CN106191803B - 过渡金属化学气相沉积微纳增材制造装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种过渡金属化学气相沉积微纳增材制造方法，属于金属化学气相沉积微纳增材制造技术领域。混合气体瓶通过气体开关阀与气体流量计相连，气体流量计与反应室喷头相连，过渡金属丝通过过渡金属丝支撑架与反应室喷头内壁相连，反应室喷头外壁通过反应室环形热电偶与控温箱相连，沉积基底通过沉积室与三联动工作台相连，可移动式软盖板放置在沉积室的顶部，沉积室外壁通过沉积室环形热电偶与控温箱相连。优点是结构新颖，使用灵活方便，便于操作，实现金属微纳尺度低成本、高精度、高效率增材制造，能够实现化学气相沉积中的金属颗粒按照预定轨迹沉积，易于实现打印微纳过渡金属复杂三维形状的零部件。

Description

过渡金属化学气相沉积微纳增材制造装置与方法
技术领域
本发明涉及金属化学气相沉积微纳增材制造技术领域，具体涉及微纳增材制造和基于化学气相沉积的三维过渡金属结构3D打印装置与方法。
背景技术
目前，金属化学气相沉积技术在增材制造领域没有应用，金属化学气相沉积在增材制造领域一直存在技术难题：沉积速度慢，通常沉积速度仅为几个微米每小时，由于靠近热源的区域沉积速度高，远离热源的区域沉积速度低，打印的每层金属零件厚度不均匀。过渡金属化学气相沉积技术主要是一种将金属颗粒沉积在基底表面的技术，无法实现金属颗粒的选择性沉积，将该技术应用到3D打印上，是很难实现金属颗粒按照预定轨迹进行沉积，
目前，针对微纳尺度增材制造，在微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、光电子和印刷电子等领域有着巨大的产业需求，需要研究一种用于生产微纳三维金属结构的装置。
发明内容
本发明提供一种过渡金属化学气相沉积微纳增材制造装置与方法，目的是用过渡金属材料制备复杂三维结构零部件。
本发明采取的技术方案是：氩气与一氧化碳混合气体瓶通过气体开关阀与气体流量计相连，气体流量计与反应室喷头相连，过渡金属丝通过过渡金属丝支撑架与反应室喷头内壁相连，反应室喷头外壁通过反应室环形热电偶与控温箱相连，沉积基底通过沉积室与三联动工作台相连，可移动式软盖板放置在沉积室的顶部，沉积室外壁通过沉积室环形热电偶与控温箱相连。
一种过渡金属化学气相沉积微纳增材制造方法，包括下列步骤：
(1)获取零件的三维模型，并将三维零件分成若干二维层面，切片分层成STL格式文件，计算出每一层零件的厚度及形状，然后将零件所有二维层的形状、以及对应的厚度输入到计算机中的加工控制系统中；
(2)控温箱通过反应室环形热电偶加热反应室喷头外壁，使反应室喷头的温度控制在150℃～200℃，调整控温箱温度，使其满足过渡金属与一氧化碳气体发生反应的最佳温度；
一氧化碳气体的供给主要是通过两个部件来控制，气体开关阀通过旋转就可以实现一氧化碳的释放和关闭，气体流量计通过自带安全阀调节气体管道的开放程度，进而控制一氧化碳和氩气混合气体的流量，保证混合气体平稳进入反应室喷头，混合气体进入反应室喷头以后，过渡金属丝与反应室喷头具有相同的温度，一氧化碳气体与过渡金属丝在反应室喷头里面发生化学反应，化学反应通式为其中M为过渡金属，生成物Mx(CO)y为过渡金属羰基化合物；在高温环境下，生成的过渡金属羰基化合物以气态小颗粒存在，同时在混合气体中氩气没有与过渡金属丝发生化学反应，此外氩气仅作为载气，承载着气态过渡金属羰基化合物小颗粒，形成载气流，在一定的压力下，载气流从反应室喷嘴喷射出进入沉积室；
