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，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明提供了一种液态金属3D打印方法，用于实现液态金属3D打印方法的液态金属3D打印装置的结构示意图如图1所示，该液态金属3D打印方法包括如下步骤：

S1、将高温金属熔体在压力作用下经喷嘴111冲击至安装于三维运动平台140上的冷却模具130上堆积形成金属熔池，三维运动平台140在冲击过程中按照扫描路径在水平面上运动。

本申请中，采用熔炼炉110对所需的合金进行熔炼形成液态的高温金属熔体，通过向熔炼炉110内通入惰性气体形成高压(0.01-0.03Mpa)，高温合金熔体在压力作用下经喷嘴111冲击至冷却模具130。本申请的冷却模具130为板状结构，冷却模具130设置有进水口(图未示)和出水口(图未示)，出水口的出水温度为35-40℃。通过控制出水口的温度实现冷却模具130对金属熔池进行快速冷却凝固，本申请中的熔炼炉110固定不动，在冲击扫描过程中，三维运动平台140带动冷却模具130按照扫描路径在水平面上运动，通过三维运动平台140的运动实现能够打印特定形状的板材，具体来说，本申请的扫描路径为直线往复型，实现打印长方体形状的板材。

本实施例中，喷嘴111为单排等距排列，数量为10-20个，任意两个相邻的喷嘴111之间的间距为10-20mm，喷嘴111的直径为2-4mm；喷嘴111与冷却模具130之间的距离为10-15cm；此处记载的喷嘴111与冷却模具130之间的距离是指喷嘴111和冷却模具130上表面的距离，因此当冷却模具130表面堆积有金属熔池时，需要通过三维运动平台140向下运动以保持喷嘴111与冷却模具130上堆积的金属熔池的上表面之间的距离为10-15cm。

打印于真空压力为0.3-0.6MPa的条件下进行；真空条件可以有效降低打印过程中金属熔体被氧化。

进一步地，本实施例中，在扫描过程中通过安装于冷却模具130的底部的振动机构170进行振动；优选地，振动机构170为气动振动器，振动机构170振动力为0.1-0.3MPa。

S2、一次扫描结束后，利用耙平机构150对金属熔池的上表面进行耙平。

本申请通过在扫描结束后增加耙平操作，请参阅图2和图3，耙平机构150包括耙杆151和多个耙齿152，多个耙齿152均匀安装于耙杆151的下部；优选地，耙齿152为弧形柱状结构，耙齿152的底部设置有尖端，耙齿152的直径为0.2-1mm，任意两个相邻的耙齿152之间的间距为1-3mm，耙齿152的高度为10-30mm。

在耙平时耙齿152插入到金属熔池内进行运动，具体来说，当冲击次数大于1后，金属熔体冲击至冷却模具130上已凝固的金属熔池，金属熔体的温度使金属熔池部分熔化形成具有第一高度H1的糊状区，本申请中的糊状区即为下部已冷却金属熔池和上部新喷入高温金属熔体之间交界的部分。每次扫描时金属熔体于冷却模具130上堆积的具有第二高度H2的液态区；在实际打印过程中，H1可以为3-5mm，H2可以为5-8mm。耙平机构150耙平时插入金属熔池的深度为(1/3-1/2)H1+H2。耙平机构150通过插入新喷入的液态区并伸入至糊状区，可以有效改善层与层之间的界面问题，此外，通过耙平机构150对冲击至冷却模具130上的金属熔池进行耙平，可以将金属熔池表面的氧化皮耙除，金属熔池内部的气孔破裂，后续再次扫描时，金属熔池与新鲜的金属熔体进行接触，结合力更佳，界面缺陷更少，因此可以实现消除气孔、界面分层痕迹问题，提高界面结合力。值得注意的是，当第一次冲击时，由于只具有一层金属熔池，未形成分层界面，因此，可以不施加耙平操作，或者仅施加小于或等于H2高度的耙平操作。

由于本申请的耙齿152需要深入金属熔池内部进行耙平，首先需要满足高温下不能熔解的特征，因此常规的金属丝例如铁丝、铜丝等不能作为本申请耙齿152的制备材料，同时，耙齿152需要具有一定的硬度以实现支撑耙平的作用，但硬度也不能太大，过硬的耙齿152容易将金属熔池挂出印子，因此，本申请中选择钼丝作为耙齿152材料，其能够很好的起到耙平而不损伤金属熔池的作用。金属熔池经耙平机构150耙平会将金属熔池以及其表面新鲜的金属熔体中的氧化皮等杂质耙除，耙除的杂质被耙平机构150带至金属熔池的外侧，可能存在部分残留在金属熔池的侧壁上或者滴落在冷却模具130上，因此在打印完成后，需要对成型的铸锭的外侧壁进行加工以保证铸锭质量。

