CN204414604U - 一种用于微喷射打印的超音速喷嘴 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于微喷射打印的超音速喷嘴。其中，拉伐尔喷管和气室体通过锁紧块连接成轴对称整体，并利用紧固螺栓固定,气室体前端对称分布有压力探头接口、温度探头接口，气室体后端斜插有对称式气源入口，尾部通过U型塞安置有同轴送粉管，在拉伐尔喷管和气室体相接处安放有环形栅网，高压气体和粉体在拉伐尔喷管内汇聚并喷出。本实用新型采用同轴送粉，送粉管直达拉伐尔喷管喉部，防止了阻塞，同时利用对称式分布的多气源入口并结合环形栅网的作用使得气流均匀稳定，有利于粉体的加速，此外该拉伐尔喷管内流道为规整的流线型，流量小，超音速段距离长，射流出口汇聚性较好，具有较好的应用前景。

Description

一种用于微喷射打印的超音速喷嘴

技术领域

本实用新型涉及一种喷嘴，确切的说涉及一种基于冷喷涂原理的微喷射打印超音速喷嘴。

背景技术

近年以来,微型制造(Micro一manufacture)这一新的概念被引入到材料设计与研究中来,正在成为学术界和工业界关注的热点.而随着所需制品形状向复杂化、微形化发展，对制造技术提出了新的挑战，只有利用新的无模成型,特别是喷射打印技术才有望获得成功。

喷射打印技术是一种增材制造解决方案，利用空气动力学原理聚焦于精确纳米/微米级材料的沉积，通常是将待成型的材料经过相应的前处理后,通过打印机将其直接打印到载体上成型,成型体的形状和尺寸由计算机控制.它可用于块体材料成型,更适合于薄膜材料成型.其工作过程是,首先，将三维物理模型进行切片处理,并将这些图像转化为可执行的二维像素文件,作为指令输出给打印设备.然后，打印设备根据计算机的指令,逐层打印这些二维图像,层层累积以获得三维模型物体.喷射打印是一种非接触式打印过程,成型体的精度由喷嘴直径控制,一般为25-75um。常用的喷射打印材料为利用专门配制而成的“墨水”。例如：工业级3D打印机制造商，Optomec日前成功申请一项美国专利——微型气溶胶喷射和气溶胶喷射数组，专利编号：#8640975，并将该技术利用来生产精细的功能电路和嵌入元件以及无需使用模具即可嵌入元件，这样一来就缩小了电子系统的总尺。以色列Objet公司于2000年初推出的PolyJet聚合物喷射专利技术，其成型原理与3DP有点类似，不过喷射的不是粘合剂而是聚合成型材料，PolyJet技术也是当前最为先进的3D打印技术之一。

随着技术的日益进步，喷射打印的材料也变得更加多样化，例如基于冷喷涂原理的微喷射打印成形，其具有喷涂效率高、速度快、形成涂层强度高等优点。冷喷涂成形的基本原理是高压气体通过缩放喷管Laval喷管产生超音速(300-1200m/s)流动，超细固体粉末粒子从轴线方向送入气流中，粉末粒子(1-50μm)被高速气流加速，以完全固体状态撞击基体表面，通过较大的塑性变形使得粉末粒子沉积在基体上并形成涂层，层层累积后形成整个三维实体。

虽然，采用这种成形方法所得到单层二维平面薄膜单元，相对于采用其他传统的方法所形成的层单元具有更好的附着力且导电性、导热性等特性也更好，但是，在使用冷喷涂方法进行成形的过程中，因拉伐尔喷管独特的结构，使的喷涂粉体易附在其喉部不易清理，形成阻塞，严重影响喷涂设备的使用。为解决上述问题，研究人员进行了大量的研究，并开发出各种冷喷涂用喷嘴。例如专利号200510083138.3公布了一种冷喷涂用喷嘴，其具有截面积收敛的收敛引入部，与收敛部相连的喉部以及出口部、喷射管等，为防止堵塞，其喷射管位于喉部或超过该喉部的出口部内。专利号200510030207.4和00253384.7均公开了一种冷喷涂用喷嘴，上述喷嘴在一定程度上解决了喷涂过程中粉体阻塞喷嘴的难题。然而上述喷嘴也存在流量较大、超音速段距离较短、喷嘴出口射流汇聚性不好等问题，尤其是在微电子领域，当需要采用冷喷涂方法形成薄膜单元时就更加要求粉体射流具有较大的速度的同时，汇聚性也要好。显然，现有的喷嘴很难满足喷射打印技术要求，有必要开发一种新型的喷嘴。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有的用于微喷射打印的超音速喷嘴在制备高品质薄膜层单元的过程中，流量较大、超音速段距离较短、喷嘴出口射流汇聚性不好，易造成堵塞等问题，提供一种用于微喷射打印的超音速喷嘴。

