一種用于微噴射打印的超音速噴嘴的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種噴嘴，確切的說(shuō)涉及一種基于冷噴涂原理的微噴射打印超音速噴嘴。
【背景技術(shù)】
[0002]近年以來(lái)，微型制造(Micro — manufacture)這一新的概念被引入到材料設(shè)計(jì)與研究中來(lái)，正在成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn).而隨著所需制品形狀向復(fù)雜化、微形化發(fā)展，對(duì)制造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，只有利用新的無(wú)模成型，特別是噴射打印技術(shù)才有望獲得成功。
[0003]噴射打印技術(shù)是一種增材制造解決方案，利用空氣動(dòng)力學(xué)原理聚焦于精確納米/微米級(jí)材料的沉積，通常是將待成型的材料經(jīng)過(guò)相應(yīng)的前處理后，通過(guò)打印機(jī)將其直接打印到載體上成型，成型體的形狀和尺寸由計(jì)算機(jī)控制.它可用于塊體材料成型，更適合于薄膜材料成型.其工作過(guò)程是，首先，將三維物理模型進(jìn)行切片處理，并將這些圖像轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的二維像素文件，作為指令輸出給打印設(shè)備.然后，打印設(shè)備根據(jù)計(jì)算機(jī)的指令，逐層打印這些二維圖像，層層累積以獲得三維模型物體.噴射打印是一種非接觸式打印過(guò)程，成型體的精度由噴嘴直徑控制，一般為25-75um。常用的噴射打印材料為利用專門配制而成的“墨水”。例如:工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)制造商，Optomec日前成功申請(qǐng)一項(xiàng)美國(guó)專利——微型氣溶膠噴射和氣溶膠噴射數(shù)組，專利編號(hào):#8640975，并將該技術(shù)利用來(lái)生產(chǎn)精細(xì)的功能電路和嵌入元件以及無(wú)需使用模具即可嵌入元件，這樣一來(lái)就縮小了電子系統(tǒng)的總尺。以色列Objet公司于2000年初推出的PolyJet聚合物噴射專利技術(shù),其成型原理與3DP有點(diǎn)類似，不過(guò)噴射的不是粘合劑而是聚合成型材料，PolyJet技術(shù)也是當(dāng)前最為先進(jìn)的3D打印技術(shù)之一。
[0004]隨著技術(shù)的日益進(jìn)步，噴射打印的材料也變得更加多樣化，例如基于冷噴涂原理的微噴射打印成形，其具有噴涂效率高、速度快、形成涂層強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。冷噴涂成形的基本原理是高壓氣體通過(guò)縮放噴管Laval噴管產(chǎn)生超音速(300-1200 m/s)流動(dòng)，超細(xì)固體粉末粒子從軸線方向送入氣流中，粉末粒子(1-50μπι )被高速氣流加速，以完全固體狀態(tài)撞擊基體表面，通過(guò)較大的塑性變形使得粉末粒子沉積在基體上并形成涂層，層層累積后形成整個(gè)三維實(shí)體。
[0005]雖然，采用這種成形方法所得到單層二維平面薄膜單元，相對(duì)于采用其他傳統(tǒng)的方法所形成的層單元具有更好的附著力且導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等特性也更好，但是，在使用冷噴涂方法進(jìn)行成形的過(guò)程中，因拉伐爾噴管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使的噴涂粉體易附在其喉部不易清理，形成阻塞，嚴(yán)重影響噴涂設(shè)備的使用。為解決上述問(wèn)題，研究人員進(jìn)行了大量的研究，并開(kāi)發(fā)出各種冷噴涂用噴嘴。例如專利號(hào)200510083138.3公布了一種冷噴涂用噴嘴，其具有截面積收斂的收斂引入部，與收斂部相連的喉部以及出口部、噴射管等，為防止堵塞，其噴射管位于喉部或超過(guò)該喉部的出口部?jī)?nèi)。專利號(hào)200510030207.4和00253384.7均公開(kāi)了一種冷噴涂用噴嘴，上述噴嘴在一定程度上解決了噴涂過(guò)程中粉體阻塞噴嘴的難題。然而上述噴嘴也存在流量較大、超音速段距離較短、噴嘴出口射流匯聚性不好等問(wèn)題，尤其是在微電子領(lǐng)域，當(dāng)需要采用冷噴涂方法形成薄膜單元時(shí)就更加要求粉體射流具有較大的速度的同時(shí)，匯聚性也要好。顯然，現(xiàn)有的噴嘴很難滿足噴射打印技術(shù)要求，有必要開(kāi)發(fā)一種新型的噴嘴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有的用于微噴射打印的超音速噴嘴在制備高品質(zhì)薄膜層單元的過(guò)程中，流量較大、超音速段距離較短、噴嘴出口射流匯聚性不好，易造成堵塞等問(wèn)題，提供一種用于微噴射打印的超音速噴嘴。