由于本申请中三维运动平台140的扫描路径是直线往复型，因此本申请通过设置耙齿152的具体形状以实现扫描完成后施加与三维运动平台140扫描方向一致的一次耙平操作，具体地，本申请中耙齿152包括多个第一耙齿153和第二耙齿154，第一耙齿153的弧形开口方向与第二耙齿154的弧形开口方向相反，第一耙齿153和第二耙齿154的弧形开口方法相反，使得耙齿152在正向移动或反向移动时，均可以直接利用第一耙齿153或第二耙齿154的尖端穿刺金属熔池，实现对金属熔体内的气孔进行刺破，有利于减小气孔率，同时第一耙齿153或第二耙齿154的尖端直接作用于金属熔池的表面，耙平效果更佳。本申请中，多个第一耙齿153和多个第二耙齿154交替设置。本申请中通过交替设置两个方向的第一耙齿153和第二耙齿154，可以实现三维运动平台140按照扫描路径移动完成后，耙齿152对应进行移动。值得注意的是，在耙齿152移动耙平的过程中，喷嘴111应暂停喷射，三维运动平台140也暂停扫描，等耙平操作结束后，喷嘴111再进行喷射，三维运动平台140向下运动至合适位置后在按照扫描路径进行下一次扫描。本申请中喷嘴111和三维运动平台140的暂停可以通过设置扫描等待程序进行，将喷嘴111和三维运动平台140扫描等待的时间控制为与耙平机构150耙平的时间保持一致。

本申请中，请参阅图2和图3，耙平机构150通过安装至喷嘴111和冷却模具130之间的耙平驱动机构160进行水平运动和上下运动；耙平驱动机构160的结构有多种，只要能够实现耙平机构150进行水平运动和上下运动即可。本实施例提供了一种典型但非限制性示例，耙平驱动机构160包括丝杠161、滑块162、升降驱动件163和转动驱动件164，丝杠161安装至喷嘴111和冷却模具130之间，滑块162滑动连接至丝杠161，升降驱动件163与滑块162的下表面连接，丝杠161与转动驱动件164连接，升降驱动件163的伸缩杆与耙平机构150连接。本申请中通过转动驱动件164带动丝杠161转动，丝杠161带动滑块162沿着丝杠161进行直线往复运动，进而带动与滑块162连接的升降驱动件163和耙平机构150进行直线往复运动。当三维运动平台140向下运动时，升降驱动件163可以驱动耙平机构150向下移动，从而保证后续的插入深度。优选地，耙平机构150向下运动的运动速度与三维运动平台140向下的速度一致，均为3-5mm/min。

为了尽可能的减小耙平机构150以及耙平驱动机构160在喷嘴111和冷却模具130之间的设置空间，本申请中，将耙平驱动机构160设置于喷嘴111和冷却模具130对应的区间外侧，使得耙平驱动机构160不占用喷嘴111和冷却模具130之间的空间，同时将耙平机构150的耙杆151设置为两根竖杆和连接至两根竖杆之间的一根横杆的结构，两根竖杆的自由端朝向相反使得耙杆151形成如图3所述的形状，使得喷嘴111和冷却模具130之间仅设置有部分耙杆151和耙齿152，使得空间利用更加合理。

S3、耙平结束后，三维运动平台140向下移动，继续扫描，重复多次直至完成打印。

本申请中，通过三维运动平台140向下移动以保证喷嘴111和冷却模具130上表面之间的间距，从而保证最佳的冲击力，当三维运动平台140向下移动结束后，三维运动平台140再按照扫描路径进行直线往复型运动，喷嘴111喷射高温金属熔体，扫描结束后再进行步骤S2的耙平操作，重复多次直至完成打印。

采用上述液态金属3D打印方法制备获得液态金属3D打印铝合金材料，该液态金属3D打印方法可实现消除界面分层痕迹问题，提高界面结合力。该方法制备的液态金属3D打印铝合金材料无冶金缺陷，材料组织细小、性能优异。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

请参阅图1-图3，本实施例提供了一种液态金属3D打印装置100，其包括熔炼炉110、高压发生机构120、冷却模具130、三维运动平台140、耙平机构150、耙平驱动机构160和振动机构170。

熔炼炉110用于对金属组分(例如：7075铝合金)进行熔炼获得金属熔体，熔炼炉110的底部设置有喷嘴111，喷嘴111为单排等距排列，数量为15个，任意两个相邻的喷嘴111之间的间距为15mm，喷嘴111的直径为3mm。

