微小金属熔滴形成装置以及利用该装置形成微小金属熔滴的方法

摘要

本发明公开了一种微小金属熔滴形成装置以及利用该装置形成微小金属熔滴的方法，用于解决现有金属熔滴喷射装置喷射形成金属熔滴尺寸难以控制的技术问题。技术方案是在“T”型杆13的圆柱杆13-b的下端设计有形状是轴向内凹的球面能量聚焦器，通过“T”型杆能量聚焦器的聚焦作用，将应力波能量集中作用于坩埚下方喷嘴出口自由液面处以产生微滴，微滴喷射过程由冲击杆冲击“T”型杆产生的应力波控制，且金属熔滴尺寸由加载的应力波决定，通过控制产生应力波的相关参数，能喷射出直径小于喷孔直径的金属微滴，达到控制金属熔滴尺寸的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属熔滴形成装置，特别是涉及一种微小金属熔滴形成装置。还 涉及利用这种微小金属熔滴形成装置形成微小金属熔滴的方法。

背景技术

金属微滴喷射技术是利用喷射装置在坩埚内的金属流体中产生一定的驱动压力， 迫使坩埚内金属流体材料从微小喷嘴喷射出形成单颗微小金属熔滴，以实现微量金属 材料的精确分配与定点沉积，具有自动化程度高、成本低、无污染、非接触及原材料 利用率高等优点，在复杂微小金属件成形、三维封装、微电路快速打印等领域有着广 阔的应用前景。

参照图1，文献“Apparatus and method for generating droplets，Chandra Sanjeev，Jivraj  Rahim.United States Patent：US6446878，2002”公开了一种金属熔滴喷射装置，包括脉 冲发生器1、电磁阀2、加热元件3、微小喷嘴5、坩埚7以及三通泄气阀17。其中， 加热元件3用来加热坩埚7，微小喷嘴5位于坩埚7底部，三通泄气阀17固定在坩埚 7顶部，三通泄气阀17的一路连着接进气管18，进气管18上安装有电磁阀2，电磁 阀2的通断由脉冲发生器1控制，该装置采用压缩气体作为驱动源，通过脉冲发生器 1控制电磁阀2的瞬间通断，在坩埚7内金属熔液6液面上产生脉冲压力，迫使坩埚7 内金属熔液6从底部微小喷嘴5中喷出，形成微小的金属熔滴4。此脉冲压力受到坩 埚7内部空腔体积、三通泄气阀17泄气口尺寸、背压气体大小等多种因素的影响，喷 射精度受到局限。

参照图2，文献公开的金属熔滴喷射装置产生金属熔滴的机理为：金属流体在外 部压力作用下从喷孔中喷出形成射流，此后坩埚内部压力减小，使得喷孔内部的流体 喷射速度减小，而射流前端由于惯性作用继续向前运动，从而使金属射流产生“缩颈” 现象，最终断裂为熔滴。由于此过程中，喷射的射流直径与喷嘴直径相近，产生的熔 滴直径一般约是喷孔直径的两倍，因此，利用该装置很难产生小于喷孔直径尺寸的金 属熔滴。

鉴于以上分析，文献公开的金属熔滴喷射装置在金属微滴喷射过程中存在如下难 题：（1）喷射装置采用脉冲气体作为驱动源，由于喷射过程中坩埚内脉冲气压精确控 制较为困难，使得金属微滴喷射较难控制；（2）喷射装置难产生小于喷嘴尺寸的金属 熔滴，喷射的金属微滴的尺寸受到了限制。

发明内容

为了克服现有金属熔滴喷射装置喷射形成金属熔滴尺寸难以控制的不足，本发明 提供一种微小金属熔滴形成装置。该装置通过“T”型杆下端的能量聚焦器，将冲击杆 冲击“T”型杆产生的应力波能量集中作用于坩埚下方喷嘴出口自由液面处一点以产 生微滴。由于微滴喷射过程由应力波来控制，因此，金属熔滴的直径尺寸可以由加载 的应力波决定。

