CN103785834A - 一种金属微熔滴喷射装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属微熔滴喷射装置及方法，该装置包括驱动信号波形发生装置虚拟仪器、压电陶瓷换能器、坩埚、加热元件和微压调节阀，还包括振动杆端部、振动杆中部、隔热保护罩、可更换的锥面过渡的圆柱形振动杆端部，可更换的振动杆中部、锥面的坩埚加热底座。本发明坩埚底部和喷嘴安装处与振动杆端部配合，采用小内径，用以形成容积变化的喷射容腔，坩埚上部采用大内径，用以储存更多熔融金属，使喷射过程中液面变化不剧烈；振动杆端部采用渐变结构，对应不同物性的熔融金属时，可通过更换不同直径尺寸的振动杆端部来精确调节喷射的结构尺寸以适应不同物性的熔体，在按需式驱动信号作用下实现按需式微熔滴的喷射产生。
Description
技术领域
本发明属于金属微熔滴喷射打印技术领域，涉及一种金属微熔滴喷射装置及方法。
背景技术
金属微熔滴喷射打印技术是利用微熔滴喷射装置使熔化坩埚内的熔融金属从喷嘴喷射而出形成尺寸均匀的连续微小球状熔滴束流或是按需式的单颗微小球状熔滴，用于微量金属材料的产生、微球制作以及其沉积成型，具有工艺简单、易于控制、成本低等优点，在金属原型件快速成型、集成电路微电子封装互联凸点打印等领域应用前景广阔。
现有技术中有一种按需式金属微熔滴喷射装置，其工作原理是：振动杆端部与喷嘴及坩埚构成的腔体容积发生变化，当压电陶瓷驱动振动杆进行振动时，微量熔融金属被从喷嘴处挤压出去形成微熔滴，可通过调节振动杆直径来调节振动杆圆周面与坩埚形成的缝隙大小，从而在一定程度上调节喷射生成的微熔滴的尺寸。该方法振动杆端部与坩埚及喷嘴构成的腔体容积体积一定，且振动杆端部呈阶梯状，当振动杆振动时，端部在向上回收时易将挤压出喷嘴的熔融金属带回，对粘度较大的熔融金属不易产生微熔滴。坩埚内径小，在喷射过程中熔融金属的液面高度变化较大，对压力控制系统的要求高，且坩埚内径小造成容积小，需经常拆卸坩埚添加金属材料。另外此装置只能产生按需式的微熔滴，效率低。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，解决上述技术问题，本发明提供一种金属微熔滴喷射装置及方法，坩埚内部采用阶梯结构，坩埚底部和喷嘴安装处与振动杆端部配合，采用小内径，用以形成容积变化的喷射容腔，坩埚上部采用大内径，用以储存更多熔融金属，使喷射过程中液面变化不剧烈；振动杆端部采用渐变结构，对应不同物性的熔融金属时，可通过更换不同直径尺寸的振动杆端部来精确调节喷射的结构尺寸以适应不同物性的熔体，在按需式驱动信号作用下实现按需式微熔滴的喷射产生。另外，更换小直径尺寸的振动杆端部以及更换振动杆中部来调节喷射部位的结构尺寸，通过调节坩埚与雾化室的压差，使熔体形成射流，在连续式振动的作用下置能够实现连续式微熔滴束流的喷射生成。
其技术方案如下：
一种金属微熔滴喷射装置，包括驱动信号波形发生装置虚拟仪器20、压电陶瓷换能器2、坩埚11、加热元件13和微压调节阀8，还包括振动杆端部16、振动杆中部10、隔热保护罩15、可更换的锥面过渡的圆柱形振动杆端部16，可更换的振动杆中部10、锥面的坩埚加热底座12，锥面连接的装置支撑件5，坩埚11的外壁面与加热底座12的锥形内壁面相配合，加热元件13紧紧固定在加热底座12的外圆柱面，加热的温度由温度控制器14来进行精确控制，加热元件13的外围由隔热外套15包裹，装置支撑件5为隔热材料制成，中间加工有防辐射板5a；装置支撑件5与坩埚11和装置上盖4之间均为锥面连接，连接部位有密封垫23，压电陶瓷换能器2安装于装置上盖4轴线处，由压电陶瓷上盖板1与装置上盖4通过螺纹连接方式压紧，装置上盖4中设有冷却水腔3，通过