液体金属喷射器双传感器系统及其方法与流程

1.本教导内容整体涉及按需喷墨(dod)打印中的液体喷射器，并且更具体地涉及一种在dod打印机的液体金属喷射器内使用的基于导电性的液位感测系统和方法。


背景技术：

2.按需喷墨(dod)或三维(3d)打印机通常通过逐层地连续沉积材料来从计算机辅助设计(cad)模型构建(例如，打印)3d物体。按需喷墨(dod)打印机，具体地是打印金属或金属合金的打印机，当施加击发脉冲时，喷射一小滴液体铝合金。使用该技术，可以通过喷射一系列液滴来从铝或另一种合金生成3d部件，这些液滴结合在一起以形成连续部件。例如，可将第一层沉积在基底上，然后可将第二层沉积在第一层上。一种特定类型的3d打印机是磁流体动力(mhd)打印机，其适用于逐层地喷射液体金属，所述液体金属结合在一起以形成3d金属物体。磁流体动力学是指对磁性能和导电流体的行为的研究。
3.在mhd打印中，液体金属通过3d打印机的喷嘴喷射到基底上或先前沉积的金属层上。在此类打印机中使用的打印头是单个喷嘴头，并且包括位于头部内的几个内部组件，这些内部组件可能需要定期更换。在一些情况下，喷嘴更换的典型周期可为8小时间隔。在液体金属打印过程期间，铝和合金，特别是含镁合金，可以在泵的内部中的熔融过程期间形成氧化物和硅酸盐。这些氧化物和硅酸盐通常被称为浮渣。浮渣的积聚是泵吞吐量的函数，并且在打印过程期间连续积聚。除了由铝和氧化镁和硅酸盐的组合构成之外，浮渣还可以包括气泡。因此，浮渣的密度可以低于液体金属打印材料的密度并且浮渣可在熔融池的顶部积聚，最终导致打印期间出现问题。某些dod打印机使用例如非接触红色半导体激光传感器，其在660nm的近似波长下操作，用于在打印期间测量熔融池高度。这通常被称为液位传感器。打印时的浮渣积聚影响液位传感器准确测量泵的熔融金属液位的能力，并且可能导致过早结束打印作业。这还可能导致泵在打印期间错误地排空，从而损坏部件。浮渣堵塞物也可能在泵内生长，导致泵动力问题，从而导致较差的喷射质量和附加的打印缺陷，诸如在打印期间卫星液滴的形成。浮渣可能会分解，并且一大块这种氧化物落入喷嘴中，导致喷嘴堵塞。当液位感测信号“滴出”时，这可能导致重大故障情况，从而导致打印机关闭，需要清除或移除浮渣塞，更换打印喷嘴，并重新开始启动程序。
4.因此，需要用于在金属喷头打印按需喷墨或3d打印机中进行液位感测控制的方法和设备，以提供更长的打印时间和更高的吞吐量，而不会因与浮渣积聚相关联的缺陷或缺点而中断。


技术实现要素：

5.以下给出简要的发明内容，以便提供对本教导内容的一个或多个实施方案的一些方面的基本理解。这个发明内容不是全面的概述，也并不旨在标识本教导内容的关键或重要元素，也并不旨在描述本公开的范围。相反，其主要目的仅仅是以简化形式呈现一个或多个概念，作为后面所呈现的具体实施方式的前序。
6.公开了一种金属喷射设备。金属喷射设备包括喷嘴孔口和第一传感器对，该喷嘴孔口与内腔连接并且被配置为喷射可包含金属打印材料的一个或多个液体金属液滴，该第一传感器对与内腔的下部部分的内表面接触。
7.金属喷射设备可以包括其中第一传感器对中的每个传感器定位在第一等效水平平面上。金属喷射设备可以包括与内腔的上部部分的内表面接触的第二传感器对。第二传感器对中的每个传感器定位在第二等效水平平面上。第一传感器对和第二传感器对固定地附接到限定内腔的结构。当与液体金属接触时，第一传感器对可包括非润湿材料，并且当与液体金属接触时，第二传感器对可包括非润湿材料。第一传感器对上的非润湿材料可包括氮化硼，并且第二传感器对上的非润湿材料可包括氮化硼。第二传感器对电连接到打印材料进料系统。在某些具体实施中，打印材料进料系统被配置为当金属打印材料桥接第一传感器对中的每个传感器之间的电连接时接收指示来自第一传感器对的电连接的第一电信号，并且打印材料进料系统被配置为当金属打印材料桥接第一传感器对中的每个传感器之间的电连接时接收指示来自第二传感器对的电连接的第二电信号。金属喷射设备可包括加热元件，加热元件被配置为加热金属喷射设备的内腔中的固体，从而在金属喷射设备内使固体变为液体。金属喷射设备可包括至少部分地包在金属喷射设备周围的线圈；以及功率源，功率源被配置为向线圈供应一个或多个功率脉冲，一个或多个功率脉冲使一个或多个液体金属液滴从喷嘴孔口射出。第一传感器对电连接到打印材料进料系统。金属喷射设备可包括离散且可分离的上泵区段和离散且可分离的下泵区段。第一传感器对固定地附接到上泵区段。上泵区段可以包括氮化硼。下泵区段可以包括石墨。
8.公开了另一种金属喷射设备。金属喷射设备还包括喷嘴孔口、第一传感器对和第二传感器对，该喷嘴孔口与内腔连接并且被配置为喷射可包含金属打印材料的一个或多个液体金属液滴，该第一传感器对与内腔的内表面接触并且固定地附接到上泵区段的下部部分，该第二传感器对与内腔的内表面接触并且固定地附接到上泵区段的上部部分。