本发明还提供利用这种微小金属熔滴形成装置形成微小金属熔滴的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微小金属熔滴形成装置，包括 加热元件3、喷嘴5和坩埚7，其特点是还包括冲击杆行程调节标尺8、调节旋钮9、 冲击杆10、线圈11、装置上盖12、“T”型杆13和供气管路15。所述“T”型杆13由顶 端的圆形钢片13-a和垂直于圆形钢片的圆柱杆13-b固连而成，圆柱杆13-b的下端设 计有能量聚焦器，能量聚焦器的形状是轴向内凹的球面。“T”型杆13顶端的圆形钢片 13-a直径与坩埚7和装置上盖12下部的外径相同，圆柱杆13-b的高度与坩埚7内壁 的高度相等，圆柱杆13-b下端与坩埚7底部留有供金属熔液6通过的缝隙，圆形钢片 13-a被压紧固定于装置上盖12与坩埚7之间，在圆形钢片13-a与装置上盖12之间有 隔热材料19。冲击杆行程调节标尺8是带刻度的螺杆，调节旋钮9是内外均有螺纹的 圆形螺母。装置上盖12顶部中间有与调节旋钮9外螺纹相配合的螺纹孔，冲击杆行程 调节标尺8与调节旋钮9通过螺纹连接组成螺旋副，调节旋钮9通过螺纹连接的方式 固定于装置上盖12顶部，通过旋转冲击杆行程调节标尺8可以实现对冲击杆10的行 程控制；线圈11是由多匝铜线绕制成的空心圆柱体，线圈11通过铰接竖直安装固定 于装置上盖12内部圆盘的正中间，冲击杆10由两段圆柱体组成的阶梯状永磁铁杆， 冲击杆10的上端是S极，冲击杆10的下端是N极。冲击杆10轴向置于线圈11中， 冲击杆10上段的外径大于线圈11的外径，冲击杆10下段的外径与线圈11的内径相 等，线圈11与冲击杆10下段部分为过渡配合，线圈11对冲击杆10起导向作用。供 气管路15是由铜管折弯而成，在坩埚7周围均布三个且分别贴着坩埚7的外壁伸至喷 嘴5处；加热元件3为一个圆环形电阻式加热圈，固定于坩埚7周围。

一种利用上述微小金属熔滴形成装置形成微小金属熔滴的方法，其特点是包括以 下步骤：

（a）对冲击杆10、“T”型杆13进行抛光清理并清理坩埚7内部杂物，对高熔点 或者活泼金属坯料进行表面清理，除去表面的杂质及氧化皮。

（b）在惰性环境中将高熔点或者活泼金属坯料放入坩埚7，在线圈11中通入脉 冲电流，测试冲击杆运动可靠性，同时在供气管路15中不断通入惰性气体， 设定加热温度，通过加热元件3加热坩埚7，坩埚7内部的高熔点或者活泼 金属坯料熔化为金属熔液6后便会充满喷嘴5。

（c）在线圈11中通入脉冲交变电流以产生相应的交变磁场，冲击杆10在线圈 11中上下运动冲击“T”型杆13的正上端，在“T”型杆13的圆柱杆13-b中产 生应力波，此应力波传递到圆柱杆13-b的末端，在能量聚焦器聚焦作用下， 应力波能量将集中于喷嘴5下方自由液面16处的一点喷射产生金属熔滴4。

（d）调节冲击杆行程调节标尺8并结合其上面的刻度，控制冲击杆10的行程， 进而控制由冲击杆冲击“T”型杆13产生的应力波的大小，最终控制喷射 产生的金属熔滴4的尺寸。

本发明的有益效果是：通过“T”型杆下端的能量聚焦器的聚焦作用，将应力波能量 集中作用于坩埚下方喷嘴出口自由液面处以产生微滴，微滴喷射过程由冲击杆冲击 “T”型杆产生的应力波控制，且金属熔滴尺寸由加载的应力波决定，通过控制产生 应力波的相关参数，能喷射出直径小于喷孔直径的金属微滴，达到控制金属熔滴尺寸 的目的。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是背景技术金属熔滴喷射装置的结构示意图。

