一種噴嘴和噴嘴模具以及噴嘴和噴嘴模具的加工方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及3D打印技術(shù)，特別涉及一種噴嘴和噴嘴模具以及噴嘴和噴嘴模具的加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印技術(shù)(又稱為“增材制造技術(shù)”)無需機械加工或者磨具，就能根據(jù)計算機輔助設計系統(tǒng)(CAD)提供的三維圖形數(shù)據(jù)，通過層層疊加的方法制造出三維模型或零件，特別是對于具有復雜結(jié)構(gòu)的物體，可極大地縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
[0003]通過分層沉積可流動的成型材料來制造三維模型或零件的方法包括熔融擠出成型(FDM)和材料噴射成型技術(shù)(MJ)等。該類工藝是將可流動的液態(tài)材料(如膠體或液態(tài)樹脂等)或熔融態(tài)材料(如PLA或ABS等)以串珠或絲狀從噴嘴擠出，按照每層所設定的軌跡逐層沉積，每沉積一層后工作臺下降一個層厚或打印噴頭上升一個層厚，如此反復最終構(gòu)建出整個實體。在整個加工過程中，出絲速度和出絲直徑的大小及其均勻穩(wěn)定程度將對3D打印機加工精度和表面質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。
[0004]噴嘴作為3D打印機的重要部件，其孔徑按需制造，特別是微孔徑噴嘴將為擠出沉積成型技術(shù)在成型尺度和精度方面提供更寬的選擇范圍，微孔徑噴嘴的出料管道包括孔徑較大的內(nèi)腔以及用于出料的噴嘴孔道。特別是隨著對打印產(chǎn)品性能需求的提高，小尺寸(特別是微納尺寸)噴嘴將有效提高產(chǎn)品的精度和復雜度。其中，噴嘴微孔道尺寸和形狀對控制流體的流變行為并獲得期望的角度/體積分布具有重要作用；另外，在耐高溫材料(如熔融工程塑料、玻璃和金屬)打印成型時，噴嘴的耐高溫、耐磨性和內(nèi)孔道的光潔特性提升也將有利于打印效果和噴嘴自身的使用壽命。
[0005]目前常用的噴嘴微孔道/陣列的精加工方法有電火花加工、激光束加工，機械微型穿孔，溶液刻蝕，LIGA技術(shù)和超聲加工等技術(shù)。雖然這些技術(shù)各自有其加工制造優(yōu)勢，但卻存在著設備要求高，生產(chǎn)效率低，小尺寸和高深徑比孔徑加工困難等問題。特別是對于具有微小孔道的陶瓷噴嘴和陣列加工，這些問題尤為突出。能夠獲得的微孔一般在25 μπι以上，深徑比通常小于2，并且均為直線主體內(nèi)孔道。
[0006]針對小孔徑和高深徑比陶瓷噴嘴，微注射成形技術(shù)可獲得小至I ym的微孔，是一種適合于低成本大規(guī)模的制造尺寸微小且形狀復雜的金屬和陶瓷零部件的成形技術(shù)。
[0007]在采用粉末微注射成形方法制造噴嘴的過程中，由于噴嘴內(nèi)孔徑尺寸很小(ym級別)，因此相應的噴嘴內(nèi)孔模板的尺寸也很小，這就對制備內(nèi)孔的模板(尤其是極小孔徑噴嘴)提出了較高的工藝要求，此時，采用納米壓印或者機械加工制備內(nèi)孔模板已經(jīng)無法滿足要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種噴嘴模具的加工方法，采用電化學直寫沉積技術(shù)構(gòu)造噴嘴內(nèi)部微孔道的型芯，從而使微型噴嘴尺寸不受傳統(tǒng)加工手段限制，能夠制造出更小孔徑、更高深寬比的噴嘴。
[0009]一種噴嘴模具的加工方法，包括以下步驟:
[0010](I)制造限定出噴嘴外輪廓的外模和限定出噴嘴內(nèi)腔的內(nèi)模；
[0011](2)使所述內(nèi)模的出料端具有導電性；
[0012](3)以內(nèi)模的出料端為基底，通過電化學直寫沉積技術(shù)在內(nèi)模的出料端沉積形成限定出噴嘴孔道的型芯。
[0013]通過本發(fā)明的加工方法制造的噴嘴模具，其限定出噴嘴孔道的型芯，在尺寸達到亞微米級或更低，仍具有高成型精度，并且型芯的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要加工出直線型、沿長度方向直徑不等、或具有彎折(非直線)的結(jié)構(gòu)，例如三維曲線結(jié)構(gòu)，長徑比可達到30以上，優(yōu)選的，所述型芯沿其長度方向具有彎折，從而實現(xiàn)噴嘴孔道孔徑的微米級小尺寸制造和形狀按需制備。