9.金属喷射设备的具体实施可包括：加热元件，该加热元件被配置为加热该金属喷射设备的该内腔中的固体，从而使该固体在该金属喷射设备内变为液体；和线圈，该线圈至少部分地包在该金属喷射设备周围；和功率源，该功率源被配置为向该线圈供应一个或多个功率脉冲，该一个或多个功率脉冲使一个或多个液体金属液滴从该喷嘴孔口中射出。在某些具体实施中，第一传感器对中的每个传感器定位在第一等效水平平面上，并且第二传感器对中的每个传感器定位在第二等效水平平面上。上泵区段可以包括氮化硼。下泵区段可以包括石墨。
10.还公开了一种控制金属喷射设备中的液位的方法。控制金属喷射设备中的液位的方法还包括：接收来自与金属喷射设备的内腔的下部部分的内表面接触的第一传感器对的第一电信号，当第一电信号不指示第一传感器对中的每个传感器之间的电连接时，启动固体打印材料的进料机构进入金属喷射设备的内腔中；接收来自与金属喷射设备的内腔的上部部分的内表面接触的第二传感器对的第二电信号，并且当第二电信号指示第二传感器对中的每个传感器之间的电连接时，暂停固体打印材料的进料机构进入金属喷射设备的内腔。
11.在金属喷射设备中控制液位的方法的具体实施可以包括当第二电信号不指示第二传感器对中的每个传感器之间的电连接时，启动固体打印材料的进料机构进入金属喷射
设备的内腔中。控制金属喷射设备中的液位的方法可包括当第一电信号指示第一传感器对中的每个传感器之间的电连接并且第二电信号不指示第二传感器对中的每个传感器之间的电连接时，继续固体打印材料的进料机构进入金属喷射设备的内腔中。打印材料可包括金属、金属合金或它们的组合。打印材料可包括铝。控制金属喷射设备中的液位的方法的具体实施可包括其中当与熔融金属打印材料接触时，第一电信号指示第一传感器对中的每个传感器之间的电连接，并且当不与熔融金属打印材料接触时，第一电信号不指示第一传感器对中的每个传感器之间的电连接。控制金属喷射设备中的液位的方法的具体实施可包括其中当与熔融金属打印材料接触时，第二电信号指示第二传感器对中的每个传感器之间的电连接，并且当不与熔融金属打印材料接触时，第二电信号不指示第二传感器对中的每个传感器之间的电连接。
附图说明
12.并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本教导内容的实施方案，并且与描述一起用于说明本公开的原理。在图中：
13.图1描绘了根据一个实施方案的3d打印机(例如，mhd打印机和/或多喷头打印机)的单个液体金属喷射器喷头的示意性剖视图。
14.图2是根据一个实施方案的被浮渣污染的液体金属喷射器的侧视剖视图。
15.图3是根据一个实施方案的包括液位传感器系统的液体金属喷射器的侧视剖视图。
16.图4a和图4b分别示出了根据一个实施方案的具有和不具有加热器的液体金属喷射器组件的透视图。
17.图5是根据一个实施方案的具有加热器的液体金属喷射器组件的顶部透视图。
18.图6是根据一个实施方案的具有加热器的液体金属喷射器组件的具有剖面图的侧面透视图。
19.图7是示出根据一个实施方案的在金属喷射打印机的液体金属喷射器中进行液位感测的方法的流程图。
20.应注意的是，附图的一些细节已被简化并被绘制为有利于理解本教导内容，而不是维持严格的结构准确性、细节和比例。
具体实施方式
21.现在将详细地参考本教导内容的示例性具体实施，附图中示出了这些实施方案的示例。在任何可能的地方，在整个附图中将使用相同的参考标号来指相同、类似或相似的部件。
22.在采用按需打印方法和技术的金属喷头打印机中，当施加击发脉冲时，喷射一小滴液体铝合金或其它金属。使用该技术，可以通过喷射一系列液滴来由铝合金或另一种金属生成三维(3d)部件，这些液滴结合在一起以形成连续部件。示例性打印机中使用的打印头或金属喷射器喷头是单个喷嘴头，并且头部内的某些内部组件需要定期更换。喷嘴更换的典型周期可为大约8小时间隔。在金属喷头打印过程期间，铝和合金的组件(特别是镁)可在进入泵的熔融过程期间和在泵的内腔中形成氧化物，这通常被称为“浮渣”。这种浮渣在
打印期间积聚在内腔和喷射器泵的其它区域中，并且是通过泵的打印材料吞吐量的函数。在铝打印材料的情况下，浮渣是氧化铝、氧化镁、铝和气泡的组合。浮渣积聚在熔融池的顶部中，所述熔融池位于金属喷射器泵中并且在打印期间引起问题。示例性打印系统采用红色半导体激光器(660nm波长)非接触传感器，以用于在打印期间测量熔融池高度，并且因此为用于金属喷头打印系统的有效液位传感器。打印时的浮渣积聚影响液位传感器准确测量泵的熔融金属液位的能力，并且导致过早结束打印作业。当液位感测信号“滴出”时，其导致关闭机器，清除或移除浮渣塞，更换打印喷嘴，并重新开始启动程序。这可能导致打印操作的不完整部分或过早关闭。
