CN113414982A - 一种基于3d打印技术的微波介质制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，先在激光烧结3D打印机内预设激光束的功率和扫描路径，并输入建模参数；然后铺设基材粉料形成粉层，控制激光束在粉层上进行扫描，使粉料温度上升至熔点，进行烧结并与成型零件实现粘接，形成一烧结层；然后下降工作台，继续在工作台上铺设一层基材粉料，形成粉层；然后按照预设的激光束参数控制激光束在粉层上进行扫描，使粉料温度上升至熔点，进行烧结并与上一层烧结层实现粘接，形成下一烧结层，最后这一步骤，直至完成整个制备过程；本发明，解决了传统微波介质制备中介电常数固化不易调整，对复杂结构成形困难，不易精确控制生产，需要专门结构模具等问题。
Description
技术领域
本发明涉及微波介质制备的技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的微波介质制备方法。
背景技术
3D打印技术是快速成形技术的一种，是一种数字模型文件为基础，运用粉末金属或其他等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术；3D打印相比传统成型工艺具有以下几个特点：1.不用对物体进行切削等机械加工，并且不需要应用模具，节省制造及时间成本；2.成形加工速度较快，生产周期较短；3.对结构负载、体积较小的成形需求，传统工艺成形困难，而3D打印技术较容易实现一体成形，且不需要二次加工。
传统的微波介质成形技术通常采用两种，1.对微波介质板材、棒材等批产品进行机加成形。该成形技术存在外购材料介电常数、正切角损耗等重要电性能参数固化，无法定制电性能参数。同时部分材料缺乏可机加性，在机加时容易出现融蚀、脆裂等情况；2.采用发泡技术成形微波介质材料。该成形技术能够对微波介质材料重要电性能参数进行设计、调整成形，但存在成形工艺较复杂，成形需要制造对应模具，延长了生产制备周期。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前传统的微波介质制备技术存在生产周期较长，微波电性能参数固化，对复杂结构成形困难，不易精确控制生产，需要专门结构模具等缺点的问题，提供了一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，解决了上述问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，包括以下步骤：
(a)根据所需微波介质技术指标，在激光烧结3D打印机内预设激光束的功率和扫描路径，并在激光烧结3D打印机内输入零件的建模参数；
(b)在位于激光烧结3D打印机工作台上的成型零件上，铺设一层基材粉料，形成粉层；
(c)按照预设的激光束参数控制激光束在粉层上进行扫描，使粉料温度上升至熔点，进行烧结并与成型零件实现粘接，形成一烧结层；
(d)下降工作台，继续在工作台上铺设一层基材粉料，形成粉层；然后按照预设的激光束参数控制激光束在粉层上进行扫描，使粉料温度上升至熔点，进行烧结并与上一层烧结层实现粘接，形成下一烧结层；
(e)重复步骤(d)，直至完成整个制备过程。
进一步地，所述步骤(b)和步骤(d)中基材粉料是热塑性塑料粉末或陶瓷粉末。
进一步地，所述步骤(b)和步骤(d)形成粉层后，通过激光烧结3D打印机进行预加热。
进一步地，预加热后的粉层温度略低于该粉料的熔点。
进一步地，所述步骤(d)中的激光束的扫描方向与上一层中烧结层的激光束的扫描方向相反。
进一步地，所述步骤(b)和步骤(d)中的粉层厚度控制在0.05～0.4mm之间。
进一步地，所述步骤(c)和步骤(d)中实时检测激光束所扫描粉层点的温度，当达到粉料熔点附近后，激光束迅速移动到下一扫描点，以保证得到所需的微波介质技术指标。
进一步地，所述步骤(b)中的成型零件是由激光烧结3D打印机打印的。
与现有的技术相比本发明的有益效果是：
1、一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，包括以下步骤：
