CN1254355C - 非均质功能器件快速成形微制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非均质功能器件快速成形微制造方法，采用下述方法步骤：根据制造非均质功能器件的要求，将不同的金属、合金材料或者非金属材料作为成形材料分别放入不同的液滴发生装置中，将低熔点合金材料或者非金属材料作为支撑材料放入另一液滴发生装置中，将真空室密封，调整各控制系统，完成对非均质功能器件成形，沉积完成后，将沉积零部件放入熔炉内去除支撑材料，得到非均质功能器件。该方法能够成形多种非金属材料或者金属材料的复杂微小型零部件；可根据器件的功能选取材质，以满足器件耐磨损、高强度、耐腐蚀等要求；还可以用作制造聚合物及其它材料零件，在生物医学、民用等方面具有实际应用价值。

Description

非均质功能器件快速成形微制造方法

技术领域

本发明涉及一种非均质功能器件快速成形微制造方法。

背景技术

非均质功能器件是由多种材料所组成，其微观结构变化不均匀，可依据材料组成形成某些特殊功能的器件，在航空航天领域极具应用前景。通过金属、陶瓷、非金属等巧妙的复合，非均质功能器件在核能、电子、光学、电磁学、生物医学等领域具有较大的潜在应用前景。由于非均质功能器件的制造方法比较复杂，可根据器件的形状和功能等选择不同的制造方法，因此人们在探索合适的非均质功能器件制造方法，实现非均质功能器件低成本，高效率制造。

快速原型制造(rapid prototyping & manufacturing，RPM)又称快速成形(RP)，是发展迅速的新型先进制造技术。它将三维实体分解成二维平面数据，逐层加工，最终形成制件。它突破了传统的加工模式，不需预制型芯或其它辅助机械加工设备，利用计算机图形数据即可快速地制造形状极为复杂的工件。虽然快速成形技术能够制造出复杂的结构件，但在现有的商用快速成形设备中，只在相对较低的温度环境下进行生产，且生产的成形零件是由低温聚合材料或聚碳氢化合材料组成。这些低熔点的材料仅有中低强度，无法满足工程应用中对零件强度的要求。

文献“Design and Operation of a Droplet Deposition System for FreeformFabrication of Metal Parts.Journal of Engineering Materials and Technology.JANUARY2001，Vol.123.pp：74-84.”介绍了A.A.Tseng，M.H.Lee，B.Zhao.等的“均匀液滴喷射技术(Uniform Droplet Spray，UDS)”该技术起源于喷墨打印机微压电喷墨技术。均匀液滴喷射技术的工作原理是：将喷射材料熔化，通过喷嘴将熔融材料喷出并在高速喷射过程中将射流离散成均匀一致的熔融液滴，通过对单个熔融液滴充电，利用电极偏转和基板运动控制，使液滴准确地沉积在基板上，形成零件。由于液滴的快速固化，使得制件的微结构性能较其它微制造方法有很大程度的提高，且制造过程在集成环境中可一次完成，生产精度高，直接经济。

美国加州大学对航空中无人机的微型发动机的涡轮结构件采用UDS技术进行生产，并分析制件的力学性能；研究表明采用Al-滴沉积得到的制件比用纯Al-块制件在抗拉强度性能上要提高30％，并且制件的密度基本无变化，通过SEM照片看出，Al-滴沉积制件具有良好的微结构特征。UDS技术突破了其它快速成形技术在材料上的限制，既可以成形低熔点非金属材料，也可以成形高熔点的金属材料；与其它快速成形技术相比，具有低成本、低能耗等优点，与传统的粉末制造方法相比，成本仅为其的40％左右，且制件无需进行后处理。

现有的UDS技术还存在以下缺点：如只能喷射单一的非金属材料或者金属材料：产品几何形状简单，功能单一，无法满足航空航天工程中对微小型零件耐磨损、高强度、耐腐蚀等的要求。

发明内容

本发明针对现有的UDS技术存在的缺点，提供一种非均质功能器件快速成形微制造方法，依据均匀液滴喷射原理，将零件的结构特征，材料特征和功能特征相结合，运用计算机进行统一设计，采用多种材料进行非均质功能器件的生产，制造出具有特殊功能的非均质功能器件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种非均质功能器件快速成形微制造方法，其特征在于下述方法步骤：

1)根据制造非均质功能器件的要求，将不同的金属、合金材料或者非金属材料作为成形材料分别放入不同的液滴发生装置中，将低熔点合金材料或者非金属材料作为支撑材料放入另一液滴发生装置中，然后将真空室密封；

