CN104760290A - 电场辅助二级控量精确成形方法及装置 - Google Patents

电场辅助二级控量精确成形方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电场辅助二级控量精确成形方法及装置，属于增材制造技术领域。由进料装置、无级变域加热装置、脉冲电压发生装置、成形口和移动平台组成。首先根据功能层成形所需材料用量控制无级变域加热装置加热区域范围，实现材料熔融过程的一级控量，脉冲电压发生装置在成形口与成形平台之间形成极化电场和脉冲电场，熔融材料在成形口外被极化电场极化后，在脉冲电场作用下呈液滴状周期性脱离，实现熔融材料的二级控量，在移动平台上固化形成超薄功能层。本发明利用无级变域加热技术和脉冲电场分离技术实现增材制造的两级控量，同时结合电场极化控性，为超薄功能层的精确成形和性能增强提供技术方案。

Description

电场辅助二级控量精确成形方法及装置
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及电场辅助控量控性增材制造方法及装置。
背景技术
增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是基于分层制造原理发展而来的先进制造技术，其在金属材料、陶瓷材料、特别是复合材料的成形过程中发挥着不可替代的作用，不仅有利于实现复杂形状的成形，而且大大提高了成形效率，但在超薄功能层精确成形和零件性能增强方面仍有巨大的提升空间。
静电纺丝（electrospinning）是一种将聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝的过程。在电场作用下，针头处的液滴形成喷射流，进而形成纤维，成形为设计的结构。借鉴电场在静电纺丝中的应用，可在增材制造中利用脉冲电场来实现熔融材料的周期性脱离。
公开号CN101138789及CN103056367A的发明利用压电震荡切断金属束流以形成金属液滴。公开号US8021593 B2利用针状成形口进行控量。
现有增材制造所采用的脉冲电场或压电震荡实现熔融材料分离的方法，尚难以满足超薄功能层精确成形所需的材料控量要求。
发明内容
本发明提供一种电场辅助二级控量精确成形方法及装置，以解决采用脉冲电场或压电震荡实现熔融材料分离时存在的，尚难以满足超薄功能层精确成形所需的材料控量要求的问题。
本发明采取的技术方案是：包括下列步骤：
（1）、一级控量的实现：控制无级变域加热装置，使其内部的原材料自上而下逐渐熔融，在导向管里形成一定的熔融长度；
（2）极化：熔融材料到达成形口末端，此时脉冲电压发生装置在成形口、移动平台之间施加的极化矢量脉冲电压V1，V1是常值，成形口和移动平台间产生电场E1将熔融材料极化，实现材料的性能增强；
（3）二级控量的实现：当部分熔融材料到达成形口外时，形成一个具有锥角的上宽下窄形状，通过脉冲电压发生装置在成形口和移动平台间形成脉冲矢量电压，其波形为方波，当脉冲矢量电压值为VL时，VL是使熔融材料不分离的值；当出现一个电压脉冲VH时，VH是脉冲脱离矢量电压值，锥角尖端处的熔融液滴将在脉冲电压作用下周期性脱离，在移动平台上累加成形；
（4）移动平台根据超薄功能层成形轨迹的要求运动，接收脱离的熔融材料液滴，使其在移动平台上固化形成超薄功能层。
一种电场辅助二级控量精确成形装置，进料装置的进料挤压轮位于原料输送管上部的两侧，导向管套接在原料输送管的外部，无级变域加热装置围绕在导向管外部，成形口与导向管下端固定连接，移动平台位于成形口下方，脉冲电压发生装置的电极分别连接成形口与移动平台，控制装置分别与进料装置、无级变域加热装置和脉冲电压发生装置连接。
所述无级变域加热装置中的发热元件通过电极滑片与加热控制部件连接。
本发明的优点是结构新颖，利用分层制造技术，根据在脉冲电场条件下熔融材料液滴固化成形的技术特点，采用无级变域加热技术和脉冲电场分离技术实现增材制造的两级控量，并结合电场辅助极化控性，实现超薄功能层的精确成形和性能增强，使得控量控性增材制造成为可能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明材料极化示意图；
图3是本发明极化矢量电压波形示意图；
图4是本发明脉冲矢量脱离电压波形示意图。
具体实施方式
 包括下列步骤：
（1）、一级控量的实现：控制无级变域加热装置4，使其内部的原材料自上而下逐渐熔融，在导向管里形成一定的熔融长度，
（2）极化：熔融材料到达成形口5末端，此时脉冲电压发生装置7在成形口5、移动平台之6间施加的极化矢量脉冲电压V1，V1是常值，成形口5和移动平台6间产生电场E1将熔融材料极化，实现材料的性能增强；
（3）二级控量的实现：当部分熔融材料到达成形口5外时，形成一个具有锥角的上宽下窄形状，通过脉冲电压发生装置在成形口5和移动平台6间形成脉冲矢量电压，其波形为方波，当脉冲矢量电压值为VL时，VL是使熔融材料不分离的值；当出现一个电压脉冲VH时，VH是脉冲脱离矢量电压值，锥角尖端处的熔融液滴将在脉冲电压作用下周期性脱离，在移动平台6上累加成形；
（4）移动平台6根据超薄功能层成形轨迹的要求运动，接收脱离的熔融材料液滴，使其在移动平台6上固化形成超薄功能层。
下面对本发明所述方法进一步分析如下：
一级控量的实现：控制系统8根据功能层成形所需材料用量控制无级变域加热装置加热区域范围，根据所需用量加热熔融材料备用，具体实现方式是利用电流热效应或感应加热原理加热，通过上下调节电极滑片403增减加热元件402加热区长度，实现材料熔融过程的一级控量。其有益效果是，无需加热全部材料，可在熔融阶段实现材料用量的一级控制。
极化：材料极化如图2，材料极化、成形均在同一设备中实现，有利于增强材料性能，简化制造工艺。
二级控量方法：利用脉冲电场，并结合数控精密移动平台实现可控逐点累加成形，进一步提高精度。
一种电场辅助二级控量精确成形装置，进料装置1的进料挤压轮位于原料输送管2上部的两侧，导向管3套接在原料输送管2的外部，无级变域加热装置4围绕在导向管3外部，成形口5与导向管3下端固定连接，移动平台6位于成形口5下方，脉冲电压发生装置7的电极分别连接成形口5与移动平台6，控制装置8分别与进料装置1、无级变域加热装置4和脉冲电压发生装置7连接。
所述无级变域加热装置中的发热元件402通过电极滑片403与加热控制部件401连接。
工作原理：
首先分析功能层成形所需的材料用量，根据用量要求控制无级变域加热装置加热区域范围，即调节电极滑片403位置以改变无级变域加热装置4的加热部分长度，从而对熔融阶段的材料用量进行一级控制。材料熔融后，脉冲电压发生装置7 在成形口5和数控精密移动平台6之间施加矢量脉冲电压V1，形成极化电场E1，将熔融材料极化；同时脉冲电压发生装置7在成形口5和数控精密移动平台6间形成脉冲矢量电压VL，成形口5外的熔融材料在电场力的作用下周期性脱离并在电场内加速；数控精密移动平台6根据超薄功能层成形轨迹的要求做精确运动，接收脱离的液滴，并在其上实现材料的固化累加成形。
尽管上面结合附图对本专利实施例进行了描述，但是本专利并不限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是局限性的，本领域的普通技术人员在本专利的启发下，在不脱离本专利宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，例如：1)所使用原材料包括各种功能聚合物材料，其中包括压电聚合物、导电聚合物等；2)并不限制于摩擦轮挤料的各种常见进料方式；3)可变熔融加热的方式包括电阻加热（在螺旋电阻丝中加以电流产生热量）和感应加热（在线圈中通入高频变化的电流产生热量）等；4)各种可实现脉冲分离的电压波形；5)各种精密移动平台，包括三轴，五轴等可精确移动的数控平台等。6)根据熔融材料特性，对导向管4或成形口5的长短或对其截面积从管状到针状进行调整。

