本發(fā)明屬于一種均勻金屬微滴噴射增材制造技術領域，特別涉及一種加工微納器件的金屬微滴噴射增材制造系統(tǒng)及方法。

背景技術：

隨著科學技術日新月異的發(fā)展，快速成形技術，特別是3d打印技術逐漸在制造業(yè)中顯露頭角，并成為其不可或缺的一部分。3d打印技術正在快速改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的生產(chǎn)方式與生活方式。未來，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、個性化為特點的3d打印制造技術將推動第三次工業(yè)革命。

基于均勻金屬微滴噴射的3d打印技術，是在1993年提出并發(fā)展起來的一種增材制造技術。它是基于離散、疊加的成型原理，通過液滴噴射器產(chǎn)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，并相互融合、凝固，逐點逐層堆積，進而實現(xiàn)復雜三維結構的快速打印。在微小復雜金屬件制備、電路打印與電子封裝以及結構功能一體化零件制造等領域，具有廣泛應用前景。

現(xiàn)有的增材制造技術，其加工精度不能滿足微納器件的生產(chǎn)要求，且每次加工只能使用一種材料?，F(xiàn)有的均勻金屬微滴噴射技術，不能實現(xiàn)對金屬液滴的精確控制，故只能加工極其簡單的結構，對復雜的微納器件無能為力。所以現(xiàn)存的解決辦法存在很大的局限性。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術所存在的技術問題，本發(fā)明提供了一種新型的加工微納器件的金屬微滴噴射增材制造系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的系統(tǒng)所采用的技術方案是：一種加工微納器件的金屬微滴噴射增材制造系統(tǒng)，其特征在于：由產(chǎn)生區(qū)、篩選區(qū)、轉向區(qū)和加工區(qū)組成，所述產(chǎn)生區(qū)、篩選區(qū)、轉向區(qū)和加工區(qū)均為真空；

所述產(chǎn)生區(qū)用于產(chǎn)生帶電金屬液滴，使液滴獲得初速度；

所述篩選區(qū)用于產(chǎn)生勻強電場和產(chǎn)生勻強磁場；

所述轉向區(qū)用于產(chǎn)生勻強電場和產(chǎn)生勻強磁場；

所述加工區(qū)用于實現(xiàn)復雜微納結構的打印加工，且不需要支撐等額外構架。

本發(fā)明的方法所采用的技術方案是：一種加工微納器件的金屬微滴噴射增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：噴嘴裝置通過懸架在固定支架上前后移動，到達規(guī)定位置后，帶負電荷的金屬液滴從噴嘴裝置產(chǎn)生，在重力作用下做自由落體運動，獲得一個初速度，然后液滴從產(chǎn)生區(qū)出口和篩選區(qū)入口射入篩選區(qū)；

步驟2：第一勻強電場發(fā)生器產(chǎn)生勻強電場，第一勻強磁場發(fā)生器產(chǎn)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?jié)M足特定加工條件的液滴從篩選區(qū)出口和轉向區(qū)入口射入轉向區(qū)，不滿足加工條件的液滴，打在回收斜面裝置區(qū)域內(nèi)，被回收循環(huán)利用；

步驟3：第二勻強電場發(fā)生器產(chǎn)生勻強電場，第二勻強磁場發(fā)生器產(chǎn)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(fā)生改變，從轉向區(qū)出口和加工區(qū)入口垂直射入加工區(qū)；

步驟4：第三勻強電場發(fā)生器產(chǎn)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(jù)此可以把器件的第一層加工完整；當?shù)诙右旱芜M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(diào)節(jié)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?shù)诙右旱温涞郊庸^(qū)時，會與第一層接觸，從而發(fā)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(jīng)加工好的每一層均始終保持受力平衡，從而實現(xiàn)復雜微納結構的打印加工，且不需要支撐等額外構架。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：1.通過電場和磁場的組合，可實現(xiàn)帶電金屬液滴的精確控制；2.利用電磁場控制，對所產(chǎn)生的金屬液滴進行篩選，可以確保進入加工區(qū)的液滴均滿足條件，保證加工精度；3.可以打印具有復雜結構的微納器件，且不需要加打印支撐等額外架構，節(jié)省材料，去掉了后續(xù)去除支撐的工序。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)結構示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例的噴嘴裝置的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例的產(chǎn)生區(qū)的結構示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例的篩選區(qū)正視圖的結構示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例的篩選區(qū)側視圖的結構示意圖。