强制对流换热对压电陶瓷换能器2进行冷却，压电陶瓷换能器2的驱动信号由虚拟仪器20产生信号，通过功率放大器19放大后进行驱动，惰性气体气源6通过减压阀7降压，通过微压调节阀8控制坩埚11与雾化室18之间的微压差，振动杆中部10为圆柱形杆，两端加工有外螺纹，与压电陶瓷换能器2和振动杆端部16的螺纹孔均组成螺纹副，使压电陶瓷换能器2、振动杆中部10和振动杆端部16由螺纹连接形成振动系统，在压电陶瓷换能器2和振动杆端部16的螺纹孔内有圆柱孔，与振动杆中部10外螺纹端部的圆柱形成间隙配合，振动杆端部16为锥面过渡的变直径圆柱杆。进一步优选，所述坩埚11的外壁面为锥面。
进一步优选，所述加热元件13为圆环状的电阻加热圈。
一种利用本发明所述金属微熔滴喷射装置形成金属微熔滴的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对坩埚11、振动杆中部10、振动杆端部16进行清理，安装新的喷嘴17，处理待熔化金属，去除杂质及表面氧化皮；
2）将待熔化金属棒料或颗粒料放入坩埚11，对装置进行密封，将高纯惰性气体通入坩埚11及雾化室18，将原有空气吹出，降低坩埚11及雾化室18内部的含氧量；
3）通过温度控制器14控制加热元件13，使加热底座12和坩埚11升温，并熔化坩埚11内的金属，待金属熔化并达到设定温度并保温后，通过惰性气体气源6、减压阀7和微压调节阀8使坩埚11内部与雾化室18产生微压差，使熔融金属25充满喷嘴。
进一步优选，需要产生按需式微熔滴时，利用虚拟仪器20产生一定波形的信号，通过功率放大器19放大后驱动压电陶瓷换能器2，使振动杆16沿杆轴线向下振动，使容腔21体积减小，熔融金属被挤出喷嘴17，当振动杆16向上回收时，喷出的熔融金属25从喷嘴处断裂，形成微熔滴24，同时振动杆端部上面的熔融金属沿环隙22向下补充到容腔21。
进一步优选，产生按需式微熔滴时，对应不同物性的熔融金属25，可更换不同长度的振动杆中部10、不同直径的振动杆端部16来改变环隙22及容腔21的结构尺寸。
进一步优选，需要产生连续式微熔滴束流时，使用较小直径的振动杆端部16，通过惰性气体气源6、减压阀7和微压调节阀8使坩埚11内部与雾化室18产生压差，使熔融金属25由喷嘴喷出形成圆柱状射流，利用虚拟仪器20产生相应频率的正弦波形的连续信号，通过功率放大器19放大后驱动压电陶瓷换能器2，使振动杆端部16沿杆轴线往复振动，射流在振动的作用下破碎形成一束尺寸均匀、距离相等的金属均匀微熔滴束流。
进一步优选，当喷嘴堵塞导致微熔滴无法喷射出来需清理喷嘴时，利用虚拟仪器20产生频率大于16KHz的正弦波形的连续信号，通过功率放大器19放大后驱动压电陶瓷换能器2，高频大振幅振动使喷嘴区域熔融金属产生超声空化现象，调节微压调节阀8使坩埚11内部与雾化室18产生压差，使喷嘴附近附着的杂质被清理出来，实现清理堵塞的喷嘴的目的，从而减少因喷嘴堵塞导致的喷射过程不稳定状况或更换喷嘴多次拆装的问题。
本发明的有益效果：本发明产生按需式微熔滴时，对应不同物性的熔融金属25，可更换不同长度的振动杆中部10、不同直径的振动杆端部16来改变环隙22及容腔21的结构尺寸来产生金属微熔滴。本装置还可使用较小直径的振动杆端部16，在相应频率的正弦波形的连续信号的振动下，对射流破碎产生金属均匀微熔滴束流。当喷嘴堵塞导致微熔滴无法喷射出来需清理喷嘴时，利用高频大振幅振动使喷嘴区域熔融金属25产生超声空化现象，使喷嘴附近附着的杂质清理出来，实现清理堵塞的喷嘴的目的，从而减少因喷嘴堵塞导致的喷射过程不稳定状况或更换喷嘴多次拆装的问题。
附图说明
图1为本发明金属微熔滴喷射装置的结构示意图；
