CN101837642A - 一种结合静电纺丝技术的快速成型方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种结合静电纺丝技术的快速成型方法及装置，将纺丝介质加入到纺丝介质控制装置中，调节纺丝介质的流量并使其从毛细管末端均匀流出；将制品平台的平面运动程序输入到计算机中，制品平台上升至工作位置；尖端电极托台上升，根据毛细管喷出的丝的尺寸要求，调节尖端电极托台高度和静电发生器输出电压，当上述调节稳定后，清理制品平台，然后启动静电发生器、制品平台运动系统和计算机运行程序，熔融的纤维在制品平台上堆积成所需的形状。本发明把静电纺丝技术应用到快速成型方法中，对于微小零件的生产，具有显著的效果；对于常规尺寸的快速成型制品的生产，成型速度快，加工控制灵活，适应的范围更宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用静电纺丝技术制造微小零件的方法及装置，属于快速成型技术领域。
背景技术
快速成型技术(Rapid Prototyping，简称为RP技术)是利用材料逐层迭加累积成型的原理来制造产品的。快速成型技术将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成于一体，被认为是最近20年来制造领域的一次重大突破，是目前先进制造领域研究的热点之一。
目前，快速成型技术有很多种，如光固法(SLA)、层叠法(LOM)、激光选域烧结法(SLS)、熔融沉积法(FDM)、掩模固化法(SGC)、三维印刷法(TDP)和喷粒法(BPM)等。其中熔融沉积法(FDM)，由于其具有设备小巧、价格低廉、应用材料范围广泛、可直接制成工业产品等优点，在企业中有着最广泛的应用。然而，工业上应用的熔融沉积法快速成型机，一般精度不高，而且，其喷嘴直径一般在0.2～0.6mm，熔体经过喷嘴后由于挤出胀大效应直径一般大于1mm，因而熔融沉积法快速成型机对于微小零件的生产显得无能为力。
静电纺丝技术是一种制备超细纤维和纳米纤维的重要方法，典型的静电纺丝纤维直径为40～2000nm。把静电纺丝技术和快速成型技术结合起来的研究，目前还没有见到有公开的报道。
发明内容
本发明提出的一种结合静电纺丝技术的快速成型方法及装置，把静电纺丝技术应用到快速成型方法中，利用静电纺丝技术可以纺出超细纤维的特点，解决了熔融沉积法快速成型机在生产微小零件方面的不足，制品精度提高，并且制品与纺丝介质流出口可以保持一定的距离，因而制品平台只在两维方向有高精度要求，使得设备加工成本降低。
本发明一种结合静电纺丝技术的快速成型方法，将纺丝介质加入到纺丝介质控制装置中，调节纺丝介质的流量并使其从毛细管末端均匀流出；将制品平台的平面运动程序输入到计算机中，制品平台上升至工作位置；尖端电极托台上升，根据毛细管喷出的丝的尺寸要求，调节尖端电极托台高度和静电发生器输出电压，当上述调节稳定后，清理制品平台，然后启动静电发生器、制品平台运动系统和计算机运行程序，熔融的纤维在制品平台上堆积成所需的形状，关闭静电发生器，停止纺丝介质控制装置的转动控制装置的工作，一个制品的加工完成。
利用本发明一种结合静电纺丝技术的快速成型方法的成型装置，包括尖端电极、尖端电极托台、静电发生器、制品平台、制品平台运动系统、毛细管、喷嘴、支架及纺丝介质控制装置，尖端电极与静电发生器的正极连接，尖端电极安装在尖端电极托台上，尖端电极托台安装在支架的下端，尖端电极托台在支架上可以上下移动，用于调节尖端电极的尖部与毛细管末端的距离；制品平台运动系统带动制品平台可以在支架上上下移动，调节制品平台与毛细管的距离，制品平台运动系统与计算机系统连接，将根据预加工制品的形状编制的制品平台运动程序输入到计算机中，由计算机程序来控制制品平台的运动轨迹，毛细管与大地连接，毛细管在尖端电极的正上方，毛细管与喷嘴相连，喷嘴安装在纺丝介质控制装置的下端，纺丝介质控制装置固定在支架的上端的中间部位。从毛细管末端喷出的带电纺丝介质喷射流沿着直线路径飞向尖端电极，由于制品平台的阻隔，喷射流就会堆积在制品平台上。