CN102107164A - 一种微喷自由成形系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微喷自由成形系统，同时采用压电式喷头和微注射器式喷头，广泛适用于多种黏度不同状态的原材料的组合自由成形。其技术方案为：系统包括：微注射器式喷头；压电式喷头；冷气枪；可升降工作台及其Z向驱动系统；滑架及其Y向驱动系统，滑架支撑该压电式喷头和微注射器式喷头，Y向驱动系统驱动该滑架沿着Y向运动；喷头X向驱动系统，驱动微注射器式喷头和压电式喷头沿着X向运动；机身，对整个系统进行支撑和定位；控制系统，对整个系统进行自动控制。

Description

一种微喷自由成形系统

技术领域

本发明涉及自由成形系统，尤其涉及一种用压电式喷头与微注射器喷头组合的微喷自由成形系统。

背景技术

微喷自由成形(Freeform Fabrication with Micro-droplet Jetting，FFMJ)是基于加成制造法的一种新型成形方法，起源于20世纪80年代末出现的快速成形(Rapid Prototyping，RP)。快速成形能根据工件的CAD模型直接制作三维实体，而无需传统的机床与工模具，因此曾经被誉为制造领域的一场革命。但是由于它可以采用的原材料有较大的限制，致使多数快速成形件的性能与实际工件的要求有较大的差别。为克服上述弊端，近年来出现了微滴喷射自由成形，这种方法可采用的原材料几乎不受限制，从而为新材料的应用，特别是功能器件的制作创造了极为有利的条件。

微喷自由成形利用精细喷头喷射容积为微升至飞升的液滴(通常称为墨滴)，此液滴沉积在基材上逐步形成二维或三维结构。目前微滴喷射用的喷头主要有压电式喷头和微注射器式喷头等两种，由这两种喷头为核心构成的微喷自由成形系统已成为现代自由成形发展的方向。

其中，压电式喷头是喷墨打印机上十分先进而成熟的产品，其喷嘴直径为微米级，每个喷头上的喷嘴数可达1000个以上，喷射液滴的自然分辨率可达到几百dpi(每英寸长度上的液滴数)以上，喷射频率可达几十KHz，因此，只需将喷墨打印机通常用的墨水变更为自由成形所需的特殊“墨水”(例如陶瓷墨水、金属墨水、聚合物墨水、细胞液等)，就能实现二维或三维的自由成形，高效率地制作精细的功能机电器件、功能陶瓷器件、功能梯度材料构件和功能生物医学器件等。但是，压电式喷头有如下缺点：(1)压电陶瓷片的推力有限，喷射“墨水”的黏度一般限定为10～14(20)cPs，不能喷射高黏度(除非可以用加热降低黏度)或含有较多颗粒的墨水。(2)喷嘴与喷印基板之间的喷射距离应小于1mm，否则喷印的墨滴会发散，因此不能在高低差别较大的基板上获得一致的喷印品质。

微注射器式喷头可采用直线步进电机驱动，喷射力大，能喷射黏度很大和含有较多颗粒的“墨水”(所含固体颗粒的容积可达40～55％)，“墨水”可以是下列状态的有机或无机“墨水”：溶液(水溶液、溶剂溶液)、熔融体、含有纳米金属或陶瓷的胶体、悬浮液、浆料，以及低熔点焊料等流态材料；喷射速度大，在喷射距离较大的条件下能将“墨水”精确地喷印至平面或非平面基板上，因此能在高低差别较大的基板上进行立体印制。但是，微注射器式喷头反应速度和喷射频率不如压电式喷头，不能精确地喷射单个微细液滴，只能喷射液滴串，而且外形尺寸较大，难于制作更多喷嘴的喷头，喷印效率较低。

国外现有商品化的微喷自由成形系统一般采用压电式喷头，采用微注射器式喷头的微喷自由成形系统尚处于研究阶段，未见商品化的成熟产品，更没有综合采用这两种喷头的微喷自由成形系统，我国也未见类似产品。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种微喷自由成形系统，同时采用压电式喷头和微注射器式喷头，广泛适用于多种黏度不同状态的原材料的组合自由成形。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种微喷自由成形系统，包括：