本实用新型通过下述技术方案来实现，它主要包括：拉伐尔喷管、锁紧块、气室体、压力探头接口、气源入口、温度探头接口、U型塞、送粉管、紧固螺栓、环形栅网，拉伐尔喷管和气室体通过锁紧块连接成轴对称整体，并利用紧固螺栓固定，气室体的前端上、下对称分布有压力探头接口、温度探头接口，气室体末端对称斜插有多个气源入口，尾部通过U型塞安装有同轴送粉管，在拉伐尔喷管和气室体的接触点设置有环形栅网，高压气体和粉体在拉伐尔喷管内汇聚并喷出。

所述的拉伐尔喷管整体内流道为规整的流线型，其头部设置有半椭圆形的收敛段，收敛段后设置有喉部，喉部与发散段连接，发散段与平直段连接，平直段后设置有微收敛段。平直段的长度大于微收敛段大于发散段大于收敛段；其中，平直段的长度为30-80mm，微收敛段的长度为10-30mm，发散段的长度为10-26mm，收敛段的长度为10-24mm。

进一步优选为平直段的长度为50mm，微收敛段的长度为15.5mm，发散段的长度为12.4mm，收敛段的长度为11.7mm。平直段的直径大于收敛段大于微收敛段大于喉部；其中，平直段的直径为5-20mm，收敛段的直径为8-15mm，微收敛段的直径为2.6-10mm，喉部的直径为1.5-3.5mm。

进一步优选为平直段的直径为10mm，收敛段的直径为8mm，微收敛段的直径为6mm，喉部的直径为3mm。

收敛段至喉部的收敛角度为60°，微收敛段末端的收敛角度为3°-10°。

所述的拉伐尔喷管的膨胀比为3-13.2，所述的膨胀比为微收敛段的截面积比喉部的截面积为3～13.2，在该膨胀比的条件下，工作气体和粉体自收敛段、喉部、发散段、平直段、微收敛段喷出的最大速度范围为356-1400m/s；其中，工作气体和粉体自微收敛段的速度大于平直段大于发散段大于喉部大于收敛段。

所述的气源入口对称式斜插入气室体后端，数量为2～4个。

所述的环形栅网内部设置有送粉管通孔和气体通孔，其中送粉管通孔设置于环形栅网中央，送粉管通孔周围至少设置有4个气体通孔。

采用本实用新型技术方案具有如下有益效果：

(1)所述的一种用于微喷射打印的超音速喷嘴，主体结构包括气室体、拉伐尔喷管、锁紧块，送粉管等，结构较为紧凑，便于加工和组装，降低成本。

(2)所述的一种用于微喷射打印的超音速喷嘴，其拉伐尔喷管包括收敛段、喉部、发散段、平直段、微收敛段，其中收敛段为半椭圆形，整个内流道为规整的流线型，在保证了粉体射流速度的同时加强了射流的汇聚性，此外，还具有气流量较小，超音速段距离长的优点。

(3)所述的一种微喷射打印的超音速喷嘴，采用多气源入口进气，且气源入口呈一定角度对称式斜插入气室体后端，配之于环形栅网的相互作用，使得送粉气流更加稳定，减小了气流量，降低了对管路 的要求，同时减少了能量损失，有利于粉体达到更大的速度，此外，还可有效防止喷涂粉体在拉伐尔喷管喉部的阻塞现象。

附图说明

图1为用于微喷射打印的超音速喷嘴的结构示意图，1.拉伐尔喷管，2.锁紧块，3.气室体，3-1.压力探头接口，3-3.温度探头接口，3-2.气源入口，4.U型塞，5.送粉管，6.紧固螺栓，7.环形栅网。

