專利名稱：微小型裝配體整體一次成型制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微小型裝配體的制作方法，具體說是微小型裝配體整體一次成型
制作方法，尤其是含有多種不同材料部件的微小型裝配體的整體一次成型方法。采用快速 成型和噴射成型技術(shù)逐層制作含有多種材料的、內(nèi)含多個零部件的微小型裝配體(微機 構(gòu)，又稱為微裝配體)的整體制作。
背景技術(shù)：
由多個小型或微型零部件組成的微小型裝配體，尤其是每個零部件的材料不盡相 同的情況下，對于該類裝配體的加工目前一般是采用單獨加工每個零部件，然后再分別進 行裝配。如美國用于25mm小口徑彈引信的微機電系統(tǒng)(MEMS)安全系統(tǒng)就包括夾板、帶有 彈簧的后坐滑塊及離心滑塊、后坐保險鎖、指令擺鎖和微型火工品等部件。其裝配過程包括 以下三道工序微機械零部件的裝配、微型火工品的裝配、MEMS安全系統(tǒng)的系統(tǒng)級裝配。
對于微小型機構(gòu)的裝配，有以下特點1)裝配精度高。微小型機構(gòu)的各零部件尺 寸一般在20iim 10mm，因此對裝配精度要求很高。如果手工操作則只能借助適當?shù)挠^ 察和輔助手段，而且花費時間長，并對操作者提出很高的要求，才能保證微小機構(gòu)的裝配質(zhì) 量。2)各零部件制造精度高。為了保證有足夠的裝配精度，因此就要求各零部件在單獨制造 時的精度相應(yīng)提高，尤其是對于微零件而言，更加大了加工難度，提高了加工成本。3)成品 率低。微裝配機構(gòu)中常含有易損壞或易變形的結(jié)構(gòu)部件，如懸臂梁結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)等，此類 部件在進行裝配時如采用傳統(tǒng)的夾持技術(shù)，就會很容易造成零件的損壞或變形，導(dǎo)致出現(xiàn) 較多的廢品。據(jù)統(tǒng)計，目前微小型機構(gòu)的裝配成本占到整個產(chǎn)品制造成本的40% 50%， 甚至有時高達70%以上，因此，提高裝配生產(chǎn)率帶來的經(jīng)濟效益將會非常顯著。
因此，針對微裝配過程中以上特點，目前主要有兩種解決方案一是將傳統(tǒng)的機器 人、夾持器微型化，通過視覺、力反饋控制實現(xiàn)超精密操作；二是在開環(huán)控制方式下通過細 微零件的自裝配實現(xiàn)并行操作。由于前一類方法存在傳感器信息準確獲取困難、難以實時 處理和控制精度低等固有問題，越來越多的學(xué)者將注意力放在自裝配技術(shù)的研究上。
但以上所述的還只是含有同種材料的多零件裝配問題，對于含有多種材料的微制 造及微裝配的研究，目前還處于一種探索階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷，提供一種采用微滴噴射方式 快速、低成本的制作高精度、可適用于含有多種材料的微裝配體的整體一次成型方法。
本發(fā)明是運用如下技術(shù)方案來實現(xiàn)發(fā)明目的的 a.根據(jù)設(shè)計的微裝配體三維CAD模型(計算機三維數(shù)字模型)，按照其所含部件 的成型材料的分布特征，對該CAD模型進行上色處理，每種顏色對應(yīng)一種微裝配體的部件 或部件的成型材料； b.將上過色的微裝配體三維CAD模型進行離散化切片分層處理，得到含有成型材料信息與結(jié)構(gòu)信息的一系列二維切片； c.將各二維切片的結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)控加工軌跡，使得各二維切片中的成
型材料信息與相應(yīng)成型材料的微型噴嘴相對應(yīng)，以控制微型噴嘴的開與關(guān)；通過數(shù)控運動 和微型噴嘴噴射材料，實現(xiàn)每個二維切片分層的精確堆積；逐層堆積，層層粘結(jié)疊加，完成
微裝配體成型； d.待一層堆積完成后，在每層的未被噴射的區(qū)域內(nèi)用支撐材料噴嘴噴射支撐材料 填充； e.根據(jù)微裝配體設(shè)計需要去除或保留每層填充的支撐材料，即獲得與計算機實體 模型相對應(yīng)的微裝配體。 所述對微裝配體三維CAD模型進行上色處理，其方法是根據(jù)制作的微裝配體的
