CN112810131A - 一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法，采用堆叠成型装置进行，具体包括以下步骤：(1)制备纳米流体悬浮液；(2)注射单元吸入纳米流体，逐滴滴在设定好过冷度的承载底板上，凝固面由液滴底面向顶部推移，在完全凝固后，纳米颗粒随补偿流移动，密集堆积至顶面，形成一个光滑平台；(3)等待前一液滴凝固后，在其平台正中心继续放置液滴，形成第二个圆柱体或圆台，如此反复，堆叠出圆柱体。本发明利用纳米流体液滴凝固过程中的特征形变，在凝固液滴顶部产生平台结构，利用堆叠原理一次成型制备大高径比的圆柱或塔形结构。纳米流体液滴的堆叠结构稳定可控，精确度更高。

Description

一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法
技术领域
本发明涉及液滴凝固成型领域，具体涉及一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法。
背景技术
纳米流体通常指悬浮纳米级固体粒子的液体，体积小，重量轻，导热性很好。广泛应用于能源、化工、材料领域。传统三维打印技术在进行线状零件加工时，往往由于材料限制，结构脆弱，无法长时间维持，不能在工业过程中使用。或者在堆叠柱状结构时，表面也比较粗糙。使用常规液滴进行凝固堆叠会受到以下限制：1)单液滴受表面张力的影响为球状，不增加外部条件下，凝固后也是单一的球状。2)在球状凝固液滴表面继续滴加液滴，过冷度足够，假设其不会滚落，也无法准确确定滴落位置，即使凝固后也会产生空隙，影响了材料机械强度和气密性。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法，本发明纳米流体液滴一方面在表面张力的作用下凝固会形成光滑的表面，在低温下形成稳定的结构，另一方面液滴顶部会形成一个平台，便于进一步精确堆叠。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型装置，包括用于滴加液滴的注射单元和用于液滴凝固的低温台，所述低温台包括设有制冷工质入口及制冷工质出口的循环冷却装置，以及设于所述循环冷却装置上的承载底板，所述循环冷却装置内循环通入冷却液工质，使所述承载底板处于低温状态。
采用低温平台提供足够的过冷度，通过注射单元逐滴滴在承载底板上的纳米流体液滴由液滴底面向顶部推移，在完全凝固后，纳米颗粒随补偿流移动，密集堆积至顶面，形成一个光滑平台，利用纳米流体液滴凝固过程中的特征形变，即在凝固液滴顶部产生平台结构，利用堆叠原理一次成型制备大高径比的圆柱或塔形结构。
优选地，所述承载底板为导热材料制得，采用化学稳定性好、不易腐蚀或氧化的导热材料，如光滑铜片，用导热胶固定于循环冷却装置顶部。
优选地，所述承载底板连接温控仪，并通过温控仪控制温度，所述低温台的工作温度根据选用纳米流体悬浮液的凝固点设定。
优选地，所述循环冷却装置内循环通入的冷却液工质为质量浓度为40％的乙二醇水溶液。
优选地，所述注射单元包括注射器，优选地，所述注射器为恒温注射器。
一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法，采用上述堆叠成型装置进行，包括以下步骤：
(1)制备纳米流体悬浮液；
(2)注射单元吸入纳米流体，逐滴滴在设定好过冷度的承载底板上，凝固面由液滴底面向顶部推移，在完全凝固后，纳米颗粒随补偿流移动，密集堆积至顶面，形成一个光滑平台；
(3)等待前一液滴凝固后，在其平台正中心继续放置液滴，形成第二个圆柱体或圆台，如此反复，堆叠出圆柱体。
优选地，所述注射单元连接在移动控制装置上，并配合计算机程序，改变液滴放置位置，实现三维打印功能。理论上，该方案可以一次成型，打印出微米至亚微米尺度的复杂器件。
优选地，所述的纳米流体悬浮液，其基液包括水、聚合物或液态金属，纳米粒子包括Cu、Al2O3或TiO2粒子，所述纳米粒子的粒径至少小于液滴尺寸三个量级，液滴直径为1-4mm。