Claims (3)

1.一种电场辅助二级控量精确成形方法，其特征在于包括下列步骤：
（1）、一级控量的实现：控制无级变域加热装置，使其内部的原材料自上而下逐渐熔融，在导向管里形成一定的熔融长度；
（2）极化：熔融材料到达成形口末端，此时脉冲电压发生装置在成形口、移动平台之间施加的极化矢量脉冲电压V1，V1是常值，成形口和移动平台间产生电场E1将熔融材料极化，实现材料的性能增强；
（3）二级控量的实现：当部分熔融材料到达成形口外时，形成一个具有锥角的上宽下窄形状，通过脉冲电压发生装置在成形口和移动平台间形成脉冲矢量电压，其波形为方波，当脉冲矢量电压值为VL时，VL是使熔融材料不分离的值；当出现一个电压脉冲VH时，VH是脉冲脱离矢量电压值，锥角尖端处的熔融液滴将在脉冲电压作用下周期性脱离，在移动平台上累加成形；
（4）移动平台根据超薄功能层成形轨迹的要求运动，接收脱离的熔融材料液滴，使其在移动平台上固化形成超薄功能层。
2.一种电场辅助二级控量精确成形装置，其特征在于：一种电场辅助二级控量精确成形装置，进料装置的进料挤压轮位于原料输送管上部的两侧，导向管套接在原料输送管的外部，无级变域加热装置围绕在导向管外部，成形口与导向管下端固定连接，移动平台位于成形口下方，脉冲电压发生装置的电极分别连接成形口与移动平台，控制装置分别与进料装置、无级变域加热装置和脉冲电压发生装置连接。
3.根据权利要求2所述的所述电场辅助二级控量精确成形装置，其特征在于：无级变域加热装置中的发热元件通过电极滑片与加热控制部件连接。
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