23.本公开的示例性实施方案包括用于确保上泵中适当熔融铝液位的导电感测系统和控制系统。传感器被定位成使得存在可以检测熔融铝的导电性以识别泵内的流体液位的上限和下限。当被泵中的熔融铝桥接时，两组或两对导电探针进行接触，从而识别铝是否高于最顶部限值、低于下限或在上限与下限之间的标称范围中。铝的顶部液位的高度经由连接打印材料馈线和液位感测系统的开环系统和闭环系统两者维持在标称范围内。此液位感测系统为喷射器的上泵区域中的熔融打印材料提供对于系统内的浮渣积聚来说稳定的液位感测。然而，激光液位感测系统受到熔融打印材料顶部上浮渣积聚的负面影响，导电感测溶液经由打印材料本身的传导来检测熔融打印材料。为了维持打印材料液位，必须确保打印材料进料维持不下降到低于最小液位或上升到高于最大液位的熔融打印材料液位。为了实现这一点，将导电传感器的高液位感测组和低液位感测传感器组放置在泵或金属喷射器的高液位和低液位处。传感器组由两个水平间隔的导电传感器构成，当它们浸没在液体中时，经由铝在每组内离散的和水平分离的传感器之间创建的导电路径来检测熔融铝的存在。每个传感器对定位在等效水平平面上并且与喷射器喷头系统的内腔的内表面接触。当没有传感器的组指示导电性时，这指示打印材料液位低于下限，并且必须经由馈线或在没有可用打印材料的情况下添加附加的固体打印材料，如有必要的话，关闭系统用于检查和重新加载线。如果下部传感器组指示导电性，而顶部组不指示导电性，则打印材料液位被维持在上部传感器组与下部传感器组之间或标称操作条件。该液位维持通过和开环进料系统，该系统计算在打印期间使用的打印材料和打印材料进料速率。如果在任何时候，上部传感器组指示打印材料馈线停止的导电性。导电性已指示打印材料高于最上限。一旦传感器未示出导电性，则打印材料线的开环进料恢复。这些感测组和算法与开环馈线结合来维持打印材料液位，以确保即使存在否则会干扰激光高度测量的浮渣的情况下，打印材料液位也维持在标称填充高度。
24.图1描绘了根据一个实施方案的3d打印机(例如，mhd打印机和/或多喷头打印机)的单个液体金属喷射器喷头的示意性剖视图。图1示出了一种按需喷墨(dod)或三维(3d)打印机100的一部分。3d打印机或液体喷射器喷头系统100可以包括外部喷射器壳体102内的喷射器(也称为主体或泵室，或“一体式”泵)104，也称为下块。喷射器104可限定内容积132(也称为内部腔体或内腔)。可将打印材料126引入到喷射器104的内容积132中。打印材料126可为或可包括金属、聚合物等。例如，打印材料126可为或可包含铝或铝合金，经由打印材料供应源116或打印材料馈线卷轴118(在这种情况下为铝线)引入。液体喷射器喷头系统100进一步包括位于泵罩或喷射器104的顶盖部分108内的第一入口120，由此打印材料馈线118被引入喷射器104的内容积132中。喷射器104进一步限定喷嘴110、上泵122区域和下泵
124区域。一个或多个加热元件112分布在泵室104周围以提供升高的温度源并在打印机操作期间将打印材料126维持在熔融状态。加热元件112被配置为加热或熔化打印材料馈线118，从而将喷射器104的内容积132内的打印材料馈线118从固态转换为液态(例如，打印材料126)。三维3d打印机100和喷射器104可进一步包括位于喷嘴110附近的空气或氩气护罩114，以及用于进一步实现喷嘴和/或喷射器104温度调节的水冷却剂源130。液体喷射器喷头系统100进一步包括液位传感器134系统，该系统被配置为通过将检测器束136朝向喷射器104内部的打印材料126的表面引导，并读取液位传感器134内部的反射检测器束136来检测喷射器104的内容积132内部的熔融打印材料126的液位。
25.3d打印机100还可包括功率源(本文未示出)和封装在泵加热器中的至少部分地包在喷射器104周围的一个或多个金属线圈106。功率源可耦接到线圈106并且被配置为向线圈106提供电流。由线圈106引起的增大的磁场可在喷射器104内引起电动势，这继而在打印材料126中引起感应电流。磁场以及打印材料126中的感应电流可在打印材料126上形成径向向内的力，称为洛伦兹力。该洛伦兹力在喷射器104的喷嘴110的入口处形成压力。该压力使打印材料126以一个或多个液滴128的形式通过喷嘴110喷射。
26.3d打印机100还可包括基底(本文未示出)，该基底靠近喷嘴110(例如，在其下方)定位。喷射的液滴128可落在基底上并硬化以产生3d物体。3d打印机100还可包括基底控制电机，该基底控制电机被配置为在通过喷嘴110喷出液滴128的同时或者在通过喷嘴110喷出液滴128的时间之间的暂停期间，移动基底，以导致3d物体具有期望形状和大小。基底控制电机可被配置为在一个维度上(例如，沿x轴)、在两个维度上(例如，沿x轴和y轴)或在三个维度上(例如，沿x轴、y轴和z轴)移动基底。在另一个实施方案中，喷射器104和/或喷嘴110也可以或替代地被配置为在一个维度、两个维度或三个维度上移动。换句话讲，基底可以在固定喷嘴110下方移动，或者喷嘴110可以在固定基底上方移动。在又一个实施方案中，可存在喷嘴110和基底之间围绕一个或两个附加轴的相对旋转，从而存在四轴或五轴位置控制。在某些实施方案中，喷嘴110和基底两者可以移动。例如，基底可以在x和y方向上移动，而喷嘴110在y方向上向上移动和/或向下移动。