材料分布要求，用某個特定的色彩分別表示或?qū)?yīng)裝配體中各零件所使用的某種材料；或 用色彩分布函數(shù)分別表示或?qū)?yīng)裝配體中各零件所使用的材料分布特征。 對于零件某一個或幾個局部特征或整體中同時含有多種或多相材料的情形，可以
采用貼圖方式進行色彩滲透的方法完成上色處理。所謂貼圖方式就是把通過其他軟件或方
法所獲得的零件的材料分布圖形或圖像，在軟件環(huán)境下，映像至三維CAD實體模型的表面，
并指定色彩滲透或材料滲透深度。 制作多種材料部件的微裝配體所需的部件的成型材料可為低熔點合金(如鋁、 鉍、銀、銅、錫、鉛、鋅、鎂等金屬粉末或合金粉末，在噴射之前加熱成熔融態(tài))、各類蠟、各種 熱塑性塑料等(在噴射之前加熱成熔融態(tài)，加熱后呈熔融態(tài)的液體可摻入膠體或納米顆粒 填料，如硅石、有機物、金屬或金屬合金)、脂類材料，其中脂類材料中也包括光敏樹脂，所述 光敏樹脂應(yīng)對波長200-1000nm的光線較為敏感，其成分包括齊聚物、活性單體、光引發(fā)劑、 著色劑及其它助劑(在噴射之前加熱成熔融態(tài)，加熱后呈熔融態(tài)的脂類液體可混有膠體 或納米顆粒填料，如硅石、有機物、金屬或合金)。上述成型材料的液體在室溫下的粘度為 l-10000cps，優(yōu)選0-5000cps。 填充每層空白區(qū)域或非實體區(qū)域(是指未被噴射部件材料的區(qū)域)的支撐材料可 以是較低熔點的材料，如熔點在40-16(TC的動物蠟、植物蠟、礦物蠟、合成蠟等；可以是被 有機溶劑易于溶解的材料，如脂類材料；可以是易于溶于水的材料，如氯化銨等無機鹽類材 料；也可以是易升華的材料，如有機萘材料?？梢允菍獗容^敏感的液態(tài)光敏樹脂，樹脂內(nèi) 可混有膠體或納米顆粒填料，如硅石、有機物、金屬或合金；上述支撐材料在噴射之前加熱 成熔融態(tài)，其在室溫下的粘度是l-10000cps。 需指出的是，雖然成型材料在本專利中被稱作"成型材料"或"支撐材料"，但這些 材料也可以互相替換，即以"支撐材料"制作三維結(jié)構(gòu)，以"成型材料"形成該三維結(jié)構(gòu)的支 撐部分。但一般情況下，希望用于形成三維結(jié)構(gòu)的材料具有優(yōu)越于用于形成支撐部分的材 料的性能，如具有更高強度、更高硬度、更快固化速度等性能。 制作含有多種不同材料部件的微裝配體的過程中使用的微細噴嘴為多個，可分別 噴射構(gòu)成三維結(jié)構(gòu)本體的各類液體材料和構(gòu)成三維結(jié)構(gòu)每層支撐的支撐材料。噴嘴的孔徑 尺寸是1-200 iim，和(或)所噴射的單個微小液滴體積是l-2000pl。液態(tài)材料或熔融狀態(tài) 下的材料通過壓電方式或熱發(fā)泡方式形成微米級的微滴從微細噴嘴中噴出，噴射的微滴在 與已成形表面接觸后迅速凝固，形成致密的材料或部件(零件)。
4
組成微裝配體的每個(或主要)零部件的尺寸可以是在1 P m 100mm。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于①將液態(tài)材料或熔融狀態(tài)下的材料通過壓
電方式或熱發(fā)泡方式形成微米級的微滴從微細噴嘴中噴出，成形精度高。②噴射的微滴在
與已成形表面接觸后迅速凝固，形成致密的材料或零件，因此成型件的強度高。③支撐材料
較易去除，制得的含有多個零部件的裝配體后處理過程較為簡單，制造成本低。本發(fā)明方法
無需裝配即能一次制造出具有本發(fā)明方法，微裝配體無需裝配即能一次成型，工序簡單、制
造成本低、材料選擇廣泛，微裝配體制作精度高。本撫摸方法尤其適用于多種材料、多零件
的微型復(fù)雜機構(gòu)。將為開發(fā)復(fù)合結(jié)構(gòu)成型提供新途徑，在微機械、電子元器件、電子封裝、傳
感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。


圖1所示的是微小型裝配體整體一次成型制作方法流程圖； 圖2所示的是制作含有兩種材料部件的微裝配體的成型設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖； 以上的圖中包括計算機1，噴頭托架X向?qū)к?，噴頭托架Y向?qū)к?，噴頭托架4，
Z向升降工作臺5，成型支撐區(qū)域6，成型實體區(qū)域7，成型材料(樹脂材料)噴頭21，成型材
