一種加工微納器件的金屬微滴噴射增材製造系統及方法與流程
2023-12-11 12:56:07 1
本發明屬於一種均勻金屬微滴噴射增材製造技術領域，特別涉及一種加工微納器件的金屬微滴噴射增材製造系統及方法。
背景技術：
隨著科學技術日新月異的發展，快速成形技術，特別是3d列印技術逐漸在製造業中顯露頭角，並成為其不可或缺的一部分。3d列印技術正在快速改變人們傳統的生產方式與生活方式。未來，以數位化、網絡化、個性化為特點的3d列印製造技術將推動第三次工業革命。
基於均勻金屬微滴噴射的3d列印技術，是在1993年提出並發展起來的一種增材製造技術。它是基於離散、疊加的成型原理，通過液滴噴射器產生均勻金屬微滴,同時控制三維基板運動，使金屬微滴精確沉積在特定位置，並相互融合、凝固，逐點逐層堆積，進而實現複雜三維結構的快速列印。在微小複雜金屬件製備、電路列印與電子封裝以及結構功能一體化零件製造等領域，具有廣泛應用前景。
現有的增材製造技術，其加工精度不能滿足微納器件的生產要求，且每次加工只能使用一種材料。現有的均勻金屬微滴噴射技術，不能實現對金屬液滴的精確控制，故只能加工極其簡單的結構，對複雜的微納器件無能為力。所以現存的解決辦法存在很大的局限性。
技術實現要素：
為了解決現有技術所存在的技術問題，本發明提供了一種新型的加工微納器件的金屬微滴噴射增材製造系統及方法。
本發明的系統所採用的技術方案是：一種加工微納器件的金屬微滴噴射增材製造系統，其特徵在於：由產生區、篩選區、轉向區和加工區組成，所述產生區、篩選區、轉向區和加工區均為真空；
所述產生區用於產生帶電金屬液滴，使液滴獲得初速度；
所述篩選區用於產生勻強電場和產生勻強磁場；
所述轉向區用於產生勻強電場和產生勻強磁場；
所述加工區用於實現複雜微納結構的列印加工，且不需要支撐等額外構架。
本發明的方法所採用的技術方案是：一種加工微納器件的金屬微滴噴射增材製造方法，其特徵在於，包括以下步驟：
步驟1：噴嘴裝置通過懸架在固定支架上前後移動，到達規定位置後，帶負電荷的金屬液滴從噴嘴裝置產生，在重力作用下做自由落體運動，獲得一個初速度，然後液滴從產生區出口和篩選區入口射入篩選區；
步驟2：第一勻強電場發生器產生勻強電場，第一勻強磁場發生器產生勻強磁場；在勻強電場的作用下，液滴將受到向上的電場力，與液滴所受的重力平衡；液滴在勻強磁場作用下，受洛倫磁力，做勻速圓周運動，使滿足特定加工條件的液滴從篩選區出口和轉向區入口射入轉向區，不滿足加工條件的液滴，打在回收斜面裝置區域內，被回收循環利用；
步驟3：第二勻強電場發生器產生勻強電場，第二勻強磁場發生器產生勻強磁場；在勻強電場的作用下，液滴將受到向上的電場力，與液滴所受的重力平衡；液滴在勻強磁場作用下，受洛倫磁力，做勻速圓周運動，使得液滴方向發生改變，從轉向區出口和加工區入口垂直射入加工區；
步驟4：第三勻強電場發生器產生勻強電場，假設此時電場強度為e1，該電場使帶電液滴落到既定的加工位置時正好減速為零，據此可以把器件的第一層加工完整；當第二層液滴進入時，電場強度增加為e2，使第二層液滴落到加工位置時正好減速為零；與此同時，通過電荷調節裝置改變第一層所到加工位置液滴的電荷量，使其在該新的勻強電場作用下依舊受力平衡；當第二層液滴落到加工區時，會與第一層接觸，從而發生電荷的重新分配，可使第二層的液滴也在該電場下受力平衡；以此類推，使加工微納器件任意一層時，使已經加工好的每一層均始終保持受力平衡，從而實現複雜微納結構的列印加工，且不需要支撐等額外構架。
本發明具有如下優點：1.通過電場和磁場的組合，可實現帶電金屬液滴的精確控制；2.利用電磁場控制，對所產生的金屬液滴進行篩選，可以確保進入加工區的液滴均滿足條件，保證加工精度；3.可以列印具有複雜結構的微納器件，且不需要加列印支撐等額外架構，節省材料，去掉了後續去除支撐的工序。
附圖說明
圖1為本發明實施例的系統結構示意圖。
圖2為本發明實施例的噴嘴裝置的結構示意圖。
圖3為本發明實施例的產生區的結構示意圖。
圖4為本發明實施例的篩選區正視圖的結構示意圖。
圖5為本發明實施例的篩選區側視圖的結構示意圖。
圖6為本發明實施例的轉向區正視圖的結構示意圖。
圖7為本發明實施例的轉向區側視圖的結構示意圖。
圖8為本發明實施例的加工區正視圖的結構示意圖。
圖9為本發明實施例的加工區底板的結構示意圖。
圖10為本發明實施例的篩選區回收裝置的結構示意圖。
