CN111531892A

CN111531892A - 一种非接触式超声相控阵悬浮3d打印装置及打印方法

Info

Publication number: CN111531892A
Application number: CN202010468479.7A
Authority: CN
Inventors: 吴立群; 刘宽; 杨梦露; 陈增
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2020-08-14

Abstract

本发明公开一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置及打印方法，包括计算机、PWM控制模块、激光发生器、直流稳压可调电源单元、粉末发生器、驱动单元模块、超声阵列发射器以及反射器，计算机与PWM控制模块中的单片机连接，驱动单元模块与PWM控制模块相连接，驱动单元模块分别与激光发生器驱动端、粉末发生器驱动端和超声阵列发射器的驱动端通信，直流稳压可调电源单元为驱动单元模块提供能量；超声阵列发射器与反射器相对设置，反射器的表面设有粉末喷射口，粉末喷射口与粉末发生器连通，激光发生器设于反射器的一侧。本发明能够实现粉末在空间位置中任一声波节点的悬浮以及移动，移动粉末效率高和安全性强，复杂环境适应能力强。

Description

一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置及打印方法

技术领域

本发明属于超声加工设备技术领域，具体涉及一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印的方法以及装置。

背景技术

超声驻波悬浮技术利用超声振动产生的辐射声压使悬浮体在没有任何附加效应的声场中悬浮或移动，具有非接触、无容器悬浮的特点。超声驻波在微电子机械系统、无容器材料处理和制备等领域都有运用。3D打印技术是一种以数字模型文件为基础、通过将粉末状金属或塑料等可粘合材料逐层堆叠累积的方式来构造物体的快速成形技术，能快速个性规划定制，并可结合其他计算机技术生产更加精密的零件。随着中国制造不断发展，3D打印技术所用的材料种类越来越多，成形结构越来越复杂，零件的精度越来越高，使其应用的范围不断增大。目前，3D打印已应用于机械制造、汽车制造行业，此外，在工业设备、医疗医学、教育等领域，3D打印技术的应用也为其开辟了新的发展方向。

然而现在的3D打印只是简单的采用挤出机来实现成型，耐腐蚀能力和力学性能较差。为了克服背景技术的不足，本发明提供一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印的方法以及装置，精确控制和组织悬浮粉末堆积形成3D打印形状，在预定位置安全地处理它们。在进入声场和沉淀过程中，粉状物质的颗粒将被重新排列，沿着所需的轨迹落下并沉降成一定的图案。一层又一层，颗粒将以任何形状沉积。本装置旨在解决现在的3D打印只是简单的采用挤出机来实现成型，耐腐蚀能力和力学性能较差，成型困难。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法及打印装置，操作稳定性好，位置控制精确。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，包括计算机、PWM控制模块、激光发生器、直流稳压可调电源单元、粉末发生器、驱动单元模块、超声阵列发射器以及反射器，计算机与PWM控制模块中的单片机连接，驱动单元模块通过数据线与PWM控制模块相连接，驱动单元模块分别与激光发生器驱动端、粉末发生器驱动端和超声阵列发射器的驱动端通信，直流稳压可调电源单元为驱动单元模块提供能量；超声阵列发射器与反射器相对设置，超声阵列发射器与反射器之间形成3D打印空间，反射器的表面设有粉末喷射口，粉末喷射口与粉末发生器连通，粉末由粉末喷射口喷出至3D打印空间；激光发生器设于反射器的一侧，对3D打印空间内的粉末进行激光。

作为本发明的优选方案之一，超声阵列发射器包括振动单元和固定单元，振动单元为超声换能器组成的方形阵列，固定单元为树脂壳体，振动单元设于固定单元的表面；反射器包括反射板，反射板的表面设有粉末喷射口；反射板与超声阵列发射器通过支撑架固定。

作为本发明的优选方案之一，粉末发生器包括粉末储存器、带有压电陶瓷结构的喷射装置、喷射管和喷嘴，喷嘴设于所述粉末喷射口内，喷嘴通过喷射管与粉末储存器连通。

作为本发明的优选方案之一，所述超声阵列发射器为14*14超声阵列发射器，包括14*14个超声换能器组成的方形阵列；该方形阵列分为两组，每组阵列产生不同的粉末悬浮点；每组阵列的边角位置均设有位置传感器，位置传感器与计算机电性连接。

