CN102744405A - 一种快速成型装置及其压电式喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于纳米颗粒材料的快速成型装置的压电式喷射系统，该系统包括：填料仓(7)，用于装载纳米颗粒材料与有机溶剂的混合溶液；喷头(8)和喷嘴(10)，该喷头(8)用于接收来自所述填料仓(7)的混合溶液；其特征在于，所述喷头(8)上至少与所述喷嘴(10)相对的壁的至少一部分(9)是由压电陶瓷材料制成的；该系统还包括压电控制模块(4)，用于向由压电陶瓷材料制成的所述至少一部分(9)施加电压，并调节该电压的大小和频率。通过控制施加电压的大小和频率，就可以控制从喷嘴喷出的混合溶液的液滴的大小和单位时间内喷出的液滴的数目，这样可以显著地提高成型精度。

Description

一种快速成型装置及其压电式喷射系统

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压电式喷射系统。

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精度。

发明内容

本发明针对现有技术中RP技术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压电式喷射系统，该系统包括：填料仓，用于装载纳米颗粒材料与有机溶剂的混合溶液；喷头和喷嘴，该喷头用于接收来自所述填料仓的混合溶液；其中，所述喷头上至少与所述喷嘴相对的壁的至少一部分是由压电陶瓷材料制成的；且该系统还包括压电控制模块，用于向由压电陶瓷材料制成的所述至少一部分施加电压，并调节该电压的大小和频率。

本发明的另一个方面还提供了一种用于纳米颗粒的快速成型装置，其中，该装置包括上述压电式喷射系统。

在根据本发明的装置中，由压电陶瓷材料制成的壁的至少一部分被施加电压时会发生机械变形，当停止施加电压或施加反向电压时又会回复到初始位置或向相反方向发生机械变形。在压电控制模块的控制下，给上述至少一部分施加电压，之后停止施加电压或施加反向电压，可以使该部分挤压喷头内的溶液，由此使得液滴从喷嘴喷出。通过控制施加电压的大小和频率，就可以控制从喷嘴喷出的混合溶液的液滴的大小和单位时间内喷出的液滴的数目，这样可以显著地提高成型精度。

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压电式喷射系统，该系统包括：填料仓7，用于装载纳米颗粒材料与有机溶剂的混合溶液；喷头8和喷嘴10，该喷头8用于接收来自所述填料仓7的混合溶液；其中，所述喷头8上至少与所述喷嘴10相对的壁的至少一部分9是由压电陶瓷材料制成的；且所述喷射系统还包括压电控制模块4，用于向由压电陶瓷材料制成的所述至少一部分9施加电压，并调节该电压的大小和频率。

所述由压电陶瓷材料制成的所述至少一部分9可以是压电陶瓷片或压电陶瓷薄膜。

在本发明的优选实施方式中，除了与喷嘴10相对的壁，所述喷头8的其它壁的至少一部分也可以是压电陶瓷片或压电陶瓷薄膜。

在本发明的优选实施方式中，填料仓7可以通过管道与喷头8连接，所述填料仓7可以位于所述喷头8的上方，使得该填料仓7中的所述混合溶液能够在自身重力的作用下进入到所述喷头8。

所述喷射系统还可以包括信号处理模块2，该信号处理模块2用于接收来自计算机1的数据，根据该数据生成用于所述压电控制模块4的指令；

所述压电控制模块4接收该指令，根据指令控制施加到所述至少一部分9的电压的大小和频率。

具体来说，信号处理模块2可以接收来自计算机1的上述分层数据，根据该分层数据可以产生各种指令，例如关于从喷嘴10喷出的混合溶液的液滴的大小以及单位时间内喷出的液滴的数目的指令。本领域技术人员可以理解的是，在成型过程中，从喷嘴10喷出的液滴的大小以及单位时间内喷出的液滴的数目等应当与工件台12的运动保持协调，这取决于切片的精度，即每一个分层数据所代表的物体切片的厚度。

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。

压电控制模块4可以从信号处理模块2接收关于液滴大小以及液滴喷射频率的指令，根据该指令调节施加到压电陶瓷材料制成的壁的至少一部分9的电压的大小以及电压的频率从而控制从喷嘴10喷出的液滴的大小以及单位时间内喷出的液滴的数目。

举例来说，可以采用方波电压信号。纳米颗粒材料与例如酒精、丙酮等的有机溶剂混合并分散后装入填料仓7，然后从填料仓7进入到喷头8。在一个周期中，当给压电陶瓷片或压电陶瓷薄膜(即，上述喷头8的壁的至少一部分9)施加正电压时，压电陶瓷片或薄膜会产生机械变形，向外收缩，使喷头8的容积稍微增大。当停止施加电压或施加负电压时，压电陶瓷片或薄膜在恢复力或恢复力与由于施加负电压形成的反向拉力的作用下，压电陶瓷片或薄膜迅速向喷头8内弹压，压缩喷头8的容积，将喷头8里的混合溶液的一部分从喷嘴10挤出。此时被挤出的部分形成液滴，由于喷头8内的溶液对液滴的牵引力，该液滴挂在喷嘴10上。此时，停止给压电陶瓷片或薄膜施加电压或施加反向电压，使得该压电陶瓷片或薄膜迅速往回收缩，使得喷头8内的溶液与液滴断开，液滴在自身重力的作用下飞离喷嘴10。由此，所施加的电压在一个电压周期内方向发生交替，或者所施加的电压在一个电压周期的一部分中为零。可替换地，在一个电压周期中，可以直接施加电压使得压电陶瓷片或薄膜压缩喷头8的容积，然后停止施加电压，使压电陶瓷片或薄膜回复到初始位置。通过这样的方式，液滴的形状得到了精确控制。从喷嘴10喷出的液滴都有完美的形状(近似球状)和正确的飞行方向。通过控制施加电压的大小就可以控制从喷嘴10喷出的液滴的大小，控制电压的频率(或周期)就能够控制液滴的单位时间内喷出的液滴的数目。