[0007]本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，它主要包括:拉伐爾噴管、鎖緊塊、氣室體、壓力探頭接口、氣源入口、溫度探頭接口、U型塞、送粉管、緊固螺栓、環(huán)形柵網(wǎng)，拉伐爾噴管和氣室體通過(guò)鎖緊塊連接成軸對(duì)稱整體，并利用緊固螺栓固定，氣室體的前端上、下對(duì)稱分布有壓力探頭接口、溫度探頭接口，氣室體末端對(duì)稱斜插有多個(gè)氣源入口，尾部通過(guò)U型塞安裝有同軸送粉管，在拉伐爾噴管和氣室體的接觸點(diǎn)設(shè)置有環(huán)形柵網(wǎng)，高壓氣體和粉體在拉伐爾噴管內(nèi)匯聚并噴出。
[0008]所述的拉伐爾噴管整體內(nèi)流道為規(guī)整的流線型，其頭部設(shè)置有半橢圓形的收斂段，收斂段后設(shè)置有喉部，喉部與發(fā)散段連接，發(fā)散段與平直段連接，平直段后設(shè)置有微收斂段。
[0009]平直段的長(zhǎng)度大于微收斂段大于發(fā)散段大于收斂段；其中，平直段的長(zhǎng)度為30-80mm，微收斂段的長(zhǎng)度為10_30mm，發(fā)散段的長(zhǎng)度為10_26mm，收斂段的長(zhǎng)度為10_24mm。
[0010]進(jìn)一步優(yōu)選為平直段的長(zhǎng)度為50mm，微收斂段的長(zhǎng)度為15.5mm，發(fā)散段的長(zhǎng)度為12.4mm,收斂段的長(zhǎng)度為11.7mm。
[0011]平直段的直徑大于收斂段大于微收斂段大于喉部；其中，平直段的直徑為5-20mm,收斂段的直徑為8_15mm，微收斂段的直徑為2.6-10mm,喉部的直徑為1.5-3.5mm。
[0012]進(jìn)一步優(yōu)選為平直段的直徑為10mm，收斂段的直徑為8mm，微收斂段的直徑為6mm,喉部的直徑為3mm。
[0013]收斂段至喉部的收斂角度為60°，微收斂段末端的收斂角度為3° -10°。
[0014]所述的拉伐爾噴管的膨脹比為3-13.2，所述的膨脹比為微收斂段的截面積比喉部的截面積為3?13.2，在該膨脹比的條件下，工作氣體和粉體自收斂段、喉部、發(fā)散段、平直段、微收斂段噴出的最大速度范圍為356-1400m/s ;其中，工作氣體和粉體自微收斂段的速度大于平直段大于發(fā)散段大于喉部大于收斂段。
[0015]所述的氣源入口對(duì)稱式斜插入氣室體后端，數(shù)量為2?4個(gè)。
[0016]所述的環(huán)形柵網(wǎng)內(nèi)部設(shè)置有送粉管通孔和氣體通孔，其中送粉管通孔設(shè)置于環(huán)形柵網(wǎng)中央，送粉管通孔周圍至少設(shè)置有4個(gè)氣體通孔。
[0017]采用發(fā)明技術(shù)方案具有如下優(yōu)異效果:
(I)所述的一種用于微噴射打印的超音速噴嘴，主體結(jié)構(gòu)包括氣室體、拉伐爾噴管、鎖緊塊，送粉管等，結(jié)構(gòu)較為緊湊，便于加工和組裝，降低成本。
[0018](2)所述的一種用于微噴射打印的超音速噴嘴，其拉伐爾噴管包括收斂段、喉部、發(fā)散段、平直段、微收斂段，其中收斂段為半橢圓形，整個(gè)內(nèi)流道為規(guī)整的流線型，在保證了粉體射流速度的同時(shí)加強(qiáng)了射流的匯聚性，此外，還具有氣流量較小，超音速段距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0019](3)所述的一種微噴射打印的超音速噴嘴，采用多氣源入口進(jìn)氣，且氣源入口呈一定角度對(duì)稱式斜插入氣室體后端，配之于環(huán)形柵網(wǎng)的相互作用，使得送粉氣流更加穩(wěn)定，減小了氣流量，降低了對(duì)管路的要求，同時(shí)減少了能量損失，有利于粉體達(dá)到更大的速度，此外，還可有效防止噴涂粉體在拉伐爾噴管喉部的阻塞現(xiàn)象。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為用于微噴射打印的超音速噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖，1.拉伐爾噴管，2.鎖緊塊，
