰。还有,或代替地,将固体金属熔化到进入区域210以外太远可能会造成固体金属112和液体金属112'之间的不连续。这种不连续是不适宜的,因为其会导致将空气引入到流体腔室208中,这会破坏液滴的准确和受控形成。这种不连续不适宜还因为其会通过改变用于在构建腔室顶部进行反射回流的边界条件而改变喷射。
[0110] 鉴于这些竞争性因素,在某些实施方式中,系统100可包括朝向进入区域210的传感器120,以沿进入区域210的每一侧(例如在进入区域210的进入孔的上方和下方并限定进入壳体202的进入口)上的预定轴向距离检测固体金属112和液体金属112'之间的界面。作为例子,预定轴向距离可以基本上等于进入区域210的最大尺寸的一半。由此,在进入区域210在垂直于通过进入区域210和排出区域212限定的轴线的平面中具有圆形截面的情况下,预定轴向距离可基本上等于进入区域210的半径,使得传感器120可在进入区域210的进入孔上方的一个半径的预定距离内且在进入区域210的进入孔下方的一个半径的预定距离内检测固体金属112和液体金属112'之间的界面。
[0111] 在某些情况下,传感器120可与进给系统104电通信,以基于从传感器120接收的信号改变固体金属112进入进入区域210的运动速率。例如,且非限制地,进给系统104可至少部分地基于固体金属112和液体金属112'之间边界的位置改变辊子232的旋转速率。继续参见该例子,更具体地,辊子232的旋转速率可增加,以让固体金属112和液体金属112'之间的界面进一步运动到进入区域210中,或可被减小以让该界面进一步运动到进入区域210以外。
[0112] 在一些实施方式中,传感器120可沿进入区域每一侧上的预定轴向距离检测固体金属112和液体金属112'之间的不连续性。
[0113] 传感器120可包括用于检测材料连续性的本领域已知的各种传感器中的任何一种或多种。例如,传感器120可包括对着进入区域210的机器视觉。机器视觉例如可检测固体金属112和液体金属112'的连续性方面的一个或多个中断和固体金属112和液体金属112'之间界面的位置。另外或替换地,传感器120可包括在进入区域210跨经液体金属112'的光学断光束传感器(optical break-beam sensor),以检测固体金属112和液体金属112'的连续性方面的中断。
[0114] 在一些实施方式中,进入区域210可包括大致漏斗形状,以降低随固体金属112朝向进入区域210运动固体金属112从液体金属112'脱开的可能性。大致漏斗形状可例如用于适应由于进给系统104、进入区域210或两者的运动造成的固体金属112相对于进入区域210的位置的轻微变化。
[0115] 随固体金属112在进入区域210附近变为液体金属112',会沿进入区域210或在其附近形成碎屑。随时间经过,这种碎屑的聚集会增加液体金属112'污染并最终污染被制造的物体116的可能性。因而,进给系统104可包括擦拭器234,其可相对于进入区域210运动,以去除进入区域210中或附近的碎屑。擦拭器234例如可以是大致刚性构件,其可运动经过壳体202,以从进入区域210去除碎屑。在某些实施方式中,擦拭器234可在固体金属112和液体金属112'之间存在中断期间相对于进入区域210运动(例如作为例行维护方案的一部分、物体制造之间的一部分或两种情况都存在)。通常,线可在擦拭动作之前退回,且该擦拭动作不在液体金属112'从喷嘴102喷射的同时执行。
[0116] 在某些实施方式中,进给系统104可包括增压气体源236,其可被促动以相对于进入区域210散布增压气体,以去除进入区域210中或附近的碎屑。增压气体例如可以是构建腔室110环境中的气体。由此,在构建腔室110环境中的气体为惰性气体(例如氮气或氩气)的情况下,增压气体可以是相同的惰性气体。在某些实施方式中,增压气体源236可布置为沿朝向排出区域212的方向引导增压气体通过进入区域210。
[0117] 另外或替换地,去除进入区域210中或附近的碎屑可包括使用MHD力以去除进入区域中和附近的碎屑。作为具体例子,电脉冲E的极性可相对于与液体金属112'从排出区域212喷射关联的极性反向。通过沿该方向驱动的电脉冲E的极性,施加在热流体腔室208中的液体金属112'上的MHD力是沿从排出区域212朝向进入区域210的方向。因此,驱动具有足够幅度的电脉冲E可产生足以让液体金属112'经进入区域210进行喷射到MHD力。应理解,液体金属112'沿该方向的喷射可迫使碎屑远离进入区域210,并带走流体腔室208中任何位置处(包括在排出区域212的喉部)的碎屑。
[0118] 再次参见图1,随机器人系统106让喷嘴102相对于构建板114沿受控样式在构建腔室110的加工空间108中运动,进给系统104可将固体金属112供应到喷嘴102,且喷嘴102可喷射液体金属112'。如在本文使用的喷嘴102相对于构建板114的运动应该理解为包括喷嘴102和构建板114的相对运动的任何组合,且由此包括在构建板114静止时喷嘴102的运动,在喷嘴102静止时构建板114的运动,和在构建板114也运动时喷嘴102的运动。
[0119] 机器人系统128可以是本领域已知且适用于让部件沿受控样式(例如受控的二维样式、受控的三维样式或其组合)运动的各种不同机器人系统中的任一种。例如,机器人系统106可包括笛卡尔或x-y-z机器人系统,其采用多个直线控制器,以在构建腔室110中独立地沿x轴线、y轴线和z轴线运动。另外或替换地,机器人系统106可包括并联机器人(delta robot),其在某些实施方式中可提供速度和刚性方面的显著优点,以及提供固定达或驱动元件的设计方便性。例如双并联机器人或三并联机器人这样的其他构造可被另外或替换地使用且可增加使用多个联动装置(linkages)的动作范围。更通常地,适用于控制喷嘴102和构建板114相对于彼此的定位(尤其是在真空或相似环境中)的任何机器人可以形成机器人系统106的一部分,包括适用于在构建腔室138中促动、操纵、行动(locomotion)等的任何机构或机构组合。
