一种喷嘴和喷嘴模具以及喷嘴和喷嘴模具的加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及3D打印技术，特别涉及一种喷嘴和喷嘴模具以及喷嘴和喷嘴模具的加工方法。
【背景技术】
[0002]3D打印技术(又称为“增材制造技术”)无需机械加工或者磨具，就能根据计算机辅助设计系统(CAD)提供的三维图形数据，通过层层叠加的方法制造出三维模型或零件，特别是对于具有复杂结构的物体，可极大地缩短产品的研发周期，提高生产率和降低生产成本。
[0003]通过分层沉积可流动的成型材料来制造三维模型或零件的方法包括熔融挤出成型(FDM)和材料喷射成型技术(MJ)等。该类工艺是将可流动的液态材料(如胶体或液态树脂等)或熔融态材料(如PLA或ABS等)以串珠或丝状从喷嘴挤出，按照每层所设定的轨迹逐层沉积，每沉积一层后工作台下降一个层厚或打印喷头上升一个层厚，如此反复最终构建出整个实体。在整个加工过程中，出丝速度和出丝直径的大小及其均匀稳定程度将对3D打印机加工精度和表面质量产生重要影响。
[0004]喷嘴作为3D打印机的重要部件，其孔径按需制造，特别是微孔径喷嘴将为挤出沉积成型技术在成型尺度和精度方面提供更宽的选择范围，微孔径喷嘴的出料管道包括孔径较大的内腔以及用于出料的喷嘴孔道。特别是随着对打印产品性能需求的提高，小尺寸(特别是微纳尺寸)喷嘴将有效提高产品的精度和复杂度。其中，喷嘴微孔道尺寸和形状对控制流体的流变行为并获得期望的角度/体积分布具有重要作用；另外，在耐高温材料(如熔融工程塑料、玻璃和金属)打印成型时，喷嘴的耐高温、耐磨性和内孔道的光洁特性提升也将有利于打印效果和喷嘴自身的使用寿命。
[0005]目前常用的喷嘴微孔道/阵列的精加工方法有电火花加工、激光束加工，机械微型穿孔，溶液刻蚀，LIGA技术和超声加工等技术。虽然这些技术各自有其加工制造优势，但却存在着设备要求高，生产效率低，小尺寸和高深径比孔径加工困难等问题。特别是对于具有微小孔道的陶瓷喷嘴和阵列加工，这些问题尤为突出。能够获得的微孔一般在25 μπι以上，深径比通常小于2，并且均为直线主体内孔道。
[0006]针对小孔径和高深径比陶瓷喷嘴，微注射成形技术可获得小至I ym的微孔，是一种适合于低成本大规模的制造尺寸微小且形状复杂的金属和陶瓷零部件的成形技术。
[0007]在采用粉末微注射成形方法制造喷嘴的过程中，由于喷嘴内孔径尺寸很小(ym级别)，因此相应的喷嘴内孔模板的尺寸也很小，这就对制备内孔的模板(尤其是极小孔径喷嘴)提出了较高的工艺要求，此时，采用纳米压印或者机械加工制备内孔模板已经无法满足要求。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种喷嘴模具的加工方法，采用电化学直写沉积技术构造喷嘴内部微孔道的型芯，从而使微型喷嘴尺寸不受传统加工手段限制，能够制造出更小孔径、更高深宽比的喷嘴。
[0009]一种喷嘴模具的加工方法，包括以下步骤:
[0010](I)制造限定出喷嘴外轮廓的外模和限定出喷嘴内腔的内模；
[0011](2)使所述内模的出料端具有导电性；
[0012](3)以内模的出料端为基底，通过电化学直写沉积技术在内模的出料端沉积形成限定出喷嘴孔道的型芯。
[0013]通过本发明的加工方法制造的喷嘴模具，其限定出喷嘴孔道的型芯，在尺寸达到亚微米级或更低，仍具有高成型精度，并且型芯的结构可以根据需要加工出直线型、沿长度方向直径不等、或具有弯折(非直线)的结构，例如三维曲线结构，长径比可达到30以上，优选的，所述型芯沿其长度方向具有弯折，从而实现喷嘴孔道孔径的微米级小尺寸制造和形状按需制备。
[0014]本说明书中所述的喷嘴是指3D打印喷头系统的末端锥形部分，即材料最终从所述的末端锥形部分喷出，该喷嘴部分具有对流体加速或导向的作用。
