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均匀液滴喷射微制造技术基础研究

徐林峰  
【摘要】:均匀液滴喷射快速成型是新近提出的一种快速制造技术,其原理为选择性带电均匀液滴作为沉积材料经过偏转电极后在基板上准确定位,逐层堆积,成形出复杂的几何造型。该技术与传统快速成形技术相比具有成形材料熔点高,制件性能好,成本低,一次成型无需后处理等优点,有望在微型武器装备和微型飞行器功能器件的快速制造以及受损航天器中结构件的快速修复中得到广泛的应用。本文作为均匀液滴喷射快速成型技术基础性研究,对均匀液滴喷射快速成型系统的总体结构进行设计,提出其中主要子系统的技术指标及功能实现,并研制了均匀液滴产生装置,为研究均匀液滴的产生、飞行轨迹和沉积过程奠定基础。 在均匀液滴产生装置中,温度控制采用经典的数字PID改进算法+移相触发可控硅的方法,实现了坩埚内流体温度的精确控制,使得流体在合适的粘度下,易于形成稳定的均匀液滴;气体压力控制采用经典数字PID改进算法输出PWM信号控制高速开关阀的方法,精确控制小流量气体确保喷射过程中气体压力的稳定,形成稳定的均匀液滴流。 采用数据采集卡FCL-818L在LabVIEW环境下开发了关键参数测控系统应用软件,可以实时对坩埚内的温度、气体压力进行测控,对压电振子的激振频率实时采集,测试表明该软件具有界面友好,稳定性高,通用性好等特点。 液滴产生装置的压电激振器为均匀液滴的产生提供扰动源,是产生均匀液滴的关键工艺之一。本文采用信号源+放大电路+压电振子的方法实现了均匀液滴激振源,实验表明该激振源能较好地满足了均匀液滴工艺实验的要求。 通过建立液滴喷射过程的数学模型,分析了结构参数和实验参数对喷射均匀液滴的影响,并进行了实验验证,得出喷嘴直径是决定成形微滴大小的主要结构参数;此外,喷嘴口内外压强差,沉积材料的温度以及压电振子的谐振频率都是影响液滴均匀度及大小的关键因素,并存在相应的规律,此规律的揭示为以后研究均匀液滴喷射成形工艺具有指导意义。


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