制品平台是一个绝缘的薄壁平板，其在制品平台运动系统的带动下可实现在XYZ三个方向自由移动，沿XY方向运动精度要求高，沿Z方向的运动精度不要求很高，制品沿Z方向的尺寸根据堆积的层数确定，在制品加工过程中，制品平台沿Z方向静止，因而该装置比常规熔融沉积法快速成型机造价低，由于在静电场下产生的纺丝介质的喷射流可以达到微米级或纳米级，所以由此方法可制备出极微小的精密零件。另外，纺丝介质的喷射流动在电场力的作用下，通过增加电压，纺丝介质的流速或流量可以增加，所以对于普通尺寸的快速成型制品，采用该装置可以提高加工速度。纺丝介质控制装置可以是螺杆式结构，主要包括料筒、料斗、转动控制装置、螺杆、加热器和温度传感器，纺丝介质从料斗加入到料筒中，转动控制装置带动螺杆转动将纺丝介质均匀地挤入到喷嘴，经毛细管流出，毛细管和喷嘴采用锥面配合，喷嘴与料筒采用螺钉连接。在料筒外侧包覆加热器，温度传感器安装在料筒上。
纺丝介质控制装置也可以是柱塞式结构，主要包括料筒、柱塞、微位移驱动器、加热器和温度传感器，将定量的纺丝介质加入到料筒中，柱塞放置于料筒中作用在纺丝介质上，微位移驱动器带动柱塞使其在料筒内移动，柱塞通过微位移驱动器的控制使纺丝介质经由喷嘴和毛细管流出，在料筒外侧包覆加热器，在料筒上安装温度传感器。
本发明提出的一种结合静电纺丝技术的快速成型方法及装置，纺丝介质可以为颗粒状或粉末状的聚合物，也可以是聚合物溶液。当纺丝介质为聚合物溶液时，加热器不工作。当纺丝介质为颗粒状或粉末状的聚合物时，加热器工作，为了延缓熔体喷射流的固化可以在制品平台上安装红外加热灯。
本发明提出的一种结合静电纺丝技术的快速成型方法及装置，对于微小零件的生产，具有显著的效果。根据生产需要，调节各种工艺参数，可以生产出微米级的精密零件，对于常规尺寸的快速成型制品，成型速度快，由于通过调节静电电压和毛细管与尖端电极的距离可以调节纺丝介质的喷射流的直径，所以加工控制灵活，适应的范围更宽。
附图说明
图1是本发明提出的一种结合静电纺丝技术的快速成型装置的示意图
图2是本发明提出的结合静电纺丝技术的快速成型装置的纺丝介质控制装置为柱塞式结构的示意图
图中：1.尖端电极托台，2.尖端电极，3.静电发生器，4.制品平台运动系统，5.制品平台，6.制品，7.毛细管，8.喷嘴，9.支架，10.纺丝介质控制装置，10-1.加热器，10-2.料筒，10-3.料斗，10-4.转动控制装置，10-5.螺杆，10-6.温度传感器，10-7.柱塞，10-8.微位移驱动器。
具体实施方式
本发明一种结合静电纺丝技术的快速成型方法及装置，装置简图见图1和图2，该装置包括尖端电极2、尖端电极托台1、静电发生器3、制品平台5、制品平台运动系统4、毛细管7、喷嘴8、支架9及纺丝介质控制装置10，尖端电极2与静电发生器3的正极连接，尖端电极2安装在尖端电极托台1上，尖端电极托台1安装在支架9的下端，尖端电极托台1在支架9上可以上下移动，用于调节尖端电极2的尖部与毛细管7末端的距离；制品平台运动系统4带动制品平台5可以在支架9上上下移动，调节毛细管7与制品平台5的垂直距离，制品平台运动系统4与计算机系统连接，将根据预加工制品的形状编制的制品平台5运动程序输入到计算机中，由计算机程序来控制制品平台5的运动轨迹，毛细管7与大地连接，毛细管7在尖端电极2的正上方，毛细管7与喷嘴8相连，喷嘴8安装在纺丝介质控制装置10的下端，纺丝介质控制装置10固定在支架9的上端的中间部位。从毛细管7末端喷出的带电纺丝介质喷射流沿着直线路径飞向尖端电极2，由于制品平台5的阻隔，喷射流就会堆积在制品平台5上。制品平台5是一个绝缘的薄壁平板，其在制品平台运动系统4的带动下可实现在XYZ三个方向自由移动，由精密伺服驱动沿XY方向的高精度运动，制品平台及尖端电极托台1沿Z方向可以采用常规的气动、液动或机械传动的运动，精度不要求很高，制品6沿Z方向的尺寸根据堆积的层数确定，在制品6加工过程中，制品平台5沿Z方向静止，因而该装置比常规熔融沉积法快速成型机减少一个方向的高精度运动，装置造价降低，由于在静电场下产生的纺丝介质的喷射流可以达到微米级或纳米级，所以由此方法可制备出极微小的精密零件。另外，纺丝介质的喷射流动在电场力的作用下，通过增加电压，纺丝介质流量可以增加，所以对于普通尺寸的快速成型制品，采用该装置可以提高加工速度。