本發(fā)明涉及一種在惰性氣體輔助下的金屬材質(zhì)微液滴的制造裝置及方法，以用于微滴噴射增材制造技術(shù)，實現(xiàn)金屬微液滴沉積并形成3d固體成形件。

背景技術(shù)：

金屬微液滴噴射制造技術(shù)是基于噴墨打印原理發(fā)展的一種3d打印技術(shù)。它基于“離散-疊加”的成形原理，先控制液態(tài)金屬生成均勻微液滴，然后通過基板的運動使微液滴沉積在基板的特定位置，實現(xiàn)逐點、逐層地堆積形成復(fù)雜的三維實體結(jié)構(gòu)。該技術(shù)具有工藝流程簡單、生產(chǎn)成本低和成形件致密度高、力學(xué)性能好等優(yōu)點，在微小金屬零件快速成形、柔性電路打印、微電子封裝等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

盡管非金屬材料微液滴噴射技術(shù)已有成熟應(yīng)用，但金屬材料具有熔點高,粘性和表面張力大等特性，而且金屬微液滴的生成過程涉及溫度和金屬形態(tài)的變化，受多種因素的耦合影響，成熟的非金屬材料噴射裝置及控制方法很難直接用于金屬材料的噴射制造。對于金屬微液滴噴射制造技術(shù)，均勻穩(wěn)定且尺寸小的金屬微液滴是提高成形件質(zhì)量的關(guān)鍵，國內(nèi)外大量學(xué)者提出了多種控制微液滴生成尺寸的方法，然而由于噴孔加工技術(shù)和微液滴生成方式的限制，微液滴的直徑很難均勻地降低。常溫微尺度流動研究中的流動聚焦方式，提供了一種利用氣體擠壓剪切液體的流動形式，可以將其與金屬微液滴噴射技術(shù)相結(jié)合，以促進(jìn)金屬微液滴的生成，減小生成微液滴的尺寸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于氣動式金屬微液滴生成方法，通過高壓氣體在出口處對液體施加粘性剪切力，促進(jìn)液體斷裂形成尺寸更小的微液滴。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種氣相輔助的金屬微液滴制造裝置，該方裝置包括密封箱體1，內(nèi)坩堝2，外坩堝3，第一恒壓氣體入口4，第二恒壓氣體入口5，加熱器6，密封板7，脈動壓力氣體入口8，液體出口9，液滴沉積平臺10，進(jìn)氣道11，泄氣道12，液滴出口13。

裝置各個部分之間的關(guān)系和作用如下，密封箱體1為本裝置的外部箱體結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件均安裝在密封箱體1內(nèi)，以保證密封箱體1的內(nèi)部為無氧環(huán)境并且溫度恒定；內(nèi)坩堝2內(nèi)部儲存液態(tài)金屬；外坩堝3與內(nèi)坩堝2相互配合，外坩堝3的內(nèi)壁面和內(nèi)坩堝2的外壁面保持一定間隔，間隔用以供高壓氣體流過；外坩堝3上對稱設(shè)置有第一恒壓氣體入口4和第二恒壓氣體入口5，第一恒壓氣體入口4和第二恒壓氣體入口5為高壓氣體的入口；外坩堝3的外壁面包裹有加熱器6，加熱器6為整個內(nèi)部環(huán)境提供熱量，加熱器6根據(jù)需要加熱到不同溫度以保持液態(tài)金屬為融化狀態(tài)；內(nèi)坩堝2的密封板7上設(shè)置有脈動壓力氣體入口8，通入壓力為脈動式變化的氣體；液態(tài)金屬在內(nèi)部脈動氣壓的擠壓下從液體出口9流出。液體出口9的下部為進(jìn)氣道11，進(jìn)氣道11的下部為泄氣道12，泄氣道12的下部為液滴出口13，液滴出口13與液體出口9的位置相對應(yīng)。

一種氣相輔助的金屬微液滴制造方法，保持密封箱體1的內(nèi)部為封閉環(huán)境以保持內(nèi)部溫度不變，同時為無氧環(huán)境，全部用惰性氣體填充以防止金屬氧化；內(nèi)坩堝2內(nèi)部儲存有液態(tài)金屬，內(nèi)坩堝2的頂部由密封板7密封，內(nèi)坩堝2內(nèi)部的空間被惰性氣體填充；從脈動壓力氣體入口8通入壓力為脈動變化的惰性氣體，擠壓液態(tài)金屬從液體出口9流出；外坩堝3與內(nèi)坩堝2之間保持一定的間距，提供從第一恒壓氣體入口4和第二恒壓氣體入口5流入的高壓氣體的流通路徑；外坩堝3外部包裹加熱器6，保持內(nèi)部環(huán)境的溫度恒定，并根據(jù)需要加熱到不同溫度以保證液體處于特定的流動狀態(tài)；高壓氣體從進(jìn)氣道11流入，在液體出口9處擠壓和剪切流出的金屬液體，高壓氣體從泄氣道12流出，生成的微液滴從液滴出口13流出并落在沉積平臺10上。