[0120] 随液体金属112'从喷嘴102喷射以在构建腔室110中形成物体116,被制造的物体116的温度可被控制为有助于获得液体金属112'在物体116上的期望沉积。例如,可通过例如使用闭环温度控制(如本领域已知的)对构建板114进行加热来控制物体116的温度。然而,在物体116为三维零件的情况下,构建板114和被制造的物体116的表面之间的热连通可随在彼此顶部上建造连续层而减少。因而,系统100可包括加热器122,以加热构建腔室110中的环境。例如,加热器122可将构建腔室110中的空气或惰性气体加热到目标温度。另外或替换地,加热器122可包括风扇,以让物体116周围被加热的空气循环流动,以通过对流热传递保持物体116的目标温度。
[0121] 假定液滴具有与金属关联的高热导率,则如果物体116冷却,在液滴落在物体116上时会快速凝固。这会限制撞击液滴以并入到被制造的物体116中而不留下空穴的能力,否则这种空穴会危害形成完全密实的零件的能力。由此,通常,构建腔室110中物体116的温度可被控制为促成液滴撞击以并入到物体116中。例如,物体116可保持在略微低于固相线温度的温度,使得在新的液滴到达时物体116可以是固体,但是物体116从新近撞击的液滴慢慢地获取热量。另外或替换地,零件的温度被降低,使得新撞击的液滴在其凝固之前有一定的时间量,但是新撞击的液滴在下一个液滴出现之前凝固。继续参见该例子,这种温度控制可降低两个液滴合并而形成大于期望的特征的可能性,且由此相反地,这种温度控制可有助于为物体116提供分辨率(resolution)。作为这种温度控制的具体例子,如果液滴以约1kHz的频率从喷嘴102喷射,物体116的温度可被控制为在撞击之后的约0.1毫秒到0.5毫秒范围的时间内凝固。以此方式,每一个液滴将在下一个液滴达到之前凝固,而每一个液滴将具有一些时间在物体116上铺展,由此降低物体116中出现意外空穴的可能性。另外,可通过改变被喷射的液体金属112'和壳体202的温度而改变让新撞击的液滴凝固所需的时间量。
例如,将被喷射的液体金属112'的温度升高通常将增加液滴凝固所需的时间量。
[0122] 进一步地,或代替地,因为液体金属112'的液滴,物体116会在某些环境中反应,所以构建腔室110被控制为是与用于制造的金属兼容的基本上惰性的环境。例如,构建腔室110可包括例如氩气或氮气这样的惰性气体。另外或替换地,构建腔室116可是环境密封的腔室,其可通过真空130或相似装置排空,以提供用于制造的真空环境。
[0123] 通常,三维打印机100可包括控制系统126,所述控制系统126可管理三维打印机100的操作以制造三维物体116。例如,控制系统126可与喷嘴102、进给系统104、机器人系统
106、构建板114、电源118、传感器120和加热器122中的一个或多个电通信。由此,例如,控制系统124可促动机器人系统106,以让喷嘴102沿受控的三维样式运动,且另外或替换地,在喷嘴102和构建板130中的一个或多个沿受控样式运动时,控制系统124可促动进给系统104以让固体金属112朝向进入区域210运动,和促动电源118以控制液体金属112'从喷嘴102的喷射。受控样式可基于例如存储在数据库128中的模型126,用作控制系统124的计算机的本地存储器,或可通过服务器或其他远程资源访问的远程数据库,或可被控制系统124方位的任何其他计算机可读介质中的存储器。在某些实施方式中,控制系统124可响应于用户输入获取模型126,且产生机器准备指令,其用于被三维打印机100执行以制造物体116。更通常地,除非另外说明或从上下文得知,控制系统126可用于根据本文所述的各种不同方法中的任何一个或多个控制三维打印机100的一个或多个部分。
[0124] 图3是通过施加MHD力来打印液体金属的示例性方法300的流程图。应理解,示例性方法300可例如使用本文所述的三维打印机中的任何一个或多个执行,且由此可使用针对图1-2D如上所述的三维打印机100执行。进一步应理解,示例性方法300可在本文所述的其他方法的任何一个或多个以外或代替所述任何一个或多个实施,除非另有说明或从上下文得知。
[0125] 如步骤310所示,示例性方法可包括在流体腔室中提供液体金属。流体腔室可以是本文所述的各种不同流体腔室中的任何一个或多个,且由此通过本文所述的壳体中的任何一个或多个至少部分地限定,且可具有进入区域和排出区域。
[0126] 如步骤320所示,示例性方法可包括将磁场引导通过喷嘴。例如,磁体可定位为与流体腔室足够接近,使得磁体的磁场经过含有液体金属的喷嘴的一部分。
[0127] 如步骤330所示,示例性方法可包括让流体腔室的排出区域以受控样式运动。排出区域可例如通过机器人系统(例如如上针对三维打印机100所述的机器人系统106)的促动而沿受控样式运动。在某些实施方式中,受控样式可以是用于通过液体金属层的连续输送而形成三维物体的三维样式。另外或替换地,受控样式可以是二维样式,例如用于在基板或其他二维表面上形成样式或迹线(trace)。
[0128] 如步骤340所示,示例性方法可包括向进入区域和排出区域之间的流体腔室中的发射腔室中的液体金属传导脉冲电流。脉冲电流可与发射腔室中的磁场交叉,以在发射腔室中的液体金属上施加MHD力,如上所述。具体说,电流的脉冲可与磁场交叉,以将液体金属从排出区域喷射以形成物体(例如三维物体)。通常,脉冲电流的特性可是基于沿受控样式的排出区域的位置。例如,在将液体金属喷射到零件的在构建平面中具有高几何曲率的部分(aspect)上时脉冲频率可较低。类似地,脉冲幅度、持续时间或两者可是基于沿受控样式的排出区域的位置,以基于沿受控样式的位置控制液体金属液滴的尺寸。
[0129] 通常,可以以比设置了发射腔室的流体腔室中的液体金属的共振频率小的频率将脉冲电流传导到发射腔室中的液体金属中。例如,基于本文所述的喷嘴的特征,流体腔室中液体金属的共振频率可大于约20kHz。因而,随排出区域212沿受控样式运动,按照实现与物体制造关联的准确性和速度目标,脉冲电流的频率可在20kHz以下变化。
[0130] 在某些实施方式中,脉冲电流的频率可基于沿受控样式的排出区域的行进速度而变化。由此,例如,在机器人系统让排出区域以较慢的速度运动时,脉冲电流可具有较低的频率,且在机器人系统让排出区域以较高的速度运动时,脉冲电流可具有较高频率。另外或替换地,脉冲电流的频率可基于沿受控样式的排出孔的位置。