纺丝介质控制装置10可以采用螺杆式结构，主要包括料筒10-2、料斗10-3、转动控制装置10-4、螺杆10-5、加热器10-1和温度传感器10-6，纺丝介质从料斗10-3加入到料筒10-2中，转动控制装置10-4带动螺杆10-5转动将纺丝介质均匀地挤入到喷嘴8，再经毛细管7流出，毛细管7和喷嘴8采用锥面配合，喷嘴8与料筒10-2采用螺钉连接，在料筒10-2外侧包覆加热器10-1，并安装温度传感器10-6。图2所示是柱塞式结构的纺丝介质控制装置10，其结构中包括料筒10-2、加热器10-1、温度传感器10-6、柱塞10-7和微位移驱动器10-8，将定量的纺丝介质加入到料筒10-2中，柱塞10-7放置于料筒10-2中作用在纺丝介质上，柱塞10-7通过微位移驱动器10-8的控制使纺丝介质经由喷嘴8和毛细管7均匀流出。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细阐述。图1中毛细管7内径为0.2mm，螺杆10-5直径为14mm，毛细管7末端与尖端电极2的距离为15cm，纺丝介质为颗粒状PP，料筒10-2设定温度为250℃。
加工步骤：首先把料筒10-2加热到设定温度，然后启动与螺杆10-5连接的转动控制装置10-4，等到毛细管7末端形成熔体滴时，打开静电发生器3的电源，并逐步调节尖端电极2的电压一直到毛细管7末端产生熔体喷射流，然后清除工作台上的余料，打开制品平台运动系统4及计算机程序，制品平台5按照要求的轨迹移动，最终生产出所需制品6。通过此方法，可以纺出十几纳米的超细纤维，可以生产出微米级的微小零件。
Claims (6)
1.一种结合静电纺丝技术的快速成型方法，其特征在于：将纺丝介质加入到纺丝介质控制装置中，调节纺丝介质的流量并使其从毛细管末端均匀流出；将制品平台的平面运动程序输入到计算机中，制品平台上升至工作位置；尖端电极托台上升，根据毛细管喷出的丝的尺寸要求，调节尖端电极托台高度和静电发生器输出电压，当上述调节稳定后，清理制品平台，然后启动静电发生器、制品平台运动系统和计算机运行程序，熔融的纤维在制品平台上堆积成所需的形状，关闭静电发生器，停止纺丝介质控制装置的转动控制装置的工作，一个制品的加工完成。
2.根据权利要求1所述的一种结合静电纺丝技术的快速成型方法，其特征在于：纺丝介质可以为颗粒状或粉末状的聚合物，也可以是聚合物溶液。
3.利用权利要求1所述的一种结合静电纺丝技术的快速成型方法的装置，其特征在于：该装置包括尖端电极、尖端电极托台、静电发生器、制品平台、制品平台运动系统、毛细管、喷嘴、支架及纺丝介质控制装置，尖端电极与静电发生器的正极连接，尖端电极安装在尖端电极托台上，尖端电极托台安装在支架的下端，尖端电极托台在支架上可以上下移动；制品平台运动系统带动制品平台可以在支架上上下移动，制品平台运动系统与计算机系统连接，由计算机程序来控制制品平台的运动轨迹，毛细管与大地连接，毛细管在尖端电极的正上方，毛细管与喷嘴相连，喷嘴安装在纺丝介质控制装置的下端，纺丝介质控制装置固定在支架的上端的中间部位；制品平台是一个绝缘的薄壁平板，它在制品平台运动系统的带动下可实现在XYZ三个方向自由移动；纺丝介质控制装置可以是螺杆式结构，主要包括料筒、料斗、转动控制装置、螺杆、加热器和温度传感器，转动控制装置带动螺杆转动，毛细管和喷嘴采用锥面配合，喷嘴与料筒采用螺钉连接，在料筒外侧包覆加热器，温度传感器安装在料筒上。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：纺丝介质控制装置也可以是柱塞式结构，主要包括料筒、柱塞、微位移驱动器、加热器和温度传感器，微位移驱动器带动柱塞使其在料筒内移动。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：在制品平台上可以安装红外加热灯。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：纺丝介质可以为颗粒状或粉末状的聚合物，也可以是聚合物溶液。
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