料(液態(tài)錫材料)噴頭22，支撐材料(液態(tài)塑料)噴頭23，成型材料噴頭31 (樹脂材料)，
成型材料(液態(tài)錫材料)噴頭32，支撐材料(液態(tài)塑料)噴嘴3，成型材料噴頭控制電路
41，成型材料噴頭控制電路42，支撐材料噴頭控制電路43，升降臺控制電路44，平面運動平
臺位置控制電路45。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。 如圖1、圖2所示，以含有兩種材料部件的微裝配體為例，選擇的成型材料分別為 光敏樹脂和熔點較低的錫，支撐材料為較易去除的塑料，采用微滴噴射技術(shù)和快速成型技 術(shù)逐層制作微裝配體的具體過程如下 通過計算機1設(shè)計出所需加工的含有兩種材料部件的微裝配體的三維CAD模型， 根據(jù)該微裝配體的功能要求，對該三維CAD模型進行材料的設(shè)計，即用色彩表示材料，如用 紅色表示光敏樹脂材料部件，藍色表示錫材料部件(當然也可以用其它任意色彩表示此兩 種材料)，之后對該CAD實體切片分層，形成一系列含有結(jié)構(gòu)信息和材料信息的二維切片。 每個切片的厚度可以相同，也可以不相同，每個切片的厚度根據(jù)成型精度來確定，優(yōu)先值為 10 ii m-lOO ii m。 計算機1根據(jù)每一層的成型信息分別控制各機構(gòu)做協(xié)調(diào)運動。具體而言，制作開 始時，計算機1把第一層加工信息傳輸給成型材料噴頭控制電路41、42，平面運動平臺位置 控制電路45驅(qū)動噴頭托架4作該層的軌跡運動，同時成型材料噴頭控制電路41、42驅(qū)動成 型材料噴頭31、32中的某個或某幾個微細噴嘴在的按該層的形狀噴射出液態(tài)成型材料，隨 后迅速固化，形成實體區(qū)域7，在成型材料噴頭31、32噴射液態(tài)成型材料21、22的同時，支撐 材料噴頭控制電路43驅(qū)動支撐材料噴頭33噴射支撐材料23填充該層未被噴射液態(tài)成型 材料的區(qū)域，形成支撐區(qū)域6。之后，升降臺控制電路44驅(qū)動Z向升降臺5向下降一層，下 降的距離與下一層要加工的層片的厚度相同，接著，計算機把下一層的成型信息發(fā)給成型材料噴頭控制電路41、42噴射出液態(tài)成型材料和支撐材料，并形成新的固化層。如此反復(fù)，一層層的噴射并粘結(jié)，從而快速制作出具有三維結(jié)構(gòu)的裝配體的原型件。去除每層的支撐材料，并經(jīng)過一定的后處理，即可獲得無需裝配的含有兩種材料的機構(gòu)體。
圖2所示的是制作含有光敏樹脂和錫兩種材料的微裝配體示意圖，成型結(jié)構(gòu)可以采用與圖2所示相同的結(jié)構(gòu)，也可以采用其他形式的結(jié)構(gòu)。噴頭(又稱噴嘴)托架4沿著X方向做雙向直線運動；噴頭31、32、33在X-Y平面內(nèi)沿著噴頭托架X向?qū)к?、噴嘴托架Y向?qū)к?做平面運動；Z向工作臺5做垂直方向的上下運動。圖中，三個噴頭分別為實體材料(光敏樹脂)噴頭31、實體材料(液態(tài)錫)噴頭32和支撐材料(液態(tài)塑料)噴頭33，其中錫噴頭內(nèi)的錫在噴射前需加熱至熔融狀態(tài)，其噴出溫度為180-250°C (此處的錫可以是純錫，也可以是合金錫，根據(jù)選用的材料的熔點確定噴出溫度)。圖中的實體材料也可以根據(jù)裝配體的功能要求，選擇其它非金屬、金屬或合金材料。支撐材料(液體塑料)在噴射前加熱至熔融狀態(tài)，此例以液態(tài)塑料為例說明本發(fā)明的制作過程，也可以選用陶瓷、金屬、石膏等粉末顆粒，或選用熔點較實體材料低的合金材料(噴射前加熱熔化)，其具體實施步驟如前所述。 在上述制備微型裝配體的過程中，控制系統(tǒng)可以控制工作臺的移動或控制各噴頭及其噴嘴的動作，使噴嘴有選擇性地在指定位置進行微滴堆積，且在操作過程中，微滴可以相互連接而呈連續(xù)狀，也可以是相互分離而呈斷續(xù)狀。噴頭的個數(shù)不局限于三個，可多至數(shù)百個，可以按材料的種類相應(yīng)增加，即可以在零件的任意部位實現(xiàn)任意的材料和性能，不同材料之間可以形成任意復(fù)雜的形狀和梯度，最終以滿足微型裝配體的特殊使用要求。當然，每個噴頭所含的噴嘴也不僅限于1個，每個噴頭可包括數(shù)百個微細噴嘴，每個噴嘴可單獨控制，也可集體控制。 兩種以上的不同材料的部件構(gòu)成的微裝配體的制作過程與上述實施例基本相同，只是按照材料的種類配備相應(yīng)的噴嘴即可。
