CN101693516A - 微小型装配体整体一次成型制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小型装配体整体一次成型制作方法，其步骤是：根据微装配体三维CAD模型的材料分布特征，对CAD模型进行上色处理；将微装配体三维CAD模型进行离散化切片分层，得到含有成型材料信息与结构信息的一系列二维切片；按照二维切片结构信息逐层喷射成型材料，在每层的未被喷射成型材料的区域喷射支撑材料填充，堆积的实体材料和支撑材料被迅速固化或冷却成型；层层粘结叠加，成型完成后再去除每层填充的支撑材料，即获得与计算机实体模型相对应的微装配体。本发明方法微装配体一次成型，不需装配工序，工序简单、制造成本低、材料选择广泛，微装配体制作精度高。

Description

微小型装配体整体一次成型制作方法

技术领域

本发明涉及一种微小型装配体的制作方法，具体说是微小型装配体整体一次成型制作方法，尤其是含有多种不同材料部件的微小型装配体的整体一次成型方法。采用快速成型和喷射成型技术逐层制作含有多种材料的、内含多个零部件的微小型装配体(微机构，又称为微装配体)的整体制作。

背景技术

由多个小型或微型零部件组成的微小型装配体，尤其是每个零部件的材料不尽相同的情况下，对于该类装配体的加工目前一般是采用单独加工每个零部件，然后再分别进行装配。如美国用于25mm小口径弹引信的微机电系统(MEMS)安全系统就包括夹板、带有弹簧的后坐滑块及离心滑块、后坐保险锁、指令摆锁和微型火工品等部件。其装配过程包括以下三道工序：微机械零部件的装配、微型火工品的装配、MEMS安全系统的系统级装配。

对于微小型机构的装配，有以下特点：1)装配精度高。微小型机构的各零部件尺寸一般在20μm～10mm，因此对装配精度要求很高。如果手工操作则只能借助适当的观察和辅助手段，而且花费时间长，并对操作者提出很高的要求，才能保证微小机构的装配质量。2)各零部件制造精度高。为了保证有足够的装配精度，因此就要求各零部件在单独制造时的精度相应提高，尤其是对于微零件而言，更加大了加工难度，提高了加工成本。3)成品率低。微装配机构中常含有易损坏或易变形的结构部件，如悬臂梁结构、薄壁结构等，此类部件在进行装配时如采用传统的夹持技术，就会很容易造成零件的损坏或变形，导致出现较多的废品。据统计，目前微小型机构的装配成本占到整个产品制造成本的40％～50％，甚至有时高达70％以上，因此，提高装配生产率带来的经济效益将会非常显著。

因此，针对微装配过程中以上特点，目前主要有两种解决方案：一是将传统的机器人、夹持器微型化，通过视觉、力反馈控制实现超精密操作；二是在开环控制方式下通过细微零件的自装配实现并行操作。由于前一类方法存在传感器信息准确获取困难、难以实时处理和控制精度低等固有问题，越来越多的学者将注意力放在自装配技术的研究上。

但以上所述的还只是含有同种材料的多零件装配问题，对于含有多种材料的微制造及微装配的研究，目前还处于一种探索阶段。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术存在的技术缺陷，提供一种采用微滴喷射方式快速、低成本的制作高精度、可适用于含有多种材料的微装配体的整体一次成型方法。

本发明是运用如下技术方案来实现发明目的的：

a.根据设计的微装配体三维CAD模型(计算机三维数字模型)，按照其所含部件的成型材料的分布特征，对该CAD模型进行上色处理，每种颜色对应一种微装配体的部件或部件的成型材料；

b.将上过色的微装配体三维CAD模型进行离散化切片分层处理，得到含有成型材料信息与结构信息的一系列二维切片；

c.将各二维切片的结构信息转化成相应的数控加工轨迹，使得各二维切片中的成型材料信息与相应成型材料的微型喷嘴相对应，以控制微型喷嘴的开与关；通过数控运动和微型喷嘴喷射材料，实现每个二维切片分层的精确堆积；逐层堆积，层层粘结叠加，完成微装配体成型；

d.待一层堆积完成后，在每层的未被喷射的区域内用支撑材料喷嘴喷射支撑材料填充；

e.根据微装配体设计需要去除或保留每层填充的支撑材料，即获得与计算机实体模型相对应的微装配体。

所述对微装配体三维CAD模型进行上色处理，其方法是：根据制作的微装配体的材料分布要求，用某个特定的色彩分别表示或对应装配体中各零件所使用的某种材料；或

用色彩分布函数分别表示或对应装配体中各零件所使用的材料分布特征。

对于零件某一个或几个局部特征或整体中同时含有多种或多相材料的情形，可以采用贴图方式进行色彩渗透的方法完成上色处理。所谓贴图方式就是把通过其他软件或方法所获得的零件的材料分布图形或图像，在软件环境下，映像至三维CAD实体模型的表面，并指定色彩渗透或材料渗透深度。

