专利名称：含有微细纤维强化材料的微型零部件的加工方法及其装置的制作方法
技术领域：
含有微细纤维强化材料的微型零部件的加工方法及其装置属于快速成型技术中的微型零部件制造领域。
最近，微细纤维材料如TiC、SiC等的直径数百纳米至数微米、长度数十微米，国外基本上能够量化生产。由于它们具有优良的机械与物理化学性能如高强度、高诱电率等，与基质材料具有良好的相容性，因而可用作于金属、陶瓷及塑料等复合材料的强化(增强增韧)材料，以提高复合材料的强度、防止收缩与变形。相比于长纤维，它们的尺寸细小，更适用于微型零部件的强化材料。
现有技术中尚没有将微细纤维通电进行方位控制后用于微型零部件加工工艺上。
本发明提供的含有微细纤维强化材料的微型零部件的加工方法，其特征在于，分为以下步骤(1)将直径为0.2～2μm，长度为40～70μm的TiC或SiC微细纤维按体积百分比为1～5∶100加入液态光敏树脂中混合均匀形成混合物；(2)将上述混合均匀的微细纤维与液态光敏树脂的混合物倒入配有正、负直流电源的的容器中，通电5～10秒，使TiC或SiC微细纤维的细长轴方向与电场的方向趋于一致；(3)采用常用的激光器所产生的激光束按常规技术直射到与电场的方向趋于一致的微细纤维与液态光敏树脂的混合物，并采用常规的计算机控制技术按所加工微型零部件的形状对微细纤维与液态光敏树脂的混合物逐点扫描并使其固化；(4)除去未固化的液态光敏树脂，将固化成形的与电场的方向趋于一致的微细纤维与液态光敏树脂的混合物进行烧结，制成方位控制的含有微细纤维强化材料的微型零部件。
本发明提供的含有微细纤维强化材料的微型零部件的加工装置(参见
图1)，包括有照射微细纤维与液态光敏树脂的混合物的激光光路部分，由产生激光的He-Cd激光发生器11、沿激光光路依次分布的且使激光光束照射到微细纤维与液态光敏树脂的混合物的百叶窗10、滤光镜9、偏转镜8及透镜7组成；微位移工作台控制部分，由用于放置容器3的X-Y微位移工作台6及控制X-Y微位移工作台6移动的计算机5组成；摄像监视部分，由通过诱镜7聚集的用于拍摄照射到微细纤维与液态光敏树脂的混合物的激光光斑的摄像机12、及与摄像机12相连的用于显示摄像机12拍摄的激光光斑的监视器13；其特征在于还包括有极化部分，由用于盛放微细纤维1和液态光敏树脂2的混合物且配有电极的容器3，及与容器3的电极相连的直流电源4组成。
本发明的方法，微细纤维能自由地配向，依据强化方位的不同，电极容器可制成不同的形状，实现不同的强化效果。
本发明的方法，不仅适用于纤维强化微型零部件的方位控制，同样适用于纤维磨具和纤维增韧刀具的方位控制。
本发明的思路为首先，将一定量的微细纤维加入液态光敏树脂中混合均匀后，倒入配有电极的容器。通上直流电源后，液态光敏树脂中的微细纤维的诱电分极产生；在静电力的作用下，经过一定的时间，微细纤维沿自身细长轴朝电场的方向(强化方向)靠近并趋于一致，完成液态光敏树脂中的微细纤维的方位控制。
其次，基于液态光敏树脂的光聚合原理，激光束在偏转镜和透镜的作用下，将激光束集束并直射液态光敏树脂液面，并能在液态表面上扫描；扫描开始时，直射液态光敏树脂液面上的光斑经过反射与摄像机拍摄到的树脂光斑可在监视器上显示，调整激光束使这两种光斑重合；然后，使激光束直射液态光敏树脂液面上按计算机的指令逐点扫描、固化，扫描的轨迹由计算机控制步进电机驱动X-Y微位移工作台(电极容器固定在其上)来实现。