作为本发明的优选方案之一，所述PWM控制单元采用Arduino MEGA单片机。

本发明还提供一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，采用所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，包括以下步骤：

S1，计算机将零件实际轮廓转化为零件的点坐标，

S2，计算机根据点坐标信息发送指令，PWM控制模块根据指令生成不同频率和占空比的方波，并通过驱动单元模块控制超声阵列发射器产生相应地超声相控阵驻波声场，

S3，粉末发生器喷射粉末，粉末由粉末喷射口喷出，驻波声场捕获粉末并移动至预定悬浮位置，

S4，关闭驻波声场，悬浮粉末堆积成预定3D打印形状，

S5，激光发生器发射激光，使堆积的粉末与基材表面薄层一起熔凝，粉末堆叠，循环往复，实现零件的3D打印。

作为本发明的优选方案之一，步骤S1具体为：计算机根据零件实际轮廓生成三维CAD模型，将该模型按一定的厚度分层切片，将零件的三维数据信息转换成二维轮廓信息，然后对二维轮廓信息点化，生成点坐标。

作为本发明的优选方案之一，步骤S2中，计算机根据点坐标计算出阵列中的每个阵元到焦点的距离，根据声程差自动算出对应的相移值，转换为激发PWM波时间差，PWM控制模块根据计算机发出的波时间差生成相应不同频率和占空比的方波；驱动单元模块使超声阵列产生振动，产生超声相控阵驻波声场。

作为本发明的优选方案之一，步骤S3具体为，方形脉冲施加到粉末发生器的压电元件上，粉末发生器喷射粉末，在驻波的底部压力节点处注入并使超声相控阵驻波声场捕获粉末，实现粉末悬浮；计算机根据零件点坐标发出的指令来增加或者减少PWM波占空比，使声波节点发生移动，进而实现超声相控阵任意点移动粉末。

作为本发明的优选方案之一，步骤S2和S3工作的同时，计算机还根据位置传感器的反馈信息对粉末悬浮位置进行修正

本发明与现有技术相比，有益效果是：通过程序控制PWM控制模块里的定时器产生精确的方波来实现移动驻波节点来控制悬浮粉末目标，能够实现粉末在空间位置中任一声波节点的悬浮以及移动，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，实现3D成型。超声驻波对悬浮的材料选择性大，能够实现任何材质粉末的悬浮。超声相控阵悬浮移动粉末效率高和安全性强，具有复杂环境适应能力强等优点。

附图说明

图1为本发明的超声相控阵悬浮3D打印装置结构示意图；

图2为本发明超声相控阵悬浮3D打印装置PWM波移动示意图；

图3为本发明超声相控阵悬浮3D打印装置超声阵列发射器示意图；

图4为本发明超声相控阵反射器及粉末发生器结构示意图；

图5为本发明3D打印装置结构示意图；

图6为本发明超声相控阵换能器阵元坐标图；

图7为本发明超声相控阵悬浮粉末受力示意图；

图8为本发明超声相控阵悬浮粉末仿真图；

图中，1-计算机，2-PWM控制模块，3-驱动单元模块，31-超声阵列驱动端，32-激光器驱动端，33-粉末发生器驱动端；4-直流稳压可调电源单元，5-激光发生器，6-粉末发生器，61-粉末储存器，62-喷射管，63-喷嘴；7-超声阵列发射器，71-超声换能器，72-位置传感器；8-反射器，81-粉末喷射口，9-支撑架。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，包括计算机、PWM控制模块、激光发生器、直流稳压可调电源单元、粉末发生器、驱动单元模块、超声阵列发射器以及反射器等。计算机与PWM控制模块中的单片机连接，驱动单元模块通过数据线与PWM控制模块相连接，驱动单元模块分别与激光发生器驱动端、粉末发生器驱动端和超声阵列发射器的驱动端通信，直流稳压可调电源单元为驱动单元模块提供能量；