[0015]本发明还公开了一种喷嘴模具，其型芯采用电化学直写沉积技术构造，从而使微型喷嘴尺寸不受传统加工手段限制，能够制造出更小孔径、更高深宽比的喷嘴。
[0016]一种喷嘴模具，包括限定出喷嘴外轮廓的外模，限定出喷嘴内腔的内模，以及与内模的出料端连接且限定出喷嘴孔道的型芯，所述内模的出料端具有导电性，所述型芯以内模的出料端为基底、通过电化学直写沉积技术沉积形成。
[0017]所述喷嘴模具可以是制造单个喷嘴的结构，也可以是多个整列布置，优选的，所述喷嘴模具为限定出喷嘴阵列的阵列模具，包括多组阵列布置的外模、内模和型芯，所述的阵列排布可以根据3D打印的需要进行设定，阵列中每个喷嘴轴线之间可以是平行的也可以是不平行的；喷嘴阵列可以是单排排列，也可以是多排排列；喷嘴阵列中相邻喷嘴的间距可以在一定范围内进行变化，并不一定是固定的间距。
[0018]使所述内模的出料端具有导电性是为了在内模的出料端上直接通过电化学直写沉积技术制造型芯，提高模具整体的装配精度；使出料端具有导电性，可以是仅仅出料端部分是覆膜导电材质或者由导电材质制成，为了方便制造，优选的，所述内模采用导电材料制造。整个内模直接使用导电材料制造，简化加工工艺；
[0019]为了降低模具的制造成本，优选的，所述内模包括由非导电材料制成的基体以及覆膜在基体的进料端的导电层。
[0020]为了方便覆膜，优选的，所述导电层覆膜在整个基体表面。
[0021]并且，当内模为阵列结构时，整个内模具有导电性或者内模整个表面具有导电性，便于安装三维微纳结构制造系统的电极，只要将电极安装到内模上后，即可对各套内模的出料端进行加工，而不用针对每个单独内模重新安装电极，加工方便。
[0022]优选的，所述型芯由金属、导电高分子、半导体、或陶瓷中的至少一种沉积而成。常用的是金属。
[0023]本发明还公开了一种喷嘴的加工方法，使用采用电化学直写沉积技术构造型芯的喷嘴模具，制造的喷嘴尺寸不受传统加工手段限制，能够制造出更小孔径、更高深宽比的喷嘴。
[0024]一种喷嘴的加工方法，包括以下步骤:
[0025](I)制造限定出喷嘴外轮廓的外模和限定出喷嘴内腔的内模；
[0026](2)使所述内模的出料端具有导电性；
[0027](3)以内模的出料端为基底，通过电化学直写沉积技术在内模的出料端沉积形成限定出喷嘴孔道的型芯；
[0028](4)组装外模、内模和型芯，得到喷嘴模具；
[0029](5)在所述的喷嘴模具中填充坯料，制成喷嘴坯体；
[0030](6)将所述陶瓷喷嘴坯体进行脱模、脱脂和烧结，获得喷嘴。
[0031]为了提高喷嘴品质，优选的，所述坯料采用陶瓷坯料。制成的陶瓷喷嘴具有耐高温、耐磨的特点，喷嘴孔道的光洁特性提升，还有利于打印效果的提升和喷嘴自身的使用寿命延长。
[0032]优选的，所述陶瓷坯料为ZrO2, Al2O3' ZrO2-Al2O3' Y2O3-ZrO2, Al2O3-TiN' Si3N4颗粒中的至少一种。
[0033]这种陶瓷喷嘴坯体可通过注射、溶胶-凝胶法、光固化、陶瓷先驱体聚合物分解的方法生成。陶瓷坯料颗粒尺寸在2 μ??或以下，优选颗粒尺寸在0.5 μ??或以下。
[0034]进一步，陶瓷喷嘴坯体经溶剂脱脂，热脱脂和预烧结后取下模板，最后将预烧结坯在烧结炉中进行高温烧结，最终得到期望的形状，尺寸和微观结构的喷嘴。当型芯的尺寸达到亚微米或以下时，有时传统的机械脱模法较难实现脱模，优选的，所述型芯采用脱模剂、高温加热或电化学腐蚀进行脱模，优选预烧制熔化或化学腐蚀方法脱模。
[0035]本发明还公开了一种喷嘴，其孔道由采用电化学直写沉积技术构造的型芯限定，喷嘴尺寸不受传统加工手段限制，其孔径更小、深宽比更高。
[0036]一种喷嘴，通过粉末微注射成