CN102744172A - 一种快速成型装置及其静电喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于纳米颗粒材料的快速成型装置的静电喷涂系统，该系统包括：喷头(6)和喷嘴(7)，其特征在于，该喷嘴(7)带有负电压。该静电喷射系统使得纳米颗粒材料在高压静电场的作用下被吸附于工件表面，显著减小了飞溅和回弹，大大减小了纳米颗粒材料的损耗，提高了成型效率。

Description

一种快速成型装置及其静电喷射系统

技术领域

本发明涉及一种用于纳米颗粒材料的快速成型装置，尤其涉及该快速成型装置的静电喷射系统。

背景技术

快速成型技术(Rapid Prototyping Technology，简称RP技术)是九十年代发展起来的先进的制造技术，它是在现代CAD技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成型材料不同，成型原理和系统特点也各有不同。RP技术可分为以下几种典型的成型工艺：立体印刷成型(Stereolithography Apparatus，SLA)、分层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)、激光选区烧结(Selected Laser Sintering，SLS)、熔融沉积制造(FusedDeposition Modeling，FDM)、三维打印制造(Three Dimensional Printing，3DP)等。这些成型工艺的基本原理是一致的，即在计算机管理与控制下，首先设计出物体的计算机三维模型，根据工艺要求，按照一定的精度要求将该模型切片，再对切片后的数据进行处理，按照一定的扫描路径进行规划得到加工文件，以快速成型系统精确堆积的形式加工出每层材料并粘接成型。

RP技术从成型原理上提出了一个全新的思维模式，它能快速精确地根据原型CAD设计直接制造出部件，从而有效缩短产品的研发周期。在成型材料上，目前主要是有机高分子材料，比如光固化树脂、尼龙、蜡等。但是，RP技术目前的难点在于成型效率和成型精度。

发明内容

本发明针对现有技术中RP技术成型效率和成型精度不高的缺点，本发明的一个方面提供了一种用于纳米颗粒材料的快速成型装置的静电喷射系统，该系统包括：喷头和喷嘴，其中，该喷嘴带有负电压。

本发明的另一个方面还提供了一种用于纳米颗粒材料的快速成型装置，其中，该装置包括上述静电喷射系统。

在根据本发明的装置中，静电喷射系统使得纳米颗粒材料在高压静电场的作用下被吸附于工件表面，显著减小了飞溅和回弹，大大减小了纳米颗粒材料的损耗，提高了成型效率。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的用于纳米颗粒材料的快速成型装置。

具体实施方式

下面结合附图详细描述根据本发明的用于纳米颗粒材料的快速成型装置。

如图1所示，根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于纳米颗粒材料的快速成型装置的静电喷涂系统，该系统可以包括：喷头6和喷嘴7，其特中，该喷嘴7带有负电压。

所述喷嘴7可以例如是金属针管，喷头6中的纳米颗粒材料通过该针管喷到工件台11的表面上。喷头6可以由绝缘材料制成，优选地，该绝缘材料可以为尼龙。

所述系统还可以包括与所述喷嘴7电连接的静电控制电路3和信号处理模块2；该信号处理模块2用于接收来自计算机1的数据，根据该数据生成多种指令，并根据指令执行控制所述静电控制电路3输出给所述喷嘴7的负电压的大小。

所述信号处理模块2可以包括但不限于：通用处理器、专用处理器、微处理器、微控制器、DSP电路、FPGA电路等。

当纳米颗粒材料在由气路系统提供的压缩空气的作用下进入喷头6并通过喷嘴7喷向工件台11时，由于喷嘴7带有负电压，纳米颗粒材料在经过喷嘴7时由于受到强电场的作用而带有负电荷，并在压缩空气的喷射力和喷嘴7与工件台11之间的电场力的同时作用下，向工件台11的表面吸附，从而实现快速成型。喷嘴7带有的负电压通常可以例如为-104V至-105V。