[0131] 图4是在脉冲电流模式和直流模式之间控制电流的示例性方法400的流程图,以控制通过MHD力进行液体金属喷射的速率。应理解,通常,脉冲电流模式可造成液体金属的离散液滴的产生。通过比较,直流模式可造成基本上恒定的液体金属流的产生。因此,应理解,脉冲电流和直流之间的切换可有利地提供对使用本文所述的三维打印机中的任何一个或多个进行物体制造的准确性和速度两者的控制。进一步应理解,示例性方法400可在本文所述的其他方法的任何一个或多个以外或代替所述任何一个或多个实施,除非另有说明或从上下文得知。
[0132] 如步骤410所示,示例性方法400可包括在流体腔室中提供液体金属。流体腔室可以是本文所述的流体腔室中的任何一个或多个,且因此可通过壳体限定,且可具有可进入区域和排出区域。
[0133] 如步骤420所示,示例性方法400可包括将磁场引导通过壳体。磁场可被本文所述的磁体中的任何一个或多个引导通过壳体。由此,例如,甚至在液体金属被加热到高温时(例如大于约150℃或与一个或多个磁体的磁性性能的显著恶化有关的更高温度),磁场可被支撑在壳体上且与流体腔室中的液体金属接近的一个或多个磁体引导通过壳体,
[0134] 如步骤430所示,示例性方法400可包括让流体腔室的排出区域以受控样式运动。受控样式例如可基于被制造的物体的模型。由此,例如,在模型被制造为三维物体的情况下,受控样式可以基于物体三维模型的三维样式。
[0135] 对液体金属置放准确性的需求可沿受控样式而变化。例如,在某些情况下,沿被制造物体的边界需要更大的准确程度。因此可通过离散液滴的喷射而获得沿边界区域的必要准确性的实现。更具体地,对例如液滴尺寸、形状、速度、方向和冷却这样的参数的控制可用于在物体的表面上以更大程度的准确性沉积金属。但是,这种准确性通常是以制造物体所需时间为代价的。作为另一例子,远离被制造物体的边界(例如在边界之间限定的物体部分)需要较小程度的准确性。在这些区域,可使用不太耗费时间的技术有利地喷射液体金属,以减少制造物体所需的时间。
[0136] 如步骤440所示,示例性方法400可包括在进入区域和排出区域之间的流体腔室中的限定了至少一部分发射腔室的电极之间输送电流。电流可与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉,以产生足以将液体金属从排出区域喷射的MHD力。
[0137] 如步骤450所示,示例性方法400可包括在脉冲电流和直流之间控制电流,以形成物体。通常,在脉冲电流和直流之间控制电流可基于沿受控样式的排出区域的位置。由此,例如,电流可沿正被形成的物体的边界被控制为脉冲电流和沿正被形成的物体的边界中的偏差(excursion)被控制为直流。脉冲电流和直流之间的这种切换例如可有助于准确控制沿被制造物体的边界的液体金属沉积,同时还有助于远离物体的边界快速制造物体。
[0138] 通常,可根据本文所述的控制脉冲电流的各种方法中的任何一个或多个控制脉冲电流的频率。由此,例如,脉冲电流的频率可小于流体腔室中液体金属的共振频率。进一步地,或代替地,脉冲电流的频率可基于沿受控样式的排出区域的运动速度。在某些实施方式中,在沿受控样式的排出区域的最大速度运动下,脉冲电流的频率可小于20kHz。在一些实施方式中,脉冲电流的频率可基于排出区域212距受控样式边缘的距离。由此,例如,随排出区域212在接近受控样式边缘时减速,脉冲电流的频率因此可减小。
[0139] 从脉冲电流切换到直流可增加从排出区域而来的液体金属的质量流率(mass flow rate)。由此,例如,液体金属在通过向发射腔室中输送直流而产生的MHD力下的排出速率可大于在脉冲电流的最大频率(例如低于流体腔室中液体金属的共振频率的最大频率)下实现的液体金属的最大排出速率。因而,与仅让电流脉冲相比,从脉冲电流切换到直流可有助于以更快的速率沉积液体金属。
[0140] 图5是使用MHD力以形成具有一个或多个多孔特征的零件的示例性方法500的流程图,所述一个或多个多孔特征有助于将零件从零件的支撑结构分离。即,物体可包括零件和零件的支撑结构。示例性方法500可用于在零件和零件的支撑结构之间的一个或多个界面处形成一个或多个多孔特征。在使用中,零件可优先沿一个或多个多孔特征从支撑结构分离。应理解,示例性方法500可在本文所述的其他方法的任何一个或多个以外或代替所述任何一个或多个实施,除非另有说明或从上下文得知。
[0141] 如步骤510所示,示例性方法500可包括在流体腔室中提供液体金属。流体腔室可以是本文所述的流体腔室中的任何一个或多个,且由此可以通过本文所述的壳体中的任何一个或多个部分地限定,且可具有可进入区域和排出区域。
[0142] 如步骤520所示,示例性方法500可包括将磁场引导通过壳体。磁场可被本文所述的磁体中的一个或多个引导到壳体中。
[0143] 如步骤530所示,示例性方法500可包括让流体腔室的排出区域以受控样式运动。受控三维样式例如可对应于具有零件和支撑结构的物体。如在本文使用的,术语“支撑结构”可包括用于在制造期间(包括打印和后处理(例如烧结))对零件的一部分进行支撑的物体的任何部分,且由此支撑结构本身可以是另一零件,使得物体包括多个零件且向物体中引入多孔性可有助于多个零件的分离。
[0144] 如步骤540所示,示例性方法500可包括在电极之间输送电流,所述电极至少部分地限定进入区域和排出区域之间的流体腔室中的发射腔室。电流可与发射腔室中的液体金属中的磁场交叉,以根据本文所述的任何一个或多个方法将液体金属从排出区域喷射。可使用一个或多个脉冲电流或直流输送电流。例如,电流可作为直流输送远离零件与支撑结构或另一零件之间的界面,且电流可沿该界面作为脉冲电流输送。
[0145] 如步骤550所示,示例性方法500可包括控制被制造物体的一个或多个预定部分的多孔性。例如,制造出在构建板上或在作为物体的之前沉积的金属层上的喷射液体金属聚集体的一个或多个预定部分的多孔性。通常,多孔性可被控制为形成支撑结构和零件之间的界面,该界面的多孔性具有比支撑结构和零件的多孔性更高多孔性。例如,支撑结构、界面和零件可用相同材料形成,使得界面处多孔性的改变可限定物体中的最弱点,且由此形成支撑结构与零件的优先分离位置。在某些情况下,界面可以是脆弱的,例如使得通过在界面处施加挤压力和剪切力中的一种或多种,支撑结构和零件可容易地彼此分离。在某些情况下,足够的分离力可作为手动力、通过手动工具(例如钳子)施加的力或其组合提供。