图2是图1所示金属微熔滴喷射装置形成按需式金属熔滴过程的示意图；图2a为熔融金属充满喷嘴的示意图；图2b为熔融金属被振动杆挤出喷嘴时的示意图；图2c为振动杆回收后形成按需式金属熔滴的示意图；
图3是图1所示金属微熔滴喷射装置形成连续式金属熔滴束流过程的示意图，其中，图3a为熔融金属充满喷嘴的示意图；图3b为熔融金属被压力挤出喷嘴形成射流时的示意图；图3c为熔融金属射流在振动作用下破碎形成连续式金属熔滴束流的示意图；
图中，1-压电陶瓷上盖板，2-压电陶瓷换能器，3-冷却水腔，4-装置上盖，5-装置支撑件，6-惰性气体气源，7-减压阀，8-微压调节阀，9-供气管路，10-振动杆中部，11-坩埚，12-加热底座，13-加热元件，14-温度控制器，15-隔热外套，16-振动杆端部，17-喷嘴，18-雾化室，19-功率放大器，20-虚拟仪器，21-容腔，22-环隙，23-密封垫，24-金属微熔滴，25-熔融金属。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参照图1-图3，一种金属微熔滴喷射装置，包括驱动信号波形发生装置虚拟仪器20、压电陶瓷换能器2、坩埚11、加热元件13和微压调节阀8，还包括振动杆端部16、振动杆中部10、隔热保护罩15、锥面的坩埚加热底座12，锥面连接的装置支撑件5，坩埚11的外壁面为锥面，与加热底座12的锥形内壁面相配合，可保证坩埚多次拆装后能保持两接触面紧密接触以保证传热效果，加热元件13为圆环状的电阻加热圈，紧紧固定在加热底座12的外圆柱面，加热的温度由温度控制器14来进行精确控制，加热元件13的外围由隔热外套15包裹，装置支撑件5为隔热材料制成，中间加工有防辐射板5a；装置支撑件5与坩埚11和装置上盖4之间均为锥面连接来保证同轴度，连接部位有密封垫23保证气密，压电陶瓷换能器2安装于装置上盖4轴线处，由压电陶瓷上盖板1与装置上盖4通过螺纹连接方式压紧，装置上盖4中设有冷却水腔3，通过强制对流换热对压电陶瓷换能器2进行冷却，压电陶瓷换能器2的驱动信号由虚拟仪器20产生信号，通过功率放大器19放大后进行驱动，惰性气体气源6通过减压阀7降压，通过微压调节阀8控制坩埚11与雾化室18之间的微压差，振动杆中部10为圆柱形杆，两端加工有外螺纹，与压电陶瓷换能器2和振动杆端部16的螺纹孔均组成螺纹副，使压电陶瓷换能器2、振动杆中部10和振动杆端部16由螺纹连接形成振动系统，在压电陶瓷换能器2和振动杆端部16的螺纹孔内有圆柱孔，与振动杆中部10外螺纹端部的圆柱形成间隙配合，用以保证压电陶瓷换能器2、振动杆中部10和振动杆端部16连接的同轴度，振动杆中部10为加工成一系列长度的杆件，用以调节振动杆端部16与坩埚的距离21，振动杆端部16为锥面过渡的变直径圆柱杆，加工成一系列大端直径不同的杆件，用以调节喷射过程回流缝隙22。
一种利用本发明所述金属微熔滴喷射装置形成金属微熔滴的方法，包括以下步骤：对坩埚11、振动杆中部10、振动杆端部16进行清理，安装新的喷嘴17，处理待熔化金属，去除杂质及表面氧化皮。
将待熔化金属棒料或颗粒料放入坩埚11，对装置进行密封，将高纯惰性气体通入坩埚11及雾化室18，将原有空气吹出，降低坩埚11及雾化室18内部的含氧量。
通过温度控制器14控制加热元件13，使加热底座12和坩埚11升温，并熔化坩埚11内的金属，待金属熔化并达到设定温度并保温后，通过惰性气体气源6、减压阀7和微压调节阀8使坩埚11内部与雾化室18产生微压差，使熔融金属25充满喷嘴。
需要产生按需式微熔滴时，利用虚拟仪器20产生一定波形的信号，通过功率放大器19放大后驱动压电陶瓷换能器2，使振动杆16沿杆轴线向下振动，使容腔21体积减小，熔融金属被挤出喷嘴17，当振动杆16向上回收时，喷出的熔融金属25从喷嘴处断裂，形成微熔滴24，同时振动杆端部上面的熔融金属沿环隙22向下补充到容腔21中。