在本发明的一个实施方式中，所述静电喷射系统还可以包括位于所述喷嘴7与工件台11之间的至少两个电磁线圈9，18和与该两个电磁线圈9，18电连接的电磁线圈信号处理电路5；所述信号处理模块2还用于根据所述指令执行控制所述电磁线圈信号处理电路5分别输出给两个电磁线圈9，18的交变信号的幅度和频率，从而调节两个电磁线圈9，18所生成的电磁场的大小。所述电磁线圈9，18可以为环绕型电磁线圈。

两个电磁线圈中离喷嘴7较近的一个电磁线圈9(称为第一电磁线圈)在接收到交变信号(例如交变电流或电压)后，会在该线圈内产生第一电磁场，当从喷嘴7喷出的带负电的纳米颗粒材料的粒子束经过该第一电磁线圈时会受到该第一电磁场提供的向上(指向喷嘴7)的电场力和向外(从第一电磁线圈的圆心指向圆周)的磁场力，在这两种力的共同作用下，粒子束的速率减小并发散。另一个电磁线圈18(称为第二电磁线圈)在接收到交变信号(例如交变电流或电压)后，会在该线圈内产生与第一电磁场方向相反的第二电磁场。当上述被减速并发散的纳米颗粒材料进入第二电磁线圈时，会受到第二电磁场提供的向下(指向工件台11)的电场力和向里(指向第二电磁线圈的圆心)的磁场力，在这两种力的作用下，纳米颗粒材料被加速并向中心汇聚。通过调节输入到第二电磁线圈的交变信号的幅度和频率，就可以调节汇聚点的位置(即汇聚点与工件台11表面之间的距离)，从而实现吸附有带电离子的纳米颗粒的亚微米级的准确沉积。本领域技术人员可以理解的是，汇聚点的调节与切片的精度(即每个分层数据所代表的物体厚度)有关。

举例来说，如果信号处理模块2接收到的来自计算机1的分层数据指示每层的厚度为10微米，快速成型装置按照预定的程序使用喷嘴7在工件台11上喷涂完一层纳米颗粒材料之后，将在该纳米材料层上继续喷涂第二层。由于第一层已经具有一定的厚度，例如10微米，因此在喷涂第二层之前，需要对上述汇聚点进行调节，例如汇聚点升高10微米。假设输入到第二电磁线圈的信号是正弦波信号，通过调节该正弦波信号的幅度和频率(或周期)，就可以改变第二电磁线圈产生的第二电磁场的大小和分布，从而实现汇聚点的调节。此外，本领域技术人员还可以理解，也可以在每一层的喷涂过程中调节汇聚点的位置。

所述电磁线圈信号处理电路5可以包括信号发生模块、调幅模块以及调频模块；信号发生模块可以用于生成交变信号(交变电流或电压)，例如正弦波信号，调幅模块可以用于调节交变信号的幅度，调频模块可以用于调节交变信号的频率。电磁线圈信号处理电路5可以接收信号处理模块2的指令，根据该指令调节所生成的交变信号的幅度和频率，并输出给两个电磁线圈9，18。所述信号发生模块、调幅模块以及调频模块可以具有本领域技术人员公知的电路结构。

优选地，所述电磁线圈信号处理电路5可以由直接数字频率合成(DDS)集成电路AD9835单片机构成。AD9835是AD公司生产的一款低功耗、可编程波形发生器，最高时钟频率为50MHz。当AD9835的时钟是25MHz时，输出频率范围是DC～12.5MHz，分辨率是0.00582Hz，它的相移可以是任意倍数。

根据本发明的一个优选实施方式，所述静电喷射系统还可以包括位于所述喷嘴7与所述两个电磁线圈9，18之间的可以带有正电压的静电环8。所述静电控制电路3还可以与该静电环8电连接；所述信号处理模块2还用于根据所述指令执行控制所述静电控制电路3输出给所述静电环8的正电压的大小。设置该带有正电压的静电环8，可以更好地约束从喷嘴7喷出的粒子束并对该粒子束进行加速。静电环8上带有的正电压可以是103V-105V。

