專利名稱：含有微細纖維強化材料的微型零部件的加工方法及其裝置的制作方法
技術領域：
含有微細纖維強化材料的微型零部件的加工方法及其裝置屬于快速成型技術中的微型零部件制造領域。
最近，微細纖維材料如TiC、SiC等的直徑數(shù)百納米至數(shù)微米、長度數(shù)十微米，國外基本上能夠量化生產(chǎn)。由于它們具有優(yōu)良的機械與物理化學性能如高強度、高誘電率等，與基質(zhì)材料具有良好的相容性，因而可用作于金屬、陶瓷及塑料等復合材料的強化(增強增韌)材料，以提高復合材料的強度、防止收縮與變形。相比于長纖維，它們的尺寸細小，更適用于微型零部件的強化材料。
現(xiàn)有技術中尚沒有將微細纖維通電進行方位控制后用于微型零部件加工工藝上。
本發(fā)明提供的含有微細纖維強化材料的微型零部件的加工方法，其特征在于，分為以下步驟(1)將直徑為0.2～2μm，長度為40～70μm的TiC或SiC微細纖維按體積百分比為1～5∶100加入液態(tài)光敏樹脂中混合均勻形成混合物；(2)將上述混合均勻的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物倒入配有正、負直流電源的的容器中，通電5～10秒，使TiC或SiC微細纖維的細長軸方向與電場的方向趨于一致；(3)采用常用的激光器所產(chǎn)生的激光束按常規(guī)技術直射到與電場的方向趨于一致的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物，并采用常規(guī)的計算機控制技術按所加工微型零部件的形狀對微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物逐點掃描并使其固化；(4)除去未固化的液態(tài)光敏樹脂，將固化成形的與電場的方向趨于一致的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物進行燒結(jié)，制成方位控制的含有微細纖維強化材料的微型零部件。
本發(fā)明提供的含有微細纖維強化材料的微型零部件的加工裝置(參見

圖1)，包括有照射微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物的激光光路部分，由產(chǎn)生激光的He-Cd激光發(fā)生器11、沿激光光路依次分布的且使激光光束照射到微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物的百葉窗10、濾光鏡9、偏轉(zhuǎn)鏡8及透鏡7組成；微位移工作臺控制部分，由用于放置容器3的X-Y微位移工作臺6及控制X-Y微位移工作臺6移動的計算機5組成；攝像監(jiān)視部分，由通過誘鏡7聚集的用于拍攝照射到微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物的激光光斑的攝像機12、及與攝像機12相連的用于顯示攝像機12拍攝的激光光斑的監(jiān)視器13；其特征在于還包括有極化部分，由用于盛放微細纖維1和液態(tài)光敏樹脂2的混合物且配有電極的容器3，及與容器3的電極相連的直流電源4組成。
本發(fā)明的方法，微細纖維能自由地配向，依據(jù)強化方位的不同，電極容器可制成不同的形狀，實現(xiàn)不同的強化效果。
本發(fā)明的方法，不僅適用于纖維強化微型零部件的方位控制，同樣適用于纖維磨具和纖維增韌刀具的方位控制。
本發(fā)明的思路為首先，將一定量的微細纖維加入液態(tài)光敏樹脂中混合均勻后，倒入配有電極的容器。通上直流電源后，液態(tài)光敏樹脂中的微細纖維的誘電分極產(chǎn)生；在靜電力的作用下，經(jīng)過一定的時間，微細纖維沿自身細長軸朝電場的方向(強化方向)靠近并趨于一致，完成液態(tài)光敏樹脂中的微細纖維的方位控制。
其次，基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理，激光束在偏轉(zhuǎn)鏡和透鏡的作用下，將激光束集束并直射液態(tài)光敏樹脂液面，并能在液態(tài)表面上掃描；掃描開始時，直射液態(tài)光敏樹脂液面上的光斑經(jīng)過反射與攝像機拍攝到的樹脂光斑可在監(jiān)視器上顯示，調(diào)整激光束使這兩種光斑重合；然后，使激光束直射液態(tài)光敏樹脂液面上按計算機的指令逐點掃描、固化，掃描的軌跡由計算機控制步進電機驅(qū)動X-Y微位移工作臺(電極容器固定在其上)來實現(xiàn)。