超声阵列发射器与反射器相对设置，超声阵列发射器与反射器之间形成3D打印空间，反射器的表面设有粉末喷射口，粉末喷射口与粉末发生器连通，粉末由粉末喷射口喷出至3D打印空间；激光发生器设于反射器的一侧，对3D打印空间内的粉末进行激光。

本实施例采用14*14超声阵列发射器，所述14*14超声阵列发射器结构主要包括振动单元、固定单元。振动单元是40KHZ超声换能器组成的方形阵列，超声换能器在激励信号作用下产生振动，将机械能转化为声能，发出超声波；固定单元由ABS树脂壳体组成，柔韧性好，硬度高，将超声换能器阵元按照方形固定排列在超声阵列发射器表面；反射器由反射板组成，将反射板固定在与超声换能器阵列适宜的距离，用以产生所需的驻波，反射器上开有粉末喷射口，反射板的右端孔通过管道与粉末发生器相连接，如附图4所示。反射板也作为3D打印的载物平台，用于支撑打印的零件。粉末发生单元由粉末发生器、粉末发生口组成。粉末发生器由粉末储存器、带有压电陶瓷结构的喷射装置、喷射管和喷嘴组成。喷嘴尖在反射板中的一个小孔中向上插入，用于将粉末喷射到声场中。超声阵列发射器和反射器通过左右两侧支撑架固定，如附图5所示，使用时可根据打印零件尺寸的大小对支撑架高度进行选择。经实验证明，采用14*14超声阵列这种结构能够有效提高驻波声场的悬浮能力。超声阵列内设置192个超声发射换能器，为了独立地控制两个粉末的悬浮位置，换能器被均分成两组，分别为单元1和单元2，类似象棋棋盘图形，如图3所示，每组换能器可以产生不同的粉末悬浮点。单元1和单元2的边角位置各有一个位置信息传感器，用于将相控阵悬浮粉末的位置坐标信息及时反馈给计算机，计算机即时发出指定对位置信息进行修正，从而确保3D打印的精度。

计算机采取双向通讯的方式，经USB串口与PWM控制模块里Arduino MEGA单片机进行连接。驱动单元模块通过数据线与PWM控制单元相连接。驱动单元通过AXI互连IP硬件组件以主从方式与超声波相控阵驱动端、激光驱动端、粉末发生器驱动端通信。计算机用来根据零件轮廓信息发送指令并监控控制器执行情况，根据监控反馈对系统进行调节。计算机通过USB串口与PWM控制模块进行数据输送，PWM控制模块用于实现不同占空比和声场频率的计算和发送，用来控制驱动单元模块的逻辑输入通道。由于Arduino MEGA单片机产生的逻辑信号电压只有5V，但实现粉末悬浮的工作频率高达12V以上。因此，要使换能器具有足够的电压以及功率，就必须将单片机产生的逻辑信号放大，从而保证超声相控阵悬浮3D打印装置有足够的能量操纵不同粉末。直流稳压可调电源为驱动模块提供能量，将输出的192个方波驱动信号进行驱动和放大，使输出端口产生与直流稳压可调电源幅值相同的PWM波，然后输入超声阵列，从而使超声换能器阵元产生振动，生成驻波声场。可根据悬浮粉末的材质对电源进行调节，改变声场电压，实现不同种类粉末悬浮。

实施例2

本实施例提供一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，采用实施例1所述的3D打印装置，具体操作如下：