27.3d打印机100还可包括一个或多个气体控制装置，该气体控制装置可为或可包括气体源138。气体源138可被配置为引入气体。气体可为或可包含惰性气体，诸如氦气、氖气、氩气、氪气和/或氙气。在另一个实施方案中，气体可为或可包含氮气。气体可包含小于约10％的氧气、小于约5％的氧气或小于约1％的氧气。在至少一个实施方案中，可以经由气体管线142引入气体，该气体管线包括被配置为从气体源138引入到三维3d打印机100中的一种或多种气体的流量或流速的气体调节器140。例如，可以在喷嘴110和/或加热元件112上方的位置处引入气体。这可以允许气体(例如，氩气)在喷嘴110、液滴128、3d物体和/或基底周围形成护罩/护套，以减少/防止以空气护罩114的形式形成氧化物(例如，氧化铝)。控制气体的温度也可以或替代地帮助控制(例如，最小化)氧化物形成发生的速率。
28.液体喷射器喷头系统100还可包括限定内容积(也称为大气环境)的外壳102。在一个实施方案中，外壳102可以是气密密封的。在另一个实施方案中，外壳102可以不是气密密封的。在一个实施方案中，喷射器104、加热元件112、功率源、线圈、基底、附加系统元件或它们的组合可以至少部分地定位在外壳102内。在另一个实施方案中，喷射器104、加热元件112、功率源、线圈、基底、附加系统元件或它们的组合可以至少部分地定位在外壳102外部。
虽然图1中所示的液体喷射器喷头系统100代表典型的液体喷射器喷头系统100，但是各种特征部的位置和特定配置和/或物理关系可以在另选设计实施方案中有所不同。
29.图2是根据一个实施方案的被浮渣污染的液体金属喷射器的侧视剖视图。示出了喷射器200，其进一步限定喷射器的腔或外壁202、上泵区域204、下泵区域206和出口喷嘴208。在喷射器200的内腔202内进一步示出了熔融打印材料212和在打印材料212内部和顶部积聚的浮渣210的示意图。在某些实施方案中，并且取决于打印系统中使用的是哪种打印材料，浮渣210是氧化铝、氧化镁和硅酸盐的组合。浮渣210还可包含气泡。在某些实施方案中，浮渣210可以包括附加材料或污染物，诸如铝(al)、钙(ca)、镁(mg)、硅(si)、铁(fe)或可能的气泡或其他含有钠(na)、钾(k)、硫(s)、氯(cl)、碳(c)或它们的组合的污染物的氧化物和硅酸盐。浮渣210通常朝向在喷射器200中的上泵区域204附近的熔融池的顶部积聚，并且可能潜在地引起打印期间的问题。浮渣210积累可能潜在地影响上述液位传感器测量喷射器200内部的熔融金属液位的能力。液位传感器系统的错误信号可能会导致泵在打印期间排空，这可能导致损坏正在打印的部件。一个或多个浮渣210“堵塞物”也可以具有在泵内生长的倾向，这继而可能导致泵动力学问题。泵动力学中的中断或问题可能进一步导致在打印期间喷头质量差和卫星液滴的形成。卫星液滴可以指仅在主液滴的喷射期间可以无意地形成的主液滴的容积的一部分的液滴。例如，喷嘴处的物理阻塞是导致形成卫星液滴的一个潜在原因。在某些实施方案中或在某些情况下，浮渣210也可能会分解，并且该碎片化浮渣或氧化物的一部分可以落入喷嘴208中，从而导致喷嘴208堵塞。由浮渣210积累产生的任何故障都具有灾难性的趋势，这可能导致需要关闭打印机、必须清理或清除浮渣210堵塞物、更换打印喷嘴、重新启动，或它们的组合。应注意，为了清楚起见，未在图2中描绘打印机或喷射器系统的附加特征部或元件。
30.图3是根据一个实施方案的包括液位传感器系统的液体金属喷射器的侧视剖视图。液体金属喷射器300，其也可被称为金属喷射设备，被示出为安装在3d打印机内的适当位置。应当理解，关于图1示出和描述的特征部和组件中的一些可以存在于图3中表示的系统中，例如，打印材料进料系统、气体源和总体喷射器壳体，但是为了清楚起见，它们未在图3中明确示出。喷射器300的主体306由上泵区段302和下泵区段308制成，该结构限定内腔304以在组合时接收金属打印材料并被按压以配合到3d打印机中。喷射器300的主体306包括离散且可分离的上泵区段302和离散且可分离的下泵区段308。上泵区段302由氮化硼制成，尽管另选实施方案可以具有由其它耐热陶瓷或陶瓷涂覆的金属材料(诸如氧化铝等)制成的上泵区段302。下泵区段308由石墨制成，尽管另选实施方案可以具有由其它无机、陶瓷或金属材料(诸如不锈钢、氧化铝、碳化硅等)制成的下泵区段308。液体金属喷射器300的下泵区段308限定与内腔304连接的喷射器喷嘴310或出口喷嘴孔口，并且被配置为喷射包含金属打印材料的一个或多个液体金属液滴。上泵区段302包括第一传感器对314，其限定上泵区段302内的竖直位置并放置在上泵区段302内的竖直位置处，上泵区段302与打印材料保持在内腔304内的最小或较低液位相关，因为第一传感器对314与内腔304的下部部分的内表面接触。应注意，第一传感器对314中的每个传感器相对于彼此定位在第一等效水平平面上。上泵区段302还包括第二传感器对312，其限定上泵区段302内的竖直位置并放置在上泵区段302内的竖直位置处，上泵区段302与打印材料在内腔304内的上液位相关，因为第二传感器对312与内腔304的上部部分的内表面接触。另外，第二传感器对312中的每个传感器
