本发明属于热熔金属微液滴喷射领域，尤其是涉及一种基于压电微喷的热熔金属微液滴直接按需打印机构。

背景技术：

目前热熔金属微液滴喷射打印技术在金属零件微小缺陷修补，微型复杂金属结构件打印成型，以及电子元器件管脚焊接等方面有很好的应用前景。现有均匀熔融金属束流喷射沉积技术对所喷出连续流体进行精准控制的方法相对复杂，较难实现按需喷射，一般用于高频连续喷射沉积制造；另外，现有基于气动驱动的熔融金属液滴喷射方式受气体的可压缩性限制，具有控制效果差、喷射精度低、结构复杂和响应慢的不足。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于压电微喷的热熔金属微液滴直接按需打印机构，本发明可以实现热熔金属微液滴的直接打印喷射，结构简单紧凑，无需背压系统，仅依靠重力作用使熔融金属沿着供液通道持续流入腔体，所喷射的热熔金属微液滴形状规则，出口速度、体积可控，可以解决现有基于激光选择烧结的金属增材制造工艺复杂、材料利用率低的问题和基于气动的熔融金属液滴打印方式精度低、结构复杂和响应慢的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于压电微喷的热熔金属微液滴直接按需打印机构，包括基座、柔性位移放大机构、压电叠堆、导向压紧块、推杆、刚性压紧环、热熔腔体结构和弹性膜片，所述的柔性位移放大机构和热熔腔体结构均固定在基座上，在所述热熔腔体结构的中心处开设有锥形腔体，且锥形腔体的开口朝向柔性位移放大机构的输出端布置，在热熔腔体结构的上壁面开设有进料孔，在热熔腔体结构内开设有连通槽道，所述的进料孔通过连通槽道与锥形腔体连通，在锥形腔体的尖端处开有喷射微孔，所述的导向压紧块一端抵在压电叠堆上，另一端通过预紧螺钉固定在柔性位移放大机构上，所述的压电叠堆与柔性位移放大机构的输入端相连，所述的推杆的一端与柔性位移放大机构的输出端连接，另一端与弹性膜片连接，所述的刚性压紧环压紧弹性膜片覆盖在锥形腔体的开口处形成封闭腔体。

进一步的，所述柔性位移放大机构包括布置在同一水平面内的第一横向杆、第二横向杆、纵向杆、输出杆和输入槽，所述第一横向杆、第二横向杆和纵向杆均各设置两个，且两个第一横向杆同一直线布置，两个第二横向杆同一直线布置，所述第一横向杆和第二横向杆平行布置，两个纵向杆平行布置；

两个纵向杆位于第一横向杆和第二横向杆之间，所述输入槽位于两个第一横向杆之间，且通过铰链与两个第一横向杆的相邻端连接，两个第一横向杆的另一端分别与相对应的纵向杆的一端通过铰链连接，所述输出杆位于两个第二横向杆之间，且通过铰链与两个第二横向杆的相邻端连接，两个第二横向杆的另一端分别与相对应的纵向杆的另一端通过铰链连接，两个第一横向杆通过一第一安装座与基座连接，每个第二横向杆通过一个第二安装座与基座连接，且横向杆与各自的安装座之间通过铰链连接，所述压电叠堆和导向压紧块设置在输入槽与第一安装座之间形成的容纳空间内，且所述导向压紧块通过预紧螺钉固定在第一安装座上。

进一步的，所述连通槽道包括正l型槽道和倒l型槽道，且正l型槽道的水平部分和倒l型槽道的水平部分连通。

进一步的，在所述热熔腔体结构上围绕锥形腔体布置有多个加热槽道，且在加热槽道上插入电热棒，在锥形腔体的外围均匀布置多个用于刚性压紧环与热熔腔体之间的螺栓紧固连接的连接孔，在热熔腔体结构的底部开有用于布置与基座紧固连接的螺栓通孔。

进一步的，所述推杆一端设有外螺纹，另一端设有内螺纹，推杆的外螺纹与柔性位移放大机构的输出杆的输出端连接并通过推杆紧固螺母紧固，推杆的内螺纹与弹性膜片通过推杆连接螺钉连接紧固。

进一步的，在所述基座上设有安装定位柔性位移放大机构的第一限位台阶和第二限位台阶及安装定位热熔腔体结构的第三限位台阶，所述第一限位台阶和第二限位台阶上均开设有与相应的安装座对应的安装圆孔，所述第三限位台阶上开设有连接热熔腔体结构的安装长圆孔。