3.氣室體，3-1.壓力探頭接口，3-3.溫度探頭接口，3-2.氣源入口，4.U型塞，5.送粉管，
6.緊固螺栓，7.環(huán)形柵網(wǎng)。
[0021]圖2為拉伐爾噴管結(jié)構(gòu)示意圖，1-1.收斂段，1-2.喉部，1-3.散段，1_4.平直段，1-5.微收斂段。
[0022]圖3為氣室體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4為鎖緊塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖5為U型塞的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖6為環(huán)形柵網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖，7-1.送粉管通孔，7-2.氣體通孔。
[0026]圖7為以往冷噴涂用拉伐爾噴管的流動(dòng)特性的數(shù)值分析圖(單位:m/s)。
[0027]圖8為本發(fā)明拉伐爾噴管的流動(dòng)特性的數(shù)值分析圖(單位:m/s)。
[0028]圖9為本發(fā)明噴嘴的流動(dòng)特性的數(shù)值分析圖(單位:m/s)。
【具體實(shí)施方式】
[0029]實(shí)施例1
如圖1-6所示，為一種用于微噴射打印的超音速噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要包括拉伐爾噴管1、鎖緊塊2、氣室體3、壓力探頭接口 3-1、氣源入口 3-2、溫度探頭接口 3-3、U型塞
4、送粉管5、緊固螺栓6、環(huán)形柵網(wǎng)7，拉伐爾噴管I和氣室體3通過(guò)鎖緊塊2連接成軸對(duì)稱整體，并利用緊固螺栓6固定，氣室體3的前端上、下對(duì)稱分布有壓力探頭接口 3-1、溫度探頭接口 3-3，氣室體3末端對(duì)稱斜插有多個(gè)氣源入口 3-2，尾部通過(guò)U型塞4安裝有同軸送粉管5，在拉伐爾噴管I和氣室體3的接觸點(diǎn)設(shè)置有環(huán)形柵網(wǎng)7，高壓氣體和粉體在拉伐爾噴管I內(nèi)匯聚并噴出。
[0030]所述的拉伐爾噴管I整體內(nèi)流道為規(guī)整的流線型，其頭部設(shè)置有半橢圓形收斂段1-1，收斂段1-1后設(shè)置有喉部1-2，喉部1-2與發(fā)散段1-3連接，發(fā)散段1-3與平直段1_4連接，平直段1-4后設(shè)置有微收斂段1-5。平直段1-4的長(zhǎng)度為50_，微收斂段1-5的長(zhǎng)度為1.5mm，發(fā)散段1-3的長(zhǎng)度為12.4mm，收斂段1_1的長(zhǎng)度為11.7mm。平直段1_4的直徑為1mm,收斂段1-1的直徑為8mm，微收斂段1-5的直徑為6臟，喉部1-2的直徑為3mm。收斂段1-1至喉部的收斂角度為60°，微收斂段1-5末端的收斂角度為3°。拉伐爾噴管I的膨脹比為10，所述的膨脹比為微收斂段1-5的截面積比喉部1-2的截面積為10，在該膨脹比的條件下，工作氣體和粉體自收斂段1-1、喉部1-2、發(fā)散段1-3、平直段1-4、微收斂段1-5噴出的最大速度范圍為356m/s ;其中，工作氣體和粉體自微收斂段1-5的速度大于平直段1-4大于發(fā)散段1-3大于喉部1-2大于收斂段1-1。
[0031]所述的氣源入口 3-2對(duì)稱式斜插入氣室體3后端，數(shù)量為3個(gè)。
[0032]環(huán)形柵網(wǎng)7內(nèi)部設(shè)置有送粉管通孔7-1和氣體通孔7-2，其中送粉管通孔7-1設(shè)置于環(huán)形柵網(wǎng)7中央，送粉管通孔7-1周圍至少設(shè)置有4個(gè)氣體通孔7-2。
[0033]本發(fā)明按照超音速噴嘴原理進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用現(xiàn)今流行的CFD分析軟件Fluent進(jìn)行了驗(yàn)證分析?？紤]到增加粉體射流的匯聚性要求，在普通的拉伐爾噴管四段式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，對(duì)拉伐爾噴管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，增加了促使粉體射流匯集的微收斂段，其中微收斂段長(zhǎng)度為10?30mm，其與噴管中心軸線角度為3?10°。此外，為了減小氣流量，進(jìn)而降低對(duì)管線的要求，收斂段設(shè)計(jì)為半橢圓形，其由通過(guò)噴管喉部一點(diǎn)的曲線，繞中心