CN105750550B - 数字喷射雾化沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字喷射雾化沉积装置，包括数字流体发生器、数字射流导管、雾化气体喷射管和沉积靶。数字流体发生器产生稳定的气泡和液滴间隔流动，并由数字射流导管向雾化气体喷射管定向喷射；雾化气体喷射管自上游输入压力气体，所形成气射流冲击由数字射流导管入射的液滴，使液滴发生加速、变形或者破碎，并在雾化气体喷射管的出口向沉积靶方向射出雾化液滴群，实现雾化沉积过程。本发明的特点是雾化主体为数字化射流，在雾化过程中只存在大液滴向小液滴转化的二次破碎，能够实现高精度、高可控、微观定量化、周期化的雾化，可以广泛应用于喷射成形、冶金制粉、动力燃烧、喷墨、喷涂、喷胶、焊接、复合材料制造、3D增材制造等产业。

Description

数字喷射雾化沉积装置

技术领域

本发明涉及一种数字喷射雾化沉积装置，涉及喷射成形、冶金制粉、增材制造、印刷、燃油雾化、喷涂等，属于综合制造技术领域。

背景技术

本发明是建立在对喷射成形冶金工业的喷射雾化工艺及微电子工业封装中胶液分配非接触点胶工艺深入研究的基础上。

喷射成形是将熔融金属从导液管喷出，在高速气射流冲击下发生一次破碎（射流破碎为液滴）、二次破碎（液滴破碎为子液滴）、液滴合并/凝固以及在基底沉积等过程的半固态金属加工工艺。它把金属熔融、液态金属雾化、快速凝固、喷射沉积成形集成在一个冶金操作流程，既能克服传统冶铸工艺的缺陷，又可以免除粉末冶金的制粉、压制、烧结等多道工序，对发展新材料、改革传统工艺、提升材料性能、节约能耗、减少环境污染都具有重大作用。目前，世界工业发达国家的喷射成形技术已进入商业化应用阶段，取得了显著的技术效果和可观的经济效益；我国的喷射成形技术仍处于基础研究阶段，需要提升的空间很大。

与喷射雾化工艺能够生产大规模的不同尺寸分布液滴和颗粒不同，非接触点胶工艺更多强调的是对生成液滴和颗粒生产过程高可控、可操作以及液点尺寸的高精确度、液点生成的高频率要求。其核心的技术是微滴按需喷射或喷墨打印技术。分辨率高、液点频率高、结构紧凑正是这项技术的特点，它不仅能直接快速制作所设计复杂外形原型，实现“所见即所得”，也能制造真实可用的功能器件，因此广泛用于喷墨打印、喷码、喷绘、点胶、喷射制网、生物芯片点样等工艺。

就喷射沉积成形的这两种工艺而言，无疑喷射成形具有更高的成形效率，生产实践也表明，喷射成形制备的材料有晶格细密、致密度高、性能优越、裂纹少、寿命长等一系列优点，即其在生产能力和产品性能上远远超越喷墨打印工艺。但喷墨打印的相对优势也是明显的，就是高度数字化、自动化、适用任意复杂构型、完全成形以及高精度，因此沉积过程高度可控和可重复，这些恰恰是喷射成形的短板。

本发明设计了数字喷射雾化沉积装置，结合了点胶液滴分配精确、可控的理念，以及喷射雾化过程中二次破碎（大液滴破碎为小液滴）过程的认识相对充分、界面失稳形态相对纯粹、控制破碎的工艺参数相对较少的特点，构建喷射体积定量化、雾化控制数字化、破碎过程周期化的液体材料分散工艺，既推动喷射成形雾化工艺所生成材质时空不均匀和微观形态不可复现难题的解决，同时又改善增材制造（如自由成形、平板印刷、3D打印等，和非接触点胶属于同一类液点工艺）所生成材料的微观结构和组织性能。本发明就是要对以上两种工艺存在的问题进行针砭，是对它们各自优点进行综合，对现有的技术进行再反思并重新设计的产物。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种数字喷射雾化沉积装置，可以实现高精度、数字化控制，同时提升生成材质微观结构性能。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的数字喷射雾化沉积装置，具有数字流体发生器。