进一步的，每个限位台阶均包括竖直限位面和水平定位面，第一限位台阶的水平定位面和第二限位台阶的水平定位面位于同一水平面内，第三限位台阶的水平定位面低于第一限位台阶的水平定位面设置，柔性位移放大机构的第一安装座端面与第一限位台阶的竖直限位面接触配合，柔性位移放大机构的第二安装座端面与第二限位台阶的竖直限位面接触配合，在第一限位台阶的水平定位面上和第二限位台阶的水平定位面上均开设两个安装圆孔，在第三限位台阶的水平定位面上开设两个安装长圆孔。

进一步的，在第一安装座上开有导向槽，第一安装座的端面设有与导向槽连通的螺纹孔，预紧螺钉旋入螺纹孔后经导向槽进入导向压紧块内的凹槽并与凹槽端面接触配合，导向压紧块的外端面与压电叠堆的端面接触配合。

进一步的，在弹性膜片的中心开设圆通孔，推杆联接螺钉贯穿圆通孔与推杆连接，在弹性膜片的周向和刚性压紧环的周向上都均匀布置多个通孔，且弹性膜片上的通孔与刚性压紧环上的通孔及热熔腔体结构的锥形腔体外围的连接孔对应布置。

进一步的，所述热熔腔体结构的中心处设有安放槽，未安装弹性膜片时，安放槽的底部与锥形腔体的开口连通，刚性压紧环的外圆面与安放槽的槽壁配合，刚性压紧环压紧在安放槽的底面。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于压电微喷的热熔金属微液滴直接按需打印机构具有以下优势：

本发明可以实现热熔金属微液滴的直接喷射，所喷射热熔微液滴的体积可以达到nl级别，液滴体积可调、响应快、不受电磁干扰、控制精度高。

依靠室温下空气自然散热可实现1000摄氏度以下熔点任意金属材质的有效驱动喷射，对于高于1000摄氏度材质的驱动喷射只需要附加对位移放大机构的冷却散热系统即可，具有很高的普适度。

结构简单紧凑、成本低、总体尺寸低于200mm*100mm*100mm，相比于高成本的激光选择烧结增材制造系统、大体积的气动驱动的热熔液滴喷射系统，本发明更具有市场运用前景。

相比于气动驱动的热熔液滴喷射系统，本发明控制精度更高，可靠性更好。相比于现有撞针式粘性液滴的喷射机构，本发明响应更快，且有效解决了压电驱动器应用于高温流体喷射时易因高温使得压电陶瓷退极化而失效的问题，进料口位于上方且腔体具有连通槽道，与现有微喷腔体相比，可以实现工作工程中腔体内气泡的有效排出和减小振动回流对进料口的影响。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种基于压电微喷的热熔金属微液滴直接按需打印机构的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种基于压电微喷的热熔金属微液滴直接按需打印机构的立体结构示意；

图3为热熔腔体结构的主视图；

图4为热熔腔体结构的侧示剖视图；

图5为热熔腔体结构的俯视图；

图6为柔性位移放大机构的俯视图；

图7为柔性位移放大机构的主视图；

图8为基座的立体结构示意图；

图9为柔性位移放大机构的放大原理示意图。

附图标记说明：

1-基座，1-1-第一限位台阶，1-2-第二限位台阶，1-3-第三限位台阶，1-4-安装圆孔，1-5-安装长圆孔，1-6-平面；

2-柔性位移放大机构，2-1-第二横向杆，2-2-螺纹孔，2-3-第一安装座，2-4-导向槽，2-5-输入槽，2-6-第一横向杆，2-7-纵向杆，2-8-铰链，2-9-输出杆，2-10-第二安装座；

3-压电叠堆，4-导向压紧块，5-预紧螺钉，6-推杆紧固螺母，7-推杆，8-刚性压紧环，

9-热熔腔体结构，9-1-加热槽道，9-2-进料口，9-3-连通槽道，9-4-底面，9-5-锥形腔体，9-6-喷射微孔，9-7-连接孔，9-8-螺栓通孔，9-9-安放槽；