计算机根据零件实际轮廓生成三维CAD模型，然后将该模型按一定的厚度分层切片，将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息，然后计算机根据零件的二维轮廓信息将其点化，生成具体的点坐标。计算机会通过高速数据处理系统根据这些点坐标计算出阵列中的每个阵元到焦点的距离，根据声程差自动算出对应的相移值，转换为激发PWM波时间差，与此同时计算机根据系统的反馈信息实时监控各模块执行情况。PWM控制模块会根据计算机发出的时间差生成相应不同频率和占空比的方波。PWM控制单元经数据线与驱动单元模块连接，控制驱动单元模块的逻辑输入通道实现对不同的端口驱动，在使用过程中必须保持驱动模块的使能端为高电平。驱动器通过AXI互连IP硬件组件以主从方式与超声波相控阵驱动模块通信。直流稳压可调电源单元为驱动模块提供放大电源，使输出端口产生与可调稳压电源电压幅值相同的PWM波，输人超声阵列，从而使超声阵列产生振动，产生驻波声场，实现粉末悬浮。计算机根据零件点坐标发出指令来增加或者减少PWM波占空比，从而使声波节点发生移动，如图2所示，进而实现超声相控阵任意点移动粉末的实现。每组超声阵列的边角位置都有一个位置传感器，当悬浮的粉末的位置发生偏差，传感器会第一时间将粉末位置信息传给计算机进行修正，从而确保3D打印的精度。当将方形脉冲施加到粉末发生器的压电元件上时，粉末发生器用会喷射粉末，在驻波的底部压力节点处注入并使超声相控阵驻波场捕获粉末。当粉末到达出口位置，此时装置关闭声场。当没有驻波捕捉粉末时，其由于重力而下落到堆积物，精确控制和组织悬浮粉末堆积形成3D打印形状，在预定位置安全地处理它们。在进入声场和沉淀过程中，粉状物质的颗粒将被重新排列，沿着所需的轨迹落下并沉降成一定的图案。一层又一层，颗粒将以任何形状沉积。当控制和组织的悬浮粉末堆积形成预定的3D打印形状，此时激光发生器发射激光，利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，实现粉末的堆叠，循环往复，进而实现超声相控阵悬浮粉末的3D打印。

附图6所示为相控阵的坐标图，左上角为原点的位置，传感器编号从0到195，将超声换能器进行坐标化，可以方便计算机进行数据处理，对从左上角开始，向下计数。实验表明具有较大数组超声换能器阵列的可以增加聚焦和操纵声束的能力，并且可以增加区域覆盖面，进而可以对零件全方位的打印。当控制和组织的悬浮粉末堆积形成预定的3D打印形状，激光发生器作业，高能量的激光会实现粉末层层堆积。

当超声波进入媒介后，会使不规则运动的微粒约束为规则运动，使得媒介变得稠密或稀疏，所以声波的扩散及传播主要是媒介内部的变化的过程，而体积元在受到声波扰动后其压强会发生变化，这种由于声扰动引起压强变化的现象叫做声压。考虑一个具体的模型。当平面波入射到某一刚性界面上发生全反射时，两列相同频率且以相反方向传播的平面波相互叠加，合成驻波声场，声压为：

p＝p_i+p_r＝p₀e^i(ωt-kz)+p₀e^i(ωt+kz)＝2p₀cos(kz)e^iωt

在边界条件v|_z＝0＝0的情况下，合成声场的质点速度为：

v＝v_i-v_r＝v₀e^i(ωt-kz)-v₀e^i(ωt+kz)＝2iv₀sin(kz)e^iωt

由声压与质点速度的关系：

不难得到：

根据公式，此时的声辐射力：

其中：E₀为Z＝0时的能量密度。

对超声阵列悬浮器悬浮的粉末进行受力分析，如附图7所示，方位转向角度为“φj”，仰角转向角度为“θj”。假设换能器T(xi，yi，0)到焦点F(xj，yj，zj)的距离为L，使用勾股定理，从换能器元件T到焦点F的距离L被定义为：