[0146] 控制一个或多个预定部分的多孔性例如可包括改变从流体腔室的排出区域喷射的液体金属液滴的速度。作为例子,可通过以比与形成支撑结构和零件中之一或两者关联的速度更低的速度将液体金属从排出孔喷射而形成界面。通常,以较低速度喷射的液体金属将不会如以较高速度喷射的液体金属那样完全穿透目标材料。这种有限的穿透会造成增加的多孔性,这在形成用于将零件从支撑结构或另一零件分离的界面的情况下是有利的。
[0147] 通常,从流体腔室的排出区域喷射的液体金属液滴的速度是用于形成相应液滴的脉冲幅度和持续时间的函数。因而,控制多孔性可包括改变沿界面的脉冲幅度和持续时间中的至少一个。例如,与用于远离界面形成物体的脉冲幅度相比,可通过使用较小幅度的脉冲所喷射的液体金属液滴形成该界面。例如可通过改变脉冲幅度和持续时间中的一个或多个而控制从排出区域喷射的液体金属的速度。
[0148] 另外或替换地,控制一个或多个预定部分的多孔性可包括改变从排出区域喷射的液体金属的温度。例如,与在较高温度下喷射的液体金属液滴在目标表面上凝固相比,在较低温度下喷射的液体金属液滴可更容易地凝固在目标表面上。由此,在较低温度下喷射的液体金属液滴趋于在目标表面铺展得更少,且由此可形成多孔性增加的区域。因而,在某些实施方式中,控制一个或多个预定部分的多孔性可包括降低流体腔室中液体金属的温度。
[0149] 图6是使用MHD力以将流体腔室中的静止液体金属的弯液面向回拉动的示例性方法600的流程图。应理解,示例性方法600可在本文所述的其他方法的任何一个或多个以外或代替所述任何一个或多个实施,除非另有说明或从上下文得知。
[0150] 如步骤610所示,示例性方法600可包括在流体腔室中提供液体金属。流体腔室例如可以是本文所述的流体腔室中的任何一个或多个,且因此可通过本文所述的壳体中的任何一个或多个限定,且可具有进入区域和排出区域。
[0151] 如步骤620所示,示例性方法600可包括将磁场引导通过壳体。磁场可通过本文所述的磁体中的任何一个或多个引导进入壳体。
[0152] 如步骤630所示,示例性方法600可包括将第一电流输送到静止状态下的、壳体中的液体金属中。如在本文使用的壳体中液体金属的静止状态可包括从壳体的排出部分而来的液体金属喷射之间的液体金属状态,且由此可包括弯液面附接到壳体的排出部分(例如附接到排出部分喉部中的排出部分或附接到排出部分的排出孔且略微延伸到壳体以外)的液体金属状态。
[0153] 第一电流可被沿形成MHD力(其在液体金属上施加拉回力)的方向且沿与液体金属中的磁场交叉的方向引导。例如,在磁场恒定的实施方式中,第一电流可具有与在液体金属上产生喷射力的极性相反的极性。因为电流和磁场的相互作用遵循右手定则,应理解沿与喷射力相关的极性相反的方向引导第一电流将产生MHD力,该MHD力基本上与喷射力相反,且因此可向回拉动液体金属。
[0154] 施加在液体金属上的拉回力的量是第一电流的幅值的函数。通常,拉回力足以克服流体腔室中的静止液体金属的压头(pressure head),以让新月形部运动,而不会让液体金属显著运动。由此,通常,拉回力显著小于喷射液体金属所需的力。因而,相对于用于让液体金属从排出区域喷射的电流的幅值,第一电流的幅值通常较小。例如,第一电流可具有的幅值大于约1安培且小于约100安培(例如约2安培到约20安培)。
[0155] 图7A和7B是一系列示意性显示,将在拉回力P施加到弯液面702时喷嘴706的静止液体金属704的弯液面702的位置进行了比较。应理解,拉回力P例如可以是通过图6中的步骤630的第一电流产生的拉回力。
[0156] 如图7A所示,在没有拉回力时,弯液面702可被推到喷嘴706的排出部分708以外。弯液面702可通过弯液面上方的静止液体金属704的重量所形成的压力而延伸到排出部分
708以外。在没有施加拉回力时,一些液体金属704可在某些情况下迁移到喷嘴706以外并迁移到喷嘴706的底表面710上。这种迁移会与液体金属704的液滴的随后喷射相干扰(例如通过形成尺寸比预期更大的液滴)。因而,应理解降低静止液体金属704迁移到底表面710上的可能性可有利地改善可从喷嘴706输送的液滴的准确性。
[0157] 如图7B所示,拉回力P可沿远离底表面710的方向推动弯液面702。因而,拉回力P可降低弯液面702迁移到底表面710上的可能性。事实上,如果一些液体金属704积聚在底表面710上(例如来自错误的液滴),通过拉回力P建立的负压力会从底表面710将液体金属704吸到喷嘴706的排出部分708中。
[0158] 例如,排出部分708可包括喉部712和排出孔712。拉回力P可足以保持静止状态下的液体金属的弯液面702附接到喷嘴706的排出部分708。在某些实施方式中,拉回力P可将弯液面702拉动到排出部分712的喉部712中。另外或替换地,拉回力P可保持弯液面702附接到排出孔712。
[0159] 再次参见图6,如步骤640所示,方法600可包括选择性地将第二电流输送到液体金属中。第二电流可与液体金属中的磁场交叉,以在液体金属上施加发射力,以从排出区域喷射液体金属。由此,例如,在喷嘴的排出区域沿受控样式运动(例如受控的三维样式)时第二电流可选择性地输送到液体金属中。例如,第二电流可沿不到受控样式的全部被输送到液体流中,使得在排出区域沿受控样式运动时第二电流周期性地中断。更通常地,第二电流可根据本文所述的各种不同方法中的任何一个或多个被引导到液体金属。因而,第二电流可至少基于排出孔沿受控样式的位置而变化。另外或替换地,第二电流可包括脉冲电流、直电流或其组合。在第二电流包括脉冲电流的情况下,根据本文所述的各种不同方法中的任何一个或多个,沿进给路径输送第二电流到液体金属可包括在进给路径中向液体金属传导发射脉冲和在进给路径中向液体金属传导拉回脉冲(例如在发射脉冲之前、发射脉冲之后或两种情况都有)。
[0160] 根据本文所述的各种不同方法中的任何一个或多个,第二电流可在电极之间选择性地输送到液体金属,所述电极限定了进入区域和排出区域之间的流体腔室中的发射腔室。在某些情况下,可针对电极之间的液体金属输送第一电流。由此,更通常地,第一电流和第二电流可沿相同路径输送到液体金属中。
[0161] 在某些实施方式中,第一电流可连续施加到液体金属而第二电流可叠加至第一电流。因为第二电流的幅值大于第一电流,所以发生液体金属的期望喷射。因为第一电流连续施加,所以弯液面将在第二电流的脉冲之间被向回拉动(例如图7B所示)。尽管第一电流已经被描述为连续施加到液体金属,但是应理解,在某些实施方式中,第一电流可在第二电流的喷射脉冲期间关闭并在第二电流的喷射脉冲之后立即又被打开。