2)启动惰性气体压力控制系统，给真空室以及各液滴发生装置通入惰性气体，用氧含量检测仪检测真空室内氧的浓度，当氧含量浓度小于5～50PPM时，停止惰性气体输入；

3)启动抽真空装置，对真空室和各液滴发生装置抽真空，使真空度达到1.33×10^-2～1.33×10^-3Pa；

4)启动温度控制系统，对各液滴发生装置加热6～7小时，并保持各液滴发生装置中的材料熔液温度高于材料熔点5～10℃；

5)对各液滴发生装置通入惰性气体，并调整各液滴发生装置中的压力在100～500KPa之间；

6)将信号发生器产生的电信号分别输入不同的液滴发生装置中的压电振荡器，带动浸滞在材料熔液中的振动盘作机械振动，使得熔融材料喷射流体产生振动频率为5～30kHz相同频率的振动，使射流能够断裂成液滴，并根据喷出液滴直径大小及基板下降距离控制基板的温度；

7)采用CAD软件建立所要成形的非均质功能器件的三维模型，并对三维模型进行二维切片图形数据处理，形成二维切片数据，并将其保存，计算机控制系统根据切片数据输出来改变充电环和偏转电极的电压，使得液滴经过充电环时能够被选择性的带电，当带电的液滴通过由偏转电极产生的电场时，不同的液滴根据带电量的大小在电场作用下偏转，计算机控制系统依据非均质功能器件二维切片数据自动调整偏转电压为200～400V，使不同的液滴产生不同的偏移量，同时计算机控制系统自动控制基板运动控制系统使沉积基板在X-Y平面内以0.1～1m/s的速度运动，在Z轴方向作直线运动，使得液滴准确地沉积在计算机控制系统指定位置，多余的液滴则偏转进液滴回收装置里；

8)沉积完成后，将沉积零部件放入熔炉内去除支撑材料，得到非均质功能器件。

所述的信号发生器，可以通过调节输出信号的振幅、频率来改变不同材料射流的断裂位置，液滴喷射速度、液滴直径以及液滴喷射频率。

所述控制基板的温度为250～450℃。

本发明的有益效果是，能够成形多种非金属材料或者金属材料，能够制造复杂的微小型零部件；根据器件的功能要求选取材质，满足器件的各种特殊功能，如耐磨损、高强度、耐腐蚀等。还可以用于制造聚合物及其它材料零件，在生物医学、民用等方面具有实际应用价值。

附图说明

附图是本发明的流程图

具体实施方式

实施例1：参照附图。成形非均质微型空心圆柱，其尺寸为：空心圆柱长为20mm，外径为Φ10mm，内径为Φ4mm。其中在空心圆柱截面Φ4～6mm内，材料为铸造铜合金ZCuAl8Mn13Fe3Ni2，空心圆柱截面Φ6～10mm材料由铸造铝合金ZL301非均匀分布组成。按照空心圆柱的材料分布，用Pro-engineer生成空心圆柱三维模型；用软件SolidView沿Z轴以0.05mm长度将圆柱体等分为一系列的二维空心圆，形成二维切片数据，并将其保存；将成形材料铸造铜合金放入液滴发生装置中，铸造铝合金放入另一液滴发生装置中，并将真空室密封；给真空室、液滴发生装置和另一液滴发生装置通入氮气，用氧含量检测仪检测真空室内氧的浓度；当氧含量小于5PPM时，停止输入氮气；用真空泵对真空室抽真空，当真空室内真空度小于1.33×10^-3Pa时，停止对真空室抽真空；液滴发生装置加热7小时，使其温度在995℃左右，另一液滴发生装置加热6小时，使其温度在605℃左右，使得铜合金和铝合金全部熔化；对液滴发生装置和另一液滴发生装置分别通入氮气，使得液滴发生装置和另一液滴发生装置分别能够喷射铜合金和铝合金熔液射流，调节压力阀使液滴发生装置和另一液滴发生装置内气体压力均保持在150KPa左右；将频率为5KHz的正弦信号分别输入液滴发生装置和另一液滴发生装置中，调节输入液滴发生装置的正弦信号的振幅，直到液滴发生装置喷出直径约为80微米的液滴；同样调节输入另一液滴发生装置中的正弦信号，使另一液滴发生装置喷出直径约为80微米的液滴；当成形铜合金构成的圆环时，液滴发生装置转到喷射位置，计算机根据二维图形数据自动调节充电环和偏转电压200V，使得喷射液滴发生偏转，同时基板在X-Y平面内以0.1m/s的速度作直线往复运动，根据喷出液滴直径大小及基板下降距离控制在基板温度在360～450℃；液滴准确地沉积在基板上形成圆环，多余的液滴则偏转进液滴回收装置里；当内圆环完成后，转动另一液滴发生装置到喷射位置，以同样的方式沉积铝合金形成圆环；每完成一层材料沉积，基板向下移动50微米左右，计算机继续读取二维切片数据开始另一层材料的堆积，每层圆逐步叠加，直到计算机读完全部二维切片数据，成型出非均质微型空心圆柱为止。整个成形非均质微型空心圆柱的过程由摄像监控装置监控。

