CN106142571B - 无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置及方法，属于增材制造领域。三角洲运动基板装置固定在机架内并位于其顶板下方，聚焦超声系统固定在机架内并位于其底板上方，材料池装置位于聚焦超声系统上方并固定在机架上，供料装置固定在机架的支撑柱上。本发明将聚焦超声技术与增材制造技术相结合，喷射液滴的尺寸不受喷头限制，无需使用喷头，避免堵塞喷头，降低了制造成本；采用由下向上喷射式喷射微滴，可避免卫星液滴的产生，提高打印精度；可实现多种材料混合增材制造，实现功能梯度材料的增材制造；打印过程中微滴喷射频率可调，微滴直径大小可变，实现无级变速微滴喷射增材制造。

Description

无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，特别涉及一种无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置及方法，用于无级变速多材料的超声微滴喷射增材制造，喷射过程中喷射速度与喷射液滴直径可调控，可实现功能梯度材料增材制造。

背景技术

微滴喷射增材制造技术是在计算机的控制下，根据设计的三维图形，使材料以微细液滴的形式喷射至底板，形成具有真实产品功能的三维实体器件。与传统增材制造技术相比，其具有成形精度高，适用原材料广泛等优点，在打印设备，制造领域和生物医学工程中得到了愈来愈多的应用，并取得了令人瞩目的效果，具有很好的发展前景。典型的微滴喷射增材制造装置有阀控式、电场偏转式、热泡式和压电式等。

阀控式微滴喷射增材制造装置，用液泵或压缩空气对液体施加一定的压力，借助控制阀(如电磁阀、气动阀或螺杆阀等)的开通产生液流，通过改变压力、开通时间和喷头的直径来控制液流量。但其微滴喷射速率低，液滴直径受喷头限制，且容易堵塞喷头。

电场偏转式微滴喷射增材制造装置，利用液泵或压缩空气对液体施加一定的压力并使之形成液流，通过微滴发生器周期性地使液流断裂成微滴，然后对液滴进行充电，再用偏转电极板控制液滴的飞行方向，使液滴射至预定的位置。但其生成微滴尺寸精度差，并伴有卫星液滴产生，需要复杂的电场控制，难以实现多种材料混合增材制造。

热泡式微滴喷射增材制造装置，利用宽度为几微秒的脉冲电流瞬时将喷头内的电热元件加热至300℃左右，与电热元件表面接触的液体迅速汽化，形成很小的气泡，膨胀的小气泡挤压喷头中的液体，使其以微滴的形式从喷头中射出。但其需要加热，只能用于喷射能被热量蒸发的水溶液，喷头中存在热应力，且液滴直径受喷头限制。

压电式微滴喷射增材制造装置，借助压电器件产生的机械运动，使喷头中的液体克服喷头处的阻力和表面张力形成微滴射出。但其喷射材料粘度范围小，生成微滴的体积主要由喷头的直径来控制，且容易产生卫星液滴，影响成形精度。

综上所述，现有微滴喷射增材制造装置，生成液滴尺寸受喷头限制，常伴有卫星液滴产生，且容易堵塞喷头；不易实现多种材料混合增材制造，无法实现功能梯度材料的增材制造；喷射过程中，喷射速度与液滴的大小不易改变，不能实现变速微滴喷射增材制造。本发明正是针对目前微滴喷射增材制造装置的现状，研制了喷射液滴尺寸不受喷头限制，无卫星液滴产生，喷射材料粘度范围大，可无级变速多材料混合的微滴喷射增材制造装置。

发明内容

本发明提供一种无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置及方法，将聚焦超声技术与增材制造技术相结合，实现无级变速多材料的超声微滴喷射增材制造，解决现有微滴喷射增材制造系统喷射液滴尺寸受喷头限制，容易堵塞喷头，喷射过程中伴随有卫星液滴产生，无法实现多材料功能梯度材料增材制造，喷射过程中喷射速度与喷射液滴尺寸不可改变的问题。

本发明采取的技术方案是：包括机架、三角洲运动基板装置、材料池装置、聚焦超声系统和供料装置，所述的三角洲运动基板装置固定在机架内并位于其顶板下方，所述的聚焦超声系统固定在机架内并位于其底板上方，所述的材料池装置位于聚焦超声系统上方并固定在机架上，所述的供料装置固定在机架的支撑柱上。

本发明所述的机架由底板、光杠底座、支撑柱和顶板之间通过固定连接组成，所述的支撑柱用于固定连接底板和顶板，所述的光杠底座上有同步带轮槽，所述的光杠底座分别用于连接光杠一和光杠二，所述的同步带轮槽分别用于连接同步带轮一和同步带轮二；所述的顶板上有同步带通孔，用于穿过同步带一和同步带二。