(3)控温箱通过沉积室环形热电偶加热沉积室，可移动式软盖板覆盖在沉积室的上面，使沉积室的温度控制在190℃～300℃，调整控温箱温度，使其满足过渡金属羰基化合物进行分解反应的最佳温度，提高3D打印速度，化学反应通式为：载气流进入沉积室，载气流在反应室喷头上的喷嘴作用下，射流在沉积室基底上，沉积基底与三联动工作台相连，通过计算机加工控制系统控制三联动工作台的位移和速度，并进行X/Y方向的移动，这时反应室喷头上的喷嘴进行喷射载气流，与此同时三联动工作台由计算机加工控制系统控制其位移和速度，分别控制第一层零件的厚度和形状，第一层零件制造出来以后，在计算机加工控制系统的控制下自动关闭气体开关阀，停止载气流的供给，同时根据每层零件厚度，继续控制三联动工作台的位移，并进行Z方向的移动，这时气体开关阀在计算机加工控制系统的控制下自动开启，反应室喷头反应进行，形成载气流并进入沉积室；重复上述步骤完成其他层零件的成型，得需成型零件。
本发明所述过渡金属包括Ti，Cr，Mn，Fe，Ni，Cu，Zn，Ag，Au。
本发明步骤(2)中反应气体氩气与一氧化碳的混合气体中一氧化碳为5％，载气流流量为0.81/min。
本发明步骤(3)每层沉积厚度为50-100nm。
本发明的优点是：装置结构新颖，使用灵活方便，便于操作，解决了传统聚焦离子束化学气相沉积三维微纳金属制造和双光子聚合激光直写三维微纳金属装置复杂，制造成本高，设备昂贵的弊端，可以实现金属微纳尺度低成本、高精度、高效率增材制造，解决了传统微纳尺度EFAB和机械加工难以实现微纳金属零部件制造的问题，能够实现化学气相沉积中的金属颗粒按照预定轨迹沉积，易于实现打印微纳过渡金属复杂三维形状的零部件。
本发明过渡金属化学气相沉积微纳增材制造装置主要用于钛、铬、锰、铁、镍、铜、锌、银、金等三维金属维纳零部件的制备，可实现过度金属化学气象沉积的微纳增材制造，加工效率和自动化水平高，尤其适用于工业化生产。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明反应室喷头的结构示意图；
图3是本发明可移动式软盖板的结构示意图。
具体实施方式
氩气与一氧化碳混合气体瓶1通过气体开关阀2与气体流量计3相连，气体流量计3与反应室喷头4相连，过渡金属丝5通过过渡金属丝支撑架6与反应室喷头4内壁相连，反应室喷头外壁通过反应室环形热电偶8与控温箱7相连，沉积基底12通过沉积室11与三联动工作台13相连，可移动式软盖板10放置在沉积室11的顶部，沉积室11外壁通过沉积室环形热电偶9与控温箱7相连。
本装置开始打印之前先对反应环境进行加热，控温箱通过反应室环形热电偶8与沉积室环形热电偶9分别控制反应室喷头4和沉积室11的温度，然后打开气体开关阀2，调节气体流量计3，随后氩气与一氧化碳混合气体瓶1释放混合气体进入反应室喷头4，混合气体中的一氧化碳与加热好的过渡金属丝5反应，氩气不参与反应，仅作为载气，氩气与生成物形成载气流，进入沉积室11，由于沉积室11温度的改变，使得载气流中的原生成物发生分解反应，生成过渡金属单质沉积在沉积基底12上，这时通过控制三联动工作台的位移和速度，就可以按照预定轨迹打印出每层零件，最终通过累积形成所需零部件。
一种过渡金属化学气相沉积微纳增材制造方法，包括下列步骤：
(1)获取零件的三维模型，并将三维零件分成若干二维层面，切片分层成STL格式文件，计算出每一层零件的厚度及形状，然后将零件所有二维层的形状、以及对应的厚度输入到计算机中的加工控制系统中；