相对于彼此定位在第二等效水平平面上。在某些实施方案中，所述第一传感器对和所述第二传感器对固定地附接到限定所述内腔304的所述结构306。在示例性实施方案中，当与构成用于液体金属喷射器300中的打印材料的液体金属接触时，第一传感器对314和第二传感器对312由非润湿材料制成或涂覆有非润湿材料。第一传感器对312和第二传感器对314上的非润湿材料可以是氮化硼或其它陶瓷或不与熔融金属打印材料(诸如氧化铝、碳化硅等)接触的材料。为了将液体金属喷射器300内的打印材料的状态或液位通信到打印材料进料系统的目的，第一传感器对312和第二传感器对314联接或电连接到图3中未示出的打印材料进料系统，使得当打印材料较低时，可以通过打印材料进料系统内的进料机构来添加更多打印材料，或者如果液体金属喷射器300中的打印材料的液位足够，则可以停止打印材料进料系统的进料机构。
31.液体金属喷射器300进一步包括加热器组件316，所述加热器组件被配置为加热由上泵区段302和下泵区段308限定的喷射器主体，并且加热内腔304中的打印材料以将固体打印材料改变为液体金属喷射器300的内腔304内的液体。图3中还示出了至少部分地包在液体金属喷射器300周围的一个或多个金属线圈318。总体打印系统可以包括本文未示出的功率源。功率源可耦接到线圈318并且被配置为向线圈318提供电流。由线圈318引起的增大的磁场可在喷射器腔304内引起电动势，这继而在保持在内腔中的打印材料中引起感应电流，但是为了清楚起见，这里未示出。磁场以及打印材料中的感应电流可在打印材料上形成径向向内的力，称为洛伦兹力。该洛伦兹力在喷射器300的喷嘴310的入口处形成压力。该压力使打印材料以一个或多个液滴的形式通过喷嘴310喷射。
32.在打印操作之前，当最初填充金属喷射器喷头时，第一传感器对或下传感器对和第二传感器对或上传感器对两者将没有相应传感器对中的每个传感器之间的桥接接触或连接性，因为传感器对在等效水平平面上彼此间隔开。这种非接触的状态将信号发送到打印材料进料系统，启动进料机构以开始将固体打印材料进料到液体金属喷射器300的内腔304中。当将打印材料进料到内腔304中并且打印材料熔融时，熔融打印材料在内腔304内的液位上升。由于打印材料是导电的，所以熔融打印材料将在传感器对中的每个传感器之间提供连接性。当将内腔用打印材料填充时，熔融打印材料最终到达第一下传感器对的液位，此时熔融打印材料将桥接第一传感器对中的每个传感器之间的电触点。打印材料进料系统被配置为当第一传感器对中的每个传感器与金属打印材料接触时接收指示来自第一传感器对的电连接的第一电信号。打印材料进料将继续用打印材料填充内腔，只要第二上传感器对中的单独传感器之间没有桥接接触即可。一旦第二上传感器对中的每个传感器之间的触点经由打印材料的导电性桥接，则上传感器对接收喷射器喷头内腔被充分填充的一个或多个信号。打印材料进料系统被配置为当第二传感器对中的每个传感器与金属打印材料接触时接收指示来自第二传感器对的电连接的第二电信号。当导电性由第一下传感器对和第二上传感器对两者感测时，打印材料进料停止。随着打印材料继续喷射，液位下降到低于第二上传感器对的液位，并且循环继续，进料附加的打印材料，直到第二上传感器对已在足够的液位下通过打印材料的存在进行桥接连接。
33.此类喷射器的某些实施方案可以具有位于包括液体喷射器的壳体内部的打印材料供应源。此外，另选的实施方案可包括其他引入打印材料的装置，诸如粉末馈送系统或本领域的技术人员已知的其他打印材料引入装置。可以使用根据本文所述实施方案的液体喷
射器喷射的示例性打印材料还包括铝、铜、铁、镍、黄铜、天然黄铜和青铜的合金。银及其合金、铜及其合金、金属合金、钎焊合金或它们的组合也可以使用根据本文实施方案的液体喷射器来打印。某些实施方案可以具有单件组件，而不是具有上泵和下泵区段或具有组装以形成液体金属喷射器并限定其内腔的附加插入件或部件。虽然本文所述的导电传感器对由钢制成并且涂覆有与熔融打印材料接触的惰性材料，但是其它涂层或材料可以在另选的实施方案中使用。此外，应注意，虽然本文所示的传感器和传感器对被集成到上泵区段中，并且因此集成到液体金属喷射器组件中，但是另选的实施方案可以具有根据本文所述的实施方案使用的单独的、可更换或可用的传感器。