本发明所述的三角洲运动基板装置由步进电机一、联轴器一、电机座一、同步带轮三、滑块一、光杠一、连杆一、基板一、同步带一和同步带轮一组成，所述的步进电机一通过电机座一连接到机架的顶板上，所述的同步带轮三通过联轴器一与步进电机一相连，通过同步带一与固定于同步带轮槽上的同步带轮一相连，所述的滑块一与光杠一滑动连接，在同步带一的带动下进行上下运动，所述的连杆一一端与滑块一铰接，另一端与基板一铰接。

本发明所述的材料池装置的结构是，料池底座通过连接件一固定连接在机架的支撑柱上，材料池固定连接在材料池底座上，所述的材料池具有多个储料小室，用于装不同的喷射材料。

本发明所述的供料装置的结构是，微注射泵通过连接件二固定连接在机架的支撑柱上，所述的输料管一端与微注射泵相连，另一端与材料池相连，计算机根据喷射材料量控制供应材料量。

本发明所述的聚焦超声系统由步进电机二、电机座二、联轴器二、同步带轮四、耦合液池、聚焦超声换能器、基板二、光杠二、同步带二、滑块二、连杆二和同步带轮二组成，所述的步进电机二通过电机座二连接到机架的顶板上，所述的同步带轮四通过联轴器二与步进电机二相连，通过同步带二与固定于同步带轮槽上的同步带轮二相连，所述的滑块与光杠二滑动连接，在同步带二的带动下进行上下运动，所述的连杆二一端与滑块二铰接，另一端铰接于基板二上，所述的耦合液池固定在基板二上，所述的聚焦超声换能器固定在耦合液池内。

一种无级变速多材料超声微滴喷射增材制造方法，包括如下步骤：

计算机根据所需喷射材料的种类，控制聚焦超声系统平面移动，令聚焦超声换能器位于所需喷射材料的正下方；

所述的聚焦超声换能器，在喷射微滴前，先发射一个检测声波，位于聚焦超声换能器表面的声呐接收由耦合液与材料池下底面之间的界面、材料池上底面与材料之间的界面和材料与空气之间的界面反射回来的声波，并将信息反馈给计算机，计算机根据反射声波的信息分析出材料池内所要喷射材料的声阻抗以及液面高度，结合输入的喷射液滴直径和喷射速度参数，分析出所需聚焦超声换能器的焦距以及驱动频率，调节聚焦超声系统的高度，发出相应的驱动信号进行微滴喷射；

在微滴喷射过程中，计算机根据喷射流量及材料种类控制供料装置供料，根据喷射液滴所需沉积位置控制三角洲运动基板装置上的基板一的空间运动，从而实现多材料混合超声微滴喷射增材制造。

本发明聚焦超声换能器通过发射聚焦声波，在材料表面的焦点处，声压力使液体材料克服其表面张力并喷射出，喷射方向竖直向上，无需使用喷头；通过改变聚焦超声换能器驱动频率和驱动电压的大小，喷射过程中可改变喷射速度和喷射液滴直径的大小；可喷射粘度范围为0-2000mpa.s的陶瓷粉末浆料，聚合物粉末浆料，金属粉末浆料以及室温下液态金属材料；可喷微滴的体积范围为5pl-250nl,稳定喷射频率范围为0-8000Hz；结合基板的空间移动与聚焦超声系统的空间移动以及聚焦超声换能器驱动信号的变化，本发明可实现无级变速多材料混合超声微滴喷射增材制造。

本发明的有益效果为：将聚焦超声技术与增材制造技术相结合，实现喷射液滴的尺寸不受喷头限制，无需使用喷头，避免堵塞喷头，降低了制造成本；采用由下向上喷射式喷射微滴，可避免卫星液滴的产生，提高打印精度；喷射材料粘度范围为广，可实现导电浆料、陶瓷浆料、金属粉末悬浊液和室温下液态金属等材料的微滴喷射；可实现多种材料混合增材制造，实现功能梯度材料的增材制造；打印过程中微滴喷射频率可调，微滴直径大小可变，实现无级变速多材料微滴喷射增材制造。为微滴喷射增材制造领域提供了一种新的微滴喷射成形方法。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明机架的结构示意图；