图2为拉伐尔喷管结构示意图，1-1.收敛段，1-2.喉部，1-3.散段，1-4.平直段，1-5.微收敛段。

图3为气室体的结构示意图。

图4为锁紧块的结构示意图。

图5为U型塞的结构示意图。

图6为环形栅网的结构示意图，7-1.送粉管通孔，7-2.气体通孔。

图7为以往冷喷涂用拉伐尔喷管的流动特性的数值分析图(单位：m/s)。

图8为本实用新型拉伐尔喷管的流动特性的数值分析图(单位：m/s)。

图9为本实用新型喷嘴的流动特性的数值分析图(单位：m/s)。

具体实施方式

实施例1

如图1-6所示，为一种用于微喷射打印的超音速喷嘴的结构示意图，它主要包括拉伐尔喷管1、锁紧块2、气室体3、压力探头接口3-1、气源入口3-2、温度探头接口3-3、U型塞4、送粉管5、紧固螺栓6、环形栅网7，拉伐尔喷管1和气室体3通过锁紧块2连接成轴对称整体，并利用紧固螺栓6固定，气室体3的前端上、下对称分布有压力探头接口3-1、温度探头接口3-3，气室体3末端对称斜插有多个气源入口3-2，尾部通过U型塞4安装有同轴送粉管5，在拉伐尔喷管1和气室体3的接触点设置有环形栅网7，高压气体和粉体在拉伐尔喷管1内汇聚并喷出。

所述的拉伐尔喷管1整体内流道为规整的流线型，其头部设置有半椭圆形收敛段1-1，收敛段1-1后设置有喉部1-2，喉部1-2与发散段1-3连接，发散段1-3与平直段1-4连接，平直段1-4后设置有微收敛段1-5。平直段1-4的长度为50mm，微收敛段1-5的长度为1.5mm，发散段1-3的长度为12.4mm，收敛段1-1的长度为11.7mm。平直段1-4的直径为10mm，收敛段1-1的直径为8mm，微收敛段1-5的直径为6mm，喉部1-2的直径为3mm。收敛段1-1至喉部的收敛角度为60°，微收敛段1-5末端的收敛角度为3°。拉伐尔喷管1的膨胀比为10，所述的膨胀比为微收敛段1-5的截面积比喉部1-2的截面积为10，在该膨胀比的条件下，工作气体和粉体自收敛段1-1、喉部1-2、发散段1-3、平直段1-4、微收敛段1-5喷出的最大速度范围为356m/s；其中，工作气体和粉体自微收敛段1-5的速度大于平直段1-4大于发散段1-3大于喉部1-2大于收敛段1-1。

所述的气源入口3-2对称式斜插入气室体3后端，数量为3个。

环形栅网7内部设置有送粉管通孔7-1和气体通孔7-2，其中送粉管通孔7-1设置于环形栅网7中央，送粉管通孔7-1周围至少设置有4个气体通孔7-2。

本实用新型按照超音速喷嘴原理进行了结构设计，并利用现今流行的CFD分析软件Fluent进行了验证分析。考虑到增加粉体射流的汇聚性要求，在普通的拉伐尔喷管四段式结构的基础之上，对拉伐尔喷 管的结构进行了重新设计，增加了促使粉体射流汇集的微收敛段，其中微收敛段长度为10～30mm，其与喷管中心轴线角度为3～10°。此外，为了减小气流量，进而降低对管线的要求，收敛段设计为半椭圆形，其由通过喷管喉部一点的曲线，绕中心轴心得到，整个内流道为规整的流线型，其他结构部分按常用拉伐尔喷管来进行设计，喷管出口为圆形，大小为φ2.6～φ10mm，如图7-8所示为以往冷喷涂用拉伐尔喷管和本实用新型的拉伐尔喷管在相同的流动特性的数值分析图，从图中可以看出采用本实用新型的拉伐尔喷管，能获得更高的射流速度，最大为873m/s，且射流呈“烛状”这将有利于粉料更快的达到其临界速度，加速粉料的沉积，形成更加致密的薄膜。而以往冷喷涂用拉伐尔喷管在喷官出口处速度最大只有638m/s，说明了本实用新型设计的合理之处。

