CN103407290A - 一种基于电喷印的立体结构的制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电喷印技术的立体结构制备方法，包括：1）建立立体结构的三维模型；2）利用电喷印装置，根据三维模型生成对应的喷嘴运动路径和姿态；3）控制喷印溶液在电场的作用下从电喷印装置喷出，同时控制喷嘴根据上述运动路径和姿态运动，以进行增材喷印并固化；固化后，即可完成立体结构的喷印成型。本发明还公开了一种立体结构的制备装置，以及立体结构表面涂层的喷涂装置和方法。本发明具有更多的控制自由度和更高的操作灵活度，可制备独立的复杂曲面片体、镂空立体零件或在已有零部件表面形成微米级厚度的涂层。

Description

一种基于电喷印的立体结构的制备方法及装置

技术领域

本发明属于电喷印技术领域，更具体地，涉及一种基于电喷印技术的立体结构制备方法及装置。

背景技术

电喷印技术是一种新兴开放的加工制造技术，随着学科交叉的加深，基于电喷印技术的新的应用不断涌现，在新型电子材料、微纳制造工艺和设备等方面不断出现新的应用突破。电喷印技术利用高压电场的作用，将有机或无机材料溶液进行纺丝拉制、沉积，从而实现特殊的应用。

复杂的曲面片体和立体结构的加工制备一直是加工制造行业的一大难题，使用传统的专用机床、加工中心的方法已经很难满足某些领域对一些特殊零部件的需求，特别是，随着人类在医学、军事、航空航天等领域的不断探索和进步，新型的、微型化的、超精密的复杂零件有着越来越重大的需求，在某种程度上也成为了制约一个国家制造业水平的关键，因此，寻找一种新型的复杂曲面片体和立体结构加工制造方法至关重要。

中国专利文献201210010675.5公开了一种基于静电喷印制备阵列化图案的装置和方法，其利用静电纺丝喷印的原理进行图案制备，可以产生微米级的电纺丝图案，但是该方案仅用于平面图案的制作，不适于空间曲面片体和立体结构的制备。

随着对曲面片体或复杂立体结构越来越迫切的需求和推广应用，传统的加工方法和很多新型的制造技术已不再能满足人们的要求。传统专用机床、加工中心、模具铸造的方式，对零件的形貌有较高要求，对于较复杂的零件，如发动机壳体等，无法直接加工和成型；而新兴的3D打印技术，虽然对加工零件的形貌没有太高要求，可以加工各种比较复杂的立体形貌结构，但是，对于高精度的曲面片体或复杂立体结构的成型，常常达不到理想精度和效果，而且，3D打印技术采用逐层固化成型的方式，加工效率低下，对复杂零部件的制备往往需要较长的周期。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于电喷印的立体结构的制备方法及装置，其目的在于通过结合静电纺丝和喷印的原理，采用增材制造的技术，利用计算机辅助制造的手段来制备出立体结构。本发明的方法和装置柔性大，产品类型和参数可随时根据用户需求进行变更，而且可以生产结构复杂的立体结构。另外，本发明提供一种基于电喷印的立体结构表面涂层的制备方法及装置，用于在具有复杂表面形貌的立体结构上进行涂层喷涂。

按照本发明的一个方面，提供了一种基于电喷印的立体结构的制备方法，包括如下步骤：

1）建立所述立体结构的三维模型；

2）根据所述立体结构的形貌，利用所述三维模型生成所述立体结构对应的电喷印喷嘴的运动路径和姿态；

3）控制喷印溶液在电场的作用下从电喷印喷嘴喷出，同时控制所述喷嘴根据上述运动路径和姿态进行运动，以进行增材喷印,经固化后即可完成所述立体结构的喷印成型或表面涂层。

作为本发明的进一步优选，所述喷嘴可在三维方向上平动并同时绕固定点在多个方向上转动,所述运动路径和姿态通过所述平动和转动的结合实现。

作为本发明的进一步优选，所述喷嘴设置在球形电机的输出轴端，该球形电机固定设置在可实现三维平动的平动机构上，所述喷嘴随着所述输出轴的转动实现相对平动机构在多个方向上的转动。

按照本发明的另一方面，提供一种基于电喷印的立体结构的制备装置，用于对曲面片体或立体机构进行增材喷印或表面涂层，从而制备出具有立体形貌的立体结构，其特征在于，该制备装置包括：

喷嘴，其与一盛装喷印溶液的容器连通，并与一置于该喷嘴下方且其上设有固化装置的底板通过一高压发生器相连，使得在两者之间形成高压电场，从而喷嘴喷出的溶液形成射流喷向底板并固化以进行喷印或涂层；