[0162] 图8是示例性方法800的流程图,其使用MHD力以让静止液体金属的弯液面在喷嘴的排出区域中弹跳(bounce)。应理解,示例性方法800可在本文所述的其他方法的任何一个或多个以外或代替所述任何一个或多个实施,除非另有说明或从上下文得知。
[0163] 如步骤810所示,方法800可包括在流体腔室中提供液体金属。流体腔室可以是本文所述的流体腔室中的任何一个或多个,且因此可通过壳体至少部分地限定,且可具有可进入区域和排出区域。
[0164] 如步骤820所示,方法800可包括将磁场引导通过壳体。例如使用本文所述的磁体中的任何一个或多个,磁场可被引导通过壳体。
[0165] 如步骤830所示,方法800可包括将第一电流输送到流体腔室的发射腔室中且在进入区域和排出区域之间的液体金属。通常,第一电流可包括与液体金属中的磁场交叉的波动电流,以在附接到排出区域的弯液面上施加脉动力。如在本文使用的,波动电流应理解为包括大致正弦电流、脉冲电流或其组合。响应于弯液面上的脉动力,弯液面可弹跳,即,交替地使得弯液面弯曲(deflect)且随后松弛。例如,排出区域可包括排出孔和喉部,且弯液面可附接到喉部和排出孔中的一个或多个,且在该位置,弯液面可响应于第一电流而经历交替弯曲。
[0166] 液体金属甚至可通过与微量氧气和有时存在于大气中的蒸汽起反应而构建出金属氧化物皮。这些金属氧化物通常较强且一旦厚度足够,则会如期望那样干扰喷射(例如防止喷射发生)。然而,这些氧化物皮也十分易碎。因而,弯液面响应于第一电流的弹跳可有助于保持液体金属的表面处于弯液面挠曲状态(例如通过引起膜中的裂纹),且由此降低膜的存在使得液滴的按要求喷射停止的可能性。
[0167] 可在宽频率范围(例如弯液面可做出响应的频率范围)输送第一电流。在某些实施方式中,通过第一电流产生的震荡可保持低于流体腔室中液体金属的第一共振频率,使得可保持对脉冲的充分控制。然而,在期望使用小电流以在弯液面中激励震荡的实施方式中,只要是在流体腔室中液体金属的共振频率处或附近,就可以输送第一电流。在典型的应用中,震荡幅度可大于流体腔室的排出孔直径的约百分之1且小于其约百分之50(例如大于约百分之5且小于约百分之25)。
[0168] 在一些情况下,方法800可进一步包括经过排出区域喷射液体金属,以从排出区域清除弯液面。液体金属经过排出区域的这种喷射例如可远离零件实现。通常,应理解液体金属经过排出区域的这种喷射可用于刷新弯液面,尤其是在弯液面已经长时间存在于排出区域的情况下。在某些情况下,液体金属可从排出区域喷射并经过预定时间段。
[0169] 如步骤840所示,方法800可进一步包括在发射部将第二电流输送到液体金属。第二液体金属可与液体金属中的磁场交叉,以经过排出区域喷射液体金属,以形成物体。应理解,第二电流可包括与第一电流的脉冲电流不同(例如大许多)的脉冲电流。因为第二电流被输送以喷射液体金属以形成物体,所以应进一步理解,根据本文所述的各种不同方法中的任何一个或多个,第二电流可基于排出区域沿受控样式(例如三维样式)的位置而输送到液体金属。由此,例如且非限制性地,向发射腔室中的液体金属输送第二电流可包括至少部分地基于排出孔沿受控样式的位置在脉冲电流和直电流之间切换。
[0170] 第一电流可在输送第二电流之前停止一段短时间。在该短时间期间,通过第一电流在弯液面中引起的震荡可在响应于第二电流而喷射第一液滴之前衰减。由此,更通常地,在物体制造期间,在输送第二电流之前短时间停止第一电流可降低第一电流与液体金属的第一喷射干扰或与液体金属的随后喷射干扰的可能性。此外,或替换地,在与流体腔室关联的打印头不主动打印时(例如在打印头在被制造物体的一些方面之间运动或在打印头等待新的层开始时),第一电流可输送到弯液面。
[0171] 尽管已经描述了某些实施方式,但是其他实施方式可以另外地或替换地实施。
[0172] 例如,尽管已经描述了与从进入区域去除碎屑的某些方面有关的装置、系统、和方法,但是可以另外或替换地使用碎屑去除的其他装置、系统、和方法。例如,如图9所示,喷嘴900可包括壳体902,该壳体902限定了具有进入区域906和排出区域908的流体腔室904的至少一部分。喷嘴900可包括沿流体腔室904设置的过滤器910。通常,过滤器910可用作作为最后手段的过滤器,降低物体制造期间碎屑到达排出区域908且被喷射的可能性。由此,过滤器910可与排出区域904间隔开。作为例子,过滤器910可沿进入区域906设置。通常,过滤器
910可包括多孔结构,该多孔结构用能承受与过滤器910接触的熔化金属的温度的材料形成。在某些实施方式中,与没有过滤器的相同流体腔室相比,例如通过吸收在流体腔室904中运动的声脉冲的能量,过滤器910可有利地减小流体腔室904的共振振动。
[0173] 现在参见图10,喷嘴1000可包括壳体1002,该壳体1002限定具有进入区域1006和排出区域1008的流体腔室1004的至少一部分。沿进入区域1006,壳体1002可包括从壳体1002沿远离流体腔室1004的方向延伸的通道(chimney)1010。通道1010例如可沿中降低沿进入区域1006的液体金属的弯液面将限定了进入区域1006的壳体的外表面润湿的可能性。
由此,例如,通过降低沿壳体1002的润湿,通道1008可降低对壳体1002上携带的部件(例如加热器1012)造成损坏的可能性。
[0174] 作为另一例子,尽管喷嘴已经被描述为包括经液体冷却的磁体,但是另外地或替换地可以使用其他实施方式。例如,现在参见图11,喷嘴1100可包括一个或多个磁体1102、热沉器1104和风扇1106。风扇1106可定位为在热沉器1004上方引导空气,以通过强制空气对流将热量携带离开一个或多个磁体1102。
[0175] 作为另一例子,尽管喷嘴已经被描述为包括限定了流体腔室且被携带在陶瓷壳体中的金属电极,但是可以另外或替换地使用其他实施方式。例如,现在参见图12,喷嘴1200可包括与壳体1204的一部分整体地形成的电极1202,所述电极1202限定流体腔室1206的至少一部分(例如远离排出孔1208的流体腔室的一部分)。流体腔室1206可具有进入区域1210和排出区域1212。与电极1202整体地形成的壳体部分应该被理解为金属材料。