考虑到声波传播速度c，可以计算从换能器元件T到焦F的传播时间t_ij，如下：

具体的，为了实现悬浮，处理器需要以毫米级(x、y、z)为单位的三维坐标，其中这些坐标是粉末悬浮所需的焦点。首先计算机根据零件实际轮廓生成三维CAD模型，然后将该CAD模型按一定的厚度分层切片，将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息，计算机根据零件的二维轮廓信息将其点化，生成具体的点坐标。这些坐标用于计算从阵列的每个元素到焦点的距离，计算机高速数据处理系统会根据声程差自动算出对应的相移值，转换为时间差。分配给每个传感器的发射相位由计算机控制，通过调整各个阵元发射信号的相位,使各阵元到达焦点的声束具有不同的相位,把不同通道接收的信号按照时间差平移，然后叠加可以得到一个聚焦合成信号，进而实现粉末聚焦悬浮。计算机通过串行通信和微控制器控制单元模块里面的MEGA单片机系统进行通信，MEGA单片机产生控制信号,用来生成192个由计算机定义的相位和振幅的数字周期信号。为了解决MEGA单片机IO口较少的难题，可以将若干个驱动板可以连接在一起，用来增加通道的数量。用arduino IDE编译环境可以快捷的实现了计算机与单片机之间的串口通信这个功能，单片机的程序用C++设计，在计算机里编辑和执行。通过USB串口通信模块可以实现计算机和单片机的通信,进而实现了控制器对超声阵列控制。计算机监控着整个系统,它会根据零件轮廓的点化坐标要求来负责发出相应的命令,控制PWM控制单元进行相应的操作,进而控制粉末悬浮的位置。通过位置传感器反馈回来的信息和模糊逻辑算法进行判断，最后对粉末悬浮位置进行修正。MEGA单片机的主要任务是接收计算机发来的数据并作相应的回应。当单片机一旦接收到一个数据,立刻根据所得数据进行判断,以决定后续需要进行什么操作。当操作完成之后,向计算机返回一些数据信息,以报告系统当前的运作状态,便于计算机监控当前的系统。驱动单元用于接收控制单元发出的脉冲信号，驱动对应端口部件的运行。驱动单元对应的端口有阵列驱动端、激光器驱动端以及粉末发生器驱动端。激光发生器用来产生激光，当控制和组织的悬浮粉末堆积形成预定的3D打印形状，激光发出，利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，进而实现3D打印。本装置工作环境不密封，散热性好，可以减小零件打印时的热变形。

驱动模块还包括192个子模块，它们产生所需的40KHZ相移信号来驱动超声换能器阵元。直流稳压可调电源连接驱动单元里面驱动器放大高达12V半方波的信号，被馈送到换能器中。由于传感器的窄带特性，输出压力为正弦。该阵列提供了0.16rad的相位发射分辨率。为了独立地控制两侧粉末的悬浮位置，换能器被均分成两组，形成类似象棋图案。每组换能器产生不同的焦点。入射波和反射波的叠加形成驻波。驻波具有一系列压力节点，其中如果驻波节点轴向被平移，粉末可以被截留并在表面纵向维度上移动。波节点径向被平移，粉末可以在表面横向的维度上移动，超声相控阵悬浮粉末仿真如附图8所示。当将方形脉冲施加到粉末发生器的压电陶瓷元件上时，粉末发生器喷射粉末，在驻波的底部压力节点处注入并捕获粉末。粉末出口由反射板中的圆形孔组成。发生悬浮粉末的过程包括在出口孔上方移动粉末，当粉末到达预定位置，此时关闭声场。当没有驻波捕捉粉末时,其由于重力而下落到堆积物上，进而实现粉末的生成和作业。根据实际需要可以选择粉末喷射口的直径大小以及出口位置。

本申请采用一种用周期逻辑数字信号控制半方波的振幅和相位，以外部中断计数为基础的PWM波形实现方法。该方法具有简单方便，成本低，可实现多路独立PWM输出的优点。从上述超声驻波轴向悬浮移动控制方法可看出，超声驻波的控制信号实质是一个可嗣宽度的方波信号。该方波信号可由FPGA、模拟电路或单片机来产生。本发明专利采用单片机MEGA作相控阵悬浮3D打印控制器，单片机可选择性多，稳定性好，可以根据实际需求进行扩展。MEGA可以产生256个数字信号，每个发出信号都可以通过阿拉伯数字0和1进行表示。每一组信号都可以被分成若干个离散的步骤，这些步骤以循环方式发出，通过改变这些步骤得到不同的相位。使用方波可以简化了电子电路的设计，减少了每个通道所需的数据线，同时仍然允许产生激励信号，产生振幅和相位可控的声波正弦波。