图3是本发明三角洲运动基板装置的结构示意图；

图4是本发明三角洲运动基板装置顶部电机连接结构示意图；

图5是本发明储料池装置和供料装置的结构示意图；

图6是本发明聚焦超声系统的结构示意图；

图7是本发明聚焦超声系统光杠底部连接结构示意图；

图8是本发明聚焦超声系统顶部电机连接结构示意图。

具体实施方式

包括机架1、三角洲运动基板装置2、材料池装置3、聚焦超声系统4和供料装置5，所述的三角洲运动基板装置2固定在机架1内并位于其顶板105下方，所述的聚焦超声系统4固定在机架1内并位于其底板101上方，所述的材料池装置3位于聚焦超声系统4上方并固定在机架1上，所述的供料装置5固定在机架1的支撑柱104上。该无级变速多材料混合超声微滴喷射增材制造装置，将聚焦超声技术与增材制造技术相结合，实现无级变速多材料混合的超声微滴喷射增材制造，可解决现有微滴喷射增材制造系统喷射液滴尺寸受喷头限制，容易堵塞喷头，无法实现多材料混合喷射成形，喷射过程中喷射速度与喷射液滴尺寸不可改变的问题。所述的材料池内装有多种喷射材料，既可实现一种材料的连续喷射，又可通过控制聚焦超声系统的移动，连续喷射多种材料不同大小的微滴，实现功能梯度材料增材制造。

所述的机架1由底板101、光杠底座102、支撑柱104和顶板105之间通过固定连接组成；所述的支撑柱104用于固定连接底板101和顶板105，所述的光杠底座102上有同步带轮槽103，所述的光杠底座分别用于连接光杠一206和光杠二408，所述的同步带轮槽分别用于连接同步带轮一210和同步带轮二412；所述的顶板105上有同步带通孔106，用于穿过同步带一209和同步带二409。

所述的三角洲运动基板装置2由步进电机一201、联轴器一202、电机座一203、同步带轮三204、滑块一205、光杠一206、连杆一207、基板一208、同步带一209和同步带轮一210组成，所述的步进电机一201通过电机座一203连接到机架1的顶板105上，所述的同步带轮三204通过联轴器一202与步进电机一201相连，通过同步带一209与固定于同步带轮槽103上的同步带轮一210相连，所述的滑块一205与光杠一206滑动连接，在同步带一209的带动下进行上下运动，所述的连杆一207一端与滑块一205铰接，另一端与基板一208铰接，通过计算机控制三个步进电机的转动，实现基板一208的空间运动。

所述的材料池装置3的结构是，料池底座302通过连接件一301固定连接在机架1的支撑柱104上，材料池303固定连接在材料池底座302上，所述的材料池303具有多个储料小室，用于装不同的喷射材料。

所述的供料装置5的结构是，微注射泵501通过连接件二502固定连接在机架1的支撑柱104上，所述的输料管503一端与微注射泵501相连，另一端与材料池303相连，计算机根据喷射材料量控制供应材料量。

所述的聚焦超声系统4由步进电机二401、电机座二402、联轴器二403、同步带轮四404、耦合液池405、聚焦超声换能器406、基板二407、光杠二408、同步带二409、滑块二410、连杆二411和同步带轮二412组成，所述的步进电机二401通过电机座二402连接到机架1的顶板105上，所述的同步带轮二404通过联轴器二403与步进电机二401相连，通过同步带二409与固定于同步带轮槽103上的同步带轮二412相连，所述的滑块410与光杠二408滑动连接，在同步带二409的带动下进行上下运动，所述的连杆二411一端与滑块二410铰接，另一端铰接于基板二407上，所述的耦合液池405固定在基板二407上，所述的聚焦超声换能器406固定在耦合液池405内，所述的耦合液池内装有耦合液体水，用于打印时耦合连聚焦超声换能器406和材料池303，减小声波能量的损失，通过计算机控制三个步进电机的转动，实现聚焦超声系统4的空间移动。

一种无级变速多材料超声微滴喷射增材制造方法，包括如下步骤：

计算机根据所需喷射材料的种类，控制聚焦超声系统4平面移动，令聚焦超声换能器406位于所需喷射材料的正下方；

所述的聚焦超声换能器406，在喷射微滴前，先发射一个检测声波，位于聚焦超声换能器406表面的声呐接收由耦合液与材料池303下底面之间的界面、材料池303上底面与材料之间的界面和材料与空气之间的界面反射回来的声波，并将信息反馈给计算机，计算机根据反射声波的信息分析出材料池303内所要喷射材料的声阻抗以及液面高度，结合输入的喷射液滴直径和喷射速度参数，分析出所需聚焦超声换能器406的焦距以及驱动频率，调节聚焦超声系统4的高度，发出相应的驱动信号进行微滴喷射；

在微滴喷射过程中，计算机根据喷射流量及材料种类控制供料装置5供料，根据喷射液滴所需沉积位置控制三角洲运动基板装置2上的基板一208的空间运动，从而实现多材料混合超声微滴喷射增材制造。