所述静电控制电路3可以是本领域技术人员公知的用于调节电压的任意装置。优选地，所述静电控制电路3的具体结构可以是基于直流电震荡后升压的原理。例如，静电控制电路3可以包括一个小功率电棍，利用6V-12V直流电源可产生一种高压脉冲；两个三极管构成一振荡器，可以接收该高压脉冲，并产生频率例如为3Hz的直流脉冲电压，该直流脉冲电压输入到特定变压器比例升压器的初级线圈，在每个脉冲结束时，相应地在变压器的次级线圈产生一高电压。脉冲的频率可通过改变振荡器中的电容和电阻的值来进行调整。

在对粒子束进行汇聚之前首先对粒子束进行减速并发散是很有必要的。因为从喷嘴7喷出的纳米颗粒材料粒子束的直径较小且速度较大(尤其是经过静电环8的加速后，粒子束的直径进一步缩小且速度进一步增大)，如果不先降低粒子束的速度并使之发散(即，增大粒子束的直径)，则会对粒子束汇聚带来很大的困难。因为将直径小且速度大的离子束进行汇聚的困难度是很大的，且不易于控制精度。

由此，使用上述离子束汇聚，可以使得纳米颗粒材料能够准确地沉积到工件上的适当位置处，提高了三维成型的灵敏度和准确度。

所述静电喷射系统还可以包括外罩22，喷头6靠近喷嘴7的部分、喷嘴7、两个电磁线圈9，18以及静电环8可以位于该外罩22内。

在本发明的一个实施方式中，还提供一种用于纳米颗粒的快速成型装置，其中，该装置包括上述静电喷射系统。

所述快速成型装置还可以包括计算机1。计算机1可以用于构建物体的三维模型，对构建的三维模型进行处理，对处理后的三维模型进行切片并获得切片后的分层数据。

具体地，计算机1可以利用计算机1辅助设计软件(如Pro/E、I-DEAS、SolidWorks、UG等)直接构建物体的三维模型，也可以将已有物体的二维图样进行转换而形成三维模型，或对物体实体进行激光扫描、CT断层扫描得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。所得数据点经过曲线重构、曲面重构、实体重构，形成实体的三维数字化模型，并将该实体模型转化成快速成型系统通用的数据格式-STL文件。

信号处理模块2可以接收上述分层数据，并可以根据分层数据生成用于调节提供给所述两个电磁线圈9，18的交变信号(例如交流电流或电压)的幅度和频率的指令。电磁线圈信号处理电路5可以接收该指令，并根据该指令调节输出到电磁线圈的交变信号的幅度和频率。

所述快速成型装置还可以包括工件台11和气路系统；工件台11可以接地，气路系统可以包括气源16，用于提供高压压缩气体；用于装载所述纳米颗粒材料的分散腔15，该分散腔15的进口和出口通过管道分别与所述气源16的出口和所述喷头6的入口连接；用于调节进入到喷头6的纳米颗粒材料的流速和流量的位于分散腔15的出口与喷头6的入口之间的管道上的调节阀14；以及气压流量控制模块17，用于接收所述信号处理模块2的指令并根据该指令调节所述调节阀14，以控制从所述喷嘴7喷出的纳米颗粒材料的单位体积粒子数目和喷射速率。

如图1所示，所述气路系统还可以包括位于气源16出口的调节阀和位于分散腔15入口的调节阀。所述气压流量控制模块17还可以用于根据指令调节这两个调节阀，以控制气源16输出的气压和进入到分散腔15的气体的气压。

优选地，在分散腔15的入口处可以设置具有微孔结构的隔膜，所述微孔位于分散腔15内侧的孔径大于位于分散腔15外侧的孔径。优选地，位于分散腔15内侧的孔径大小可以为0.05μm-0.1μm，这样能有效防止分散腔15中的纳米颗粒材料从分散腔15的入口流出。所述微型孔位于所述分散腔15外侧的孔径可以为0.5μm-1μm。