34.图4a和图4b分别示出了根据一个实施方案的具有和不具有加热器的液体金属喷射器组件的透视图。如先前所描述的，液体金属喷射器组件包括离散且可分离的上泵区段400，其被按压配合到离散且可分离的下泵区段408中，两者均限定内腔402结构以保持打印材料。还示出了打印材料入口406区段中的打印材料端口404，所述打印材料端口被配置为将馈线打印材料引导和引入内腔402中。下泵区段408还限定喷射器喷嘴410。还示出了第二上传感器对412和第一下传感器对414，以圆柱形探针形式示出，所述圆柱形探针形式与内腔402连通并且还向外部突出以相对于液体喷射器组件在外部连通，从而允许将电气信号或连接性信号携带到金属喷射器组件外部并携带到计算机系统、控制系统或打印材料进料系统，以提供对金属喷射器内的打印材料液位的反馈和控制。在组件中还示出了围绕上泵区段400的一部分的加热器416，所述一部分还限定用于将金属喷射组件安装和附接到3d打印系统中的两个加热器安装件418。图4b示出了关于图4a描述的相同特征部和组件，但是其中加热器416被移除。图5是根据一个实施方案的具有加热器的液体金属喷射器组件的顶部透视图。图5中的视图主要示出内腔402的内部视图以及内腔402内的第二上传感器对412和第一下传感器对414的相应位置。
35.图6是根据一个实施方案的具有加热器的液体金属喷射器组件的具有剖面图的侧面透视图。图6中的视图主要示出说明内腔402内的第二上传感器对412和第一下传感器对414的相应位置的剖视图。该视图示出，第二上传感器对412穿透上泵区段400的壁，并且从而维持上泵区段400的内腔402与金属喷射器组件的内部之间的连接，以及与金属喷射器组件的外部或外部部分的连接，从而允许将信号携带到金属喷射器组件外部并携带到计算机系统、控制系统或打印材料进料系统，以便提供对金属喷射器内的打印材料液位的反馈和控制。
36.图7是示出根据一个实施方案的在金属喷射打印机的液体金属喷射器中进行液位感测的方法的流程图。示出了控制金属喷射设备700中的液位的方法，其包括接收来自与金属喷射设备702的内腔的下部部分的内表面接触的第一传感器对的第一电信号的步骤。根据第一电信号的性质，当所述第一电信号不指示所述第一传感器对704中的每个传感器之间的电连接时，该方法开始启动固体打印材料的进料机构进入所述金属喷射设备的所述内腔中。当与熔融金属打印材料接触时，所述第一电信号指示所述第一传感器对中的每个传感器之间的电连接，并且当不与所述熔融金属打印材料接触时，不指示所述第一传感器对中的每个传感器之间的电连接。一旦从固体加热到液体，使得其处于熔融状态，所述打印材料的导电性在所述第一传感器对中的每个单独传感器之间桥接所述电连接信号。由于第一传感器对处于金属喷射设备的内腔的下部部分中，因此来自下部第一传感器对的接收信号
可以指示内腔中打印材料的液位处于与第一传感器对在内腔内的竖直位置相关的较低液位。控制金属喷射设备700中的液位的方法中的下一个步骤是接收来自与金属喷射设备706的内腔的上部部分的内表面接触的第二传感器对的第二电信号。当与熔融金属打印材料接触时，所述第二电信号指示所述第二传感器对中的每个传感器之间的电连接，并且当不与所述熔融金属打印材料接触时，不指示所述第二传感器对中的每个传感器之间的电连接。控制金属喷射设备700中的液位的方法中的结论步骤包括当第二电信号指示第二传感器对708中的每个传感器之间的电连接时暂停固体打印材料的进料机构进入金属喷射设备的内腔708中的步骤。当熔融打印材料与第二传感器对中的每个传感器接触时，执行进料机构中的这种暂停，并且因此桥接第二传感器对中的每个传感器之间的电连接。这与达到第二传感器对所位于的液位处的打印材料液位一致。由于打印材料处于足够的液位，因此可以暂停进料机构。控制金属喷射设备700中的液位的方法的某些实施方案可进一步包括当第二电信号不指示第二传感器对中的每个传感器之间的电连接时，启动固体打印材料的进料机构进入金属喷射设备的内腔中。这种电连接不存在是由于在第二传感器对之间没有打印材料桥接连接，并且因此不处于第二传感器对所位于的足够液位下。这向进料机构给出了继续向内腔中进料打印材料的信号或指令，直到达到第二传感器的液位为止。控制金属喷射设备700中的液位的方法进一步包括当所述第一电信号指示所述第一传感器对中的每个传感器之间的电连接并且所述第二电信号不指示所述第二传感器对中的每个传感器之间的电连接时，继续所述固体打印材料的所述进料机构进入所述金属喷射设备的所述内腔中。这种信号的组合意味着打印材料已经达到与第一传感器对的竖直位置相关的较低液位，但不是与第二传感器对在内腔中的上部位置相关的较高竖直液位。因此，进料机构继续将附加的打印材料供应到金属喷射设备的内腔中。控制金属喷射设备700中的液位的方法要求打印材料是导电的，并且可以是但不限于包括金属、金属合金或它们的组合的打印材料。可使用的如本文所述的打印材料的示例性示例还包括铝、铜、铁、镍、黄铜、天然黄铜和青铜的合金。银及其合金、铜及其合金、金属合金、钎焊合金或它们的组合也可以使用液体喷射器来打印、控制，并且用于根据本文实施方案的方法和系统中。应当注意的是，这种感测和控制液位的方法不依赖于使用传感器读取从金属喷射设备的内腔中的熔融池的表面反射的液位信号，该信号可能因浮渣的存在而中断。然而，还应注意，根据本公开，激光液位传感器可以用作在液体金属喷射器的内腔内感测液位的辅助或冗余方法。