10-推杆联接螺钉，11-弹性膜片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图8所示，一种基于压电微喷的热熔金属微液滴直接按需打印机构，包括基座1、柔性位移放大机构2、压电叠堆3、导向压紧块4、推杆7、刚性压紧环8、热熔腔体结构9和弹性膜片11，所述的柔性位移放大机构2和热熔腔体结构9均通过螺栓固定在基座1上，在所述热熔腔体结构9的中心处开设有锥形腔体9-5，且锥形腔体9-5的开口朝向柔性位移放大机构2的输出端布置，在热熔腔体结构9的上壁面开设有进料孔9-2，在热熔腔体结构9内开设有连通槽道9-3，所述的进料孔9-2通过连通槽道9-3与锥形腔体9-5连通，在锥形腔体9-5的尖端处开有喷射微孔9-6，所述的导向压紧块4一端抵在压电叠堆3上，另一端通过预紧螺钉5固定在柔性位移放大机构2上，所述的压电叠堆3与柔性位移放大机构2的输入端相连，所述的推杆7的一端与柔性位移放大机构2的输出端连接，另一端与弹性膜片11连接，所述的刚性压紧环8压紧弹性膜片11覆盖在锥形腔体9-5的开口处形成封闭腔体。在周期电压信号激励下，压电叠堆3产生伸缩形变，形变经柔性位移放大机构2放大，传递至推杆7，推杆7推动弹性膜片11产生变形，引起锥形腔体9-5的体积变化，挤压热熔金属微液滴从喷射微孔9-6喷出，通过调节周期电压型号的波形正弦、三角、矩形波、梯形波等以及波形参数电压幅值、占空比等波形参数可以实现对所喷射热熔金属液滴出口速度、液滴体积大小、液滴形态的控制。

柔性位移放大机构2为轴对称结构，对称轴位于基座1展向的中心位置。柔性位移放大机构2采用的是柔性铰链位移放大机构，柔性位移放大机构2包括布置在同一水平面内的第一横向杆2-6、第二横向杆2-1、纵向杆2-7、输出杆2-9和输入槽2-5，所述第一横向杆2-6、第二横向杆2-1和纵向杆2-7均各设置两个，且两个第一横向杆同一直线布置，两个第二横向杆同一直线布置，所述第一横向杆和第二横向杆平行布置，两个纵向杆平行布置；

两个纵向杆2-7位于第一横向杆2-6和第二横向杆2-1之间，所述输入槽2-5位于两个第一横向杆2-6之间，且通过铰链与两个第一横向杆2-6的相邻端连接，两个第一横向杆2-6的另一端分别与相对应的纵向杆2-7的一端通过铰链连接，所述输出杆2-9位于两个第二横向杆2-1之间，且通过铰链与两个第二横向杆2-1的相邻端连接，两个第二横向杆2-1的另一端分别与相对应的纵向杆2-7的另一端通过铰链连接，两个第一横向杆2-6通过一第一安装座2-3与基座1连接，每个第二横向杆2-1通过一个第二安装座2-10与基座1连接，且横向杆与各自的安装座之间通过铰链连接，所述压电叠堆3和导向压紧块4设置在输入槽2-5与第一安装座2-3之间形成的容纳空间内，且所述导向压紧块4通过预紧螺钉5固定在第一安装座2-3上；铰链2-8为圆形柔性铰链，亦可以采用其他柔性位移放大结构形式和其他形状柔性铰链；

本申请的柔性位移放大机构2为二级放大构型，本申请的柔性位移放大机构2的放大原理示意图如图9所示，放大量计算公式a＝dout/din＝a1/a2＝(l2/l1)*(l4/l3)，其中l3，l4对应图6的位于左上的第二横杆2-1，其中l3代表铰链的左半部分的第二横杆段，l4为铰链的右半部分的第二横杆段，l1、l2对应图6的位于左下的第一横杆2-6，其中l2代表铰链的左半部分的第一横杆段，l1为铰链的右半部分的第一横杆段，输入槽2-5的输入端面(压电叠堆的输出端接触面)对应的din，输出杆2-9对应的dout，通过调整第一横向杆2-6的总体尺寸以及与第一安装座连接的铰链的位置获得不同的位移放大倍数，通过优化柔性位移放大机构2的各个杆长的尺寸和铰链的展向位置，可以获得不同的放大效率，亦可以采用多级放大构型。

旋转预紧螺钉5推动导向压紧块4在柔性位移放大机构2导向槽2-4里面移动并压紧压电叠堆3，使得压电叠堆3首尾两端分别与导向压紧块4的凸面和柔性位移放大机构2的输入槽2-5的端面紧密贴合且有一定相互挤压力，挤压力产生的预紧力保证压电叠堆3的正常有效工作。压电叠堆3与导向压紧块4的凸面为直接接触，压电叠堆3与柔性位移放大机构2的输入槽2-5的端面采用环氧树脂或其他胶水粘结；或者采用压电叠堆3与导向压紧块4的凸面为采用环氧树脂或其他胶水粘结，压电叠堆3与柔性位移放大机构2的输入槽2-5的端面直接接触；导向压紧块4和柔性位移放大机构2之间采用较小的间隙配合，保证导向压紧块4可以在柔性位移放大机构2上的导向槽2-4中进行水平移动。