(a)根据所需微波介质技术指标，在激光烧结3D打印机内预设激光束的功率和扫描路径，并在激光烧结3D打印机内输入零件的建模参数；(b)在位于激光烧结3D打印机工作台上的成型零件上，铺设一层基材粉料，形成粉层；(c)按照预设的激光束参数控制激光束在粉层上进行扫描，使粉料温度上升至熔点，进行烧结并与成型零件实现粘接，形成一烧结层；(d)下降工作台，继续在工作台上铺设一层基材粉料，形成粉层；然后按照预设的激光束参数控制激光束在粉层上进行扫描，使粉料温度上升至熔点，进行烧结并与上一层烧结层实现粘接，形成下一烧结层；(e)重复步骤(d)，直至完成整个制备过程；为实现可控微波电性能参数成形，可通过控制工作台及打印箱体温度、控制粉层厚度、控制激光功率、控制激光烧结光斑尺寸、控制激光光斑驻留时间、运行速度及轨迹等参数，实现微波介质材料介电常数、正切角损耗等电性能参数的精确可控成形；通过本技术方案，能够解决目前通信、导航、雷达等多个应用中对微波介质的迫切需要，包括但不限于微波高频介质基板、微波腔减速介质基体、龙伯透镜天线等多种微波介质应用场景。解决了传统微波介质制备中介电常数固化不易调整，对复杂结构成形困难，不易精确控制生产，需要专门结构模具等等问题。
附图说明
图1为一种基于3D打印技术的微波介质制备方法的流程图；
图2为实施例三中多种粉料箱和多形态刮板的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一
请参阅图1-2，一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，包括以下步骤：
(a)根据所需微波介质技术指标，在激光烧结3D打印机内预设激光束的功率和扫描路径，并在激光烧结3D打印机内输入零件的建模参数。
(b)在位于激光烧结3D打印机工作台上的成型零件上，铺设一层基材粉料，形成粉层。
(c)按照预设的激光束参数控制激光束在粉层上进行扫描，使粉料温度上升至熔点，进行烧结并与成型零件实现粘接，形成一烧结层。
(d)下降工作台，继续在工作台上铺设一层基材粉料，形成粉层；然后按照预设的激光束参数控制激光束在粉层上进行扫描，使粉料温度上升至熔点，进行烧结并与上一层烧结层实现粘接，形成下一烧结层。
(e)重复步骤(d)，直至完成整个制备过程。
步骤(b)和步骤(d)中基材粉料是热塑性塑料粉末或陶瓷粉末等，例如：PS、尼龙、PP等。
步骤(b)和步骤(d)形成粉层后，通过激光烧结3D打印机进行预加热；预加热后的粉层温度略低于该粉料的熔点。
步骤(d)中的激光束的扫描方向与上一层中烧结层的激光束的扫描方向相反。
步骤(b)和步骤(d)中的粉层厚度控制在0.05～0.4mm之间，保证打印效果避免粉层在烧结过程中球化和散粉。
步骤(c)和步骤(d)中实时检测激光束所扫描粉层点的温度，当达到粉料熔点附近后，激光束迅速移动到下一扫描点，以保证得到所需的微波介质技术指标。
步骤(b)中的成型零件是由激光烧结3D打印机打印的；即无需放入已成型的零件，可以通过激光烧结3D打印机实现从无到有的过程，逐层打印，最终完成整个制备过程。
本方法通过控制工作台及打印箱体温度、控制粉层厚度、控制激光功率、控制激光烧结光斑尺寸、控制激光光斑驻留时间、运行速度及轨迹等参数，实现微波介质材料介电常数、正切角损耗等电性能参数的精确可控成形。
实施例二
实施例二是对实施例一的进一步说明，相同的部件这里不再赘述。
控制工作台及打印箱体温度：通过控制打印工作台及箱体预热温度及保持温度，实现已打印层与待打印层温度可控，达到控制电参数的目的；箱体温度控制，主要起辅助保温，箱体温度通常在30～50℃。
控制粉层厚度：通过控制粉料刮刀间隙，控制粉层厚度实现控制烧结层效果，达到控制电参数的目的；为达到打印效果避免球化及散粉，粉层厚度通常控制在0.05～0.4mm之间。
控制激光功率：根据粉层厚度调节输出的激光功率(50％～100％)，实现控制烧结效果，达到控制电参数的目的；例如：同样是0.1mm的粉层，激光功率调节为50％，生成介电常数ε＝1.2的层面；将激光功率调节为100％，生成介电常数ε＝1.9的层面；还是根据所需介电常数和粉层厚度选择合适的激光功率。
控制激光烧结光斑尺寸：通过控制激光头、反射镜焦距等途径，控制激光光斑尺寸，实现对烧结面积、烧结效果控制，达到控制电参数的目的；光斑直径控制在0.05～1mm，相同激光源输出功率下光斑直径小则表面温度达，直径大反之，其根本目的仍然是控制在铺层表面的烧结温度和面积，实现需要的电参数。
基材粉料目数调整：通过控制基材粉料目数，实质影响激光烧结效果，达到控制电参数的目的；高目数时基材粉料更密集，低目数反之；粉料通常选用40～300目的粉料，高目数的粉料因其更小，铺层后更密集，受光斑照射也更均匀，低目数反之；根据不同的电参数要求选用不同目数的粉料，此处特别是电参数中的均匀性误差指标，均匀性误差要求严格的选用高目数，反之通常考虑选用低目数。
实施例三
实施例三是对实施例一的进一步说明，相同的部件这里不再赘述，请参阅图2，可通过调整粉料箱的数量及铺层刮板形态实现目数不同粉料、类型不同粉料混合成型；通过配置多个粉料箱，多种形态刮板，结合位移伺服装置，实现多种目数不同粉料、类型不同粉料任意铺粉层，达到控制电参数的目的。