37.使用离散导电传感器组以确保3d金属打印机中的熔融铝处于标称范围内可以更换另选的液位感测设备和方法，诸如激光液位感测系统和随附的控制方案。因此，根据本公开，导电传感器可以确定熔融铝或另选的打印材料是否在上限和下限之外，并且然后用于控制进入内腔的打印材料馈线以确保在打印操作期间，打印材料液位被适当地维持为保持在上边界和下边界内。这导致感测系统通过添加或停止进料到泵中的线量而调整馈线系统来防止系统填充过多或不足。通过使用熔融打印材料导电性而不是可能受到浮渣积聚负面影响的基于激光的液位控制系统的表面反射率，本文所述的此感测系统对浮渣表面积聚来说也是稳定的。本文所述的控制和感测方法以及感测设备可以在8小时周期或其它预定操作间隔中实现更大的喷射吞吐量。可以增加由于液位感测故障而引起的关闭之间的打印运行时间，这允许更大尺寸的部件积聚、泵更换之间的更长时间、在打印作业期间改进的喷射性能。
38.虽然已经相对于一个或多个具体实施示出了本教导内容，但是可以对所示示例做出改变和/或修改，而不脱离所附权利要求的精神和范围。例如，应当理解，虽然所述过程被描述为一系列动作或事件，但本教导内容不受此类动作或事件的排序的限制。一些动作可按不同顺序发生和/或与除本文所述的那些以外的其他动作或事件同时发生。另外，不需要所有的过程阶段来实现根据本教导内容的一个或多个方面或实施方案的方法。应当理解，可添加结构物体和/或处理级，或者可以移除或修改现有的结构物体和/或处理级。此外，本文所描绘的动作中的一者或多者可在一个或多个单独的动作和/或阶段中执行。此外，如果术语“包括”、“包含”、“具有”、“带有”或其变体用于具体实施方式和权利要求中，则此类术语旨在以类似于术语“包括”的方式呈包括性。术语
“……
中的至少一者”用来指可选择所列项目中的一者或多者。此外，在本文的讨论和权利要求中，相对于一者在另一者“上”的两个材料使用的术语“在
……
上”意指这两个材料之间的至少一些接触，而“在
……
上方”意指这两个材料接近，但可能有一个或多个附加居间材料，使得接触是可能的但非必需。“在
……
上”和“在
……
上方”均不暗示如本文所用的任何方向性。术语“保形的”描述了底层材料的角度因保形材料而得以保留的涂层材料。术语“约”指示可略微改变所列的值，只要所述改变不会导致所述过程或结构与所示的实施方案不符即可。术语“耦接”、“连接”和“与
……
连接”是指“与
……
直接连接”或“经由一个或多个中间元件或构件与
……
连接”。最后，术语“示例性”或“例示性”指示所述描述用作示例，而非暗示其是理想的。通过考虑本说明书并实践本文公开内容，本教导内容的其他实施方案对于本领域技术人员可以是显而易见的。旨在仅将本说明书和示例视为示例性的，而本教导内容的真实范围和精神由以下权利要求指示。

技术特征：
1.一种金属喷射设备，所述金属喷射设备包括：限定内腔以接收金属打印材料的结构；喷嘴孔口，所述喷嘴孔口与所述内腔连接并且被配置为喷射包含所述金属打印材料的一个或多个液体金属液滴；以及第一传感器对，所述第一传感器对与所述内腔的下部部分的内表面接触。2.根据权利要求1所述的金属喷射设备，其中所述第一传感器对中的每个传感器定位在第一等效水平平面上。3.根据权利要求1所述的金属喷射设备，所述金属喷射设备进一步包括与所述内腔的上部部分的内表面接触的第二传感器对。4.根据权利要求3所述的金属喷射设备，其中所述第二传感器对中的每个传感器定位在第二等效水平平面上。5.根据权利要求1所述的金属喷射设备，所述金属喷射设备进一步包括加热元件，所述加热元件被配置为加热所述金属喷射设备的所述内腔中的固体，从而在所述金属喷射设备内使所述固体变为液体。6.根据权利要求1所述的金属喷射设备，所述金属喷射设备进一步包括：线圈，所述线圈至少部分地包在所述金属喷射设备周围；以及功率源，所述功率源被配置为向所述线圈供应一个或多个功率脉冲，所述一个或多个功率脉冲使一个或多个液体金属液滴从所述喷嘴孔口射出。7.根据权利要求3所述的金属喷射设备，其中所述第一传感器对和所述第二传感器对固定地附接到限定所述内腔的所述结构。8.根据权利要求3所述的金属喷射设备，其中当与所述液体金属接触时，所述第一传感器对包括非润湿材料，并且当与所述液体金属接触时，所述第二传感器对包括非润湿材料。9.根据权利要求8所述的金属喷射设备，其中所述第一传感器对上的所述非润湿材料包括氮化硼，并且所述第二传感器对上的非润湿材料包括氮化硼。10.根据权利要求1所述的金属喷射设备，其中所述第一传感器对电连接到打印材料进料系统。