图2是图1的金属熔滴喷射装置形成金属熔滴过程的示意图。

图3是本发明微小金属熔滴形成装置的结构示意图。

图4是图3的微小金属熔滴形成装置形成微小金属熔滴过程的示意图。

图5是图3的局部放大图。

图中，1-脉冲发生器，2-电磁阀，3-加热元件，4-金属熔滴，5-喷嘴，6-金属熔液， 7-坩埚，8-冲击杆行程调节标尺，9-调节旋钮，10-冲击杆，11-线圈，12-装置上盖，13-“T” 型杆，13-a-圆形钢片，13-b-圆柱杆，15-供气管路，16-自由液面，17-三通泄气阀，18- 进气管，19-隔热材料。

具体实施方式

以下实施例参照图3-5。

本发明微小金属熔滴形成装置包括加热元件3、坩埚7、冲击杆行程调节标尺8、 调节旋钮9、冲击杆10、线圈11、装置上盖12、“T”型杆13和供气管路15。“T”型杆 13由顶端的圆形钢片13-a和垂直于圆形钢片的圆柱杆13-b焊接而成，圆柱杆13-b的 下端设计有能量聚焦器，其形状为轴向内凹的球面。“T”型杆13顶端的圆形钢片13-a 直径与坩埚7和装置上盖12下部的外径相同，圆柱杆13-b的高度与坩埚7内壁的高 度相等，圆柱杆13-b下端与坩埚7底部留有供金属熔液6通过的缝隙，圆形钢片13-a 被压紧固定于装置上盖12与坩埚7之间，且在上述两者压紧处安装有隔热材料19， 阻止热量向上传递。冲击杆行程调节标尺8是带刻度的螺杆，调节旋钮9是内外均有 螺纹的圆形螺母。装置上盖12顶部中间加工有与调节旋钮9外螺纹相配合的螺纹孔， 冲击杆行程调节标尺8与调节旋钮9通过螺纹连接组成螺旋副，调节旋钮9通过螺纹 连接的方式固定于装置上盖12顶部，通过旋转冲击杆行程调节标尺8可以实现对冲击 杆10的行程控制；线圈11是由多匝铜线绕制成的内表面较为光滑的空心圆柱体，绕 制成形后在线圈内外表面涂有绝缘耐热树脂。线圈11通过铰接竖直安装固定于装置上 盖12内部圆盘的正中间，冲击杆10由两段圆柱体组成的阶梯状永磁铁杆，冲击杆10 的上端是S极，冲击杆10的下端是N极。冲击杆10轴向置于线圈11中，其中，冲 击杆10上段的外径大于线圈11的外径，冲击杆10下段的外径与线圈11的内径相等， 线圈11与冲击杆10下段部分为过渡配合，线圈11可以对冲击杆10起导向作用。供 气管路15是由铜管折弯而成，在坩埚7周围均布三个且分别贴着坩埚7的外壁伸至喷 嘴5处，当在供气管路15中通入惰性气体时，喷嘴5周围便会形成低氧环境；加热元 件3为一个圆环形电阻式加热圈，固定于坩埚7周围，不仅可以实现对坩埚7的加热， 而且可以对供气管路15中气体进行预热。当线圈11中通入交变电流时，在线圈11中 便会产生交变磁场，冲击杆10在交变电磁力的作用下将会撞击“T”型杆13上端，在“T” 型杆13上产生的应力波在其末端能量聚焦器聚焦作用下，驱动坩埚7内金属溶液6 从喷嘴5中喷射而出。