理论上讲，纳米粒子的粒径越小越好，过大的粒子不利于传热交换，还会形成团聚体，导致加速沉降，粒径至少需要小于液滴尺寸三个量级。如液滴直径为3mm，粒径选3μm以下。
优选地，所述的纳米流体悬浮液液滴在过冷条件下凝固后平台形成时间根据液滴尺寸不同，在0.1-100秒。
圆柱体需要精确放置液滴至前液滴形成平台的中心对称位置；微米至亚微米级别的物体，是需要液滴尺寸足够小且均匀稳定的纳米流体液滴凝固堆叠形成。
本发明工作原理是基于纳米流体液滴凝固后形成的平台结构，利用逐滴堆叠工艺，一次成型制备大高径比的柱状或塔形结构。实现装置主要包含稳定的纳米流体、承载底板、循环冷却装置、恒温注射器和温控仪。稳定纳米流体是通过两步法制备形成的均匀分散系，由恒温注射器逐滴滴落于承载底板上。承载底板温度是通过温控仪控制的，具有良好的导热性能，且化学性质稳定，不易氧化。液滴堆叠过程发生在承载底板上，整体放置于循环冷却装置上，通过导热胶直接接触。
常规纯净液滴堆叠由于点连接的实际接触面有限，结构稳定性差，孔隙率大，而纳米流体液滴的堆叠结构则稳定可控，精确度更高。与常规液滴凝固堆叠不同，本发明有两项优势：第一，液滴凝固顶面形成平台，便于继续在其上精确堆叠液滴。第二，在纳米流体液滴凝固后，其顶面光滑，并且形状可以被控制，减小堆叠凝固后的孔隙率，适用于金属和多聚物基三维打印和焊锡工艺。
与现有技术相比，本发明具体有益效果为：
1、利用纳米流体液滴凝固后在顶部形成平台结构的机理，通过逐滴堆叠技术，解决了纯介质液滴堆叠凝固产生的空隙和不稳定性，建造出更精确的三维结构；
2、同时通过改变单节平台的大小，可以得到控制柱(线)和塔状结构的单元形状，这能实现更加多样的结构设计。
附图说明
图1为本发明中提出的纳米流体液滴逐滴凝固堆叠成型的实施装置示意图；
图2为本发明中工作原理描述的纯介质和纳米流体液滴堆叠成型的示意图；
图3为本发明工作原理描述的纯介质和纳米流体液滴堆叠成型的实测结果图；
图中：
1-循环冷却装置；
2-承载底板；
3-制冷工质入口；
4-制冷工质出口；
5-恒温注射器；
6-纳米流体液滴；
7-凝固后的纳米流体液滴；
8-纯介质逐滴堆叠成型结构(示意)；
9-纳米流体逐滴堆叠成型结构(示意)；
10-纯介质逐滴堆叠成型结构(实测)；
11-纳米流体逐滴堆叠成型结构(实测)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1，一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型装置，包括用于滴加液滴的注射单元和用于液滴凝固的低温台，注射单元包括恒温注射器5，低温台包括设有制冷工质入口3及制冷工质出口4的循环冷却装置1，以及设于循环冷却装置1上的承载底板2，循环冷却装置1内循环通入冷却液工质，使承载底板2处于低温状态。采用低温平台提供足够的过冷度，通过恒温注射器5逐滴滴在承载底板2上的纳米流体液滴由液滴底面向顶部推移，在完全凝固后，纳米颗粒随补偿流移动，密集堆积至顶面，形成一个光滑平台，基于纳米流体液滴凝固后形成的平台结构，利用逐滴堆叠工艺，一次成型制备大高径比的柱状或塔形结构。
承载底板2采用化学稳定性好、不易腐蚀或氧化的导热材料制得，承载底板连接温控仪，并通过温控仪控制温度，低温台的工作温度根据选用纳米流体悬浮液的凝固点设定，循环冷却装置内循环通入的冷却液工质为质量浓度为40％的乙二醇水溶液。
本实施例以水基TiO2纳米流体逐滴凝固堆叠成型为例，采用上述堆叠成型装置进行，包括以下步骤：
步骤(1)：所配置纳米流体基液为去离子水，纳米粒子为锐钛矿TiO2粒径40nm，颗粒体积浓度为0.3％，添加0.8mM十二烷基硫酸钠SDS作为分散剂和稳定剂。
步骤(2)：循环冷却装置1使用冷却工质是40％乙二醇水溶液，工作温度设为-20℃，流量为6L/Min，承载底板2为一1mm厚4×4cm2的光滑铜片，用导热胶固定于循环冷却装置1顶部。