高压发生机构120与熔炼炉110的顶部连通，用于向熔炼炉110中通入惰性气体，使金属熔体在压力作用下喷出。

冷却模具130安装于三维运动平台140上，能够随着三维运动平台140进行运动。本实施例中，冷却模具130由底壁和四周的侧壁组成，底壁和侧壁均设置有进水口和出水口。振动机构170安装于冷却模具130的侧壁上。

耙平机构150包括耙杆151和多个耙齿152，多个耙齿152均匀安装于耙杆151的下部；耙齿152为弧形柱状结构，耙齿152的底部设置有尖端，耙齿152的直径为0.5mm，任意两个相邻的耙齿152之间的间距为2mm，耙齿152的高度为20mm。本申请中耙齿152包括多个第一耙齿153和第二耙齿154，第一耙齿153的弧形开口方向与第二耙齿154的弧形开口方向相反，多个第一耙齿153和多个第二耙齿154交替设置。

耙平驱动机构160包括丝杠161、滑块162、升降驱动件163和转动驱动件164，丝杠161安装至喷嘴111和冷却模具130之间，滑块162滑动连接至丝杠161，升降驱动件163与滑块162的下表面连接，丝杠161与转动驱动件164连接，升降驱动件163的伸缩杆与耙平机构150连接。

实施例2

本实施例提供了一种液态金属3D打印方法，其是采用如实施例1所述的液态金属3D打印装置100进行的。

本实施例提供的液态金属3D打印方法包括如下步骤：

S1、将高温金属熔体(7075铝合金)在压力作用下经喷嘴111冲击至安装于三维运动平台140上的冷却模具130上堆积形成具有第二高度H2(约6mm)的金属熔池液态区，三维运动平台140在冲击过程中按照扫描路径在水平面上运动。扫描打印过程中，振动机构170持续施加振动，并且控制冷却模具130的出水口温度为35℃。

S2、一次扫描结束后，利用耙平机构150对金属熔池的上表面进行耙平，耙平机构150的插入深度为H2(在第一次扫描时还未存在糊状区)。

S3、耙平结束后，三维运动平台140向下移动，继续扫描，金属熔体冲击至冷却模具130上已凝固的金属熔池，金属熔体的温度使金属熔池部分熔化形成具有第一高度H1(约4mm)的糊状区，扫描结束后，利用耙平机构150对金属熔池的上表面进行耙平，耙平机构150的插入深度为1/2H1+H2。

重复多次直至完成打印。

实施例3

本实施例与实施例2基本相同，区别在于，省略实施例2中振动机构170的振动操作。

实施例4

本实施例与实施例2基本相同，区别在于，改变了耙平机构150的插入深度，本实施例中步骤S3中耙平机构150的插入深度为H2。

实施例5

本实施例与实施例2基本相同，区别在于，改变了耙平机构150的插入深度，本实施例中步骤S3中耙平机构150的插入深度为H1+H2。

实施例6

本实施例与实施例2基本相同，区别在于，本实施例中的耙平机构150的耙齿152材料采用钢丝制成。

实施例7

本实施例与实施例2基本相同，区别在于，本实施例中的耙平机构150的仅具有相同方向的第一耙齿153。

对比例1

省略实施例2中的耙平机构150的耙平操作。

将上述实施例2-7以及对比例1获得的液态金属3D打印铝合金材料进行性能检测，检测方法包括：对铸锭进行金相显微分析及力学性能测试，检测结果如下：

从上表可以看出，采用本发明制备的铸锭具有良好的力学性能，充分说明材料内部组织较好，无界面问题。另外，材料微观组织晶粒细小。当省略了振动操作时，晶粒尺寸显著增加，而实施例4和实施例5改变了耙平机构150的插入深度，当插入深度未深入界面分界处时，界面问题依然存在，而插入深度过大时，原有以凝结的组织再次被破坏，导致内部组织效果更差，而钢丝的硬度大于钼丝，容易在耙平时对内部组织造成刮痕，从而影响产品性能，而从实施例7可以看出，第一耙齿153仅单向设置时，耙平效果欠佳。当完全省略了耙平操作时，界面问题显著增加。

综上所述，本申请提供的液态金属3D打印方法通过在扫描打印结束后利用耙平机构150施加耙平操作，耙平与扫描打印交替进行，可实现消除界面分层痕迹问题，提高界面结合力。同时在扫描过程中利用振动机构170施加振动操作，可以提高金属熔体的均匀性，同时使气泡溢出更容易被耙平机构150刺破，进而减小气孔率。采用本申请提供的液态金属3D打印方法制备获得的铝合金材料无冶金缺陷，材料组织细小、性能优异。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。