例如，信号处理模块2可以根据分层数据生成用于控制从喷嘴7喷出的纳米颗粒材料的单位体积粒子数目、喷射速率等的指令序列，气压流量控制模块17可以接收该指令序列，并根据该指令序列调节位于分散腔15的出口与喷头6的入口之间的管道上的调节阀14，从而控制从喷嘴7喷出的纳米颗粒材料的单位体积粒子数目、喷射速率等。

所述快速成型装置还可以包括激光器10和基座12，该激光器10用于向工件台11的表面发射激光以对喷射到该工件台11的纳米颗粒材料进行加热，工件台11可以固定在基座12上，基座12可以为驱动机构。所述快速成型装置还可以包括激光驱动模块4，信号处理模块2可以根据分层数据生成用于控制基座12的驱动机构的指令序列，并根据该指令序列通过激光驱动模块4来控制驱动机构动作，以使得工件台11按照预定轨迹运动。同时信号处理模块2还可以根据分层数据生成用于控制激光器10开启/关闭的指令序列，并根据该指令序列通过激光驱动模块4来控制激光器10的开启/关闭。所述工件台11的运动可以是三维运动，所述驱动机构可以是本领域技术人员公知的能够实现多个自由度(例如三个)运动的装置。

所述快速成型装置还可以包括成型室23，所述静电喷射系统、激光器10、工件台11以及基座12可以位于该成型室23内。该装置还可以包括真空气泵21，用于抽出成型室23内的空气；和气泵控制器20，用于接收来自信号处理模块2的指令并根据该指令控制真空气泵21。

所述快速成型装置还可以包括CCD摄像头13，用于拍摄工件台11上的影像并将该影像信号经过CCD图像信号处理电路19处理后发送到计算机1。

所述纳米颗粒材料可以为颗粒直径在10nm-100nm的粉末，即纳米粉体材料。纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子所占比例增大，原子配位不足，使这些表面原子具有高的活性，很容易与其他原子结合，从而引起纳米粒子的吸附性比相同材质的大块材料更强。纳米粒子的表面活性使得它们很容易在成型冷却的过程中团聚在一起，从而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的三维团聚体。纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应等使得其表面能增大、扩散速率增加、成核中心增多，由此不仅导致其熔点大幅度降低，相比体材料要低几百倍或更多，而且对激光的吸收率大幅度提高、热导率增大。在成型过程中由于纳米粉体材料的低温熔烧，从而有效提高了微型零部件的精度和表面光洁度，并且能有效提高微型零件的强度和韧性。同时，由于纳米颗粒对光的吸收效率的提高和熔烧温度的大幅度降低，使得所需激光功率大幅度降低，由此可以采用光斑更小、光束质量更好的可见光波段的激光进行加工，从而保证了微成型的精度和质量。

下面介绍使用本发明提供的快速成型装置进行快速成型的过程。

计算机1利用CAD软件构建物体的三维模型并对该三维模型进行切片处理以生成分层数据后，以信号处理模块2专用的形式存储该分层数据(例如STL文件)。

信号处理模块2接收该分层数据(例如上述STL文件)，根据该数据生成各种指令，并根据该指令执行多种操作，包括但不限于：通过激光驱动模块4控制基座12以使得工件台11按预定轨迹运动；通过激光驱动模块4控制激光器10的开启/关闭；通过气压流量控制模块17控制调节阀14从而控制从喷嘴7喷出的纳米颗粒材料的单位体积粒子数目和喷射速度等；通过静电控制电路3控制加载在喷嘴7和静电环8(可选)上的电压的大小；通过电磁线圈信号处理电路5调节输出给第一电磁线圈和第二电磁线圈的交变信号的幅度和频率。