(2)控温箱7通过反应室环形热电偶8加热反应室喷头4外壁，使反应室喷头4的温度控制在150℃～200℃，调整控温箱温度，使其满足过渡金属与一氧化碳气体发生反应的最佳温度；
一氧化碳气体的供给主要是通过两个部件来控制，气体开关阀2通过旋转就可以实现一氧化碳的释放和关闭，气体流量计3通过自带安全阀调节气体管道的开放程度，进而控制一氧化碳和氩气混合气体的流量，保证混合气体平稳进入反应室喷头4，混合气体进入反应室喷头4以后，过渡金属丝5与反应室喷头4具有相同的温度，一氧化碳气体与过渡金属丝5在反应室喷头4里面发生化学反应，化学反应通式为其中M为过渡金属，生成物Mx(CO)y为过渡金属羰基化合物；在高温环境下，生成的过渡金属羰基化合物以气态小颗粒存在，同时在混合气体中氩气没有与过渡金属丝5发生化学反应，此外氩气仅作为载气，承载着气态过渡金属羰基化合物小颗粒，形成载气流，在一定的压力下，载气流从反应室喷嘴喷射出进入沉积室；
(3)控温箱7通过沉积室环形热电偶9加热沉积室10，可移动式软盖板10覆盖在沉积室11的上面，使沉积室11的温度控制在190℃～300℃，调整控温箱温度，使其满足过渡金属羰基化合物进行分解反应的最佳温度，提高3D打印速度，化学反应通式为：载气流进入沉积室11，载气流在反应室喷头4上的喷嘴作用下，射流在沉积室基底12上，沉积基底12与三联动工作台13相连，通过计算机加工控制系统控制三联动工作台13的位移和速度，并进行X/Y方向的移动，这时反应室喷头4上的喷嘴进行喷射载气流，与此同时三联动工作台13由计算机加工控制系统控制其位移和速度，分别控制第一层零件的厚度和形状，每层沉积厚度为50-100nm，第一层零件制造出来以后，在计算机加工控制系统的控制下自动关闭气体开关阀2，停止载气流的供给，同时根据每层零件厚度，继续控制三联动工作台13的位移，并进行Z方向的移动，这时气体开关阀在计算机加工控制系统的控制下自动开启，反应室喷头4反应进行，形成载气流并进入沉积室11；重复上述步骤完成其他层零件的成型，得需成型零件。
本发明所述过渡金属包括Ti，Cr，Mn，Fe，Ni，Cu，Zn，Ag，Au。
本发明步骤(2)中反应气体氩气与一氧化碳的混合气体中一氧化碳为5％，载气流流量为0.81/min。
本发明步骤(3)每层沉积厚度为50-100nm。
实施例1一种过渡金属铁化学气相沉积微纳增材制造方法，包括下列步骤：
(1)获取零件的三维模型，并将三维零件分成若干二维层面，切片分层成STL格式文件，计算出每一层零件的厚度及形状，然后将零件所有二维层的形状、以及对应的厚度输入到计算机中的加工控制系统中；
(2)控温箱7通过反应室环形热电偶8加热反应室喷头4外壁，使反应室喷头4的温度控制在185℃，调整控温箱温度，使其满足铁金属与一氧化碳气体发生反应的最佳温度；
一氧化碳气体的供给主要是通过两个部件来控制，气体开关阀2通过旋转就可以实现一氧化碳的释放和关闭，气体流量计3通过自带安全阀调节气体管道的开放程度，进而控制一氧化碳和氩气混合气体的流量，其中一氧化碳为5％，保证混合气体平稳进入反应室喷头4，混合气体进入反应室喷头4以后，铁金属丝5与反应室喷头4具有相同的温度，一氧化碳气体与铁金属丝5在反应室喷头4里面发生化学反应，化学反应式为其中Fe为过渡金属，生成物Fe(CO)5为五羰基铁化合物。在高温环境下，生成的铁金属羰基化合物以气态小颗粒存在，同时在混合气体中氩气没有与铁金属丝5发生化学反应，此外氩气仅作为载气，承载着气态铁金属羰基化合物小颗粒，形成铁粒子载气流，载气流流量为0.81/min；在一定的压力下，铁粒子载气流从反应室喷嘴喷射出进入沉积室；