另外，考虑到送粉气源对冷喷涂过程的影响，本实用新型，对气源入口方式及结构均进行了重新设计，增加了气源入口的数量，达到2-4个，并采用对称式斜插入气室体后端，结合环形栅网对气流的作用，使得气体更加的平缓，这将有利于气体在通过喷管喉部后，达到更大的速度，如图9所示为采用本实用新型中的喷嘴所进行的数值分析图，模拟参数为：入口压力0.8Mpa，温度300K，所选用气源为理想气体。从图中可以看出，射流速度最大为611m/s，且射流汇聚性也很好。

实施例2

一种用于微喷射打印的超音速喷嘴，它主要包括拉伐尔喷管1、锁紧块2、气室体3、压力探头接口3-1、气源入口3-2、温度探头接口3-3、U型塞4、送粉管5、紧固螺栓6、环形栅网7，拉伐尔喷管1和气室体3通过锁紧块2连接成轴对称整体，并利用紧固螺栓6固定，气室体3的前端上、下对称分布有压力探头接口3-1、温度探头接口3-3，气室体3末端对称斜插有多个气源入口3-2，尾部通过U型塞4安装有同轴送粉管5，在拉伐尔喷管1和气室体3的接触点设置有环形栅网7，高压气体和粉体在拉伐尔喷管1内汇聚并喷出。

所述的拉伐尔喷管1整体内流道为规整的流线型，其头部设置有半椭圆形收敛段1-1，收敛段1-1后设置有喉部1-2，喉部1-2与发散段1-3连接，发散段1-3与平直段1-4连接，平直段1-4后设置有微收敛段1-5。平直段1-4的长度为40mm，微收敛段1-5的长度为25mm，发散段1-3的长度为22.5mm，收敛段1-1的长度为18.3mm。平直段1-4的直径为14.8mm，收敛段1-1的直径为12.6mm，微收敛段1-5的直径为2.6mm，喉部1-2的直径为1.5mm。收敛段1-1至喉部的收敛角度为60°，微收敛段1-5末端的收敛角度为8°。拉伐尔喷管1的膨胀比为3.8，所述的膨胀比为微收敛段1-5的截面积比喉部1-2的截面积为10，在该膨胀比的条件下，工作气体和粉体自收敛段1-1、喉部1-2、发散段1-3、平直段1-4、微收敛段1-5喷出的最大速度范围为1350m/s；其中，工作气体和粉体自微收敛段1-5的速度大于平直段1-4大于发散段1-3大于喉部1-2大于收敛段1-1。

所述的气源入口3-2对称式斜插入气室体3后端，数量为7个。

环形栅网7内部设置有送粉管通孔7-1和气体通孔7-2，其中送粉管通孔7-1设置于环形栅网7中央，送粉管通孔7-1周围至少设置有4个气体通孔7-2。

实施例3

一种用于微喷射打印的超音速喷嘴，它主要包括拉伐尔喷管1、锁紧块2、气室体3、压力探头接口3-1、气源入口3-2、温度探头接口3-3、U型塞4、送粉管5、紧固螺栓6、环形栅网7，拉伐尔喷管1和 气室体3通过锁紧块2连接成轴对称整体，并利用紧固螺栓6固定，气室体3的前端上、下对称分布有压力探头接口3-1、温度探头接口3-3，气室体3末端对称斜插有多个气源入口3-2，尾部通过U型塞4安装有同轴送粉管5，在拉伐尔喷管1和气室体3的接触点设置有环形栅网7，高压气体和粉体在拉伐尔喷管1内汇聚并喷出。

所述的拉伐尔喷管1整体内流道为规整的流线型，其头部设置有半椭圆形收敛段1-1，收敛段1-1后设置有喉部1-2，喉部1-2与发散段1-3连接，发散段1-3与平直段1-4连接，平直段1-4后设置有微收敛段1-5。平直段1-4的长度为75mm，微收敛段1-5的长度为28.8mm，发散段1-3的长度为12.5mm，收敛段1-1的长度为10.6mm。平直段1-4的直径为17.6mm，收敛段1-1的直径为9.5mm，微收敛段1-5的直径为4.3mm，喉部1-2的直径为3.5mm。收敛段1-1至喉部的收敛角度为60°，微收敛段1-5末端的收敛角度为4°。拉伐尔喷管1的膨胀比为13.2，所述的膨胀比为微收敛段1-5的截面积比喉部1-2的截面积为10，在该膨胀比的条件下，工作气体和粉体自收敛段1-1、喉部1-2、发散段1-3、平直段1-4、微收敛段1-5喷出的最大速度范围为852m/s；其中，工作气体和粉体自微收敛段1-5的速度大于平直段1-4大于发散段1-3大于喉部1-2大于收敛段1-1。