[0176] 如在本文使用的,“整体”包括用单件材料形成的部件,例如材料的固体图块或杆,且由此用相同类型的材料形成。例如,壳体电极1202和壳体1204可与杆整体地形成(例如具有通用标准尺寸的杆),使得电流可沿杆沿轴向方向传导且磁场可被径向传导通过杆。通常,可通过从整体形成的电极1202和壳体1204去除材料(例如钻出通孔)形成流体腔室1206。让电极1202和壳体1204整体形成例如可有利地用于以低热质量(thermal mass)制造喷嘴1200,其可用于准确地控制流体腔室1206中液体金属的温度。另外或替换地,让电极
1202和壳体1204整体形成可用于让一个或多个磁体定位为靠近流体腔室1206中的液体金属,使得进给路径中的磁场强度足够强,以用于形成MHD力,以从排出孔1214喷射液体金属。
进一步地,或代替地,让电极1202和壳体1204整体形成可减少不同材料之间界面的数量,这在与喷射某些类型液体金属有关的高温下存在困难。
[0177] 因为电极1202与壳体1204的一部分整体形成,所以通过电极1202形成的发射腔室1218可基本上在排出区域1212附近,且具体是基本上在排出孔1214附近。如上所述,在基本上在排出区域1212附近的点处将电流输送到流体腔室1206中可有助于形成更短的流体腔室1206,这又可增加共振频率。由此,让电极1202与壳体1204的一部分整体形成对于在更高频率下喷射液体金属液滴具有某些优点。通常,在喷嘴的壳体用金属形成的实施方式中,让液体金属和壳体之间的电阻率匹配对于降低来自电极的电流围绕流动腔室中的液体金属流动的可能性来说是至关重要的。由此,在喷嘴1200的例子中,应理解,壳体1204的金属的电阻率有利地与流体腔室1206中的液体金属的电阻率基本上匹配。在电极1202和壳体1204的一部分整体形成的实施方式中,进一步应理解,形成电极1202和壳体1204的材料具有的熔点大于要从流体腔室1206喷射的液体金属的熔点。由此,例如,在液体金属为铝或铝合金的实施方式中,形成电极1202和壳体1204的材料可以是钽或铌,其每一个具有的熔点比铝或铝合金更高,其每一个具有基本上类似于铝和其合金的电阻率,且其每一个与熔化的铝具有弱反应性。
[0178] 在壳体1204的至少一部分和电极1202用金属整体形成的情况下,包括在喷嘴中存在陶瓷插入物的情况,电流可流动通过限定了发射腔室1218的金属侧壁,以及流动通过发射腔室1218中流动的液体金属。在这种情况下,流动通过壳体1204的金属侧壁的电流部分不对形成用于获得MHD的压力(以用于液体金属喷射)有贡献。因而,在某些实施方式中,有利的是沿平行于运动通过发射腔室1206的磁场(例如根据本文所述的装置、系统、和方法中的任何一个或多个形成的磁场)的方向将壳体1204的侧壁制造得尽可能薄,以减小可流动到发射腔室1218以外的电流量。
[0179] 进一步有利的是让液体金属与限定了发射腔室的壳体1204和电极1202的一些部分的电阻率尽可能接近地匹配。在理想情况下,其中这些电阻率理想匹配,电流将均匀流动通过发射腔室1218,而不管发射腔室1218的形状如何。例如,如果流体腔室1206和发射腔室1218是圆柱形的(例如可有助于喷嘴1200的制造),则电流将沿与圆柱形形状的轴线垂直的方向流动。但是,如果限定了流体腔室1206和发射腔室1218的壳体1204和的电极1202的材料的电阻率比液体金属的电阻率更高,则在电流流经发射腔室1218时,电流将趋于朝向发射腔室1218的中心流动,这会因允许一些能量作为流体涡流消散(由于非均匀电流的非均匀的泵送作用(pumping action))而降低用于喷射液体金属的MHD的有效性。涡流降低这种MHD有效性降低的可能性,发射腔室1218的截面可以是矩形的,而不是圆形的。这种矩形截面可通过至少让电阻没有差异(不管经过发射腔室1218的电极1202之间的电流路径如何)而用于降低液体金属和限定了发射腔室1218的金属之间电阻率的任何失配的影响。
[0180] 在某些情况下,形成电极的与给定喷嘴中液体金属兼容的材料可能是昂贵的。此外或代替地,在喷嘴中使用材料的组合例如可用于有利地利用材料性能(例如电阻率、热导率、化学反应性等)的组合。由此,更通常地,可有用地用于将金属与本发明的喷嘴中的其他类型材料组合。
[0181] 返回到喷嘴1200的例子,限定了排出孔1214的排出区域1212的一部分可用陶瓷插入物1216形成,该陶瓷插入物1216沿排出区域1212被壳体1204支撑。陶瓷插入物1216例如可用矾土、蓝宝石、红宝石、氮化铝、碳化铝、氮化硅、硅铝氧氮聚合材料和碳化硼中的一种或多种形成。陶瓷插入物1216可用于在液体金属从喷嘴1200喷射时承受磨损。即,在某些情况下,陶瓷插入物1216的材料可比限定了流体腔室1206的材料更好地承受磨损,由此针对喷嘴1200的长时间使用提供一定的优点。即,壳体1204和/或电极1202的材料可用相对于流体腔室1206中的液体金属基本上惰性的金属形成,但是对于限定排出孔来说可以不足够惰性,因为以高速流动经过排出孔的大量液体金属会放大金属的不完全惰性(incomplete inertness)。因而,排出孔1214可有利地通过陶瓷插入物1216限定。尽管排出孔1214已经被描述为通过陶瓷插入物1216限定,但是应理解,在某些情况下,陶瓷插入物1216可被省略且排出孔1214可通过壳体1204的金属材料形成。现在参见图13,喷嘴1300可包括壳体1302且限定了流体腔室1306的至少一部分的衬里1304。壳体1302例如可用陶瓷材料形成。用于形成壳体1302的陶瓷材料的例子包括一氮化钛、氮化钛铝、碳化钛、矾土和碳氮化钛中的一种或多种。形成衬里1304的金属材料有利地是与要从喷嘴1300喷射的液体金属兼容的金属,且由此例如可以是本文所述的各种不同电极材料中的任何一种。应理解,相比于与壳体整体形成的电极,衬里1304可使用更少的给定材料形成。在形成衬里1304的材料很昂贵的情况下,使用更少的金属材料可以是尤其有利的。例如,电极1308可联接到衬里1304以向衬里1304输送电流,且在某些情况下,电极1308可用比形成衬里1304的材料更便宜的材料形成。
[0182] 在某些实施方式中,电极1304可镀到壳体1302的材料上例如,可沿壳体1302的全部或一部分(例如沿流体腔室1306的全部或一部分)镀出电极1304。进一步地,或代替地,电极1304可通过本领域已知的任何一种或多种金属沉积技术施加到壳体1302。