(3)控温箱7通过沉积室环形热电偶9加热沉积室10，可移动式软盖板10覆盖在沉积室11的上面，使沉积室11的温度控制在225℃，调整控温箱7温度，使其满足铁金属羰基化合物进行分解反应的最佳温度，提高3D打印速度，化学反应通式为：载气流进入沉积室11，载气流在反应室喷头4上的喷嘴作用下，射流在沉积室基底12上，沉积基底12与三联动工作台13相连，通过计算机加工控制系统控制三联动工作台13的位移和速度，并进行X/Y方向的移动，这时反应室喷头4上的喷嘴进行喷射载气流，与此同时三联动工作台13在计算机加工控制系统的控制下进行移动，每层沉积厚度为50-100nm，第一层零件的厚度和形状制造出来以后，在计算机加工控制系统的控制下自动关闭气体开关阀2，停止载气流的供给，同时根据每层零件厚度，继续控制三联动工作台13的位移，并进行Z方向的移动，这时气体开关阀在计算机加工控制系统的控制下自动开启，反应室喷头4反应进行，形成载气流并进入沉积室11；重复上述步骤完成其他层零件的成型，得需成型零件。
实施例2一种过渡金属镍化学气相沉积微纳增材制造方法，包括下列步骤：
(1)获取零件的三维模型，并将三维零件分成若干二维层面，切片分层成STL格式文件，计算出每一层零件的厚度及形状，然后将零件所有二维层的形状、以及对应的厚度输入到计算机中的加工控制系统中；
(2)控温箱7通过反应室环形热电偶8加热反应室喷头4外壁，使反应室喷头4的温度控制在178℃，调整控温箱温度，使其满足镍金属与一氧化碳气体发生反应的最佳温度；
一氧化碳气体的供给主要是通过两个部件来控制，气体开关阀2通过旋转就可以实现一氧化碳的释放和关闭，气体流量计3通过自带安全阀调节气体管道的开放程度，进而控制一氧化碳和氩气混合气体的流量，其中一氧化碳为5％，保证混合气体平稳进入反应室喷头4，混合气体进入反应室喷头4以后，镍金属丝5与反应室喷头4具有相同的温度，一氧化碳气体与镍金属丝5在反应室喷头4里面发生化学反应，化学反应式为其中Ni为过渡金属，生成物Ni(CO)4为四羰基镍化合物。在高温环境下，生成的镍金属羰基化合物以气态小颗粒存在，同时在混合气体中氩气没有与镍金属丝5发生化学反应，此外氩气仅作为载气，承载着气态镍金属羰基化合物小颗粒，形成镍粒子载气流，载气流流量为0.81/min；在一定的压力下，镍粒子载气流从反应室喷嘴喷射出进入沉积室；
(3)控温箱7通过沉积室环形热电偶9加热沉积室10，可移动式软盖板10覆盖在沉积室11的上面，使沉积室11的温度控制在225℃，调整控温箱7温度，使其满足镍金属羰基化合物进行分解反应的最佳温度，提高3D打印速度，化学反应通式为：载气流进入沉积室11，载气流在反应室喷头4上的喷嘴作用下，射流在沉积室基底12上，沉积基底12与三联动工作台13相连，通过计算机加工控制系统控制三联动工作台13的位移和速度，并进行X/Y方向的移动，这时反应室喷头4上的喷嘴进行喷射载气流，与此同时三联动工作台13在计算机加工控制系统的控制下进行移动，每层沉积厚度为50-100nm，第一层零件的厚度和形状制造出来以后，在计算机加工控制系统的控制下自动关闭气体开关阀2，停止载气流的供给，同时根据每层零件厚度，继续控制三联动工作台13的位移，并进行Z方向的移动，这时气体开关阀在计算机加工控制系统的控制下自动开启，反应室喷头4反应进行，形成载气流并进入沉积室11；重复上述步骤完成其他层零件的成型，得需成型零件。

Claims (5)