制作多种材料部件的微装配体所需的部件的成型材料可为低熔点合金(如铝、铋、银、铜、锡、铅、锌、镁等金属粉末或合金粉末，在喷射之前加热成熔融态)、各类蜡、各种热塑性塑料等(在喷射之前加热成熔融态，加热后呈熔融态的液体可掺入胶体或纳米颗粒填料，如硅石、有机物、金属或金属合金)、脂类材料，其中脂类材料中也包括光敏树脂，所述光敏树脂应对波长200-1000nm的光线较为敏感，其成分包括齐聚物、活性单体、光引发剂、着色剂及其它助剂(在喷射之前加热成熔融态，加热后呈熔融态的脂类液体可混有胶体或纳米颗粒填料，如硅石、有机物、金属或合金)。上述成型材料的液体在室温下的粘度为1-10000cps，优选0-5000cps。

填充每层空白区域或非实体区域(是指未被喷射部件材料的区域)的支撑材料可以是较低熔点的材料，如熔点在40-160℃的动物蜡、植物蜡、矿物蜡、合成蜡等；可以是被有机溶剂易于溶解的材料，如脂类材料；可以是易于溶于水的材料，如氯化铵等无机盐类材料；也可以是易升华的材料，如有机萘材料。可以是对光比较敏感的液态光敏树脂，树脂内可混有胶体或纳米颗粒填料，如硅石、有机物、金属或合金；上述支撑材料在喷射之前加热成熔融态，其在室温下的粘度是1-10000cps。

需指出的是，虽然成型材料在本专利中被称作“成型材料”或“支撑材料”，但这些材料也可以互相替换，即以“支撑材料”制作三维结构，以“成型材料”形成该三维结构的支撑部分。但一般情况下，希望用于形成三维结构的材料具有优越于用于形成支撑部分的材料的性能，如具有更高强度、更高硬度、更快固化速度等性能。

制作含有多种不同材料部件的微装配体的过程中使用的微细喷嘴为多个，可分别喷射构成三维结构本体的各类液体材料和构成三维结构每层支撑的支撑材料。喷嘴的孔径尺寸是1-200μm，和(或)所喷射的单个微小液滴体积是1-2000pl。液态材料或熔融状态下的材料通过压电方式或热发泡方式形成微米级的微滴从微细喷嘴中喷出，喷射的微滴在与已成形表面接触后迅速凝固，形成致密的材料或部件(零件)。

组成微装配体的每个(或主要)零部件的尺寸可以是在1μm~100mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：①将液态材料或熔融状态下的材料通过压电方式或热发泡方式形成微米级的微滴从微细喷嘴中喷出，成形精度高。②喷射的微滴在与已成形表面接触后迅速凝固，形成致密的材料或零件，因此成型件的强度高。③支撑材料较易去除，制得的含有多个零部件的装配体后处理过程较为简单，制造成本低。本发明方法无需装配即能一次制造出具有本发明方法，微装配体无需装配即能一次成型，工序简单、制造成本低、材料选择广泛，微装配体制作精度高。本抚摸方法尤其适用于多种材料、多零件的微型复杂机构。将为开发复合结构成型提供新途径，在微机械、电子元器件、电子封装、传感器等领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1所示的是微小型装配体整体一次成型制作方法流程图；

图2所示的是制作含有两种材料部件的微装配体的成型设备结构简图；

以上的图中包括计算机1，喷头托架X向导轨2，喷头托架Y向导轨3，喷头托架4，Z向升降工作台5，成型支撑区域6，成型实体区域7，成型材料(树脂材料)喷头21，成型材料(液态锡材料)喷头22，支撑材料(液态塑料)喷头23，成型材料喷头31(树脂材料)，成型材料(液态锡材料)喷头32，支撑材料(液态塑料)喷嘴3，成型材料喷头控制电路41，成型材料喷头控制电路42，支撑材料喷头控制电路43，升降台控制电路44，平面运动平台位置控制电路45。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，以含有两种材料部件的微装配体为例，选择的成型材料分别为光敏树脂和熔点较低的锡，支撑材料为较易去除的塑料，采用微滴喷射技术和快速成型技术逐层制作微装配体的具体过程如下：

通过计算机1设计出所需加工的含有两种材料部件的微装配体的三维CAD模型，根据该微装配体的功能要求，对该三维CAD模型进行材料的设计，即用色彩表示材料，如用红色表示光敏树脂材料部件，蓝色表示锡材料部件(当然也可以用其它任意色彩表示此两种材料)，之后对该CAD实体切片分层，形成一系列含有结构信息和材料信息的二维切片。每个切片的厚度可以相同，也可以不相同，每个切片的厚度根据成型精度来确定，优先值为10μm-100μm。

计算机1根据每一层的成型信息分别控制各机构做协调运动。具体而言，制作开始时，计算机1把第一层加工信息传输给成型材料喷头控制电路41、42，平面运动平台位置控制电路45驱动喷头托架4作该层的轨迹运动，同时成型材料喷头控制电路41、42驱动成型材料喷头31、32中的某个或某几个微细喷嘴在的按该层的形状喷射出液态成型材料，随后迅速固化，形成实体区域7，在成型材料喷头31、32喷射液态成型材料21、22的同时，支撑材料喷头控制电路43驱动支撑材料喷头33喷射支撑材料23填充该层未被喷射液态成型材料的区域，形成支撑区域6。之后，升降台控制电路44驱动Z向升降台5向下降一层，下降的距离与下一层要加工的层片的厚度相同，接着，计算机把下一层的成型信息发给成型材料喷头控制电路41、42喷射出液态成型材料和支撑材料，并形成新的固化层。如此反复，一层层的喷射并粘结，从而快速制作出具有三维结构的装配体的原型件。去除每层的支撑材料，并经过一定的后处理，即可获得无需装配的含有两种材料的机构体。