[0183] 现在参见图14,喷嘴1400可包括电极部分1402和壳体部分1404。通常,电极部分1402和壳体部分1404可用不同材料(例如不同金属)形成。作为具体例子,电极部分1402可用第一材料形成,该第一材料满足与要被喷射的液体金属接触的相对惰性和热稳定性的需求。取决于要被喷射的液体金属,满足这些需求的第一材料的选择可能相对昂贵。例如,在液体金属为铝或铝合金的情况下,钽适用于用作第一材料。然而,相对于其他类型的金属,钽昂贵。由此,更通常地,期望的是将电极部分1402形成为适用于接触液体金属的第一材料的小工件,且另外或替换地,将壳体部分1404形成为较大工件(例如用于支撑与喷嘴1400关联的辅助部件,例如筒式加热器(cartridge heater)1406)。壳体部分1404的第二材料可用在液体金属的温度下满足热稳定性的材料形成。然而,因为壳体部分1404不接触液体金属,所以适用于第二材料的材料可比适用于第一材料的材料更便宜。返回电极部分1402的第一材料用钽形成的例子,壳体部分1404的第二材料例如用形成。通常,电极部分1402和壳体部分1404可通过本领域已知的熔焊和钎焊彼此连结。
[0184] 现在参见图15,喷嘴1500可包括壳体1502,该壳体1502限定了在进入区域1506和排出区域1508之间延伸的流体腔室1504的至少一部分。电极1510限定了在进入区域1506和排出区域1508之间在流体腔室1504中的发射腔室1512的至少一部分。在某些情况下,喷嘴1500可以全金属构造,使得壳体1502和电极1510用金属形成(例如相同金属,例如整体结构的一部分)。排出区域1508可具有喉部1514以及与喉部1514和流体腔室1504流体连通的排出孔1516,使得在使用中,液体金属经由喉部1514从流体腔室1504运动通过排出孔1516。排出孔1516例如可通过壳体1502的外表面1518限定。喉部1514例如可以是大致圆柱形的,且喉部1514的直径可大致等于排出孔1516的直径。
[0185] 在使用中,排出孔1516可被设置在流体腔室1504中的液体金属润湿。排出孔1516处的这种润湿可改善对从排出孔喷射液体金属的控制。然而,在某些情况下,以此方式润湿排出孔1516会增加液体金属不利地延伸超过排出孔的风险(例如沿壳体1502的外表面1518),这本身会与对液体金属喷射的控制干扰。例如,沿壳体的外表面1518润湿的液体金属会粘附到正从排出孔1516喷射的液体金属液滴,且由此产生大于期望的较大液滴。因而,喷嘴1500可进一步或代替地包括沿壳体1502的外表面(例如沿限定了排出孔1516的壳体
1502的外表面的一部分)的膜1520。膜1520可用于将液体金属的润湿限制为针对排出区域
1516中的期望表面。
[0186] 膜1520可以相对于被沿发射腔室1512(其至少部分地被电极1510限定)稳定支撑的液体金属是基本上不润湿的(例如具有大于约90度的润湿角度)。如在本文使用的,可稳定支撑在发射腔室1512中的液体金属应该被理解为包括可沿发射腔室1512支撑的液体金属,而不将电极1510修改为对向发射腔室1512输送电流造成显著恶化的程度。通过非限制性的例子,在熔化形式的铝、铝合金或焊剂被支撑在流体腔室1504中以用于通过排出孔1516喷射的情况下,膜1520可相对于熔化形式的铝、铝合金或焊剂是基本上非润湿的,或焊剂和电极1510可具有的熔化温度大于铝、铝合金、或焊剂的熔化温度,且相对于铝、铝合金、或焊剂保持基本上以化学惰性。由此,更通常地,膜1520的材料的选择可以与电极1510的材料的选择有关,至少是因为每一种材料必须在液体金属存在时具有一定的性能,以用于针对液体金属的喷射适当操作喷嘴1400(例如用于在发射腔室中赋予MHD力,以通过排出孔
1516喷射液体金属,而不会显著润湿壳体1502的外表面1518)。
[0187] 在某些实施方式中,喉部1514相对于可稳定支撑在发射腔室中的液体金属是可润湿的。由此,稳定支撑在发射腔室1504中的液体金属与膜1520的接触角大于与限定了喉部1514的壳体1502的材料的接触角。作为例子,膜可包括材料的至少一种成分的氧化物,该材料形成了限定喉部的壳体1502的所述部分。由此,例如,在壳体用钽形成的情况下,膜可包括氧化钽。作为另一例子,在壳体用钢形成的情况下,膜可包括氧化铬或钢的其他成分的氧化物。
[0188] 因此,在使用中,液体金属可润湿该喉部1514(例如根据本文所述的方法中的任何一个或多个让电流脉冲流过发射腔室1504时,而膜1520保持不润湿。润湿该喉部1514例如可用于准确地以高速喷射液体金属液滴。例如,润湿该喉部1514可在在液体金属液滴喷射期间液体金属被驱动通过喉部1514时降低可能干扰液滴形成的环境气体(例如空气、氮气、氩气等)存在于喉部1514中的可能性。由此,通常,润湿该喉部1514可有助于电流在更高频率下形成脉冲,这可有助于从喷嘴1400以更快速速率喷射液滴,如与液体金属在喉部中不润湿的喷嘴相比。
[0189] 膜1520可通过各种不同方法中的任何一种被支撑在壳体1502的外表面上。在某些情况下,膜可以是施加到壳体1502的外表面的单独材料。另外或替换地,膜1520可与壳体1502的外表面1518整体形成。膜1520和壳体1502的这种整体形成可用于降低操作期间膜
1520和壳体1502之间分离的可能性。进一步地,或代替地,膜1520可通过使得壳体1502的外表面1518的材料氧化而在壳体1502的外表面1518上生长(例如通过让钽或钢氧化)。又进一步或代替地,膜1520可通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和本领域已知的其他方法沉积在壳体1502的外表面1518上。
[0190] 作为另一例子,尽管已经描述了通过各种不同的冷却形式在电极中形成温度梯度,但是另外地或替换地可以使用其他实施方式。例如,参见图16,喷嘴1600可包括壳体1602和电极1604。壳体1602可限定具有进入区域1608和排出区域1610的流体腔室1606的至少一部分。电极1604可限定流体腔室1606中的发射腔室1612的至少一部分。在使用中,液体金属1614设置在流体腔室1504中。通常,与液体金属1614接触的电极1604的材料可用与相同的材料或基本上相同的材料形成,且由此更具体地,液体金属1614和电极1604之间的界面1616可以是材料的熔化形成。通常,喷嘴1600的操作可类似于如上针对图1和2A-D所述的喷嘴102的操作,除非另有描述或从上下文得知。