热熔腔体结构9的进料口9-2位于腔体结构的上方，原材料经过进料口9-2进入连通槽道9-3，开始热熔，热熔后进入锥形腔体9-5，由于进料口9-2位于上方，喷射过程中锥形腔体9-5内部产生的气泡可以经过进料口9-2排出；连通槽道9-3包括正l型槽道和倒l型槽道，且正l型槽道的水平部分和倒l型槽道的水平部分连通，如此设置的连通槽道9-3可以抑制喷射过程中锥形腔体9-5空间体积形变时锥形腔体9-5内热熔金属的向进料孔9-2的回流；进料口9-2为圆柱装并直通连通槽道9-3，亦可设置成其他结构形式和布置方案；锥形腔体9-5为锥形收敛式结构，亦可设置成其他结构形式的收敛结构或非收敛结构；喷射微孔9-6布置在锥形腔体的锥头位置，且为圆柱微孔，亦可布置于锥形腔体9-5的其他位置以及采用其他形状；热熔腔体结构9上的安放槽的侧壁为圆柱面，亦可为其他结构形式的安放槽面，若为其他形式的安放槽面对应的弹性膜片11和刚性压紧环8的形态亦做改变。

在所述热熔腔体结构9上围绕锥形腔体9-5布置有多个加热槽道9-1，且在加热槽道9-1上插入电热棒，实现对腔体的恒温加热，在锥形腔体9-5的外围均匀布置多个用于刚性压紧环8与热熔腔体结构9之间连接的连接孔9-7，在热熔腔体结构9的底部开有用于与基座紧固连接的螺栓通孔9-8。

推杆7一端设有外螺纹，另一端设有内螺纹，推杆7的外螺纹与柔性位移放大机构2的输出杆2-9的输出端连接并通过推杆紧固螺母6紧固，推杆7的内螺纹与弹性膜片11通过推杆连接螺钉10连接紧固。具体为：所述推杆7一端的外螺纹端拧入柔性位移放大机构2的输出杆2-9端面的螺纹盲孔，并通过推杆紧固螺母6紧固，使得柔性位移放大机构2的输出杆2-9的端面的位移能够有效的传递至推杆7，推杆7的另一端的内螺纹，即在推杆的端面上开有螺纹盲孔，且推杆7的开有螺纹盲孔的端面与弹性膜片11的外表面贴合，并通过推杆联接螺钉10由弹性膜片11的内表面拧入推杆7的螺纹盲孔，实现将弹性膜片11与推杆7紧固。

在基座1上设有安装定位柔性位移放大机构2的第一限位台阶1-1和第二限位台阶1-2及安装定位热熔腔体结构2的第三限位台阶1-3，所述第一限位台阶1-1个第二限位台阶1-2之间为基座的平面1-6，所述第一限位台阶1-1和第二限位台阶1-2上均开设有与相应的安装座对应的安装圆孔1-4，所述第三限位台阶1-3上开设有连接热熔腔体结构2的安装长圆孔1-5。安装长圆孔1-5的设置，使得热熔腔体结构9在安装时轴向位置可调，以保证热熔腔体结构9、弹性膜片11和推杆7之间轴向方向的配合、紧固、联接。热熔腔体结构9与基座1之间接触面可以布置隔热材料或者垫片以微量调整热熔腔体结构9在基座1上的法向高度，保证热熔腔体结构9、弹性膜片11和推杆7之间法向方向的配合、紧固、联接。

每个限位台阶均包括竖直限位面和水平定位面，第一限位台阶1-1的水平定位面和第二限位台阶1-2的水平定位面位于同一水平面内，且与柔性位移放大机构2的底面接触配合，实现柔性位移放大机构2的法向定位，第三限位台阶1-3的水平定位面低于第一限位台阶1-1的水平定位面设置，第一限位台阶1-1的竖直限位面与第二限位台阶的竖直限位面空间垂直设置，第一限位台阶的竖直限位面与第三限位台阶的竖直限位面平行设置，柔性位移放大机构2的第一安装座2-3的端面与第一限位台阶1-1的竖直限位面接触配合，柔性位移放大机构2依靠第一限位台阶1-1的竖直限位面实现柔性位移放大机构2的轴向定位，柔性位移放大机构的第二安装座2-10的端面与第二限位台阶1-2的竖直限位面接触配合，实现柔性位移放大机构2的展向定位，基座1的平面1-6与第一限位台阶1-1的水平定位面和第二限位台阶1-2的水平定位面之间要保持一定的法向距离，用于实现空气自然流通散热，基座1的第三限位台阶1-3的竖直限位面用于限制热熔腔体结构9的轴向移动位置；