实施例2：参照附图。同样成形非均质微型空心圆柱，其尺寸为：空心圆柱长为20mm，外径为Φ10mm，内径为Φ4mm。其中在空心圆柱截面Φ4～8mm内，材料为铸造铜合金ZCuAl8Mn13Fe3Ni2，空心圆柱截面Φ8～10mm材料由铸造铝合金ZL301非均匀分布组成。按照空心圆柱的材料分布，用Pro-engineer生成空心圆柱三维模型；用软件SolidView沿Z轴以0.12mm长度将圆柱体等分为一系列的二维空心圆，形成二维切片数据，并将其保存；将成形材料铸造铜合金放入液滴发生装置中，铸造铝合金放入另一液滴发生装置中，并将真空室密封；给真空室、液滴发生装置和另一液滴发生装置通入氮气，用氧含量检测仪检测真空室内氧的浓度；当氧含量小于50PPM时，停止输入氮气；用真空泵对真空室抽真空，当真空室内真空度小于1.33×10^-2Pa时，停止对真空室抽真空；液滴发生装置加热7小时，使其温度在995℃左右，另一液滴发生装置加热6小时，使其温度在605℃左右，使得铜合金和铝合金全部熔化；对液滴发生装置和另一液滴发生装置分别通入氮气，使得液滴发生装置和另一液滴发生装置分别能够喷射铜合金和铝合金熔液射流，调节压力阀使液滴发生装置和另一液滴发生装置内气体压力均保持在500KPa左右；将频率为30KHz的正弦信号分别输入液滴发生装置和另一液滴发生装置中，调节输入液滴发生装置的正弦信号的振幅，直到液滴发生装置喷出直径约为150微米的液滴；同样调节输入另一液滴发生装置中的正弦信号，使另一液滴发生装置喷出直径约为150微米的液滴；当成形铜合金构成的圆环时，液滴发生装置转到喷射位置，计算机根据二维图形数据自动调节充电环和偏转电压400V，使得喷射液滴发生偏转，同时基板在X-Y平面内以1m/s的速度作直线往复运动，根据喷出液滴直径大小及基板下降距离控制在基板温度在250～350℃；液滴准确地沉积在基板上形成圆环，多余的液滴则偏转进液滴回收装置里；当内圆环完成后，转动另一液滴发生装置到喷射位置，以同样的方式沉积铝合金形成圆环；每完成一层材料沉积，基板向下移动120微米左右，计算机继续读取二维切片数据开始另一层材料的堆积，每层圆逐步叠加，直到计算机读完全部二维切片数据，成型出非均质微型空心圆柱为止。整个成形非均质微型空心圆柱的过程由摄像监控装置监控。

Claims (3)

1、一种非均质功能器件快速成形微制造方法，其特征在于下述方法步骤：

1)根据制造非均质功能器件的要求，将不同的金属、合金材料或者非金属材料作为成形材料分别放入不同的液滴发生装置中，将低熔点合金材料或者非金属材料作为支撑材料放入另一液滴发生装置中，然后将真空室密封；

2)启动惰性气体压力控制系统，给真空室以及各液滴发生装置通入惰性气体，用氧含量检测仪检测真空室内氧的浓度，当氧含量浓度小于5～50PPM时，停止惰性气体输入；

3)启动抽真空装置，对真空室和各液滴发生装置抽真空，使真空度达到1.33×10^-2～1.33×10^-3Pa；

4)启动温度控制系统，对各液滴发生装置加热6～7小时，并保持各液滴发生装置中的材料熔液温度高于材料熔点5～10℃；

5)对各液滴发生装置通入惰性气体，并调整各液滴发生装置中的压力在100～500KPa之间；

6)将信号发生器产生的电信号分别输入不同的液滴发生装置中的压电振荡器，带动浸滞在材料熔液中的振动盘作机械振动，使得熔融材料喷射流体产生振动频率为5～30kHz相同频率的振动，使射流能够断裂成液滴，并根据喷出液滴直径大小及基板下降距离控制基板的温度；

7)采用CAD软件建立所要成形的非均质功能器件的三维模型，并对三维模型进行二维切片图形数据处理，形成二维切片数据，并将其保存，计算机控制系统根据切片数据输出来改变充电环和偏转电极的电压，使得液滴经过充电环时能够被选择性的带电，当带电的液滴通过由偏转电极产生的电场时，不同的液滴根据带电量的大小在电场作用下偏转，计算机控制系统依据非均质功能器件二维切片数据自动调整偏转电压为200～400V，使不同的液滴产生不同的偏移量，同时计算机控制系统自动控制基板运动控制系统使沉积基板在X-Y平面内以0.1～1m/s的速度运动，在Z轴方向作直线运动，使得液滴准确地沉积在计算机控制系统指定位置，多余的液滴则偏转进液滴回收装置里；

8)沉积完成后，将沉积零部件放入熔炉内去除支撑材料，得到非均质功能器件。

2、根据权利要求1所述的非均质功能器件快速成形微制造方法，其特征在于：所述的信号发生器，可以通过调节输出信号的振幅、频率来改变不同材料射流的断裂位置，液滴喷射速度、液滴直径以及液滴喷射频率。

3、根据权利要求1所述的非均质功能器件快速成形微制造方法，其特征在于：所述控制基板的温度为250～450℃。

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