最后，激光束按所期望的形狀光照液態(tài)光敏樹脂并使之固化后(未固化的樹脂可用清洗溶劑除去)，經(jīng)燒結(jié)便可制成方位控制的含有微細纖維強化材料的微型零部件。本發(fā)明所用的現(xiàn)有液態(tài)光敏樹脂，密度1.25g/cm3，動粘度18.46cm2/sec，比誘電率10.75，凝膠能量0.34mJ/mm2，吸收系數(shù)6.94×10-31/μm。所用的液態(tài)光敏樹脂，通常印刷制版用樹脂，對波長為365nm的紫外光最敏感。
加工時，首先，將一定量的微細纖維1加入液態(tài)光敏樹脂2中混合均勻后，倒入配有電極的容器3。通上直流電源4后，液態(tài)光敏樹脂2中的微細纖維1的誘電分極產(chǎn)生；在靜電力的作用下，經(jīng)過一定的時間，微細纖維1沿自身細長軸朝電場的方向(強化方向)靠近并趨于一致，完成液態(tài)光敏樹脂中2的微細纖維1的方位控制。
其次，基于液態(tài)光敏樹脂2的光聚合原理，He-Cd激光器11所產(chǎn)生的激光束經(jīng)過依次沿一水平線由左向右布置的百葉窗10、濾光鏡9、偏轉(zhuǎn)鏡8，偏轉(zhuǎn)鏡8下放置的透鏡7的作用下，將激光束集束并直射液態(tài)光敏樹脂2與微細纖維1混合物液面，并能在該液面上掃描；掃描開始時，直射液態(tài)光敏樹脂2與微細纖維1混合物液面的光斑經(jīng)過反射與攝像機拍攝到的He-Cd激光器11所產(chǎn)生的激光束經(jīng)過依次沿一水平線由左向右布置的百葉窗10、濾光鏡9、偏轉(zhuǎn)鏡8，偏轉(zhuǎn)鏡8上放置的透鏡7的作用下樹脂光斑可在監(jiān)視器上顯示，調(diào)整激光束使這兩種光斑重合；然后，使激光束直射液態(tài)光敏樹脂2與微細纖維1混合物液面上按計算機的指令逐點掃描、固化，掃描的軌跡由計算機控制步進電機驅(qū)動X-Y微位移工作臺(電極容器固定在其上)來實現(xiàn)。
最后，激光束按所期望的形狀光照液態(tài)光敏樹脂2與微細纖維1混合物液面并使之固化后(未固化的樹脂可用清洗溶劑除去)，經(jīng)燒結(jié)便可制成方位控制的含有微細纖維強化材料的微型零部件。
實施例1用直徑0.2μm，平均長度40μm，體積百分比1％的TiC微細纖維加入液態(tài)光敏樹脂中混合均勻后，將上述混合均勻的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物倒入配有正、負直流電源的的容器中，通電5秒，使TiC或SiC微細纖維的細長軸方向與電場的方向趨于一致；用激光束直射到與電場的方向趨于一致的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物，并按所加工微型零部件的形狀逐點掃描并使其固化；除去未固化的液態(tài)光敏樹脂，將固化成形的與電場的方向趨于一致的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物進行燒結(jié)，制成方位控制的含有微細纖維強化材料的微型零部件。
實施例2將直徑2μm，平均長度60μm，體積百分比3％的SiC微細纖維加入液態(tài)光敏樹脂中混合均勻后，倒入配有電極的容力的作用下，經(jīng)過8秒鐘，微細纖維沿自身細長軸朝電場的方向(強化方向)靠近并趨于一致，完成液態(tài)光敏樹脂中的微細纖維的方位控制。用激光束直射到與電場的方向趨于一致的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物，并按所加工微型零部件的形狀逐點掃描并使其固化；除去未固化的液態(tài)光敏樹脂，將固化成形的與電場的方向趨于一致的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物進行燒結(jié)，制成方位控制的含有微細纖維強化材料的微型零部件。
實施例3用直徑2μm，平均長度70μm，體積百分比5％的TiC微細纖維加入液態(tài)光敏樹脂中混合均勻后，倒入配有電極的容力的作用下，經(jīng)過10秒鐘，微細纖維沿自身細長軸朝電場的方向(強化方向)靠近并趨于一致，完成液態(tài)光敏樹脂中的微細纖維的方位控制。用激光束直射到與電場的方向趨于一致的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物，并按所加工微型零部件的形狀逐點掃描并使其固化；除去未固化的液態(tài)光敏樹脂，將固化成形的與電場的方向趨于一致的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物進行燒結(jié)，制成方位控制的含有微細纖維強化材料的微型零部件。
所用的電極容器，電極形狀依據(jù)微型零部件的形狀及強化方向而定。
所用的直流電源，可調(diào)至500V。