11.根据权利要求3所述的金属喷射设备，其中所述第二传感器对电连接到打印材料进料系统。12.根据权利要求1所述的金属喷射设备，其中所述金属喷射设备进一步包括离散且可分离的上泵区段和离散且可分离的下泵区段。13.根据权利要求12所述的金属喷射设备，其中所述第一传感器对固定地附接到所述上泵区段。14.根据权利要求12所述的金属喷射设备，其中所述上泵区段包括氮化硼。15.根据权利要求12所述的金属喷射设备，其中所述下泵区段包括石墨。16.根据权利要求3所述的金属喷射设备，其中：打印材料进料系统被配置为当所述金属打印材料桥接所述第一传感器对中的每个传感器之间的所述电连接时接收指示来自所述第一传感器对的电连接的第一电信号；并且所述打印材料进料系统被配置为当所述金属打印材料桥接所述第一传感器对中的每个传感器之间的所述电连接时接收指示来自所述第二传感器对的电连接的第二电信号。
17.一种金属喷射设备，所述金属喷射设备包括：限定内腔以接收金属打印材料的结构，所述结构包括离散且可分离的上泵区段和离散且可分离的下泵区段；喷嘴孔口，所述喷嘴孔口与所述内腔连接并且被配置为喷射包含所述金属打印材料的一个或多个液体金属液滴；第一传感器对，所述第一传感器对与所述内腔的内表面接触并且固定地附接到所述上泵区段的下部部分；以及第二传感器对，所述第二传感器对与所述内腔的内表面接触并且固定地附接到所述上泵区段的上部部分。18.根据权利要求17所述的金属喷射设备，所述金属喷射设备进一步包括：加热元件，所述加热元件被配置为加热所述金属喷射设备的所述内腔中的固体，从而使所述固体在所述金属喷射设备内变为液体；以及线圈，所述线圈至少部分地包在所述金属喷射设备周围；以及功率源，所述功率源被配置为向所述线圈供应一个或多个功率脉冲，所述一个或多个功率脉冲使一个或多个液体金属液滴从所述喷嘴孔口射出。19.根据权利要求17所述的金属喷射设备，其中：所述第一传感器对中的每个传感器定位在第一等效水平平面上；以及所述第二传感器对中的每个传感器定位在第二等效水平平面上。20.根据权利要求17所述的金属喷射设备，其中所述上泵区段包括氮化硼。21.根据权利要求17所述的金属喷射设备，其中所述下泵区段包括石墨。22.一种控制金属喷射设备中的液位的方法，所述方法包括：接收来自与所述金属喷射设备的内腔的下部部分的内表面接触的第一传感器对的第一电信号；当所述第一电信号不指示所述第一传感器对中的每个传感器之间的电连接时，启动固体打印材料的进料机构进入所述金属喷射设备的所述内腔中；接收来自与所述金属喷射设备的所述内腔的上部部分的内表面接触的第二传感器对的第二电信号；以及当所述第二电信号指示所述第二传感器对中的每个传感器之间的电连接时，暂停所述固体打印材料的所述进料机构进入所述金属喷射设备的所述内腔。23.根据权利要求22所述的控制金属喷射设备中的液位的方法，所述方法进一步包括当所述第二电信号不指示所述第二传感器对中的每个传感器之间的电连接时，启动所述固体打印材料的所述进料机构进入所述金属喷射设备的所述内腔中。24.根据权利要求22所述的控制金属喷射设备中的液位的方法，所述方法进一步包括当所述第一电信号指示所述第一传感器对中的每个传感器之间的电连接并且所述第二电信号不指示所述第二传感器对中的每个传感器之间的电连接时，继续所述固体打印材料的所述进料机构进入所述金属喷射设备的所述内腔中。25.根据权利要求22所述的控制金属喷射设备中的液位的方法，其中所述打印材料包括金属、金属合金或它们的组合。26.根据权利要求25所述的控制金属喷射设备中的液位的方法，其中所述打印材料包
括金属铝。27.根据权利要求22所述的控制金属喷射设备中的液位的方法，其中：当与熔融金属打印材料接触时，所述第一电信号指示所述第一传感器对中的每个传感器之间的电连接；并且当不与所述熔融金属打印材料接触时，所述第一电信号不指示所述第一传感器对中的每个传感器之间的电连接。28.根据权利要求22所述的控制金属喷射设备中的液位的方法，其中：当与熔融金属打印材料接触时，所述第二电信号指示所述第二传感器对中的每个传感器之间的电连接；并且当不与所述熔融金属打印材料接触时，所述第二电信号不指示所述第二传感器对中的每个传感器之间的电连接。

技术总结
公开了一种金属喷射设备。金属喷射设备包括喷嘴孔口和第一传感器对，该喷嘴孔口与内腔连接并且被配置为喷射可包含金属打印材料的一个或多个液体金属液滴，该第一传感器对与内腔的下部部分的内表面接触。每个传感器对电连接到打印材料进料系统，其中打印材料进料系统被配置为当金属打印材料桥接每个传感器对中的每个传感器之间的电连接时接收指示来自每个传感器对的电连接的电信号。还公开了一种控制金属喷射设备中的液位的方法。制金属喷射设备中的液位的方法。制金属喷射设备中的液位的方法。


技术研发人员：D
受保护的技术使用者：施乐公司
技术研发日：2022.11.09
技术公布日：2023/7/11