[0014]本說明書中所述的噴嘴是指3D打印噴頭系統(tǒng)的末端錐形部分，即材料最終從所述的末端錐形部分噴出，該噴嘴部分具有對流體加速或?qū)虻淖饔谩?br>[0015]本發(fā)明還公開了一種噴嘴模具，其型芯采用電化學直寫沉積技術(shù)構(gòu)造，從而使微型噴嘴尺寸不受傳統(tǒng)加工手段限制，能夠制造出更小孔徑、更高深寬比的噴嘴。
[0016]一種噴嘴模具，包括限定出噴嘴外輪廓的外模，限定出噴嘴內(nèi)腔的內(nèi)模，以及與內(nèi)模的出料端連接且限定出噴嘴孔道的型芯，所述內(nèi)模的出料端具有導電性，所述型芯以內(nèi)模的出料端為基底、通過電化學直寫沉積技術(shù)沉積形成。
[0017]所述噴嘴模具可以是制造單個噴嘴的結(jié)構(gòu)，也可以是多個整列布置，優(yōu)選的，所述噴嘴模具為限定出噴嘴陣列的陣列模具，包括多組陣列布置的外模、內(nèi)模和型芯，所述的陣列排布可以根據(jù)3D打印的需要進行設定，陣列中每個噴嘴軸線之間可以是平行的也可以是不平行的；噴嘴陣列可以是單排排列，也可以是多排排列；噴嘴陣列中相鄰噴嘴的間距可以在一定范圍內(nèi)進行變化，并不一定是固定的間距。
[0018]使所述內(nèi)模的出料端具有導電性是為了在內(nèi)模的出料端上直接通過電化學直寫沉積技術(shù)制造型芯，提高模具整體的裝配精度；使出料端具有導電性，可以是僅僅出料端部分是覆膜導電材質(zhì)或者由導電材質(zhì)制成，為了方便制造，優(yōu)選的，所述內(nèi)模采用導電材料制造。整個內(nèi)模直接使用導電材料制造，簡化加工工藝；
[0019]為了降低模具的制造成本，優(yōu)選的，所述內(nèi)模包括由非導電材料制成的基體以及覆膜在基體的進料端的導電層。
[0020]為了方便覆膜，優(yōu)選的，所述導電層覆膜在整個基體表面。
[0021]并且，當內(nèi)模為陣列結(jié)構(gòu)時，整個內(nèi)模具有導電性或者內(nèi)模整個表面具有導電性，便于安裝三維微納結(jié)構(gòu)制造系統(tǒng)的電極，只要將電極安裝到內(nèi)模上后，即可對各套內(nèi)模的出料端進行加工，而不用針對每個單獨內(nèi)模重新安裝電極，加工方便。
[0022]優(yōu)選的，所述型芯由金屬、導電高分子、半導體、或陶瓷中的至少一種沉積而成。常用的是金屬。
[0023]本發(fā)明還公開了一種噴嘴的加工方法，使用采用電化學直寫沉積技術(shù)構(gòu)造型芯的噴嘴模具，制造的噴嘴尺寸不受傳統(tǒng)加工手段限制，能夠制造出更小孔徑、更高深寬比的噴嘴。
[0024]一種噴嘴的加工方法，包括以下步驟:
[0025](I)制造限定出噴嘴外輪廓的外模和限定出噴嘴內(nèi)腔的內(nèi)模；
[0026](2)使所述內(nèi)模的出料端具有導電性；
[0027](3)以內(nèi)模的出料端為基底，通過電化學直寫沉積技術(shù)在內(nèi)模的出料端沉積形成限定出噴嘴孔道的型芯；
[0028](4)組裝外模、內(nèi)模和型芯，得到噴嘴模具；
[0029](5)在所述的噴嘴模具中填充坯料，制成噴嘴坯體；
[0030](6)將所述陶瓷噴嘴坯體進行脫模、脫脂和燒結(jié)，獲得噴嘴。
[0031]為了提高噴嘴品質(zhì)，優(yōu)選的，所述坯料采用陶瓷坯料。制成的陶瓷噴嘴具有耐高溫、耐磨的特點，噴嘴孔道的光潔特性提升，還有利于打印效果的提升和噴嘴自身的使用壽命延長。
[0032]優(yōu)選的，所述陶瓷坯料為ZrO2, Al2O3' ZrO2-Al2O3' Y2O3-ZrO2, Al2O3-TiN' Si3N4顆粒中的至少一種。
[0033]這種陶瓷噴嘴坯體可通過注射、溶膠-凝膠法、光固化、陶瓷先驅(qū)體聚合物分解的方法生成。陶瓷坯料顆粒尺寸在2 μ??或以下，優(yōu)選顆粒尺寸在0.5 μ??或以下。
[0034]進一步，陶瓷噴嘴坯體經(jīng)溶劑脫脂，熱脫脂和預燒結(jié)后取下模板，最后將預燒結(jié)坯在燒結(jié)爐中進行高溫燒結(jié)，最終得到期望的形狀，尺寸和微觀結(jié)構(gòu)的噴嘴。當型芯的尺寸達到亞微米或以下時，有時傳統(tǒng)的機械脫模法較難實現(xiàn)脫模，優(yōu)選的，所述型芯采用脫模劑、高溫加熱或電化學腐蝕進行脫模，優(yōu)選預燒制熔化或化學腐蝕方法脫模。
[0035]本發(fā)明還公開了一種噴嘴，其孔道由采用電化學直寫沉積技術(shù)構(gòu)造的型芯限定，噴嘴尺寸不受傳統(tǒng)加工手段限制，其孔徑更小、深寬比更高。
[0036]一種噴嘴，通過粉末微注射成