一种气相辅助的金属微液滴制造装置及方法与流程

本发明涉及一种在惰性气体辅助下的金属材质微液滴的制造装置及方法，以用于微滴喷射增材制造技术，实现金属微液滴沉积并形成3d固体成形件。

背景技术：

金属微液滴喷射制造技术是基于喷墨打印原理发展的一种3d打印技术。它基于“离散-叠加”的成形原理，先控制液态金属生成均匀微液滴，然后通过基板的运动使微液滴沉积在基板的特定位置，实现逐点、逐层地堆积形成复杂的三维实体结构。该技术具有工艺流程简单、生产成本低和成形件致密度高、力学性能好等优点，在微小金属零件快速成形、柔性电路打印、微电子封装等领域都具有广阔的应用前景。

尽管非金属材料微液滴喷射技术已有成熟应用，但金属材料具有熔点高,粘性和表面张力大等特性，而且金属微液滴的生成过程涉及温度和金属形态的变化，受多种因素的耦合影响，成熟的非金属材料喷射装置及控制方法很难直接用于金属材料的喷射制造。对于金属微液滴喷射制造技术，均匀稳定且尺寸小的金属微液滴是提高成形件质量的关键，国内外大量学者提出了多种控制微液滴生成尺寸的方法，然而由于喷孔加工技术和微液滴生成方式的限制，微液滴的直径很难均匀地降低。常温微尺度流动研究中的流动聚焦方式，提供了一种利用气体挤压剪切液体的流动形式，可以将其与金属微液滴喷射技术相结合，以促进金属微液滴的生成，减小生成微液滴的尺寸。

技术实现要素：

本发明基于气动式金属微液滴生成方法，通过高压气体在出口处对液体施加粘性剪切力，促进液体断裂形成尺寸更小的微液滴。

本发明采用的技术方案为一种气相辅助的金属微液滴制造装置，该方装置包括密封箱体1，内坩埚2，外坩埚3，第一恒压气体入口4，第二恒压气体入口5，加热器6，密封板7，脉动压力气体入口8，液体出口9，液滴沉积平台10，进气道11，泄气道12，液滴出口13。

装置各个部分之间的关系和作用如下，密封箱体1为本装置的外部箱体结构，各构件均安装在密封箱体1内，以保证密封箱体1的内部为无氧环境并且温度恒定；内坩埚2内部储存液态金属；外坩埚3与内坩埚2相互配合，外坩埚3的内壁面和内坩埚2的外壁面保持一定间隔，间隔用以供高压气体流过；外坩埚3上对称设置有第一恒压气体入口4和第二恒压气体入口5，第一恒压气体入口4和第二恒压气体入口5为高压气体的入口；外坩埚3的外壁面包裹有加热器6，加热器6为整个内部环境提供热量，加热器6根据需要加热到不同温度以保持液态金属为融化状态；内坩埚2的密封板7上设置有脉动压力气体入口8，通入压力为脉动式变化的气体；液态金属在内部脉动气压的挤压下从液体出口9流出。液体出口9的下部为进气道11，进气道11的下部为泄气道12，泄气道12的下部为液滴出口13，液滴出口13与液体出口9的位置相对应。

一种气相辅助的金属微液滴制造方法，保持密封箱体1的内部为封闭环境以保持内部温度不变，同时为无氧环境，全部用惰性气体填充以防止金属氧化；内坩埚2内部储存有液态金属，内坩埚2的顶部由密封板7密封，内坩埚2内部的空间被惰性气体填充；从脉动压力气体入口8通入压力为脉动变化的惰性气体，挤压液态金属从液体出口9流出；外坩埚3与内坩埚2之间保持一定的间距，提供从第一恒压气体入口4和第二恒压气体入口5流入的高压气体的流通路径；外坩埚3外部包裹加热器6，保持内部环境的温度恒定，并根据需要加热到不同温度以保证液体处于特定的流动状态；高压气体从进气道11流入，在液体出口9处挤压和剪切流出的金属液体，高压气体从泄气道12流出，生成的微液滴从液滴出口13流出并落在沉积平台10上。

本发明的生成方式在气动式微滴生成方式的基础上，通过液体出口周围气体的粘性剪切作用，在微滴生成阶段实现液体的提前剪切破碎，生成更小的均匀微滴，有助于提高成形件精度和致密度，金属晶格结构也更均匀，力学性能更好。

附图说明

图1是本发明一种气相辅助的金属微液滴制造方法的装置结构示意图。

图2是图1中微液滴生成位置的局部放大图。

图3是气动式金属微液滴生成方式与本发明气相辅助下微液滴生成方式的生成过程的示意图对比。

具体实施方式

下面结合结构附图对本发明一种气相辅助的金属微液滴制造方法的工作过程和作用效果进行详细说明。

如图1、图2所示，整个装置包括密封箱体1，内坩埚2，外坩埚3，第一恒压气体入口4，第二恒压气体入口5，加热器6，密封板7，脉动压力气体入口8，液体出口9，液滴沉积平台10，进气道11，泄气道12，液滴出口13。

本装置的具体工作过程如下：保持密封箱体1的内部为封闭环境以保持内部温度不变，同时为无氧环境，全部用惰性气体填充以防止金属氧化；内坩埚2内部储存有液态金属，内坩埚2的顶部由密封板7密封，内坩埚2内部的空间被惰性气体填充；从脉动压力气体入口8通入压力为脉动变化的惰性气体，挤压液态金属从液体出口9流出；外坩埚3与内坩埚2之间保持一定的间距，提供从第一恒压气体入口4和第二恒压气体入口5流入的高压气体的流通路径；外坩埚3外部包裹加热器6，保持内部环境的温度恒定，并根据需要加热到不同温度以保证液体处于特定的流动状态；高压气体从进气道11流入，在液体出口9处挤压和剪切流出的金属液体，高压气体从泄气道12流出，生成的微液滴从液滴出口13流出并落在沉积平台10上。

图3中的a为气动式金属微液滴生成示意图，图3中的b为本发明的生成方式，在气动式微滴生成方式的基础上，通过液体出口周围气体的粘性剪切作用，在微滴生成阶段实现液体的提前剪切破碎，生成尺寸更小的均匀微滴。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种气相辅助的金属微液滴制造装置及方法，属于微滴喷射增材制造技术。保持密封箱体的内部为封闭环境以保持内部温度不变，内坩埚内部储存有液态金属从脉动压力气体入口通入压力为脉动变化的惰性气体，挤压液态金属从液体出口流出；外坩埚与内坩埚之间保持一定的间距，外坩埚外部包裹加热器，保持内部环境的温度恒定；高压气体从进气道流入，在液体出口处挤压和剪切流出的金属液体，高压气体从泄气道流出，生成的微液滴从液滴出口流出并落在沉积平台上；本发明通过液体出口周围气体的粘性剪切作用，在微滴生成阶段实现液体的提前剪切破碎，生成更小的均匀微滴，有助于提高成形件精度和致密度，金属晶格结构也更均匀，力学性能更好。

技术研发人员：刘赵淼;王翔;逄燕
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2017.07.04
技术公布日：2017.09.05