最后，激光束按所期望的形状光照液态光敏树脂并使之固化后(未固化的树脂可用清洗溶剂除去)，经烧结便可制成方位控制的含有微细纤维强化材料的微型零部件。本发明所用的现有液态光敏树脂，密度1.25g/cm3，动粘度18.46cm2/sec，比诱电率10.75，凝胶能量0.34mJ/mm2，吸收系数6.94×10-31/μm。所用的液态光敏树脂，通常印刷制版用树脂，对波长为365nm的紫外光最敏感。
加工时，首先，将一定量的微细纤维1加入液态光敏树脂2中混合均匀后，倒入配有电极的容器3。通上直流电源4后，液态光敏树脂2中的微细纤维1的诱电分极产生；在静电力的作用下，经过一定的时间，微细纤维1沿自身细长轴朝电场的方向(强化方向)靠近并趋于一致，完成液态光敏树脂中2的微细纤维1的方位控制。
其次，基于液态光敏树脂2的光聚合原理，He-Cd激光器11所产生的激光束经过依次沿一水平线由左向右布置的百叶窗10、滤光镜9、偏转镜8，偏转镜8下放置的透镜7的作用下，将激光束集束并直射液态光敏树脂2与微细纤维1混合物液面，并能在该液面上扫描；扫描开始时，直射液态光敏树脂2与微细纤维1混合物液面的光斑经过反射与摄像机拍摄到的He-Cd激光器11所产生的激光束经过依次沿一水平线由左向右布置的百叶窗10、滤光镜9、偏转镜8，偏转镜8上放置的透镜7的作用下树脂光斑可在监视器上显示，调整激光束使这两种光斑重合；然后，使激光束直射液态光敏树脂2与微细纤维1混合物液面上按计算机的指令逐点扫描、固化，扫描的轨迹由计算机控制步进电机驱动X-Y微位移工作台(电极容器固定在其上)来实现。
最后，激光束按所期望的形状光照液态光敏树脂2与微细纤维1混合物液面并使之固化后(未固化的树脂可用清洗溶剂除去)，经烧结便可制成方位控制的含有微细纤维强化材料的微型零部件。
实施例1用直径0.2μm，平均长度40μm，体积百分比1％的TiC微细纤维加入液态光敏树脂中混合均匀后，将上述混合均匀的微细纤维与液态光敏树脂的混合物倒入配有正、负直流电源的的容器中，通电5秒，使TiC或SiC微细纤维的细长轴方向与电场的方向趋于一致；用激光束直射到与电场的方向趋于一致的微细纤维与液态光敏树脂的混合物，并按所加工微型零部件的形状逐点扫描并使其固化；除去未固化的液态光敏树脂，将固化成形的与电场的方向趋于一致的微细纤维与液态光敏树脂的混合物进行烧结，制成方位控制的含有微细纤维强化材料的微型零部件。
实施例2将直径2μm，平均长度60μm，体积百分比3％的SiC微细纤维加入液态光敏树脂中混合均匀后，倒入配有电极的容力的作用下，经过8秒钟，微细纤维沿自身细长轴朝电场的方向(强化方向)靠近并趋于一致，完成液态光敏树脂中的微细纤维的方位控制。用激光束直射到与电场的方向趋于一致的微细纤维与液态光敏树脂的混合物，并按所加工微型零部件的形状逐点扫描并使其固化；除去未固化的液态光敏树脂，将固化成形的与电场的方向趋于一致的微细纤维与液态光敏树脂的混合物进行烧结，制成方位控制的含有微细纤维强化材料的微型零部件。
实施例3用直径2μm，平均长度70μm，体积百分比5％的TiC微细纤维加入液态光敏树脂中混合均匀后，倒入配有电极的容力的作用下，经过10秒钟，微细纤维沿自身细长轴朝电场的方向(强化方向)靠近并趋于一致，完成液态光敏树脂中的微细纤维的方位控制。用激光束直射到与电场的方向趋于一致的微细纤维与液态光敏树脂的混合物，并按所加工微型零部件的形状逐点扫描并使其固化；除去未固化的液态光敏树脂，将固化成形的与电场的方向趋于一致的微细纤维与液态光敏树脂的混合物进行烧结，制成方位控制的含有微细纤维强化材料的微型零部件。
所用的电极容器，电极形状依据微型零部件的形状及强化方向而定。
所用的直流电源，可调至500V。
所用的He-Cd激光发生器，波长325nm(接近365nm)，最大功率10mW，光束直径0.52mm。
