一种单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及激光烧结成型设备，尤其涉及一种单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备。
【背景技术】
[0002]3D打印技术是一种非常流行的制造技术，有广泛的工业应用前景。与传统切除加工技术不同，3D打印是一种利用熔融金属、粉末或高分子聚合物等具有粘接性的材料，利用逐层堆叠原理来构造模型的技术。
[0003]常用3D打印方法用粘接剂将粉末层粘接起来形成薄层；从喷头内喷出熔融塑料，塑料凝固后粘接形成薄层；或者采用光敏材料通过光固化等方法逐层堆叠成型。通过3D打印，原理上可以制造出几乎任何形状的模型。
[0004]然而，加工精度是限制3D打印技术被进一步应用的瓶颈。激光粉末烧结成型近年来受到研宄者们的关注。通过提高激光光斑的尺寸，能够提高成型精度。可以近似认为激光光斑尺寸就是其成型的最高精度。然而，随着微纳精密制造的发展，现有激光烧结成型设备的成型精度依然不能满足精密元件，如精密生物支架、航天航空精密仪器和光电元件等的要求。例如，生物支架成型精度一般要在200um到10nm，从而在表面形成微纳结构，以满足微观上细胞粘附、分化、增值等要求，。基于此，能否进一步提高3D打印的成型精度成为其能否被应用于使用要求更高的领域的关键。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、成型精度高的单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，不仅操控简便易行，而且可以模块化。
[0006]本发明通过下述技术方案实现:
[0007]一种单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，包括混合进样系统1、空气动力学透镜2、共焦激光器组3和工作台4 ;工作台4为活动平台，能在X、Y或Z轴方向运动。
[0008]所述混合进样系统I连接空气动力学透镜2，空气动力学透镜2位于工作台4上方；
[0009]所述共焦激光器组3位于空气动力学透镜2与工作台4之间。
[0010]所述混合进样系统I包括依次连接的进样机构、用于形成气溶胶流的混合腔1-5、缓冲腔1-6 ；
[0011]所述进样机构分为两个出口并联的支路，该两个支路中均包括依次连接的气源1-1和流量控制阀1-2 ；
[0012]该两个支路，其中一个支路的流量控制阀1-2与混合腔1-5之间设置粉末储存腔1-4，在另外一个支路的流量控制阀1-2与混合腔1-5之间设置流量计1-3 ；
[0013]所述进样机构两个支路的出口并联后连接混合腔1-5，混合腔1-5再通过管路连接缓冲腔1-6。
[0014]所述缓冲腔1-6设置在空气动力学透镜2的上端部。
[0015]所述空气动力学透镜2包括柱形腔体2-1和设置在柱形腔体2-1下端部的喷嘴
2-3 ；
[0016]在柱形腔体2-1内设置透镜组2-2，该透镜组2-2由多个相互间隔、沿柱形腔体
2-1轴向排列并固定在柱形腔体2-1内的透镜构成；柱形腔体2-1与水平面垂直。
[0017]所述透镜组2-2的每个透镜上均开有圆孔，各圆孔的轴线与喷嘴2-3的轴线同轴。
[0018]所述缓冲腔1-6腔体的内侧壁由上至下逐渐收缩；或者缓冲腔1-6的内侧壁与内底壁之间弧形的圆滑过渡。
[0019]每个透镜上的圆孔的孔径各不相同或者相同。
[0020]本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果:
[0021]通过混合进样系统1、空气动力学透镜2和共焦激光器组3的具体结构组合，改变了原有激光烧结成型设备提高精度的思路。
[0022]若在现有技术条件下，欲进一步提高激光光斑直径，则会遇有技术难度高、成本高等制约。而本设备通过加入空气动力学透镜结构及混合进样系统I等其他改进，即能将粉末精度显著的得以提高(至纳米级)，解除了激光光斑尺寸的限制。
[0023]与现有纳米级加工设备相比，本设备可粒子单向输运，熔滴熔覆位置可控。
[0024]本设备技术手段简便易行，设备可模块化设计、生产，具有积极的技术效果和良好的市场应用前景。
【附图说明】
[0025]图1为本发明单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备结构示意图。
[0026]图2图1透镜组结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
[0028]实施例
[0029]如图1、2所示。本发明单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，包括混合进样系统1、空气动力学透镜2、共焦激光器组3和工作台4 ;
[0030]该工作台4为可活动的平台，在X、Y或Z轴方向运动，即在X、Y同一水平面上运动，可获得具有纳米级线宽的二维图样；在Z轴方向运动，图样逐层堆叠，可获得纳米级精度的三维模型。
[0031]所述混合进样系统I连接空气动力学透镜2，空气动力学透镜2位于工作台4上方；该工作台4用于放置烧结基体4-1，接受纳米颗粒。
[0032]所述共焦激光器组3位于空气动力学透镜2与工作台4之间。共焦激光器组3中的各激光器有共同焦点，焦点汇聚于喷嘴2-3喷出的纳米颗粒流轨迹且靠近烧结基体表面上一点。共焦激光器组3提供足够的能量密度，加热纳米颗粒使其熔化。实际加工中，可根据需求，在烧结基体4-1上涂覆真空脂，用于接收纳米颗粒，防止颗粒回弹。
[0033]所述混合进样系统I包括依次连接的进样机构、用于形成气溶胶流的混合腔1-5、缓冲腔1-6 ；
[0034]所述进样机构分为两个出口并联的支路，该两个支路中均包括依次连接的气源1-1和流量控制阀1-2 ;气源可采用氦气等惰性气体。
[0035]该两个支路，其中一个支路的流量控制阀1-2与混合腔1-5之间设置粉末储存腔