数字流体发生器是能够周期性或者非周期性产生气泡、液滴间隔流动的器件。液滴生成可以由流动内在属性产生或者由外部驱动产生，所生成的液滴包括单相液滴或者多相液滴或者多相复合液滴，多相液滴材料之间可互溶或者不可互溶。

本发明的数字喷射雾化沉积装置，具有数字射流导管。

数字射流导管为一管道。上游的数字流体发生器向数字射流导管内输入产生的气泡、液滴间隔流动，在管内进行疏运，并在数字射流导管下游出口向外喷射液滴。

本发明的数字喷射雾化沉积装置，具有雾化气体喷射管。

雾化气体喷射管为一管道，是雾化发生主要区域。雾化气体喷射管其形状特征对雾化有较大影响，根据不同的雾化要求有收敛或者平直或者扩张的结构，它和数字射流导管的相对位置可以固定，也可以存在沿喷射方向的受控相对运动。

本发明的数字喷射雾化沉积装置，具有沉积靶。

沉积靶是模具或者是沉积物本身，其空间位置可以固定或者存在多自由度运动。

根据上述发明构思，本发明采用下述方案：

一种数字喷射雾化沉积装置，包括数字流体发生器、数字射流导管、雾化气体喷射管和沉积靶，所述数字射流导管设置于数字流体发生器上，所述雾化气体喷射管设置于数字射流导管的出口处，所述沉积靶设置于雾化气体喷射管的后方；所述数字流体发生器产生稳定的气泡和液滴间隔流动，并由所述数字射流导管向所述雾化气体喷射管定向喷射；所述雾化气体喷射管自上游输入压力气体，所形成气射流冲击由所述数字射流导管入射的液滴，使液滴发生加速、变形或者破碎，并在所述雾化气体喷射管的出口向所述沉积靶方向射出雾化液滴群，实现雾化沉积过程。

上述数字流体发生器能够产生气、液间隔的周期性或者非周期性流动。液滴生成采用被动的自发方式（由流动内在属性产生）或者受控的主动方式（由外部驱动产生），所生成的液滴）包括单相液滴或者多相液滴或者多相复合液滴，多相复合液滴材料之间可互溶或者不可互溶。

上述雾化气体喷射管是自数字射流导管入射的液滴发生雾化并向下游疏运的主要区域，根据不同的雾化要求有收敛或者平直或者扩张内管形状。

上述数字射流导管和雾化气体喷射管之间位置相对固定或者存在沿喷射方向的受控相对运动。

上述沉积靶是模具或者是沉积物本身，在空间位置固定或者存在多自由度运动。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

采用本发明的装置雾化的主体为数字射流，是将数字射流由喷口出射的微液滴在下游管道内直接气雾化，从而形成喷射沉积过程，只存在大液滴向小液滴转化的二次破碎，大大简化了喷射雾化过程。

采用本发明的装置被雾化的大液滴由数字流体方法产生，继承了微滴喷射的高精度、高可控的特点，从而实现微观定量化、周期化的雾化，有效地提高对雾化生成材质的时空不均和不可重复问题的解决。