所用的He-Cd激光發(fā)生器，波長325nm(接近365nm)，最大功率10mW，光束直徑0.52mm。
所用的X-Y微位移工作臺，行程±10mm，脈沖分辨率1-2μm，位置精度2μm。
本發(fā)明的實施效果如圖所示圖3所示，通過SEM圖片，可以觀察出液態(tài)光敏樹脂中沿半徑方向分布的微細纖維已經(jīng)定向。
圖4所示，通過SEM圖片，可以看出沿半徑方向分布的微細纖維強化微型砂輪的效果，微細纖維已經(jīng)定向。
圖5所示，左圖為模型圖，右圖為SEM微觀圖片，可以看出沿垂直方向分布的微細纖維強化微型正四方型的效果。表明微細纖維能自由地配向，依據(jù)強化方位的不同，電極容器可制成不同的形狀，實現(xiàn)不同的強化效果。
圖6所示，隨著電場的靜電作用時間增加，方位角(纖維長軸方向與電場方向的夾角)逐漸變小，表明經(jīng)過通電5秒以上纖維的方位向電場方向基本一致。
圖7所示，當微細纖維的平行分布(與強化方向一致)時，樹脂的收縮率最小，隨機分布次之，垂直分布較大，而無強化纖維時最大。表明本發(fā)明能夠降低樹脂的收縮率。
權(quán)利要求
1.一種含有微細纖維強化材料的微型零部件的加工方法，其特征在于，分為以下步驟(1)將直徑為0.2～2μm，長度為40～70μm的TiC或SiC微細纖維按體積百分比為1～5∶100加入液態(tài)光敏樹脂中混合均勻形成混合物；(2)將上述混合均勻的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物倒入配有正、負直流電源的容器中，通電5～10秒，使TiC或SiC微細纖維的細長軸方向與電場的方向趨于一致；(3)采用常用的激光器所產(chǎn)生的激光束按常規(guī)技術直射到與電場的方向趨于一致的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物，并采用常規(guī)的計算機控制技術按所加工微型零部件的形狀對微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物逐點掃描并使其固化；(4)除去未固化的液態(tài)光敏樹脂，將固化成形的與電場的方向趨于一致的微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物進行燒結(jié)，制成方位控制的含有微細纖維強化材料的微型零部件。
2.一種含有微細纖維強化材料的微型零部件的加工裝置，包括有照射微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物的激光光路部分，由產(chǎn)生激光的He-Cd激光發(fā)生器(11)、沿激光光路依次分布的且使激光光束照射到微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物的百葉窗(10)、濾光鏡(9)、偏轉(zhuǎn)鏡(8)及透鏡(7)組成；微位移工作臺控制部分，由用于放置容器(3)的X-Y微位移工作臺(6)及控制X-Y微位移工作臺(6)移動的計算機(5)組成；攝像監(jiān)視部分，由通過透鏡(7)聚集的用于拍攝照射到微細纖維與液態(tài)光敏樹脂的混合物的激光光斑的攝像機(12)、及與攝像機(12)相連的用于顯示攝像機(12)拍攝的激光光斑的監(jiān)視器(13)；其特征在于還包括有極化部分，由用于盛放微細纖維(1)和液態(tài)光敏樹脂(2)的混合物且配有電極的容器(3)，及與容器(3)的電極相連的直流電源(4)組成。
全文摘要
含有微細纖維強化材料的微型零部件的加工方法及其裝置屬于快速成型技術中的微型零部件制造領域。本發(fā)明的加工方法為(1)將微細纖維加入液態(tài)光敏樹脂中混合；(2)將混合均勻的混合物倒入配有電極的容器中，通電，使微細纖維的細長軸方向與電場的方向一致；(3)用激光束直射到混合物，按微型零部件的形狀掃描并使其固化；(4)除去未固化的混合物，將成形的混合物燒結(jié)成零部件；本發(fā)明的加工裝置，包括激光發(fā)生器(11)、百葉窗(10)、濾光鏡(9)、偏轉(zhuǎn)鏡(8)及透鏡(7)，工作臺(6)、計算機(5)，攝像機(12)、監(jiān)視器(13)；配有電極的容器(3)，直流電源(4)組成。本發(fā)明提高了微型零部件的強度并降低收縮率。
文檔編號B29C70/14GK1417019SQ0215940
公開日2003年5月14日 申請日期2002年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月31日
發(fā)明者魏源遷, 王新華, 伍良生, 李劍鋒 申請人:北京工業(yè)大學