圖中，1-噴嘴裝置；2-懸架；3-固定支架；4-產生區；5-產生區出口；6-篩選區入口；7-篩選區出口；8-篩選區；9-第一勻強電場發生器；10-第一勻強磁場發生器；11-第二勻強電場發生器；12-轉向區；13-轉向區入口；14-轉向區出口；15-第二勻強磁場發生器；16-加工區入口；17-加工區；18-第三勻強電場發生器；19-基板；20-電極層；21-放置層；22-電壓調節裝置；23-電荷調節裝置；24-回收斜面裝置。
具體實施方式
為了便於本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
請見圖1-圖10，本發明提供的一種加工微納器件的金屬微滴噴射增材製造系統，由產生區4、篩選區8、轉向區12和加工區17組成，產生區4、篩選區8、轉向區12和加工區17均為真空；
產生區4設置有產生帶電金屬液滴的噴嘴裝置1、帶有軌道用於固定的固定支架3、和連接噴嘴裝置1和固定支架3的懸架2；在垂直面內，噴嘴裝置1在懸架2作用下，可沿固定支架3前後移動，實現滴落液滴的定位；產生區4設置有產生區出口5；
篩選區8包括用於產生勻強電場的第一勻強電場發生器9，和產生勻強磁場的第一勻強磁場發生器10；篩選區8設置有篩選區入口6和篩選區出口7；篩選區8內還回收斜面裝置24，不滿足加工條件的液滴，打在回收斜面裝置24區域內，被回收循環利用；
轉向區12包括用於產生勻強電場的第二勻強電場發生器11，和產生勻強磁場的第二勻強磁場發生器15；轉向區12設置有轉向區入口13和轉向區出口14；
加工區17包括第三勻強電場發生器18、基板19、電極層20、放置層21、電壓調節裝置22和電荷調節裝置23；加工區17設置有加工區入口16；第三勻強電場發生器18用於產生勻強電場，基板19用於加工和放置加工器件；放置層21為壓電陶瓷層，在不同電壓作用下產生相應的變形；基板19固定在電極層20上，基板19與電荷調節裝置23相連；電極層20設置在放置層21上，電極層20與電壓調節裝置22連接，放置層21為壓電陶瓷材料，當其兩端電壓發生變化時，會隨之產生相應的變形，且控制精度高，所以可以利用改變電壓，控制放置在放置層21的電極層20和基板19在平面上的位置。
本發明提供的一種加工微納器件的金屬微滴噴射增材製造方法，其特徵在於，包括以下步驟：
步驟1：在產生區4內，噴嘴裝置1通過懸架2在固定支架3上前後移動，到達規定位置後，帶負電荷的金屬液滴從噴嘴裝置1產生，在重力作用下做自由落體運動，獲得一個初速度，然後液滴從產生區出口5和篩選區入口6射入篩選區8；
步驟2：在篩選區8內，第一勻強電場發生器9產生勻強電場，第一勻強磁場發生器10產生勻強磁場。在勻強電場的作用下，液滴將受到向上的電場力，與液滴所受的重力平衡。液滴在勻強磁場作用下，受洛倫磁力，做勻速圓周運動。其運動半徑可以通過所加磁場大小進行調節，即可只讓滿足特定加工條件的液滴從篩選區出口7和轉向區入口13射入轉向區12，即實現篩選。不滿足加工條件的液滴，會打在回收斜面裝置24區域內，被回收循環利用；
步驟3：在轉向區12，第二勻強電場發生器11產生勻強電場，第二勻強磁場發生器15產生勻強磁場。在勻強電場的作用下，液滴將受到向上的電場力，與液滴所受的重力平衡。液滴在勻強磁場作用下，受洛倫磁力，做勻速圓周運動。使得液滴方向發生改變，從轉向區出口14和加工區入口16垂直射入加工區17；
步驟4：在加工區17，第三勻強電場發生器18產生勻強電場，假設此時電場強度為e1，該電場可以使帶電液滴落到既定的加工位置時正好減速為零。據此可以把器件的第一層加工完整。當第二層液滴進入時，電場強度增加為e2，使第二層液滴落到加工位置時正好減速為零。與此同時，由於基板19可以導電，可通過電荷調節裝置23改變第一層所到加工位置液滴的電荷量，使其在該新的勻強電場作用下依舊受力平衡。當第二層液滴落到加工區時，會與第一層接觸，從而發生電荷的重新分配，可使第二層的液滴也在該電場下受力平衡。以此類推，此方法可使加工微納器件任意一層時，使已經加工好的每一層均始終保持受力平衡。從而實現複雜微納結構的列印加工，且不需要支撐等額外構架。
一個噴嘴可以噴射一種加工材料，本實施例通過改變噴嘴的數量，就能實現在同一器件的加工過程中用不同材料加工的工藝。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。
儘管本文較多地使用了各種術語，但並不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發明的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。