圖6為本發(fā)明實施例的轉向區(qū)正視圖的結構示意圖。

圖7為本發(fā)明實施例的轉向區(qū)側視圖的結構示意圖。

圖8為本發(fā)明實施例的加工區(qū)正視圖的結構示意圖。

圖9為本發(fā)明實施例的加工區(qū)底板的結構示意圖。

圖10為本發(fā)明實施例的篩選區(qū)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(chǎn)生區(qū)；5-產(chǎn)生區(qū)出口；6-篩選區(qū)入口；7-篩選區(qū)出口；8-篩選區(qū)；9-第一勻強電場發(fā)生器；10-第一勻強磁場發(fā)生器；11-第二勻強電場發(fā)生器；12-轉向區(qū)；13-轉向區(qū)入口；14-轉向區(qū)出口；15-第二勻強磁場發(fā)生器；16-加工區(qū)入口；17-加工區(qū)；18-第三勻強電場發(fā)生器；19-基板；20-電極層；21-放置層；22-電壓調(diào)節(jié)裝置；23-電荷調(diào)節(jié)裝置；24-回收斜面裝置。

具體實施方式

為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發(fā)明，下面結合附圖及實施例對本發(fā)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于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請見圖1-圖10，本發(fā)明提供的一種加工微納器件的金屬微滴噴射增材制造系統(tǒng)，由產(chǎn)生區(qū)4、篩選區(qū)8、轉向區(qū)12和加工區(qū)17組成，產(chǎn)生區(qū)4、篩選區(qū)8、轉向區(qū)12和加工區(qū)17均為真空；

產(chǎn)生區(qū)4設置有產(chǎn)生帶電金屬液滴的噴嘴裝置1、帶有軌道用于固定的固定支架3、和連接噴嘴裝置1和固定支架3的懸架2；在垂直面內(nèi)，噴嘴裝置1在懸架2作用下，可沿固定支架3前后移動，實現(xiàn)滴落液滴的定位；產(chǎn)生區(qū)4設置有產(chǎn)生區(qū)出口5；

篩選區(qū)8包括用于產(chǎn)生勻強電場的第一勻強電場發(fā)生器9，和產(chǎn)生勻強磁場的第一勻強磁場發(fā)生器10；篩選區(qū)8設置有篩選區(qū)入口6和篩選區(qū)出口7；篩選區(qū)8內(nèi)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(qū)域內(nèi)，被回收循環(huán)利用；

轉向區(qū)12包括用于產(chǎn)生勻強電場的第二勻強電場發(fā)生器11，和產(chǎn)生勻強磁場的第二勻強磁場發(fā)生器15；轉向區(qū)12設置有轉向區(qū)入口13和轉向區(qū)出口14；

加工區(qū)17包括第三勻強電場發(fā)生器18、基板19、電極層20、放置層21、電壓調(diào)節(jié)裝置22和電荷調(diào)節(jié)裝置23；加工區(qū)17設置有加工區(qū)入口16；第三勻強電場發(fā)生器18用于產(chǎn)生勻強電場，基板19用于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(chǎn)生相應的變形；基板19固定在電極層20上，基板19與電荷調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)裝置22連接，放置層21為壓電陶瓷材料，當其兩端電壓發(fā)生變化時，會隨之產(chǎn)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(fā)明提供的一種加工微納器件的金屬微滴噴射增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：在產(chǎn)生區(qū)4內(nèi)，噴嘴裝置1通過懸架2在固定支架3上前后移動，到達規(guī)定位置后，帶負電荷的金屬液滴從噴嘴裝置1產(chǎn)生，在重力作用下做自由落體運動，獲得一個初速度，然后液滴從產(chǎn)生區(qū)出口5和篩選區(qū)入口6射入篩選區(qū)8；

步驟2：在篩選區(qū)8內(nèi)，第一勻強電場發(fā)生器9產(chǎn)生勻強電場，第一勻強磁場發(fā)生器10產(chǎn)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(diào)節(jié)，即可只讓滿足特定加工條件的液滴從篩選區(qū)出口7和轉向區(qū)入口13射入轉向區(qū)12，即實現(xiàn)篩選。不滿足加工條件的液滴，會打在回收斜面裝置24區(qū)域內(nèi)，被回收循環(huán)利用；

步驟3：在轉向區(qū)12，第二勻強電場發(fā)生器11產(chǎn)生勻強電場，第二勻強磁場發(fā)生器15產(chǎn)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(fā)生改變，從轉向區(qū)出口14和加工區(qū)入口16垂直射入加工區(qū)17；

步驟4：在加工區(qū)17，第三勻強電場發(fā)生器18產(chǎn)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(jù)此可以把器件的第一層加工完整。當?shù)诙右旱芜M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，由于基板19可以導電，可通過電荷調(diào)節(jié)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?shù)诙右旱温涞郊庸^(qū)時，會與第一層接觸，從而發(fā)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(jīng)加工好的每一層均始終保持受力平衡。從而實現(xiàn)復雜微納結構的打印加工，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(shù)量，就能實現(xiàn)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(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)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采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。

盡管本文較多地使用了各種術語，但并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(fā)明的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。