步骤(3)：设定恒温注射器5温度为室温(20℃)，选取喷(针)头管内外径分别为0.4mm和0.5mm，纳米流体液滴6滴落直径约为2mm。承载底板2实测温度为-18℃，纳米流体液滴6滴落接触承载底板2凝固成核，凝固锋面近似沿竖直方向推移，最终形成圆柱状凝固液滴7，单液滴凝固时间约为10s。
步骤(4)：等待第一纳米流体液滴6凝固后，在凝固液滴7平台正中心继续放置纳米流体液滴6，可以形成第二个圆柱体或圆台，如此反复，可以堆叠出更高的圆柱体9(示意)和11(实测)。
步骤(5)：更加复杂的结构可以将恒温注射器5固定于XYZ三维移动台，通过预设计算机程序，调控纳米流体液滴6放置位置和高度，就可以实现三维打印的功能。
如图2、3，纯介质逐滴堆叠成型结构8、10与纳米流体逐滴堆叠成型结构9、11，表明利用本发明纳米流体液滴凝固后在顶部形成平台结构的机理，通过逐滴堆叠技术，能解决纯介质液滴堆叠凝固产生的空隙和不稳定性，能建造出更精确的三维结构；同时通过改变单节平台的大小，可以得到控制柱(线)和塔状结构的单元形状，这能实现更加多样的结构设计。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法，其特征在于，采用堆叠成型装置进行，所述堆叠成型装置包括用于滴加液滴的注射单元和用于液滴凝固的低温台，所述低温台包括设有制冷工质入口及制冷工质出口的循环冷却装置，以及设于所述循环冷却装置上的承载底板，所述循环冷却装置内循环通入冷却液工质，使所述承载底板处于低温状态，
具体包括以下步骤：
(1)制备纳米流体悬浮液；
(2)注射单元吸入纳米流体，逐滴滴在设定好过冷度的承载底板上，凝固面由液滴底面向顶部推移，在完全凝固后，纳米颗粒随补偿流移动，密集堆积至顶面，形成一个光滑平台；
(3)等待前一液滴凝固后，在其平台正中心继续放置液滴，形成第二个圆柱体或圆台，如此反复，堆叠出圆柱体。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法，其特征在于，所述承载底板为导热材料制得。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法，其特征在于，所述承载底板连接温控仪，并通过温控仪控制温度，所述低温台的工作温度根据选用纳米流体悬浮液的凝固点设定。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法，其特征在于，所述循环冷却装置内循环通入的冷却液工质为质量浓度为40％的乙二醇水溶液。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法，其特征在于，所述注射单元包括注射器。
6.根据权利要求5所述的一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法，其特征在于，所述注射器为恒温注射器。
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法，其特征在于，所述注射单元连接在移动控制装置上，并配合计算机程序，改变液滴放置位置，实现三维打印功能。
8.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法，其特征在于，所述的纳米流体悬浮液，其基液包括水、聚合物或液态金属，纳米粒子包括Cu、Al2O3或TiO2粒子，所述纳米粒子的粒径至少小于液滴尺寸三个量级。
9.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体液滴凝固的堆叠成型方法，其特征在于，所述的纳米流体悬浮液液滴在过冷条件下凝固后平台形成时间根据液滴尺寸不同，在0.1-100秒。
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