權(quán)利要求
一種微小型裝配體整體一次成型制作方法，其步驟如下a.根據(jù)設(shè)計的微裝配體三維CAD模型，按照其所含部件的成型材料的分布特征，對該CAD模型進行上色處理，每種顏色對應(yīng)一種微裝配體的部件或部件的成型材料；b.將上過色的微裝配體三維CAD模型進行離散化切片分層處理，得到含有成型材料信息與結(jié)構(gòu)信息的一系列二維切片；c.將各二維切片的結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)控加工軌跡，使得各二維切片中的成型材料信息與相應(yīng)成型材料的微型噴嘴相對應(yīng)，以控制微型噴嘴的開與關(guān)；通過數(shù)控運動和微型噴嘴噴射材料，實現(xiàn)每個二維切片分層的精確堆積；逐層堆積，層層粘結(jié)疊加，完成微裝配體成型；d.待一層堆積完成后，在每層的未被噴射的區(qū)域內(nèi)用支撐材料噴嘴噴射支撐材料填充；e.根據(jù)微裝配體設(shè)計需要去除或保留每層填充的支撐材料，即獲得與計算機實體模型相對應(yīng)的微裝配體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小型裝配體整體一次成型制作方法，其特征在于所述對微裝配體三維CAD模型進行上色處理，其方法是根據(jù)制作的微裝配體的材料分布要求，用某個特定的色彩分別表示或?qū)?yīng)裝配體中各零件所使用的某種材料；或用色彩分布函數(shù)分別表示或?qū)?yīng)裝配體中各零件所使用的材料分布特征。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述微小型裝配體整體一次成型制作方法，其特征是所述成型材料為a. 熔融態(tài)低熔點金屬或合金；或b. 熔融態(tài)蠟或熱塑性塑料；或C.液態(tài)光敏樹脂；上述成型材料在室溫下的粘度為l-10000cps。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述微小型裝配體整體一次成型制作方法，其特征是所述支撐材料為a. 動物蠟、植物蠟、礦物蠟或合成蠟，熔點在40-16(TC ;或b. 脂類材料、熱塑性塑料；或C.氯化銨；或d. 有機萘；或e. 光敏樹脂；上述支撐材料在噴射之前加熱成熔融態(tài)，其在室溫下的粘度是l-10000cps。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述微小型裝配體整體一次成型制作方法，其特征是所述光敏樹脂a. 對波長200-800nm的光線較為敏感；b. 在0-13(TC的溫度范圍內(nèi)能噴射呈液態(tài)，液體的粘度為0-2000cps。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述微小型裝配體整體一次成型制作方法，其特征是所述光敏樹脂中含有膠體，或硅石、有機物、金屬或金屬合金納米顆粒填料，所述光敏樹脂粘度為0-5000cps。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微小型裝配體整體一次成型制作方法，其步驟是根據(jù)微裝配體三維CAD模型的材料分布特征，對CAD模型進行上色處理；將微裝配體三維CAD模型進行離散化切片分層，得到含有成型材料信息與結(jié)構(gòu)信息的一系列二維切片；按照二維切片結(jié)構(gòu)信息逐層噴射成型材料，在每層的未被噴射成型材料的區(qū)域噴射支撐材料填充，堆積的實體材料和支撐材料被迅速固化或冷卻成型；層層粘結(jié)疊加，成型完成后再去除每層填充的支撐材料，即獲得與計算機實體模型相對應(yīng)的微裝配體。本發(fā)明方法微裝配體一次成型，不需裝配工序，工序簡單、制造成本低、材料選擇廣泛，微裝配體制作精度高。
文檔編號B81C99/00GK101693516SQ20091003595
公開日2010年4月14日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者岳東, 彭晨, 朱玉芳, 楊繼全 申請人:南京師范大學(xué);