一种加工微纳器件的金属微滴喷射增材制造系统及方法与流程

本发明属于一种均匀金属微滴喷射增材制造技术领域，特别涉及一种加工微纳器件的金属微滴喷射增材制造系统及方法。

背景技术：

随着科学技术日新月异的发展，快速成形技术，特别是3d打印技术逐渐在制造业中显露头角，并成为其不可或缺的一部分。3d打印技术正在快速改变人们传统的生产方式与生活方式。未来，以数字化、网络化、个性化为特点的3d打印制造技术将推动第三次工业革命。

基于均匀金属微滴喷射的3d打印技术，是在1993年提出并发展起来的一种增材制造技术。它是基于离散、叠加的成型原理，通过液滴喷射器产生均匀金属微滴,同时控制三维基板运动，使金属微滴精确沉积在特定位置，并相互融合、凝固，逐点逐层堆积，进而实现复杂三维结构的快速打印。在微小复杂金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功能一体化零件制造等领域，具有广泛应用前景。

现有的增材制造技术，其加工精度不能满足微纳器件的生产要求，且每次加工只能使用一种材料。现有的均匀金属微滴喷射技术，不能实现对金属液滴的精确控制，故只能加工极其简单的结构，对复杂的微纳器件无能为力。所以现存的解决办法存在很大的局限性。

技术实现要素：

为了解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供了一种新型的加工微纳器件的金属微滴喷射增材制造系统及方法。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种加工微纳器件的金属微滴喷射增材制造系统，其特征在于：由产生区、筛选区、转向区和加工区组成，所述产生区、筛选区、转向区和加工区均为真空；

所述产生区用于产生带电金属液滴，使液滴获得初速度；

所述筛选区用于产生匀强电场和产生匀强磁场；

所述转向区用于产生匀强电场和产生匀强磁场；

所述加工区用于实现复杂微纳结构的打印加工，且不需要支撑等额外构架。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种加工微纳器件的金属微滴喷射增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：喷嘴装置通过悬架在固定支架上前后移动，到达规定位置后，带负电荷的金属液滴从喷嘴装置产生，在重力作用下做自由落体运动，获得一个初速度，然后液滴从产生区出口和筛选区入口射入筛选区；

步骤2：第一匀强电场发生器产生匀强电场，第一匀强磁场发生器产生匀强磁场；在匀强电场的作用下，液滴将受到向上的电场力，与液滴所受的重力平衡；液滴在匀强磁场作用下，受洛伦磁力，做匀速圆周运动，使满足特定加工条件的液滴从筛选区出口和转向区入口射入转向区，不满足加工条件的液滴，打在回收斜面装置区域内，被回收循环利用；

步骤3：第二匀强电场发生器产生匀强电场，第二匀强磁场发生器产生匀强磁场；在匀强电场的作用下，液滴将受到向上的电场力，与液滴所受的重力平衡；液滴在匀强磁场作用下，受洛伦磁力，做匀速圆周运动，使得液滴方向发生改变，从转向区出口和加工区入口垂直射入加工区；

步骤4：第三匀强电场发生器产生匀强电场，假设此时电场强度为e1，该电场使带电液滴落到既定的加工位置时正好减速为零，据此可以把器件的第一层加工完整；当第二层液滴进入时，电场强度增加为e2，使第二层液滴落到加工位置时正好减速为零；与此同时，通过电荷调节装置改变第一层所到加工位置液滴的电荷量，使其在该新的匀强电场作用下依旧受力平衡；当第二层液滴落到加工区时，会与第一层接触，从而发生电荷的重新分配，可使第二层的液滴也在该电场下受力平衡；以此类推，使加工微纳器件任意一层时，使已经加工好的每一层均始终保持受力平衡，从而实现复杂微纳结构的打印加工，且不需要支撑等额外构架。

本发明具有如下优点：1.通过电场和磁场的组合，可实现带电金属液滴的精确控制；2.利用电磁场控制，对所产生的金属液滴进行筛选，可以确保进入加工区的液滴均满足条件，保证加工精度；3.可以打印具有复杂结构的微纳器件，且不需要加打印支撑等额外架构，节省材料，去掉了后续去除支撑的工序。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构示意图。