实施例四
实施例四是实施例一的一种具体操作过程和相关参数：
打印一款尺寸为Φ100×200mm的圆柱体，需要实现一体化电参数，具体参数如下：
一体化介电常数ε约为1.54，理论设计值为1.55；介电常数ε均匀性为1.52～1.56，＜±0.5％；正切角损耗：＜8×10-5；
预设参数和相关参数：
基材粉料：PS；基材粉料目数：固定为80目；粉层厚度：顶部10层和底部10层的厚度为0.1mm，中间层厚度固定为0.2mm；激光束功率：激光源功率为60W，扫描顶部10层和底部10层铺时的输出100％功率即60W，扫描中间层厚度固定为输出70％功率即42W；工作台及箱体温度：45℃；激光光斑尺寸：固定为0.5mm；光斑运行轨迹：固定为相邻层反方向。
实施例五
实施例五是实施例一的一种具体操作过程和相关参数：
打印一款尺寸为Φ145mm的球体，需要实现由内到外电参数连续变化，同圆心任意球形面电参数相同；具体参数如下：球体由内到外介电常数ε连续变化，任意球形面电参数相同；将球体电参数由内到外分为4个梯度递变区，每个递变区尺寸不等，设计介电常数ε由内到外分别为：1.82、1.64、1.35、1.18；介电常数ε均匀性＜±0.5％；正切角损耗：由内到外分别为2×10-4，8×10-5，6×10-5，5×10-5。
预设参数和相关参数：
基材粉料：PS；粉料目数：固定为200目；粉料铺层厚度：固定为0.1mm；激光源功率：激光源功率为60W，不同电参数区不同输出功率，由内到外分别为100％，80％，70％，50％；工作台及箱体温度：初始设置30℃，当打印到1/2深度时调整为35℃，当打印到2/3深度时调整为45℃；激光光斑尺寸：不同电参数区不同光斑尺寸，由内到外分别为0.1mm，0.1mm，0.3mm，0.2mm；光斑运行轨迹：根据测温数据不规格变化轨迹。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)根据所需微波介质技术指标，在激光烧结3D打印机内预设激光束的功率和扫描路径，并在激光烧结3D打印机内输入零件的建模参数；
(b)在位于激光烧结3D打印机工作台上的成型零件上，铺设一层基材粉料，形成粉层；
(c)按照预设的激光束参数控制激光束在粉层上进行扫描，使粉料温度上升至熔点，进行烧结并与成型零件实现粘接，形成一烧结层；
(d)下降工作台，继续在工作台上铺设一层基材粉料，形成粉层；然后按照预设的激光束参数控制激光束在粉层上进行扫描，使粉料温度上升至熔点，进行烧结并与上一层烧结层实现粘接，形成下一烧结层；
(e)重复步骤(d)，直至完成整个制备过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，其特征在于，所述步骤(b)和步骤(d)中基材粉料是热塑性塑料粉末或陶瓷粉末。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，其特征在于，所述步骤(b)和步骤(d)形成粉层后，通过激光烧结3D打印机进行预加热。
4.根据权利要求3所述的一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，其特征在于，预加热后的粉层温度略低于该粉料的熔点。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，其特征在于，所述步骤(d)中的激光束的扫描方向与上一层中烧结层的激光束的扫描方向相反。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，其特征在于，所述步骤(b)和步骤(d)中的粉层厚度控制在0.05～0.4mm之间。
7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，其特征在于，所述步骤(c)和步骤(d)中实时检测激光束所扫描粉层点的温度，当达到粉料熔点附近后，激光束迅速移动到下一扫描点，以保证得到所需的微波介质技术指标。
8.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的微波介质制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中的成型零件是由激光烧结3D打印机打印的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210921 |
|
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