本發(fā)明的生成方式在氣動式微滴生成方式的基礎(chǔ)上，通過液體出口周圍氣體的粘性剪切作用，在微滴生成階段實現(xiàn)液體的提前剪切破碎，生成更小的均勻微滴，有助于提高成形件精度和致密度，金屬晶格結(jié)構(gòu)也更均勻，力學(xué)性能更好。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種氣相輔助的金屬微液滴制造方法的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中微液滴生成位置的局部放大圖。

圖3是氣動式金屬微液滴生成方式與本發(fā)明氣相輔助下微液滴生成方式的生成過程的示意圖對比。

具體實施方式

下面結(jié)合結(jié)構(gòu)附圖對本發(fā)明一種氣相輔助的金屬微液滴制造方法的工作過程和作用效果進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1、圖2所示，整個裝置包括密封箱體1，內(nèi)坩堝2，外坩堝3，第一恒壓氣體入口4，第二恒壓氣體入口5，加熱器6，密封板7，脈動壓力氣體入口8，液體出口9，液滴沉積平臺10，進(jìn)氣道11，泄氣道12，液滴出口13。

本裝置的具體工作過程如下：保持密封箱體1的內(nèi)部為封閉環(huán)境以保持內(nèi)部溫度不變，同時為無氧環(huán)境，全部用惰性氣體填充以防止金屬氧化；內(nèi)坩堝2內(nèi)部儲存有液態(tài)金屬，內(nèi)坩堝2的頂部由密封板7密封，內(nèi)坩堝2內(nèi)部的空間被惰性氣體填充；從脈動壓力氣體入口8通入壓力為脈動變化的惰性氣體，擠壓液態(tài)金屬從液體出口9流出；外坩堝3與內(nèi)坩堝2之間保持一定的間距，提供從第一恒壓氣體入口4和第二恒壓氣體入口5流入的高壓氣體的流通路徑；外坩堝3外部包裹加熱器6，保持內(nèi)部環(huán)境的溫度恒定，并根據(jù)需要加熱到不同溫度以保證液體處于特定的流動狀態(tài)；高壓氣體從進(jìn)氣道11流入，在液體出口9處擠壓和剪切流出的金屬液體，高壓氣體從泄氣道12流出，生成的微液滴從液滴出口13流出并落在沉積平臺10上。

圖3中的a為氣動式金屬微液滴生成示意圖，圖3中的b為本發(fā)明的生成方式，在氣動式微滴生成方式的基礎(chǔ)上，通過液體出口周圍氣體的粘性剪切作用，在微滴生成階段實現(xiàn)液體的提前剪切破碎，生成尺寸更小的均勻微滴。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種氣相輔助的金屬微液滴制造裝置及方法，屬于微滴噴射增材制造技術(shù)。保持密封箱體的內(nèi)部為封閉環(huán)境以保持內(nèi)部溫度不變，內(nèi)坩堝內(nèi)部儲存有液態(tài)金屬從脈動壓力氣體入口通入壓力為脈動變化的惰性氣體，擠壓液態(tài)金屬從液體出口流出；外坩堝與內(nèi)坩堝之間保持一定的間距，外坩堝外部包裹加熱器，保持內(nèi)部環(huán)境的溫度恒定；高壓氣體從進(jìn)氣道流入，在液體出口處擠壓和剪切流出的金屬液體，高壓氣體從泄氣道流出，生成的微液滴從液滴出口流出并落在沉積平臺上；本發(fā)明通過液體出口周圍氣體的粘性剪切作用，在微滴生成階段實現(xiàn)液體的提前剪切破碎，生成更小的均勻微滴，有助于提高成形件精度和致密度，金屬晶格結(jié)構(gòu)也更均勻，力學(xué)性能更好。

技術(shù)研發(fā)人員：劉趙淼;王翔;逄燕
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.07.04
技術(shù)公布日：2017.09.05