实施例1：不同脉冲频率下金属材料喷射。

使用本发明装置喷射金属材料时，整个实验过程中要不断地在同轴供气管路15 中通入保护气体，在喷嘴5周围形成局部低氧环境。

使用本发明装置进行金属材料喷射时，首先设定加热温度在金属材料熔点以上 100℃，利用加热元件3将金属材料加热至完全熔化，之后在线圈11中通入脉冲频率 分别为1Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz、8Hz、10Hz的交变电流以产生相应频率的交变 磁场，置于线圈11中的冲击杆10便会以相应频率冲击“T”型杆13上端，在圆柱杆13-b 中产生应力波。应力波以压缩波形式速传递到“T”型杆13末端能量聚焦器，在能量聚 焦器聚焦作用下，应力波能量将集中于坩埚7下方喷嘴5出口自由液面16处一点，由 于能量聚焦器距离喷嘴5非常近，应力波携带的能量损耗可以忽略不计，应力波携带 的能量在克服液体材料表面张力能作用后，在自由液面16处喷射产生金属熔滴4。

使用本发明装置喷射金属材料时，在保证其他参数不变的前提下，通过手动旋转 调节标尺8并结合其上面的刻度来控制冲击杆10的行程，由于冲击杆10的行程与其 碰撞传振杆13上端初速度大小有关，进而与碰撞产生的应力波所携带的能量的大小有 关，根据此关系，通过调节冲击杆行程调节标尺8并结合其上面的刻度可以实现不同 尺寸大小微滴的喷射。

实施例2：不同脉冲宽度下金属材料喷射。使用本发明装置喷射金属材料时，整 个实验过程中要不断地在同轴供气管路15中通入保护气体，在喷嘴5周围形成局部低 氧环境。

使用本发明装置喷射金属材料时，首先设定加热温度在金属材料熔点以上100℃， 利用加热元件3将金属材料加热至完全熔化，之后在线圈11中通入脉冲宽度分别为 2ms、3ms、4ms、5ms、6ms、8ms、10ms的交变电流以产生相应强度交变磁场，置于 线圈11中的冲击杆10在相应强度磁场中与“T”型杆13上端发生撞击，在圆柱杆13-b 中产生应力波，应力波以压缩波形式速传递到“T”型杆13末端能量聚焦器，在能量聚 焦器聚焦作用下，应力波能量将集中于坩埚7下方喷嘴5出口自由液面16处一点，由 于能量聚焦器距离喷嘴5非常近，应力波携带的能量损耗可以忽略不计，应力波携带 的能量在克服液体材料表面张力能作用后，在自由液面16处喷射产生金属熔滴4。

使用本发明装置喷射金属材料时，在保证其他参数不变的前提下，通过手动旋转 调节冲击杆行程调节标尺8并结合其上面的刻度来控制冲击杆10的行程，由于冲击杆 10的行程与其碰撞传振杆13上端初速度大小有关，进而与碰撞产生的应力波所携带 的能量的大小有关，根据此关系，通过调节标尺8并结合其上面的刻度可以实现不同 尺寸大小微滴的喷射。

一种利用上述微小金属熔滴形成装置形成微小金属熔滴的方法，包括以下步骤：

（e）对冲击杆10、“T”型杆13进行抛光清理并清理坩埚7内部杂物，对高熔点 或者活泼金属坯料进行表面清理，除去表面的杂质及氧化皮。

（f）在惰性环境中将高熔点或者活泼金属坯料放入坩埚7，在线圈11中通入脉 冲电流，测试冲击杆运动可靠性，同时在供气管路15中不断通入惰性气体， 设定加热温度，通过加热元件3加热坩埚7，坩埚7内部的高熔点或者活泼 金属坯料熔化为金属熔液6后便会充满喷嘴5。

（g）在线圈11中通入脉冲交变电流以产生相应的交变磁场，冲击杆10在线圈 11中上下运动冲击“T”型杆13的正上端，在“T”型杆13的圆柱杆13-b中产 生应力波，此应力波传递到圆柱杆13-b的末端，在能量聚焦器聚焦作用下， 应力波能量将集中于喷嘴5下方自由液面16处的一点喷射产生金属熔滴4。

（h）调节冲击杆行程调节标尺8并结合其上面的刻度，控制冲击杆10的行程， 进而控制由冲击杆冲击“T”型杆13产生的应力波的大小，最终控制喷射 产生的金属熔滴4的尺寸。