产生按需式微熔滴时，对应不同物性的熔融金属25，可更换不同长度的振动杆中部10、不同直径的振动杆端部16来改变环隙22及容腔21的结构尺寸。
需要产生连续式微熔滴束流时，使用较小直径的振动杆端部16，通过惰性气体气源6、减压阀7和微压调节阀8使坩埚11内部与雾化室18产生压差，使熔融金属25由喷嘴喷出形成圆柱状射流，利用虚拟仪器20产生相应频率的正弦波形的连续信号，通过功率放大器19放大后驱动压电陶瓷换能器2，使振动杆端部16沿杆轴线往复振动，射流在振动的作用下破碎形成一束尺寸均匀、距离相等的金属均匀微熔滴束流。
当喷嘴堵塞导致微熔滴无法喷射出来需清理喷嘴时，利用虚拟仪器20产生频率大于16KHz的正弦波形的连续信号，通过功率放大器19放大后驱动压电陶瓷换能器2，高频大振幅振动使喷嘴区域熔融金属产生超声空化现象，调节微压调节阀8使坩埚11内部与雾化室18产生压差，使喷嘴附近附着的杂质被清理出来，实现清理堵塞的喷嘴的目的，从而减少因喷嘴堵塞导致的喷射过程不稳定状况或更换喷嘴多次拆装的问题。
实施例1：按需式金属微熔滴喷射
使用本发明装置进行焊料熔融金属25（如锡铅合金、锡银铜合金等）微熔滴喷射时，将待熔化金属棒料或颗粒料放入坩埚11，对装置进行密封，将高纯惰性气体通入坩埚11及雾化室18，将原有空气吹出，降低坩埚11及雾化室18内部的含氧量。
使用本发明装置进行焊料熔融金属（如锡铅合金、锡银铜合金等）微熔滴喷射时，首先在温度控制器14上设置加热元件13的温度在熔点以上40摄氏度，将焊料金属加热熔化并保持一段时间以使坩埚11内的熔融金属25完全熔化并达到稳定的温度，调节微压调节阀8使坩埚11内部与雾化室18产生微压差，使熔融金属25充满喷嘴，利用虚拟仪器20产生一定波形的信号，通过功率放大器19放大后驱动压电陶瓷换能器2，使振动杆16沿杆轴线向下振动，使容腔21体积减小，熔融金属被挤出喷嘴17，当振动杆16向上回收时，喷出的熔融金属25从喷嘴处断裂，形成微熔滴24，同时振动杆端部上面的熔融金属沿环隙22向下补充到容腔21中。
实施例2：连续式金属微熔滴束流喷射
使用本发明装置进行焊料熔融金属25（如锡铅合金、锡银铜合金等）微熔滴喷射时，将待熔化金属棒料或颗粒料放入坩埚11，对装置进行密封，将高纯惰性气体通入坩埚11及雾化室18，将原有空气吹出，降低坩埚11及雾化室18内部的含氧量。
使用本发明装置进行焊料熔融金属25（如锡铅合金、锡银铜合金等）微熔滴喷射时，首先在温度控制器14上设置加热元件13的温度在熔点以上40摄氏度，将焊料金属加热熔化并保持一段时间以使坩埚11内的熔融金属25完全熔化并达到稳定的温度，通过惰性气体气源6、减压阀7和微压调节阀8使坩埚11内部与雾化室18产生压差，使熔融金属25由喷嘴喷出形成圆柱状射流，利用虚拟仪器20产生相应频率的正弦波形的连续信号，通过功率放大器19放大后驱动压电陶瓷换能器2，使振动杆端部16沿杆轴线往复振动，射流在振动的作用下破碎形成一束尺寸均匀、距离相等的金属均匀微熔滴束流。
实施例3：喷嘴清理。
当喷嘴堵塞导致微熔滴无法喷射出来时，利用虚拟仪器20产生频率大于16KHz的正弦波形的连续信号，通过功率放大器19放大后驱动压电陶瓷换能器2，高频大振幅振动使喷嘴区域熔融金属25产生超声空化现象，调节微压调节阀8使坩埚11内部与雾化室18产生压差，使喷嘴附近附着的杂质清理出来，实现清理堵塞的喷嘴的目的，从而减少因喷嘴堵塞导致的喷射过程不稳定状况。