球形电机，其输出轴端部与所述喷嘴连接，用于带动喷嘴转动以调整喷嘴的空间姿态，从而实现从喷嘴喷出的喷印射流的角度调整；

平动机构，其与所述球形电机固定连接，可带动所述球形电机并进而带动所述喷嘴在空间三维方向上的平动；

通过所述平动机构和球形电机可带动所述喷嘴在空间多自由度的运动，从而对所述立体机构进行增材喷印，即可通过喷印完成立体结构的制备。

作为本发明的进一步优选，所述球形电机由定子和转子组成，两者之间形成球面副，从而具有多个转动自由度，通过控制该球形电机转子的转动角度即可调整喷嘴的姿态。

作为本发明的进一步优选，所述平动机构具有可沿第一方向平动的第一平动组件，设置在该第一平动组件上可相对该第一平动组件沿第二方向平动的第二平动组件，以及设置在该第二平动组件上可相对该第二平动组件沿第三方向平动的第三平动组件，其中所述第一方向、第二方向和第三方向相互垂直，所述球形电机设置在所述第三平动组件上，从而可通过该球形电机控制所述喷嘴实现在空间的位置和姿态调整。

按照本发明的再一个方面，提供了一种基于电喷印的立体结构表面涂层的制备方法，包括如下步骤：

1）建立所述立体结构的三维模型；

2）根据所述立体结构的外周轮廓形貌，利用其三维模型生成所述立体结构外周轮廓形貌对应的电喷印喷嘴的运动路径和姿态；

3）控制喷印溶液在电场的作用下从电喷印装置喷出，同时控制所述喷嘴根据上述运动路径和姿态运动，以进行喷涂,经固化后即可完成所述立体结构的表面涂层喷印。

作为本发明的进一步优选，所述喷嘴可在三维方向上平动并同时绕固定点在多个方向上转动,所述运动路径和姿态通过所述平动和转动的结合实现。

按照本发明的又一个方面，提供一种基于电喷印的立体结构表面涂层的制备装置，用于对曲面片体或立体机构表面进行涂层喷印，其特征在于，该制备装置包括：

本发明中，所述立体结构可以是曲面片体或立体结构，即本发明即适用于常规尺寸的立体结构，也特别适用于微细尺寸（例如微米级或纳米级）的立体结构。

本发明的球形电机具有多个旋转自由度，可以绕过定点的任意空间轴线旋转，机械集成度高、精度高，用于调整溶液从喷嘴喷出时的角度。

本发明的溶液容器用于提供制备立体结构的材料溶液，该溶液能被高压场极化并发生喷射，溶液的喷出速度和流量由流量泵控制。

本发明的固化装置通过底板固定在喷嘴下方，该底板与所述喷嘴通过高压发生器相连，使得在两者之间形成高压电场。

本发明中，溶液容器中的溶液可根据所要加工零件性能参数等综合选定，该溶液需能被高压电场产生极化作用。

本发明中，喷嘴安装在球形电机的输出轴上，球形电机采用电磁式，可以高精度的控制输出轴的空间角度，球形电机由转子和定子组成，具有多个转动自由度，通过控制球形电机的位置和输出轴角度即可调整喷嘴的空间位姿。

本发明中，可以制作一套内径或者喷口形状不同的喷嘴，通过更换喷嘴可以满足不同零件的特殊工艺参数要求。

本发明中，高压发生器的正负电极之一与喷嘴相连，另一电极与底板相连，在喷嘴与底板之间形成高压电场，使溶液脱离在喷嘴端的自身表面张力形成射流或喷雾。

本发明中，高压发生器在喷嘴与底板之间所施加的电压可根据所要求制备的产品工艺参数进行设定，使得所施加的电压形成的电场能够破坏喷嘴处溶液自身的表面张力。

本发明中，固化装置需要很快能将已经增材喷出的溶液进行固化，并且已经发生固化的溶液需要与后续增材的溶液具有良好的融合性。

本发明的方法先建立所制备零件的三维模型，打开流量泵将溶液容器内的溶液输送至喷嘴，在电场的作用下，溶液经喷嘴喷出形成射流或喷雾，该喷出的溶液会被固化装置迅速固化为独立的复杂曲面型立体构件。

另外，本发明的方法和装置也可以用来在已有的曲面片体或立体零部件表面喷涂涂层。

总体而言，按照本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明采用电喷印的原理，利用计算机辅助制造的手段，通过增材制造的方式，在电场的作用下使溶液脱离表面张力形成射流或喷雾，喷出的溶液可以形成复杂曲面等立体结构。该方法主要具备以下的技术优点:

1、采用静电纺丝的原理，通过对制备工艺中的一些关键工艺参数譬如电场电压值、流量泵流量以及喷嘴的喷口直径等进行调整，可以制得不同性能的立体结构或曲面片体，满足不同用户的需求，柔性大；

2、按照本发明的制备方法整体工艺过程自动化程度较高，减少了人工参与，维护和升级成本较低，另外，该方法采用了增材制造的方式，与传统减材制造的方式相比，灵活性更高，适用于微型、难度较大的立体结构的制造；

3、该装置中使用了球形电机，该电机具有多个旋转自由度，实现输出轴的旋转运动，控制灵活，精度高，可精确调整喷嘴的空间角度，从而改变溶液喷出时的运动学参量及成型后的工艺性能。

本发明与相比常规的3D打印技术，该方法与装置具有更多的控制控制自由度和更高的操作灵活度，可制备独立的曲面片体或微米厚度的复杂曲面片体、镂空立体零件或在已有零部件表面形成微米级厚度的涂层。

附图说明

图1是本发明实施例的立体结构制备装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例装置的喷嘴结构示意图；

图3是本发明实施例装置的球形电机结构示意图；

图4（a）是利用本发明实施例的装置成型的空间复杂曲面；

图4（b）是利用本发明实施例的装置成型的变直径弹簧；

图5是利用本发明实施例的装置所成型的空间立方体框架结构图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同元件或结构，其中：

1-Y向电机  2-Y向模组  3-流量泵  4-材料溶液  5-溶液容器6-喷嘴  7-球形电机  8-支撑杆  9-Z向电机  10-Z向模组  11-X向模组  12-X向电机  13-Y向导轨  14-高压发生器  15-固化装置16-金属底板  17-工作台

601-喷嘴管壁  602-喷嘴溶液注入口  603-喷嘴连接螺纹口604-溶液导流柱  605-辅助电极

701-定子  702-转子  703-输出轴  704-喷嘴连接螺纹柱

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。此处说明若涉及到具体实例时仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示，本实施例的制备装置包括平动部件即机械执行部件（X向电机12、X向模组11、Y向电机1、Y向模组2、Y向导轨13、Z向电机9、Z向模组10），流量泵3、材料溶液4、溶液容器5、喷嘴6、球形电机7、支撑臂8、高压发生器14、固化装置15、金属底板16和工作台17。

机械执行部件即电机和与其配合的直线运动模组，用于调整电喷印喷嘴6的空间位置，从而在不同的加工位置进行喷射成型。其中，X向电机12与X向模组11配合，用于带动该X向模组11在X方向的平移运动。Y向电机1与Y向模组2配合，用于带动Y向模组2在Y方向的平移运动，且X向电机12与X向模组11两者均设置在Y向模组2上，从而可带动X向电机12与X向模组11在Y方向的平移运动。Z向电机9与Z向模组10配合并设置在X向模组11上，其可带动Z向模组10相对X向模组11在Z方向平移运动。另外，Y向导轨13与Y向模组2平行布置，用于与Y向模组2一同支撑X向模组11。

溶液容器5通过流量泵3与喷嘴6相连，溶液容器5中充有可被高压电场极化的用于制备立体结构的溶液4。在流量泵3的作用下溶液4被精确的推动至喷嘴6。通过调节流量泵3的参数可以控制喷嘴6处喷出溶液的流量和初速度。

喷嘴6安装在球形电机7的输出轴上，通过调整球形电机的位置和输出轴角度即可调节喷嘴的空间位姿。喷嘴6中喷嘴溶液注入口602与流量泵3的一端相连，是喷嘴中溶液的注入口。溶液导流柱604用于溶液导流并且辅助溶液纺丝的形成；辅助电极605连接高压发生器14的一端，高压发生器的另一端与金属底板16相连，用于在喷嘴6和金属底板16之间形成高压电场。

球形电机7，利用转子702和定子701的电磁耦合控制，可实现球形电机输出轴703在空间大角度转动，用于调整喷嘴6的空间姿态。如图3所示，球形电机利用其转子702和定子701上球面副转动，实现输出轴703的旋转运动，控制灵活，精度高，可精确调整喷嘴6的空间角度，从而改变溶液喷出时的运动学参量以及成型后的工艺性能。喷嘴连接螺纹704用来实现与喷嘴6的连接。

根据工艺要求，喷嘴6的孔内径或者喷口形状可以互不相同，但都采用相同的螺纹接口，通过更换喷嘴可以满足不同零件的特殊工艺参数要求通常，喷嘴喷口端部为尖状或圆角或为其他形状，如图2所示为针状端部的喷嘴。