1.一种过渡金属化学气相沉积微纳增材制造方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)获取零件的三维模型，并将三维零件分成若干二维层面，切片分层成STL格式文件，计算出每一层零件的厚度及形状，然后将零件所有二维层的形状、以及对应的厚度输入到计算机中的加工控制系统中；
(2)控温箱通过反应室环形热电偶加热反应室喷头外壁，使反应室喷头的温度控制在150℃～200℃，调整控温箱温度，使反应室喷头的温度满足过渡金属与一氧化碳气体发生反应的温度；
一氧化碳气体的供给主要是通过两个部件来控制，气体开关阀通过旋转就可以实现一氧化碳的释放和关闭，气体流量计通过自带安全阀调节气体管道的开放程度，进而控制一氧化碳和氩气混合气体的流量，保证混合气体平稳进入反应室喷头，混合气体进入反应室喷头以后，过渡金属丝与反应室喷头具有相同的温度，一氧化碳气体与过渡金属丝在反应室喷头里面发生化学反应，化学反应通式为其中M为过渡金属，生成物Mx(CO)y为过渡金属羰基化合物；在150℃～200℃环境下，生成的过渡金属羰基化合物以气态颗粒存在，同时在混合气体中氩气没有与过渡金属丝发生化学反应，此外氩气仅作为载气，承载着气态过渡金属羰基化合物颗粒，形成载气流，在反应压力下，载气流从反应室喷嘴喷射出进入沉积室；
(3)控温箱通过沉积室环形热电偶加热沉积室，可移动式软盖板覆盖在沉积室的上面，使沉积室的温度控制在190℃～300℃，调整控温箱温度，使沉积室的温度满足过渡金属羰基化合物进行分解反应的温度，提高3D打印速度，化学反应通式为：载气流进入沉积室，载气流在反应室喷头上的喷嘴作用下，射流在沉积室基底上，沉积基底与三联动工作台相连，通过计算机加工控制系统控制三联动工作台的位移和速度，并进行X/Y方向的移动，这时反应室喷头上的喷嘴进行喷射载气流，与此同时三联动工作台由计算机加工控制系统控制其位移和速度，分别控制第一层零件的厚度和形状，第一层零件制造出来以后，在计算机加工控制系统的控制下自动关闭气体开关阀，停止载气流的供给，同时根据每层零件厚度，继续控制三联动工作台的位移，并进行Z方向的移动，这时气体开关阀在计算机加工控制系统的控制下自动开启，反应室喷头反应进行，形成载气流并进入沉积室；重复上述步骤完成其他层零件的成型，得需成型零件。
2.根据权利要求1所述的一种过渡金属化学气相沉积微纳增材制造方法，其特征在于：所述过渡金属包括Ti，Cr，Mn，Fe，Ni，Cu，Zn，Ag，Au。
3.根据权利要求1所述的一种过渡金属化学气相沉积微纳增材制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中反应气体氩气与一氧化碳的混合气体中一氧化碳为5％，载气流流量为0.81/min。
4.根据权利要求1所述的一种过渡金属化学气相沉积微纳增材制造方法，其特征在于：所述步骤(3)每层沉积厚度为50-100nm。
5.根据权利要求1所述的一种过渡金属化学气相沉积微纳增材制造方法，其特征在于，采取的装置是：氩气与一氧化碳混合气体瓶通过气体开关阀与气体流量计相连，气体流量计与反应室喷头相连，过渡金属丝通过过渡金属丝支撑架与反应室喷头内壁相连，反应室喷头外壁通过反应室环形热电偶与控温箱相连，沉积基底通过沉积室与三联动工作台相连，可移动式软盖板放置在沉积室的顶部，沉积室外壁通过沉积室环形热电偶与控温箱相连。
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