所用的X-Y微位移工作台，行程±10mm，脉冲分辨率1-2μm，位置精度2μm。
本发明的实施效果如图所示图3所示，通过SEM图片，可以观察出液态光敏树脂中沿半径方向分布的微细纤维已经定向。
图4所示，通过SEM图片，可以看出沿半径方向分布的微细纤维强化微型砂轮的效果，微细纤维已经定向。
图5所示，左图为模型图，右图为SEM微观图片，可以看出沿垂直方向分布的微细纤维强化微型正四方型的效果。表明微细纤维能自由地配向，依据强化方位的不同，电极容器可制成不同的形状，实现不同的强化效果。
图6所示，随着电场的静电作用时间增加，方位角(纤维长轴方向与电场方向的夹角)逐渐变小，表明经过通电5秒以上纤维的方位向电场方向基本一致。
图7所示，当微细纤维的平行分布(与强化方向一致)时，树脂的收缩率最小，随机分布次之，垂直分布较大，而无强化纤维时最大。表明本发明能够降低树脂的收缩率。
权利要求
1.一种含有微细纤维强化材料的微型零部件的加工方法，其特征在于，分为以下步骤(1)将直径为0.2～2μm，长度为40～70μm的TiC或SiC微细纤维按体积百分比为1～5∶100加入液态光敏树脂中混合均匀形成混合物；(2)将上述混合均匀的微细纤维与液态光敏树脂的混合物倒入配有正、负直流电源的容器中，通电5～10秒，使TiC或SiC微细纤维的细长轴方向与电场的方向趋于一致；(3)采用常用的激光器所产生的激光束按常规技术直射到与电场的方向趋于一致的微细纤维与液态光敏树脂的混合物，并采用常规的计算机控制技术按所加工微型零部件的形状对微细纤维与液态光敏树脂的混合物逐点扫描并使其固化；(4)除去未固化的液态光敏树脂，将固化成形的与电场的方向趋于一致的微细纤维与液态光敏树脂的混合物进行烧结，制成方位控制的含有微细纤维强化材料的微型零部件。
2.一种含有微细纤维强化材料的微型零部件的加工装置，包括有照射微细纤维与液态光敏树脂的混合物的激光光路部分，由产生激光的He-Cd激光发生器(11)、沿激光光路依次分布的且使激光光束照射到微细纤维与液态光敏树脂的混合物的百叶窗(10)、滤光镜(9)、偏转镜(8)及透镜(7)组成；微位移工作台控制部分，由用于放置容器(3)的X-Y微位移工作台(6)及控制X-Y微位移工作台(6)移动的计算机(5)组成；摄像监视部分，由通过透镜(7)聚集的用于拍摄照射到微细纤维与液态光敏树脂的混合物的激光光斑的摄像机(12)、及与摄像机(12)相连的用于显示摄像机(12)拍摄的激光光斑的监视器(13)；其特征在于还包括有极化部分，由用于盛放微细纤维(1)和液态光敏树脂(2)的混合物且配有电极的容器(3)，及与容器(3)的电极相连的直流电源(4)组成。
全文摘要
含有微细纤维强化材料的微型零部件的加工方法及其装置属于快速成型技术中的微型零部件制造领域。本发明的加工方法为(1)将微细纤维加入液态光敏树脂中混合；(2)将混合均匀的混合物倒入配有电极的容器中，通电，使微细纤维的细长轴方向与电场的方向一致；(3)用激光束直射到混合物，按微型零部件的形状扫描并使其固化；(4)除去未固化的混合物，将成形的混合物烧结成零部件；本发明的加工装置，包括激光发生器(11)、百叶窗(10)、滤光镜(9)、偏转镜(8)及透镜(7)，工作台(6)、计算机(5)，摄像机(12)、监视器(13)；配有电极的容器(3)，直流电源(4)组成。本发明提高了微型零部件的强度并降低收缩率。
文档编号B29C70/14GK1417019SQ0215940
公开日2003年5月14日 申请日期2002年12月31日 优先权日2002年12月31日
发明者魏源迁, 王新华, 伍良生, 李剑锋 申请人:北京工业大学