图2所示的是制作含有光敏树脂和锡两种材料的微装配体示意图，成型结构可以采用与图2所示相同的结构，也可以采用其他形式的结构。喷头(又称喷嘴)托架4沿着X方向做双向直线运动；喷头31、32、33在X-Y平面内沿着喷头托架X向导轨2、喷嘴托架Y向导轨3做平面运动；Z向工作台5做垂直方向的上下运动。图中，三个喷头分别为实体材料(光敏树脂)喷头31、实体材料(液态锡)喷头32和支撑材料(液态塑料)喷头33，其中锡喷头内的锡在喷射前需加热至熔融状态，其喷出温度为180-250℃(此处的锡可以是纯锡，也可以是合金锡，根据选用的材料的熔点确定喷出温度)。图中的实体材料也可以根据装配体的功能要求，选择其它非金属、金属或合金材料。支撑材料(液体塑料)在喷射前加热至熔融状态，此例以液态塑料为例说明本发明的制作过程，也可以选用陶瓷、金属、石膏等粉末颗粒，或选用熔点较实体材料低的合金材料(喷射前加热熔化)，其具体实施步骤如前所述。

在上述制备微型装配体的过程中，控制系统可以控制工作台的移动或控制各喷头及其喷嘴的动作，使喷嘴有选择性地在指定位置进行微滴堆积，且在操作过程中，微滴可以相互连接而呈连续状，也可以是相互分离而呈断续状。喷头的个数不局限于三个，可多至数百个，可以按材料的种类相应增加，即可以在零件的任意部位实现任意的材料和性能，不同材料之间可以形成任意复杂的形状和梯度，最终以满足微型装配体的特殊使用要求。当然，每个喷头所含的喷嘴也不仅限于1个，每个喷头可包括数百个微细喷嘴，每个喷嘴可单独控制，也可集体控制。

两种以上的不同材料的部件构成的微装配体的制作过程与上述实施例基本相同，只是按照材料的种类配备相应的喷嘴即可。

Claims (6)

1.一种微小型装配体整体一次成型制作方法，其步骤如下：

a.根据设计的微装配体三维CAD模型，按照其所含部件的成型材料的分布特征，对该CAD模型进行上色处理，每种颜色对应一种微装配体的部件或部件的成型材料；

b.将上过色的微装配体三维CAD模型进行离散化切片分层处理，得到含有成型材料信息与结构信息的一系列二维切片；

c.将各二维切片的结构信息转化成相应的数控加工轨迹，使得各二维切片中的成型材料信息与相应成型材料的微型喷嘴相对应，以控制微型喷嘴的开与关；通过数控运动和微型喷嘴喷射材料，实现每个二维切片分层的精确堆积；逐层堆积，层层粘结叠加，完成微装配体成型；

d.待一层堆积完成后，在每层的未被喷射的区域内用支撑材料喷嘴喷射支撑材料填充；

e.根据微装配体设计需要去除或保留每层填充的支撑材料，即获得与计算机实体模型相对应的微装配体。

2.根据权利要求1所述的微小型装配体整体一次成型制作方法，其特征在于：

所述对微装配体三维CAD模型进行上色处理，其方法是：根据制作的微装配体的材料分布要求，用某个特定的色彩分别表示或对应装配体中各零件所使用的某种材料；或

用色彩分布函数分别表示或对应装配体中各零件所使用的材料分布特征。

3.根据权利要求1所述微小型装配体整体一次成型制作方法，其特征是：所述成型材料为：

a.熔融态低熔点金属或合金；或

b.熔融态蜡或热塑性塑料；或

c.液态光敏树脂；

上述成型材料在室温下的粘度为1-10000cps。

4.根据权利要求1所述微小型装配体整体一次成型制作方法，其特征是：所述支撑材料为

a.动物蜡、植物蜡、矿物蜡或合成蜡，熔点在40-160℃；或

b.脂类材料、热塑性塑料；或

c.氯化铵；或

d.有机萘；或

e.光敏树脂；

上述支撑材料在喷射之前加热成熔融态，其在室温下的粘度是1-10000cps。

5.根据权利要求3或4所述微小型装配体整体一次成型制作方法，其特征是：所述光敏树脂：

a.对波长200-800nm的光线较为敏感；

b.在0-130℃的温度范围内能喷射呈液态，液体的粘度为0-2000cps。

6.根据权利要求5所述微小型装配体整体一次成型制作方法，其特征是：所述光敏树脂中含有胶体，或

硅石、有机物、金属或金属合金纳米颗粒填料，

所述光敏树脂粘度为0-5000cps。

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