所述压电控制模块4可以是本领域技术人员公知的用于压电陶瓷的调节电压的装置。优选地，所述压电控制模块4可以例如是XE-500或XE-501驱动电源装置。具体地，该驱动电源装置可以包括：CPU模块，由单片机、串行通信接口电路、电压监控和数字逻辑隔离电路等构成，该CPU模块控制整个驱动电源各模块的正常工作；脉冲触发模块，该模块可以产生10V的高压脉冲触发信号、参考电压信号和偏置电压；波形发生器模块，该模块可以产生一个与输出的激励脉冲幅值成比例的低压参考脉冲波形，为数模转换做准备；状态模块，该模块配合CPU模块的工作，用于控制整个压电陶瓷驱动电源的输出，并能检测输出情况；DAC模块，该模块是数模转换模块，是将数字的脉冲信号转换成低压的梯形波模拟脉冲信号，为高压放大电路提供所需要的信号；LED模块：该模块是LED灯显示模块，通过不同的LED灯的亮和熄灭来显示压电陶瓷驱动电源的工作情况。

根据本发明的另一个实施方式，还提供一种用于纳米颗粒材料的快速成型装置，其可以包括如上所述的压电式喷射系统。

所述快速成型装置还可以包括工件台12，用于承载从喷嘴10喷出的纳米颗粒材料。

所述快速成型装置还可以包括计算机1或可以和计算机1配合使用。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。

所述信号处理模块2用于接收来自计算机1的数据，根据该数据生成用于所述压电控制模块4的指令；所述压电控制模块4接收该指令，根据指令控制施加到所述至少一部分9的电压的大小和频率。

所述快速成型装置还可以包括激光器11和基座13，该激光器11用于向工件台12的表面发射激光以对喷射到该工件台12的纳米颗粒材料进行加热，工件台12可以固定在基座13上，基座13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5和机械微驱动模块6。信号处理模块2还可以根据分层数据生成用于控制基座13的指令序列，并根据该指令序列通过机械微驱动模块6来控制基座13动作，以使得工件台12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11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5来控制激光器11的开启/关闭。所述工件台12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，所述静电喷射系统、激光器11、工件台12以及基座13可以位于该成型室内。该装置还可以包括真空气泵15，用于抽出成型室内的空气。

所述快速成型装置还可以包括CCD摄像头14，用于拍摄工件台12上的影像并将该影像信号经过CCD图像信号处理电路3处理后经由信号处理模块2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：通过机械微驱动模块6控制基座13以使得工件台12按预定轨迹运动；通过激光驱动模块5控制激光器11的开启/关闭；通过压电控制模块4控制施加到压电陶瓷片或薄膜的电压的大小和频率从而控制从喷嘴10喷出的纳米颗粒材料与有机溶液混合后的混合溶液的液滴的大小和单位时间内喷出的液滴的数目等。

填料仓7内的混合溶液通过管道进入喷头8，然后如上所述以液滴的形式从喷嘴10喷出。液滴被喷到到工件台12的表面上，溶剂很快挥发，残留下团聚的纳米颗粒在工件台12上。同时激光器11向工件表面发射激光以对刚落到工件台12表面的纳米颗粒进行加热，使其熔化成型。基座13按照预定的程序进行动作，以使得工件台12按照预定轨迹运动，这样就可以在工件台12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14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3处理后经由信号处理模块发送到计算机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。

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 (7)

1.一种用于纳米颗粒材料的快速成型装置的压电式喷射系统，该系统包括：

填料仓(7)，用于装载纳米颗粒材料与有机溶剂的混合溶液；

喷头(8)和喷嘴(10)，该喷头(8)用于接收来自所述填料仓(7)的混合溶液；

其特征在于，所述喷头(8)上至少与所述喷嘴(10)相对的壁的至少一部分(9)是由压电陶瓷材料制成的；该系统还包括压电控制模块(4)，用于向由压电陶瓷材料制成的所述至少一部分(9)施加电压，并调节该电压的大小和频率。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所施加的电压在一个电压周期内方向发生交替。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所施加的电压在一个电压周期内的一部分中为零。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，由压电陶瓷材料制成的所述至少一部分(9)是压电陶瓷片或压电陶瓷薄膜。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述填料仓(7)位于所述喷头(8)的上方，使得该填料仓(7)中的所述混合溶液能够在自身重力的作用下进入到所述喷头(8)。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，该系统还包括信号处理模块(2)，该信号处理模块(2)用于接收来自计算机(1)的数据，根据该数据生成用于所述压电控制模块(4)的指令；

所述压电控制模块(4)接收该指令，根据指令控制施加到所述至少一部分(9)的电压的大小和频率。

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

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