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种金属微熔滴喷射装置，包括驱动信号波形发生装置虚拟仪器、压电陶瓷换能器、坩埚、加热元件和微压调节阀，其特征在于，还包括振动杆端部、振动杆中部、隔热保护罩、可更换的锥面过渡的圆柱形振动杆端部，可更换的振动杆中部、锥面的坩埚加热底座，锥面连接的装置支撑件，坩埚的外壁面与加热底座的锥形内壁面相配合，加热元件紧紧固定在加热底座的外圆柱面，加热的温度由温度控制器来进行精确控制，加热元件的外围由隔热外套包裹，装置支撑件为隔热材料制成，中间加工有防辐射板；装置支撑件与坩埚和装置上盖之间均为锥面连接，连接部位有密封垫，压电陶瓷换能器安装于装置上盖轴线处，由压电陶瓷上盖板与装置上盖通过螺纹连接方式压紧，装置上盖中设有冷却水腔，通过强制对流换热对压电陶瓷换能器进行冷却，压电陶瓷换能器的驱动信号由虚拟仪器产生信号，通过功率放大器放大后进行驱动，惰性气体气源通过减压阀降压，通过微压调节阀控制坩埚与雾化室之间的微压差，振动杆中部为圆柱形杆，两端加工有外螺纹，与压电陶瓷换能器和振动杆端部的螺纹孔均组成螺纹副，使压电陶瓷换能器、振动杆中部和振动杆端部由螺纹连接形成振动系统，在压电陶瓷换能器和振动杆端部的螺纹孔内有圆柱孔，与振动杆中部外螺纹端部的圆柱形成间隙配合，振动杆端部为锥面过渡的变直径圆柱杆。
2.根据权利要求1所述的金属微熔滴喷射装置，其特征在于，所述坩埚的外壁面为锥面。
3.根据权利要求1所述的金属微熔滴喷射装置，其特征在于，所述加热元件为圆环状的电阻加热圈。
4.一种利用权利要求1所述金属微熔滴喷射装置形成金属微熔滴的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对坩埚、振动杆中部、振动杆端部进行清理，安装新的喷嘴，处理待熔化金属，去除杂质及表面氧化皮；
2）将待熔化金属棒料或颗粒料放入坩埚，对装置进行密封，将高纯惰性气体通入坩埚及雾化室，将原有空气吹出，降低坩埚及雾化室内部的含氧量；
3）通过温度控制器控制加热元件，使加热底座和坩埚升温，并熔化坩埚内的金属，待金属熔化并达到设定温度并保温后，通过惰性气体气源、减压阀和微压调节阀使坩埚内部与雾化室产生微压差，使熔融金属充满喷嘴。
5.根据权利要求4所述的利用金属微熔滴喷射装置形成金属微熔滴的方法，其特征在于，需要产生按需式微熔滴时，利用虚拟仪器产生一定波形的信号，通过功率放大器放大后驱动压电陶瓷换能器，使振动杆沿杆轴线向下振动，使容腔体积减小，熔融金属被挤出喷嘴，当振动杆向上回收时，喷出的熔融金属从喷嘴处断裂，形成微熔滴，同时振动杆端部上面的熔融金属沿环隙向下补充到容腔中。
6.根据权利要求5所述的利用金属微熔滴喷射装置形成金属微熔滴的方法，其特征在于，产生按需式微熔滴时，对应不同物性的熔融金属，可更换不同长度的振动杆中部、不同直径的振动杆端部来改变环隙及容腔的结构尺寸。
7.根据权利要求4所述的利用金属微熔滴喷射装置形成金属微熔滴的方法，其特征在于，需要产生连续式微熔滴束流时，使用较小直径的振动杆端部，通过惰性气体气源、减压阀和微压调节阀使坩埚内部与雾化室产生压差，使熔融金属由喷嘴喷出形成圆柱状射流，利用虚拟仪器产生相应频率的正弦波形的连续信号，通过功率放大器放大后驱动压电陶瓷换能器，使振动杆端部沿杆轴线往复振动，射流在振动的作用下破碎形成一束尺寸均匀、距离相等的金属均匀微熔滴束流。
8.根据权利要求4所述的利用金属微熔滴喷射装置形成金属微熔滴的方法，其特征在于，当喷嘴堵塞导致微熔滴无法喷射出来需清理喷嘴时，利用虚拟仪器产生频率大于16KHz的正弦波形的连续信号，通过功率放大器放大后驱动压电陶瓷换能器，高频大振幅振动使喷嘴区域熔融金属产生超声空化现象，调节微压调节使坩埚内部与雾化室产生压差，使喷嘴附近附着的杂质被清理出来。
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