固化装置15位于喷嘴6的下方，同时固化装置15与下方的金属底板16相连，固化装置15能将已经增材的溶液进行固化，并且保证已经发生固化的溶液能与后续增材的溶液具有良好的融合性。

高压发生器14的电极之一与喷嘴6相连，另一极与底板16相连，使得喷嘴6与金属底板16之间形成高压电差，由此使极化后的溶液在电场作用下从喷嘴6向金属底板16方向喷射。射流在经过固化装置15的过程中，就会被迅速固化。

本实施例的立体结构的制备方法中，首先对所需立体结构的整体结构进行电脑三维模型的建立，然后根据所述三维模型生成各轴运动路径，用来准确控制喷嘴的空间位置和姿态；然后启动流量泵3，打开高压发生器14，调整好喷嘴6和金属底板16之间的电压，使喷嘴6处溶液在电场的作用下脱离表面张力喷出。需要增材的位置喷出射流或喷雾，喷射出的纤维会被固化装置15迅速固化。将固化于固化装置的立体结构从上述增材制造装备中移出，进行后续加工处理。

本发明提供的基于电喷印技术的立体结构制备方法及装置，其通过结合静电纺丝和喷印的原理，采用增材制造的技术，利用计算机辅助制造的手段来生产立体结构，该方法柔性大，产品类型和参数可随时根据用户需求进行变更，而且可以生产结构复杂的、传统方法无法加工的超难度空间立体结构。

本发明中的立体结构可以是各种具有复杂表面形貌的立体，特别是可以为微立体结构，也可以是各种曲面片体等等。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于电喷印的立体结构的制备方法，包括如下步骤：

1）建立所述立体结构的三维模型；

2）根据所述立体结构的形貌，利用所述三维模型生成该立体结构对应的电喷印喷嘴的运动路径和姿态；

3）控制喷印溶液在电场的作用下从电喷印喷嘴喷出，同时控制所述喷嘴根据上述运动路径和姿态进行运动，以进行增材喷印,经固化后即可完成所述立体结构的喷印成型。

2.根据权利要求1所述的一种基于电喷印的立体结构的制备方法，其特征在于，所述喷嘴可在三维方向上平动并同时绕固定点在多个方向上转动,所述运动路径和姿态通过所述平动和转动的结合实现。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于电喷印的立体结构的制备方法，其特征在于，所述喷嘴设置在球形电机的输出轴端，该球形电机固定设置在可实现三维平动的平动机构上，所述喷嘴随着所述球形电机的输出轴的转动实现相对平动机构在多个方向上的转动。

4.一种基于电喷印的立体结构的制备装置，用于对立体结构进行增材喷印，从而制备出具有立体形貌的立体结构，其特征在于，该制备装置包括：

喷嘴（6），其与一盛装喷印溶液的容器（5）连通，并与一置于该喷嘴（6）下方且其上设有固化装置（15）的底板（16）通过一高压发生器（14）相连，使得在两者之间形成高压电场，从而喷嘴（6）喷出的溶液形成射流或喷雾喷向底板（14），可在固化装置中形成立体结构，或在待喷涂零部件表面形成涂层；

球形电机（7），其输出轴端部与所述喷嘴（6）连接，用于带动喷嘴（6）转动以调整其空间姿态，从而实现从喷嘴（6）喷出的喷印液体的角度调整；

平动机构，其与所述球形电机（7）固定连接，可带动该球形电机（7）并进而带动所述喷嘴（6）在空间三维方向上的平动；

通过所述平动机构和球形电机（7）可带动所述喷嘴（6）在空间实现平动与转动结合的多自由度的运动，从而对所述曲面片体或立体机构进行增材喷印，即可通过喷印完成立体结构的制备。

5.根据权利要求4所述的一种基于电喷印的立体结构的制备装置，其特征在于，所述球形电机（7）由定子和转子组成，两者之间形成球面副，从而具有多个转动自由度，通过控制该球形电机（7）转子的转动角度即可调整喷嘴的姿态。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于电喷印的立体结构的制备装置，其特征在于，所述平动机构具有可沿第一方向平动的第一平动组件（1,2），设置在该第一平动组件（1,2）上可相对该第一平动组件（1,2）沿第二方向平动的第二平动组件（11,12），以及设置在该第二平动组件（11,12）上可相对该第二平动组件（11,12）沿第三方向平动的第三平动组件（9,10），其中所述第一方向、第二方向和第三方向相互垂直，所述球形电机（7）设置在所述第三平动组件（9,10）上，从而可通过该球形电机（7）控制所述喷嘴（6）实现其在空间的位置和姿态调整。

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