在第一限位台阶1-1的水平定位面上开设两个安装圆孔1-4，在第二限位台阶1-2的水平定位面上开设两个安装圆孔1-4，在第三限位台阶1-3的水平定位面上开设两个安装长圆孔1-5。

在第一安装座2-3上开有导向槽2-4，第一安装座2-3的端面设有与导向槽2-4连通的螺纹孔2-2，预紧螺钉5旋入螺纹孔2-2后经导向槽2-4进入导向压紧块4内的凹槽并与凹槽端面接触配合，导向压紧块4的外端面与压电叠堆3的端面接触配合。

在弹性膜片11的中心开设圆通孔，推杆联接螺钉10贯穿圆通孔与推杆7连接，在弹性膜片11的周向和刚性压紧环8的周向上都均匀布置多个通孔，且弹性膜片11上的通孔与刚性压紧环8上的通孔及热熔腔体结构9的锥形腔体9-5外围的连接孔9-7对应布置。

热熔腔体结构9的中心处设有安放槽9-9，未安装弹性膜片11时，安放槽9-9的底部与锥形腔体2-9的开口连通，刚性压紧环8的外圆面与安放槽9-9的槽壁配合，刚性压紧环8压紧在安放槽9-9的底面9-4，与弹性膜片11对应的热熔腔体结构9上的通孔开设在安放槽9-9的底面9-4上。

所述弹性膜片11为具有一定弹性和刚度的耐热弹性膜片，中心位置开有通孔，与推杆7有盲孔端面经推杆联接螺钉固定后贴在热熔腔体结构9的安放槽9-9的底面9-4，同时被刚性压紧环8压紧固定在热熔腔体结构9的安放槽9-9的底面9-4，并与锥形腔体9-5形成封闭空间，弹性膜片11在刚性压紧环8的压紧作用下产生弹性形变起密封作用。

所述刚性压紧环8为刚性材料，且与弹性膜片11外面的配合面具有一定的平面度，均布多个通孔，通孔上布置螺栓实现将刚性压紧环8固定在热熔腔体结构9上并压紧弹性膜片11实现对压紧弹性膜片11的固定约束和密封。

本发明工作原理为：

原材料从热熔腔体结构9的入料口9-2进入由正l型槽道和倒l型槽道水平部分连通形成迂回连通槽道9-3，在布置于加热槽9-1的加热棒作用下，原材料融化并进入锥形腔体9-5，在重力作用下热熔金属充盈整个锥形腔体9-5，在刚性压紧环8和弹性膜片11作用下，锥形腔体9-5实现密封；在周期电压激励下压电叠堆3产生伸长和恢复变形，通过柔性位移放大机构2的放大作用带动推杆7产生周期位移变化，引起弹性膜片11中部发生凸起和恢复变形，使得弹性膜片11和热熔腔体结构9的锥形腔体9-5所封闭的空间体积产生增减变化，当压电叠堆3伸长时，弹性膜片11和热熔腔体结构9的锥形腔体9-5所封闭的空间体积减小，此时喷射腔体内部瞬间产生正压力，将熔融金属从喷口挤出形成微液滴，并获得一定的初速度；当压电叠堆3恢复形变时，弹性膜片11和热熔腔体结构9的锥形腔体9-5所封闭的空间体积增大，此时喷射腔体内部瞬间产生负压力，使得已经喷出并具有一定初速度的液态金属液滴尾部反向回吸，而液滴头部还保持向外运动的速度，从而使得已经喷出的热熔金属微液滴与腔体内的熔融金属发生断裂，热熔金属微液滴完全成型并向目标面运动；热熔腔体结构9位于迂回连通槽道的液态金属在重力作用下，重新补充到喷射腔体里，整个装置回到初始状态，并开始下一次喷射。即，压电叠堆3产生轴向伸长恢复振动，引起弹性膜片11和热熔腔体结构9的锥形腔体9-5所封闭的空间体积产生增减变化，使得液态热熔金属经过喷口形成金属液滴并喷出，实现金属液滴按需喷射。

本发明驱动部件采用快响应、高精度的压电驱动器，驱动位移经过柔性铰链位移放大机构放大后作用于推杆，推杆推动弹性膜片快速产生形变，弹性膜片变形引起锥形腔体体积在短时间内发生改变，在腔体体积缩小接着瞬间恢复的过程中金属液滴在腔体的喷孔中被挤出并断裂。这种驱动方式保证了腔体内没有气体存在，从而解决响应较慢的问题，并且由于采用压电直驱方式与柔性铰链位移放大机构组合，这就保证了驱动力和位移足够大，这对大粘度熔融金属微液滴喷射具有一定优势。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。