分散腔15内的纳米颗粒材料在压缩气体的作用下，呈分散状态，并在压缩气体的带动下从出口经由管道(调节阀14)进入喷头6，然后通过喷嘴7喷出。在通过喷嘴7的同时，由于喷嘴7具有负电压，因此，纳米颗粒材料在该负电压形成的电场的作用下带有负电荷，带有负电荷的纳米颗粒材料在带正电压的静电环8与带负电压的喷嘴7之间的电场力的作用下被加速进入到第一电磁线圈。当进入到第一电磁线圈时，带负电的纳米颗粒材料受到该第一电磁线圈产生的向上并向外的电磁力而被减速并向外发散。当被减速并发散的纳米颗粒材料进入到第二电磁线圈时，会受到向下并向内的电磁力，由此纳米颗粒材料被加速并向中心汇聚，之后吸附到工件台11的表面上，同时激光器10向工件表面发射激光以对刚吸附到工件台11表面的纳米颗粒材料进行加热，使其熔化成型。基座12的驱动机构按照预定的程序进行动作，以使得工件台11按照预定轨迹运动，这样就可以在工件台11上形成一层纳米材料层。按照上述过程进行多层叠加就可以得到计算机1所构建的三维物体模型的实物。

在成型的过程中，CCD摄像头13可以实时拍摄成型过程，并将影像信号经过CCD图像信号处理电路19处理后发送到计算机1，计算机1可以将该影像信号在显示器上显示，以方便实时监控。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，喷头7可以带正电压，而静电环8可以带负电压。

另外需要说明的是，本发明涉及本领域技术人员公知的现有技术的部分没有进行详细描述，以使本发明主次分明、重点突出。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于纳米颗粒材料的快速成型装置的静电喷涂系统，该系统包括：

喷头(6)和喷嘴(7)，其特征在于，该喷嘴(7)带有负电压。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述喷头(6)由绝缘材料制成。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，该系统还包括与所述喷嘴(7)电连接的静电控制电路(3)和信号处理模块(2)；该信号处理模块(2)用于接收来自计算机(1)的数据，根据该数据生成多种指令，并根据指令执行控制所述静电控制电路(3)输出给所述喷嘴(7)的负电压的大小。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，该系统还包括位于所述喷嘴(7)与工件台(11)之间的至少两个电磁线圈(9，18)和与该两个电磁线圈(9，18)电连接的电磁线圈信号处理电路(5)；所述信号处理模块(2)还用于根据所述指令执行控制所述电磁线圈信号处理电路(5)分别输出给两个电磁线圈(9，18)的交变信号的幅度和频率，从而调节两个电磁线圈(9，18)所生成的电磁场的大小。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述两个电磁线圈(9，18)中离所述喷嘴(7)较近的一个电磁线圈(9)用于产生第一电磁场，该第一电磁场使得从该喷嘴(7)喷出的纳米颗粒材料的粒子束经过该电磁线圈(9)时被发散并减速；另一个电磁线圈(18)用于产生与第一带磁场方向相反的第二电磁场，该第二电磁场使得被发散并减速的所述粒子束加速并汇聚。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，该系统还包括位于所述喷嘴(7)和所述电磁线圈(9，18)之间的带有正电压的静电环(8)；所述静电控制电路(3)还与该静电环(8)电连接；所述信号处理模块(2)还用于根据所述指令执行控制所述静电控制电路(3)输出给所述静电环(8)的正电压的大小。

7.一种用于纳米颗粒材料的快速成型装置，其特征在于，该装置包括如权利要求1-6中任意一项所述的静电喷射系统。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，该装置还包括：工件台(11)和气路系统；

所述气路系统包括：

气源(16)，用于提供压缩气体；

用于装载所述纳米颗粒材料的分散腔(15)，该分散腔(15)的进口和出口通过管道分别与所述气源(16)的出口和所述喷头(6)的入口连接；

位于所述分散腔(15)的出口与喷头(6)的入口之间的管道上的调节阀(14)；以及

气压流量控制模块(17)，用于接收所述信号处理模块(2)的指令并根据该指令调节所述调节阀(14)，以控制从所述喷嘴(7)喷出的纳米颗粒材料的单位体积粒子数目和喷射速率。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述分散腔(15)的入口处设置有具有微型孔的隔膜，该微型孔位于所述分散腔(15)内侧的孔径大于该微型孔位于所述分散腔(15)外侧的孔径。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述微型孔位于所述分散腔(15)内侧的孔径为0.05μm-0.1μm；所述微型孔位于所述分散腔(15)外侧的孔径为0.5μm-1μm。

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