图2为本发明实施例的喷嘴装置的结构示意图。

图3为本发明实施例的产生区的结构示意图。

图4为本发明实施例的筛选区正视图的结构示意图。

图5为本发明实施例的筛选区侧视图的结构示意图。

图6为本发明实施例的转向区正视图的结构示意图。

图7为本发明实施例的转向区侧视图的结构示意图。

图8为本发明实施例的加工区正视图的结构示意图。

图9为本发明实施例的加工区底板的结构示意图。

图10为本发明实施例的筛选区回收装置的结构示意图。

图中，1-喷嘴装置；2-悬架；3-固定支架；4-产生区；5-产生区出口；6-筛选区入口；7-筛选区出口；8-筛选区；9-第一匀强电场发生器；10-第一匀强磁场发生器；11-第二匀强电场发生器；12-转向区；13-转向区入口；14-转向区出口；15-第二匀强磁场发生器；16-加工区入口；17-加工区；18-第三匀强电场发生器；19-基板；20-电极层；21-放置层；22-电压调节装置；23-电荷调节装置；24-回收斜面装置。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1-图10，本发明提供的一种加工微纳器件的金属微滴喷射增材制造系统，由产生区4、筛选区8、转向区12和加工区17组成，产生区4、筛选区8、转向区12和加工区17均为真空；

产生区4设置有产生带电金属液滴的喷嘴装置1、带有轨道用于固定的固定支架3、和连接喷嘴装置1和固定支架3的悬架2；在垂直面内，喷嘴装置1在悬架2作用下，可沿固定支架3前后移动，实现滴落液滴的定位；产生区4设置有产生区出口5；

筛选区8包括用于产生匀强电场的第一匀强电场发生器9，和产生匀强磁场的第一匀强磁场发生器10；筛选区8设置有筛选区入口6和筛选区出口7；筛选区8内还回收斜面装置24，不满足加工条件的液滴，打在回收斜面装置24区域内，被回收循环利用；

转向区12包括用于产生匀强电场的第二匀强电场发生器11，和产生匀强磁场的第二匀强磁场发生器15；转向区12设置有转向区入口13和转向区出口14；

加工区17包括第三匀强电场发生器18、基板19、电极层20、放置层21、电压调节装置22和电荷调节装置23；加工区17设置有加工区入口16；第三匀强电场发生器18用于产生匀强电场，基板19用于加工和放置加工器件；放置层21为压电陶瓷层，在不同电压作用下产生相应的变形；基板19固定在电极层20上，基板19与电荷调节装置23相连；电极层20设置在放置层21上，电极层20与电压调节装置22连接，放置层21为压电陶瓷材料，当其两端电压发生变化时，会随之产生相应的变形，且控制精度高，所以可以利用改变电压，控制放置在放置层21的电极层20和基板19在平面上的位置。

本发明提供的一种加工微纳器件的金属微滴喷射增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在产生区4内，喷嘴装置1通过悬架2在固定支架3上前后移动，到达规定位置后，带负电荷的金属液滴从喷嘴装置1产生，在重力作用下做自由落体运动，获得一个初速度，然后液滴从产生区出口5和筛选区入口6射入筛选区8；

步骤2：在筛选区8内，第一匀强电场发生器9产生匀强电场，第一匀强磁场发生器10产生匀强磁场。在匀强电场的作用下，液滴将受到向上的电场力，与液滴所受的重力平衡。液滴在匀强磁场作用下，受洛伦磁力，做匀速圆周运动。其运动半径可以通过所加磁场大小进行调节，即可只让满足特定加工条件的液滴从筛选区出口7和转向区入口13射入转向区12，即实现筛选。不满足加工条件的液滴，会打在回收斜面装置24区域内，被回收循环利用；

步骤3：在转向区12，第二匀强电场发生器11产生匀强电场，第二匀强磁场发生器15产生匀强磁场。在匀强电场的作用下，液滴将受到向上的电场力，与液滴所受的重力平衡。液滴在匀强磁场作用下，受洛伦磁力，做匀速圆周运动。使得液滴方向发生改变，从转向区出口14和加工区入口16垂直射入加工区17；

步骤4：在加工区17，第三匀强电场发生器18产生匀强电场，假设此时电场强度为e1，该电场可以使带电液滴落到既定的加工位置时正好减速为零。据此可以把器件的第一层加工完整。当第二层液滴进入时，电场强度增加为e2，使第二层液滴落到加工位置时正好减速为零。与此同时，由于基板19可以导电，可通过电荷调节装置23改变第一层所到加工位置液滴的电荷量，使其在该新的匀强电场作用下依旧受力平衡。当第二层液滴落到加工区时，会与第一层接触，从而发生电荷的重新分配，可使第二层的液滴也在该电场下受力平衡。以此类推，此方法可使加工微纳器件任意一层时，使已经加工好的每一层均始终保持受力平衡。从而实现复杂微纳结构的打印加工，且不需要支撑等额外构架。

一个喷嘴可以喷射一种加工材料，本实施例通过改变喷嘴的数量，就能实现在同一器件的加工过程中用不同材料加工的工艺。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了各种术语，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发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。