机身，对整个系统进行支撑和定位；

微注射器式喷头，与滑架相连接，用于喷射包含颗粒流态原料；

压电式喷头，与滑架相连接，用于喷射流态原料，其中该压电式喷头所喷射的流态原料的黏度比该微注射器式喷头所喷射的流态原料的黏度小；

可升降工作台及其Z向驱动系统，与该机身相连接，用于支承工件，并使其逐步上升，成形三维结构件；

滑架及其Y向驱动系统，与该机身相连接，用于支撑该压电式喷头和该微注射器式喷头，该Y向驱动系统驱动该滑架沿着Y向运动；

喷头X向驱动系统，与该滑架相连接，用于驱动该微注射器式喷头和该压电式喷头沿着X向运动；

冷气枪，与该机身相连接，用于向该可升降工作台上正在成形的该工件喷射冷气流，使工件迅速降温固化；

控制系统，对整个系统进行自动控制。

根据本发明的微喷自由成形系统的一实施例，该微注射器式喷头进一步包括：

料筒，位于微注射器式喷头的下段，用于存储原料；

微注射器式喷嘴，固定在微注射器式喷头的该料筒的最下端，用作喷射材料的通道；

电热套，位于微注射器式喷头的该料筒的外面，用于加热该料筒中的原料；

直线步进电机，位于微注射器式喷头的上部，用于驱动该微注射器式喷头中的柱塞，迫使该料筒中的原料从该微注射器式喷嘴中挤出；

柱塞，位于微注射器式喷头的该料筒中，用于将该直线步进电机的输出螺杆的压力传递至其下方的原料上。

根据本发明的微喷自由成形系统的一实施例，该压电式喷头进一步包括：

压电式喷嘴，固定在该压电式喷头的下方，用作喷射材料的通道；

压电陶瓷片，通过该压电式喷头的螺柱固定在支臂上，用于驱动该压电式喷头的喷射；

击发器，位于该压电式喷头的该压电陶瓷片的下方，用于迫使该压电式喷头中的原料从该压电式喷嘴中射出。

根据本发明的微喷自由成形系统的一实施例，该冷气枪进一步包括：

气嘴，位于该冷气枪的出口，用于通过和控制喷射气流，使其冷却正在制作的工件；

涡旋管，与该冷气枪的该气嘴相连，用于将压缩空气的温度降低为低温气流；

气路系统，与该冷气枪的该涡旋管相连，用于供给和控制进入该冷气枪的压缩空气。

根据本发明的微喷自由成形系统的一实施例，该可升降工作台及其Z向驱动系统进一步包括：

工作台，位于该可升降工作台的上部，用于支撑工件；

导轨，位于该可升降工作台的两侧，用于该工作台的导向；

Z向驱动系统，位于该可升降工作台的下部，用于驱动该工作台沿Z向上下运动。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明采用压电式喷头和微注射器式喷头组合的微喷自由成形系统可同时用一个压电式喷头和两个微注射器式喷头工作，广泛适用于多种黏度不同状态的原料的组合自由成形，效率高，特别适合于精细功能机电器件、功能陶瓷器件、功能梯度材料构件和功能生物医学器件等的研制。

附图说明

图1是本发明的微喷自由成形系统的实施例的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1示出了本发明的微喷自由成形系统的实施例的原理。请参见图1，本实施例的微喷自由成形系统包括以下几个组件：微注射器式喷头10和11、压电式喷头20、冷气枪30、滑架41、可升降工作台42、机身40和控制系统(未图示)。

本发明的实施例中，微注射器式喷头10和11分别由直线步进电机12、柱塞14、料筒18、电热套15、原料16和喷嘴17等组成。当控制系统根据工件图形文件向微注射器式喷头10或11发出喷射指令时，直线步进电机12带动螺杆13向下运动，通过柱塞14向料筒18中的流态原料16施加压力，迫使其从喷嘴17的内孔中喷出形成液滴串并沉积在可升降工作台42的上表面，随即因温度降低而发生相变成为固态。若装入料筒18的原料16的初始状态非流态(例如块状或粉粒状的聚合物)，可通过微注射器式喷头10和11中的电热套15加热，使非流态的原料16变为熔融态，从而也能在柱塞14压力的作用下由喷嘴17射出。

本发明的实施例中，压电式喷头20由压电陶瓷片21、击发器22、喷嘴23、外壳24、支臂27、螺柱25和信号线26等组成。当控制系统根据工件图形文件由信号线26向压电式喷头20发出喷射脉冲驱动指令时，压电陶瓷片21向下发生微小形变，击发器22也随之向下运动，使与其相连的弹性元件(图中未示)发生弹性变形，并迫使外壳24中的“墨水”从喷嘴23的内孔射出，形成微小液滴并沉积在可升降工作台42的上表面。当控制系统根据工件图形文件由信号线26向压电式喷头20发出的脉冲指令结束后，压电陶瓷片21向上复位，同时，在弹性元件的向上恢复力的作用下，击发器22也向上复位，等待下一次的驱动信号。