采用本发明的装置能够生成新材料，如不可互溶的材料、复合材料等，生产微观性能结构均匀、品质优良的材质，适应三维增材制造的需要。

由此可知，本发明获得了数字射流喷射雾化装置，其应用范围广泛，具有非常的经济价值。

附图说明

图1为数字喷射雾化沉积装置单相液滴周期喷射示意图。

图2为数字喷射雾化沉积装置里两相液滴均匀间隔周期喷射示意图。

图3为数字喷射雾化沉积装置里两相复合液滴均匀间隔周期喷射示意图。

图4为雾化气体喷射管形状示意图，(a)、直线收敛型；(b)、直线收敛-扩张型；(c)、曲线收敛型；(d)、曲线-收敛扩张型。

图5为数字喷射二次雾化形态示意图，(a)、振荡型；(b)、振荡破碎型；(c)、一般雾化型；(d)、聚焦型；（e）层流雾化型。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1，一种数字喷射雾化沉积装置，包括数字流体发生器1、数字射流导管3、雾化气体喷射管6和沉积靶5，所述数字射流导管3设置于数字流体发生器1上，所述雾化气体喷射管6设置于数字射流导管3的出口处，所述沉积靶5设置于雾化气体喷射管6的后方；所述数字流体发生器1产生稳定的气泡2和液滴8间隔流动，并由所述数字射流导管3向所述雾化气体喷射管6定向喷射；所述雾化气体喷射管6自上游输入压力气体，所形成气射流冲击由所述数字射流导管3入射的液滴8，使液滴8发生加速、变形或者破碎，并在所述雾化气体喷射管6的出口向所述沉积靶5方向射出雾化液滴群4，实现雾化沉积过程。

实施例二：

本实施例和实施例一基本相同，特别之处在是：

参见图1和图2，数字流体发生器1产生的是两相均匀间隔周期性气泡-液滴流动。

实施例三：

本实施例和实施例一、实施例二基本相同，特别之处在是：

参见图1、图2、图3，数字流体发生器1产生的是均匀间隔周期性气泡和两相复合液滴流动。

实施例四：

本实施例和实施例一基本相同，特别之处在是：

参见图1和图4，雾化气体喷射管6内管分别采用多种不同形状：(a)、直线收敛型；(b)、直线收敛-扩张型；(c)、曲线收敛型；(d)、曲线-收敛扩张型。

实施例五：

本实施例和实施例一基本相同，特别之处在是：

参见图1和图5，雾化气体喷射管6内的液滴被气体加速，造成变形、振荡，以致破碎，并发生不同的雾化形态：(a)、振荡型；(b)、振荡破碎型；(c)、一般雾化型；(d)、聚焦型；（e）层流雾化型。

Claims (5)

1.一种数字喷射雾化沉积装置，其特征在于，包括数字流体发生器（1）、数字射流导管（3）、雾化气体喷射管（6）和沉积靶（5），所述数字射流导管（3）设置于数字流体发生器（1）上，所述雾化气体喷射管（6）设置于数字射流导管（3）的出口处，所述沉积靶（5）设置于雾化气体喷射管（6）的后方；所述数字流体发生器（1）产生稳定的气泡（2）和液滴（8）间隔流动，并由所述数字射流导管（3）向所述雾化气体喷射管（6）定向喷射；所述雾化气体喷射管（6）自上游输入压力气体，所形成气射流冲击由所述数字射流导管（3）入射的液滴（8），使液滴（8）发生加速、变形或者破碎，并在所述雾化气体喷射管（6）的出口向所述沉积靶（5）方向射出雾化液滴群（4），实现雾化沉积过程。

2.根据权利要求1所述的数字喷射雾化沉积装置，其特征在于，所述数字流体发生器（1）能够产生气、液间隔的周期性或者非周期性流动；液滴（8）的生成采用由流动内在属性产生的被动的自发方式，或者由外部驱动产生的受控的主动方式；所生成的液滴（8）包括单相液滴或者多相液滴或者多相复合液滴；多相复合液滴材料之间互溶或者不互溶。

3.根据权利要求1所述的数字喷射雾化沉积装置，其特征在于，所述雾化气体喷射管（6）是自数字射流导管（3）入射的液滴（8）发生雾化并向下游疏运的主要区域，根据不同的雾化要求有收敛或者平直或者扩张内管形状。

4.根据权利要求1所述的数字喷射雾化沉积装置，其特征在于，所述数字射流导管（3）和所述雾化气体喷射管（6）之间位置相对固定或者存在沿喷射方向的受控相对运动。

5.根据权利要求1所述的数字喷射雾化沉积装置，其特征在于，所述沉积靶（5）是模具或者是沉积物本身，在空间位置固定或者存在多自由度运动。