[0191] 壳体1602可在电极1604的相应外部部分1620和发射腔室1612之间限定颈部区域1618。具体说,与发射腔室1612和电极1604的每一个外部部分1620相比,颈部区域1616可具有减少的截面面积。在某些情况下,电极1604的材料的热导率可比形成壳体1602的材料高得多(例如在电极1604用金属形成且壳体1602用陶瓷材料形成的情况下)。在这种情况下,沿壳体的颈部区域1618减少电极1604的截面面积可有助于沿每一个相应电极1604建立显著的温度梯度。这种显著的温度梯度例如可用于控制每一个电极1604和液体金属1614之间相应界面1616的位置。另外或替换地,电极1604的减小截面面积可有助于降低在发射腔室
1612中由于区域中非均匀的磁场或非均匀的电流流动而形成流体涡流的可能性。
[0192] 现在参见图17,喷嘴1700可包括壳体1702和电极1704。壳体1702可限定流体腔室1706的至少一部分,且电极1704可限定流体腔室1706中发射腔室1708的至少一部分。壳体
1702可包括具有减少截面面积的颈部区域1710。颈部区域1710的减少截面面积可延伸穿过发射腔室1708。壳体1702的截面面积可遵循电极1704的截面,例如包括沿颈部区域1710。与图16的喷嘴1600相比,应理解喷嘴1700可有助于具有更短长度的流体腔室1706的形成,这可有利地增加与流体腔室1706关联的共振频率。由此,更通常地,喷嘴1700可有助于形成更短的流体腔室,且因此可有助于以更高频率喷射液体金属而不激励共振频率。
[0193] 现在参见图18,喷嘴1800可包括壳体1802和电极1804。壳体1802可限定流体腔室1806的至少一部分,且电极1804可限定流体腔室1806中发射腔室(firing chamber)1808的至少一部分。壳体1802可包括颈部部分1810。电极1804、颈部部分1810和发射腔室1808的相应最大高度每一个可彼此不同。
[0194] 上述系统、装置、方法、过程等可以由适用于具体应用的硬件软件或其任何组合实现。硬件可以包括通常目的计算机和/或专用计算装置。这包括在一个或多个微处理器微控制器、嵌入式微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程装置或处理电路以及内部和/或外部存储器实现。这也可以包括或代替地包括一个或多个专用集成电路、可编程阵列、可编程阵列逻辑部件、或可以配置为处理电子信号的任何其他一个或多个装置。进一步应理解,如上所述过程或装置的实现可以包括计算机可执行代码,其使用例如C这样的结构化程序设计语言创建,例如C++这样的向对象语言创建,或任何其他高级或低级设计语言创建(包括汇编语言、硬件描述语言、和数据库设计语言和技术),其可以被存储、编译或解译,以在上述装置中之一、以及处理器的异构组合、处理器架构、不同硬件和软件的组合上运行。在另一方面,该方法可以实施在执行步骤的系统中,且可以以多种方式跨经装置分布。同时,处理可以跨经装置分布,例如如上所述的各种系统,或所有功能可以整合到专用、独立装置或其他硬件中。在另一方面,用于执行与如上所述过程关联的步骤的器件可以包括如上所述的任何硬件和/或软件。所有这种排列和组合目的是落入本发明的范围。
[0195] 本文公开的实施例可以包括计算机程序产品,包括计算机可执行代码或计算机可用代码,其在一个或多个计算装置上执行时执行其任何和/或所有步骤。代码可以以非瞬时的方式存储在计算机存储器中,且可以是存储器,从该存储器执行程序(例如与处理器关联的随机访问存储器),或可以是存储装置,例如驱动盘、闪速存储器或任何其他光学、电磁、磁性、红外或其他装置或装置组合。在另一方面,如上所述的任何系统和方法可以以任何合适的传递或传播介质携带的计算机可执行代码和/或来自其的任何输入或输出实施。
[0196] 本文所述的实施方式的方法步骤目的是包括使得这种方法步骤被执行的任何合适的方法,与权利要求的可专利性一致,除非不同的意义被明确给出或从上下文清楚得知。因此,例如执行X步骤包括用于使得另一方(例如远程用户、远程处理资源(例如服务器或计算机)或机器执行X步骤的任何合适方法。类似地,执行步骤X、Y和Z可以包括引导或控制这种其他个体或资源的任何组合的任何方法,以执行步骤X、Y和Z,以获得这种步骤的优点。
由此,本文所述的实施方式的方法步骤目的是包括任何合适的方法,其使得一方或多方或实体执行步骤,与权利要求的可专利性一致,除非不同的意义被明确给出或从上下文清楚得知。这些方或实体不需要得到其他方或实体的指导或控制且不需要位于具体的管辖权内。
[0197] 应理解如上所述的方法和系统通过例子给出且不是限制性的。本领域技术人员可以理解许多变化、添加、省略和其他修改。若无明确的相反描述,公开的步骤可以改变、补充、省略和/或重新安排顺序,而不脱离本发明的范围。此外,说明书和附图中的方法步骤的顺序或展示目的是要求执行所述步骤的顺序,除非具体顺序被明确需要或从上下文清楚得知。由此,尽管已经显示和描述了具体实施例,但是本领域技术人员应理解,各种形式和细节的改变和修改可以在不脱离本发明精神和范围的情况下做出,且目的是形成权利要求限定的本发明的一部分,其应在法律允许的范围内被解读。
高效检索全球专利

专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台,是提供专利分析,专利查询,专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。

我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据,免费查、免费专利分析。

申请试用

分析报告

专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析,涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度,系统通过AI智能系统对图表进行解读,只需1分钟,一键生成行业专利分析报告。

申请试用

QQ群二维码
意见反馈