1-4，在另外一个支路的流量控制阀1-2与混合腔1-5之间设置流量计1-3；
[0036]所述进样机构两个支路的出口并联后连接混合腔1-5，混合腔1-5再通过管路连接缓冲腔1-6 ;粉末和气体在混合腔1-5内充分混合，形成具有一定流量和压力的气溶胶流；缓冲腔1-6进一步使纳米颗粒和气体混合均匀，稀释气溶胶，获得低浓度气溶胶流，并降低其流速，获得具有一定雷诺数的低浓度的纳米颗粒气溶胶流。
[0037]由此可见，混合进样系统I完成了供气、提供纳米颗粒粉末、气-粉混合及纳米气溶胶流缓冲等作用。
[0038]所述缓冲腔1-6设置在空气动力学透镜2的上端部。
[0039]所述空气动力学透镜2包括柱形腔体2-1和设置在柱形腔体2-1下端部的喷嘴
2-3；
[0040]在柱形腔体2-1内设置透镜组2-2，该透镜组2-2由多个(3至5个)相互间隔、沿柱形腔体2-1轴向排列并固定在柱形腔体2-1内的透镜构成；柱形腔体2-1与水平面垂直。
[0041]所述透镜组2-2的每个透镜上均开有圆孔，各圆孔的轴线与喷嘴2-3的轴线同轴。混合腔1-6中的气溶胶进入空气动力学透镜2，通过透镜组2-2逐级聚焦，聚焦后颗粒流通过喷嘴2-3以单颗粒形式，依次沿每个透镜上的圆孔与喷嘴2-3形成的轴线，通过喷出2-3定向喷出。
[0042]所述缓冲腔1-6腔体的内侧壁由上至下逐渐收缩；或者缓冲腔1-6的内侧壁与内底壁之间弧形的圆滑过渡。
[0043]每个透镜上的圆孔的孔径各不相同或者相同。
[0044]如上所述，便可较好地实现本实用新型。
[0045]本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，其特征在于:包括混合进样系统(I)、空气动力学透镜(2)、共焦激光器组(3)和工作台(4); 所述混合进样系统(I)连接空气动力学透镜(2)，空气动力学透镜(2)位于工作台(4)上方； 所述共焦激光器组(3)位于空气动力学透镜(2)与工作台(4)之间。
2.根据权利要求1所述的单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，其特征在于:所述混合进样系统(I)包括依次连接的进样机构、用于形成气溶胶流的混合腔(1-5)、缓冲腔(1_6)； 所述进样机构分为两个出口并联的支路，该两个支路中均包括依次连接的气源(1-1)和流量控制阀(1-2)； 该两个支路，其中一个支路的流量控制阀(1-2)与混合腔(1-5)之间设置粉末储存腔(1-4)，在另外一个支路的流量控制阀(1-2)与混合腔(1-5)之间设置流量计(1-3)。
3.根据权利要求2所述的单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，其特征在于:所述进样机构两个支路的出口并联后连接混合腔(1-5)，混合腔(1-5)再通过管路连接缓冲腔(1_6) ο
4.根据权利要求2或3所述的单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，其特征在于:所述缓冲腔(1-6)设置在空气动力学透镜(2)的上端部。
5.根据权利要求4所述的单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，其特征在于:所述空气动力学透镜(2)包括柱形腔体(2-1)和设置在柱形腔体(2-1)下端部的喷嘴(2-3)； 在柱形腔体(2-1)内设置透镜组(2-2)，该透镜组(2-2)由多个相互间隔、沿柱形腔体(2-1)轴向排列并固定在柱形腔体(2-1)内的透镜构成。
6.根据权利要求5所述的单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，其特征在于:所述透镜组(2-2)的每个透镜上均开有圆孔，各圆孔的轴线与喷嘴(2-3)的轴线同轴。
7.根据权利要求5所述的单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，其特征在于:柱形腔体(2-1)与水平面垂直。
8.根据权利要求4所述的单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，其特征在于:所述缓冲腔(1-6)腔体的内侧壁由上至下逐渐收缩； 或者缓冲腔(1-6)的内侧壁与内底壁之间弧形过渡。
9.根据权利要求4所述的单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，其特征在于:所述工作台(4)为活动平台，能在X、Y或Z轴方向运动。
10.根据权利要求5所述的单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，其特征在于:每个透镜上的圆孔的孔径各不相同或者相同。
【专利摘要】本实用新型公开了一种单颗粒纳米金属粒子定向输运的激光成型设备，包括混合进样系统、空气动力学透镜、共焦激光器组和工作台；混合进样系统连接空气动力学透镜，空气动力学透镜位于工作台上方；共焦激光器组位于空气动力学透镜与工作台之间。混合进样系统能够使纳米颗粒及气体充分、均匀地混合，产生一定浓度及流速的纳米气溶胶。空气动力学透镜能有效聚焦具有一定粒径范围的纳米颗粒；共焦激光器组熔化所述空气动力学透镜喷出的纳米颗粒，使之融覆于精密工作台上的烧结基体表面；本设备大大提高了成型精度。本设备可粒子单向输运，熔滴熔覆位置可控，技术手段简便易行，可模块化设计、生产，具有积极的技术效果和良好的市场应用前景。
【IPC分类】B22F3-105
【公开号】CN204430272
【申请号】CN201420735267
【发明人】汤勇, 曾健, 陈灿, 张仕伟, 李文博
【申请人】华南理工大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2014年11月27日