本发明的实施例中，冷气枪30由气路系统32、涡旋管(图中未示)和气嘴33等组成。压缩空气31进入冷气枪30内的涡旋管后，高速旋转并流向涡旋管的出口端，变成冷气流并流出涡旋管，从气嘴33喷射至工作台上的工件上，使其迅速降温冷却(可降低45℃)。

本发明的实施例中，可升降工作台42可以在Z向驱动系统的作用下驱使支承于工作台的工件沿导轨43上下运动。

采用本发明的实施例所述采用压电式喷头与微注射器式喷头组合的微喷自由成形系统，可以同时用两个微注射器式喷头喷射黏度较大和含有较多颗粒的流态原料(例如可溶解或熔融的聚合物，由金属粉材或陶瓷粉材构成的悬浮液、胶体或浆料等)，用压电式喷头喷射黏度较小的流态材料，在冷气枪的作用下使喷射的材料迅速固化，配合滑架的Y向运动、喷头的X向运动和工作台的Z向运动，可逐步成形二维或三维复杂结构件，因此特别适合于精细电子功能器件、陶瓷功能器件、梯度材料功能器件和生物医学功能器件的自由成形。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (5)

1.一种微喷自由成形系统，包括：

机身，对整个系统进行支撑和定位；

微注射器式喷头，与滑架相连接，用于喷射包含颗粒流态原料；

压电式喷头，与滑架相连接，用于喷射流态原料，其中该压电式喷头所喷射的流态原料的黏度比该微注射器式喷头所喷射的流态原料的黏度小；

可升降工作台及其Z向驱动系统，与该机身相连接，用于支承工件，并使其逐步上升，成形三维结构件；

滑架及其Y向驱动系统，与该机身相连接，用于支撑该压电式喷头和该微注射器式喷头，该Y向驱动系统驱动该滑架沿着Y向运动；

喷头X向驱动系统，与该滑架相连接，用于驱动该微注射器式喷头和该压电式喷头沿着X向运动；

冷气枪，与该机身相连接，用于向该可升降工作台上正在成形的该工件喷射冷气流，使工件迅速降温固化；

控制系统，对整个系统进行自动控制。

2.根据权利要求1所述的微喷自由成形系统，其特征在于，该微注射器式喷头进一步包括：

料筒，位于微注射器式喷头的下段，用于存储原料；

微注射器式喷嘴，固定在微注射器式喷头的该料筒的最下端，用作喷射材料的通道；

电热套，位于微注射器式喷头的该料筒的外面，用于加热该料筒中的原料；

直线步进电机，位于微注射器式喷头的上部，用于驱动该微注射器式喷头中的柱塞，迫使该料筒中的原料从该微注射器式喷嘴中挤出；

柱塞，位于微注射器式喷头的该料筒中，用于将该直线步进电机的输出螺杆的压力传递至其下方的原料上。

3.根据权利要求1所述的微喷自由成形系统，其特征在于，该压电式喷头进一步包括：

压电式喷嘴，固定在该压电式喷头的下方，用作喷射材料的通道；

压电陶瓷片，通过该压电式喷头的螺柱固定在支臂上，用于驱动该压电式喷头的喷射；

击发器，位于该压电式喷头的该压电陶瓷片的下方，用于迫使该压电式喷头中的原料从该压电式喷嘴中射出。

4.根据权利要求1所述的微喷自由成形系统，其特征在于，该冷气枪进一步包括：

气嘴，位于该冷气枪的出口，用于通过和控制喷射气流，使其冷却正在制作的工件；

涡旋管，与该冷气枪的该气嘴相连，用于将压缩空气的温度降低为低温气流；

气路系统，与该冷气枪的该涡旋管相连，用于供给和控制进入该冷气枪的压缩空气。

5.根据权利要求1所述的微喷自由成形系统，其特征在于，该可升降工作台及其Z向驱动系统进一步包括：

工作台，位于该可升降工作台的上部，用于支撑工件；

导轨，位于该可升降工作台的两侧，用于该工作台的导向；

Z向驱动系统，位于该可升降工作台的下部，用于驱动该工作台沿Z向上下运动。

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