Устройство для аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц
DEVICE FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF VOLUMETRIC MICRO-DIMENSIONAL NANOPARTICLE STRUCTURES

Изобретение относится к аддитивной 3D-технологии для производства преимущественно объемных микроразмерных структур из наночастиц.
Известны устройства для изготовления объемных структур из наночастиц с использованием наночернил, включающий получение потока аэрозоля с наночастицами, транспортирование потока к соплу головки, фокусировку и осаждение наночастиц из потока аэрозоля на подложку с последующим спеканием массивов осажденных наночастиц [1, 2].
Данные технические решения позволяют изготавливать объемные структуры из наночастиц. Однако при их применении возникают трудности с приготовлением наночернил, такие как подбор растворителей и стабилизаторов. При этом существуют особые требования к условиям их хранения и транспортировки.
В результате использования растворителей и стабилизаторов в наночернилах происходит загрязнение окружающей среды. После применения наночернил требуется удаление растворителей и стабилизаторов с полученных объемных структур из наночастиц. Относительно высокая стоимость наночернил приводит к удорожанию изготовления объемных структур из наночастиц. При использовании данного способа происходит засорение сопел крупными микрокаплями.
Известно устройство для изготовления объемных структур путем последовательного осаждения слоев из частиц магнитного материала с помощью нагревательного устройства, устройства осаждения, опоры и маски, через которую осуществляется осаждение частиц. Недостатками данного технического решения является то, что в нем требуется использование специальных масок для осаждения частиц, что приводит к дополнительным расходам на их изготовление и потерям частиц на поверхности маски [3].
Известно устройство для аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц,, содержащее подложку, сообщенный с источником транспортного газа блок получения потока аэрозоля с наночастицами, соединенную с источником защитного газа головку с соплом для фокусировки потока аэрозоля с наночастицами на подложке, блок оптимизации наночастиц по размеру и форме, вход которого сообщен с блоком получения потока аэрозоля с наночастицами, а выход - с соплом головки, и лазерно-оптическое устройство спекания на подложке осажденных наночастиц [4].
Данное техническое решение позволяет изготавливать объемные структуры из наночастиц. Однако при их применении указанного технического решения возникают трудности в изменении температуры при нагреве аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа для обеспечением получения наночастиц сферической формы требуемого размера, так как применяемые нагревательные элементы являются инерционными и требуется сравнительно большой промежуток времени, например, для уменьшения температуры нагрева. Также требуются два источника нагрева - для спекания наночастиц на подложке и для нагрева аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа.
Результат, для достижения которого направлено данное техническое решение, заключается в облегчении регулирования параметров процесса изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц при одновременном упрощении конструкции за счет применения одного лазерно-оптического устройства как для спекания наночастиц на подложке, так и для нагрева аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа.
Указанный результат достигается за счет того, что в устройстве аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц, содержащем подложку, сообщенный с источником транспортного газа блок получения потока аэрозоля с наночастицами, соединенную с источником защитного газа головку с соплом для фокусировки потока аэрозоля с наночастицами на подложке, блок оптимизации наночастиц по размеру и форме, вход которого сообщен с блоком получения потока аэрозоля с наночастицами, а выход - с соплом головки, и лазерно-оптическое устройство спекания на подложке осажденных наночастиц, его блок оптимизации наночастиц выполнен в виде соосно расположенного относительно сопла головки размещенной внутри цилиндрического корпуса рабочей камеры с входным и выходным оптически прозрачными окнами на торцах, причем лазерно-оптического устройство спекания выполнено с коллимирующей системой и установлено перед входным окном блока оптимизации соосно соплу головки, а между выходным окном блока оптимизации и соплом головки размещена фокусирующая линза.
Пример выполнения заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено заявляемое устройство, на фиг. 2 - место А, на фиг. 3 - место Б.
Устройство для аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц, содержит подложку 1, сообщенный с источником 2 транспортного газа блок 3 получения потока аэрозоля с наночастицами, соединенную с источником 4 защитного газа головку 5 с соплом 6 для фокусировки потока аэрозоля с наночастицами на подложке 1, блок 7 оптимизации наночастиц по размеру и форме, вход 8 которого сообщен с блоком 3 получения потока аэрозоля с наночастицами, а выход 9 - с соплом 6 головки 5, и лазерно-оптическое устройство 10 спекания на подложке 1 осажденных наночастиц.
Блок оптимизации 7 наночастиц выполнен в виде соосно расположенной относительно сопла 6 головки 5 размещенной внутри цилиндрического корпуса 11 рабочей камеры 12 с входным 13 и выходным 14 оптически прозрачными окнами на торцах.
Лазерно-оптическое устройство 10 спекания выполнено с коллимирующей системой (на чертеж не показана) и установлено перед входным окном 13 блока оптимизации соосно оси 15 сопла головки, а между выходным окном 14 блока оптимизации и соплом 6 головки размещена фокусирующая линза 16.
Для очистки внутренней поверхности выходного окна блока оптимизации предусмотрена система очистки, вход 17 которой подсоединен к источнику 2 транспортного газа, а выход 18 - к контейнеру (на чертеже не показан)
Изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц производят следующим образом.
Получают в блоке 3 поток аэрозоля в потоке транспортного газа, нагревают лазерно-оптическим устройством 10 в блоке 7 оптимизации аэрозоль с наночастицами в потоке транспортного газа для получения наночастиц сферической формы требуемого размера. Затем транспортируют полученный поток через выход 9 блока 7 оптимизации аэрозоля с наночастицами к головке 5 с соплом 6 для фокусировки его на подложке 1. Одновременно подают в указанное сопло поток аэрозоля с наночастицами и защитный газ для обеспечения фокусировки потока аэрозоля наночастиц на подложке и осаждают наночастицы из сфокусированного потока аэрозоля на подложку с последующим их спеканием. Осаждение и спекание наночастиц на подложке ведут в атмосфере защитного газа, которую создают под соплом 6.
Таким образом данное техническое решение позволит:
- облегчить регулирование параметров процесса изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц;
- упростить устройство.
Источники информации
1. Патент US №10068863, МПК - B05D 5/12, 09.2018
2. Патент US №9114409, МПК - В05В 7/00, 2015
3. Патент US №10022789, МПК - B22D 23/00, 07.2018
4. Патент RU №2704358, МПК - B22F 3/105, 2018