所述的气源入口3-2对称式斜插入气室体3后端，数量为5个。

环形栅网7内部设置有送粉管通孔7-1和气体通孔7-2，其中送粉管通孔7-1设置于环形栅网7中央，送粉管通孔7-1周围至少设置有4个气体通孔7-2。

上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用机新型作出的作保修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。尽管本文较多地使用了：拉伐尔喷管1、锁紧块2、气室体3、压力探头接口3-1、温度探头接口3-3、气源入口3-2、U型塞4、送粉管5、紧固螺栓6、环形栅网7等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (9)

1.一种用于微喷射打印的超音速喷嘴，它主要包括拉伐尔喷管（1）、锁紧块（2）、气室体（3）、压力探头接口（3-1）、气源入口（3-2）、温度探头接口（3-3）、U型塞（4）、送粉管（5）、紧固螺栓（6）、环形栅网（7），拉伐尔喷管（1）和气室体（3）通过锁紧块（2）连接成轴对称整体，并利用紧固螺栓（6）固定，气室体（3）的前端上、下对称分布有压力探头接口（3-1）、温度探头接口（3-3），气室体（3）末端对称斜插有多个气源入口（3-2），尾部通过U型塞（4）安装有同轴送粉管（5），在拉伐尔喷管（1）和气室体（3）的接触点设置有环形栅网（7），高压气体和粉体在拉伐尔喷管（1）内汇聚并喷出。

2.根据权利要求1所述的用于微喷射打印的超音速喷嘴，其特征在于：所述的拉伐尔喷管（1）整体内流道为规整的流线型，其头部设置有半椭圆形的收敛段（1-1），收敛段（1-1）后设置有喉部（1-2），喉部（1-2）与发散段（1-3）连接，发散段（1-3）与平直段（1-4）连接，平直段（1-4）后设置有微收敛段（1-5）。

3.根据权利要求2所述的用于微喷射打印的超音速喷嘴，其特征在于：平直段（1-4）的长度大于微收敛段（1-5）大于发散段（1-3）大于收敛段（1-1）；其中，平直段（1-4）的长度为30-80mm，微收敛段（1-5）的长度为10-30mm，发散段（1-3）的长度为10-26mm，收敛段（1-1）的长度为10-24mm。

4.根据权利要求2所述的用于微喷射打印的超音速喷嘴，其特征在于：平直段（1-4）的长度为50mm，微收敛段（1-5）的长度为15.5mm，发散段（1-3）的长度为12.4mm，收敛段（1-1）的长度为11.7mm。

5.根据权利要求2所述的用于微喷射打印的超音速喷嘴，其特征在于：平直段（1-4）的直径大于收敛段（1-1）大于微收敛段（1-5）大于喉部（1-2）；其中，平直段（1-4）的直径为5-20mm，收敛段（1-1）的直径为8-15mm，微收敛段（1-5）的直径为2.6-10mm，喉部（1-2）的直径为1.5-3.5mm。

6.根据权利要求2所述的用于微喷射打印的超音速喷嘴，其特征在于：平直段（1-4）的直径为10mm，收敛段（1-1）的直径为8mm，微收敛段（1-5）的直径为6mm，喉部（1-2）的直径为3mm。

7.根据权利要求2所述的用于微喷射打印的超音速喷嘴，其特征在于：收敛段（1-1）至喉部的收敛角度为60°，微收敛段（1-5）末端的收敛角度为3°-10°。

8.根据权利要求1所述的用于微喷射打印的超音速喷嘴，其特征在于：所述的气源入口（3-2）对称式斜插入气室体（3）后端，数量为2～4个。

9.根据权利要求1所述的用于微喷射打印的超音速喷嘴，其特征在于：环形栅网（7）内部设置有送粉管通孔（7-1）和气体通孔（7-2），其中送粉管通孔（7-1）设置于环形栅网（7）中央，送粉管通孔（7-1）周围至少设置有4个气体通孔（7-2）。