所述的聚焦超声换能器406通过发射聚焦声波，在材料表面的焦点处，声压力使液体材料克服其表面张力并喷射出，喷射方向竖直向上，无需使用喷头；通过改变聚焦超声换能器406驱动频率和驱动电压的大小，喷射过程中可改变喷射速度和喷射液滴直径的大小；可喷射粘度范围为0-2000mpa.s的陶瓷粉末浆料，聚合物粉末浆料，金属粉末浆料以及室温下液态金属材料；可喷微滴的体积范围为5pl-250nl,稳定喷射频率范围为0-8000Hz；结合基板的空间移动与聚焦超声系统的空间移动以及聚焦超声换能器驱动信号的变化，本发明可实现无级变速多材料混合超声微滴喷射增材制造。

Claims (7)

1.一种无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：包括机架、三角洲运动基板装置、材料池装置、聚焦超声系统和供料装置，所述的三角洲运动基板装置固定在机架内并位于其顶板下方，所述的聚焦超声系统固定在机架内并位于其底板上方，所述的材料池装置位于聚焦超声系统上方并固定在机架上，所述的供料装置固定在机架的支撑柱上；

所述的机架由底板、光杠底座、支撑柱和顶板之间通过固定连接组成；所述的支撑柱用于固定连接底板和顶板，所述的光杠底座上有同步带轮槽，所述的光杠底座分别用于连接光杠一和光杠二，所述的同步带轮槽分别用于连接同步带轮一和同步带轮二，所述的顶板上有同步带通孔，用于穿过同步带一和同步带二。

2.根据权利要求1所述的一种无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：所述的三角洲运动基板装置由步进电机一、联轴器一、电机座一、同步带轮三、滑块一、光杠一、连杆一、基板一、同步带一和同步带轮一组成，所述的步进电机一通过电机座一连接到机架的顶板上，所述的同步带轮三通过联轴器一与步进电机一相连，通过同步带一与固定于同步带轮槽上的同步带轮一相连，所述的滑块一与光杠一滑动连接、在同步带一的带动下进行上下运动，所述的连杆一一端与滑块一铰接，另一端与基板一铰接。

3.根据权利要求1所述的一种无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：所述的材料池装置的结构是，料池底座通过连接件一固定连接在机架的支撑柱上，材料池固定连接在材料池底座上，所述的材料池具有多个储料小室，用于装不同的喷射材料。

4.根据权利要求1所述的一种无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：所述的供料装置的结构是，微注射泵通过连接件二固定连接在机架的支撑柱上，所述的输料管一端与微注射泵相连，另一端与材料池相连，计算机根据喷射材料量控制供应材料量。

5.根据权利要求1所述的一种无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：所述的聚焦超声系统由步进电机二、电机座二、联轴器二、同步带轮四、耦合液池、聚焦超声换能器、基板二、光杠二、同步带二、滑块二、连杆二和同步带轮二组成，所述的步进电机二通过电机座二连接到机架的顶板上，所述的同步带轮四通过联轴器二与步进电机二相连，通过同步带二与固定于同步带轮槽上的同步带轮二相连，所述的滑块与光杠二滑动连接、在同步带二的带动下进行上下运动，所述的连杆二一端与滑块二铰接，另一端铰接于基板二上，所述的耦合液池固定在基板二上，所述的聚焦超声换能器固定在耦合液池内。

6.采用权利要求1所述的无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置进行微滴喷射增材制造的方法，包括如下步骤：

计算机根据所需喷射材料的种类，控制聚焦超声系统平面移动，令聚焦超声换能器位于所需喷射材料的正下方；

所述的聚焦超声换能器在喷射微滴前，先发射一个检测声波，位于聚焦超声换能器表面的声呐接收由耦合液与材料池下底面之间的界面、材料池上底面与材料之间的界面和材料与空气之间的界面反射回来的声波，并将信息反馈给计算机，计算机根据反射声波的信息分析出材料池内所要喷射材料的声阻抗以及液面高度，结合输入的喷射液滴直径和喷射速度参数，分析出所需聚焦超声换能器的焦距以及驱动频率，调节聚焦超声系统的高度，发出相应的驱动信号进行微滴喷射；

在微滴喷射过程中，计算机根据喷射流量及材料种类控制供料装置供料，根据喷射液滴所需沉积位置控制三角洲运动基板装置上的基板一的空间运动，从而实现多材料混合超声微滴喷射增材制造。

7.根据权利要求6所述的进行微滴喷射增材制造的方法，其特征在于：聚焦超声换能器通过发射聚焦声波，在材料表面的焦点处，声压力使液体材料克服其表面张力并喷射出，喷射方向竖直向上，无需使用喷头；通过改变聚焦超声换能器驱动频率和驱动电压的大小，喷射过程中可改变喷射速度和喷射液滴直径的大小；可喷射粘度范围为0-2000mpa.s的陶瓷粉末浆料，聚合物粉末浆料，金属粉末浆料以及室温下液态金属材料；可喷微滴的体积范围为5pl-250nl，稳定喷射频率范围为0-8000Hz。。