计算机上运行的软件定义需要由驱动板生成的信号，Arduino MEGA使用集成的USB to UART芯片接收来自计算机的命令。具体来说，Arduino MEGA通过USB连接计算机，以250Kbaud的速度接收数据，当几个将板子连接在一起，将一块板子的UART输出连接到下一块板子的输入，第一个板输入通过数据线与计算机相连，并且要保证最后的板输出保持未连接状态。计算机发送的每个字节都是来自一个简单协议的命令，该协议允许将一个发射模式添加到模式缓冲区、持续时间添加到持续时间缓冲区或切换缓冲区。该协议支持多达15个板连接在一起。由于Arduino MEGA产生的逻辑信号只有5V，但是超声换能传感器的工作频率高达12V以上。因此，要使换能器具有足够的电压(和功率)，就必须对逻辑信号进行放大，进而保证装置有足够的能量操纵粉末。直流稳压可调电源单元可以为驱动单元里驱动板提供所需的电压，进而将输出的方波信号进行驱动和放大，从而实现声悬浮系统装对不同材质粉末的悬浮。

本申请PWM波是利用单片机的定时器中断来产生的，由控制模块产生和输出频率为40kHz的PWM波，来控制驱动模块的逻辑输入通道，在生产过程中必须保持驱动模块的使能端为高电平。改变PWM控制信号的周期和占空比可以实现波形在移动，在软件设计中，周期和占空比在溢出中断里设置，保证悬浮粉末能够稳定地进行移动。

控制模块可以实现频率和占空比的独立调制，即可在改变频率的同时不改变占空比，再改变占空比的同时不改变频率；当计算机发出指令，溢出中断根据标志位改变周期和占空比，将移动方向标志位置位。

上述实施例中，计算机通过arduino IDE编译环境可以与PWM控制单元模块里面的单片机系统进行通信，PWM控制单元包括MEGA单片机，单片机的程序用C++设计，C++语言具有各种各样的数据类型和强大的操作符，用C++语言编写程序是高效，快速和易于理解。单片机的主要任务是接收计算机发来的数据并作相应的回应，当操作完成之后，向计算机机返回一些数据，以报告所操作器件当前的运作状态，然后再回到数据的检测循环中去。

编辑配置程序完成的工作就是配置定时器得到基本参数，包括计数周期、计数计数频率以及PWM工作的模式等等。设置自动重装载寄存器周期的值，作用是累计预定个频率后产生个更新或者中断。设置通道1的比较值(跳变值)，也就是比较寄存器的初始值，同理设置通道2的比较值(跳变值)。

利用定时器的输出比较翻转TIM_OCMode_Toggle模式。在每个ARR周期内，CNT计数到CCR对应的值即触发对应通道的电平翻转。根据CCR的值不同，电平翻转的时间不同，产生移相的效果。程序运行的过程中，会一直拿当前计数器前计数值和比较寄存器中的值进行比较，如果当前计数值和比较寄存器中的值相同时，那么就会产生输入/捕获中断，然后定时器会自动地翻转当前的电平输出状态，与此同时再往比较寄存器中加上当前计数器中的值，以使得定时器还是相隔相同的时间去产生下一次输入捕获中断，这样就产生了多路频率可调的PWM方波。先编写配置程序，完成的工作就是配置定时器得到基本参数，包括计数周期、计数频率以及PWM工作的模式等等。在编写中断服务函数，用来产生多路频率可调的PWM波。若实现波形的移动，PWM波的占空比也要可调，CCR1_Val和CCR2_Val指的都是PWM波的一个周期内的总的计数值，高电平和低电平的时间分配，也就是占空比的分配就是通过Duty1和Duty2来控制。为了使得调节占空比可调，在中断服务函数里面加上了一个Duty1、Duty2函数，Duty1把CCR1_Val在一个PWM周期内分成了两部分，两部分分别控制的就是高低电平的持续时间。同理，Duty2把CCR1_Val2在一个PWM周期内分成了两部分，两部分分别控制的就是高低电平的持续时间。这样就产生多路频率可调、占空比可调的方波。然后计算机通过指令去改变CCR1_Val、CCR2_Val、Duty1、Duty2的数值，就可以改变PWM波的频率以及占空比，这样就可以实现粉末任意位置的移动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，包括计算机、PWM控制模块、激光发生器、直流稳压可调电源单元、粉末发生器、驱动单元模块、超声阵列发射器以及反射器，

计算机与PWM控制模块中的单片机连接，驱动单元模块通过数据线与PWM控制模块相连接，驱动单元模块分别与激光发生器驱动端、粉末发生器驱动端和超声阵列发射器的驱动端通信，直流稳压可调电源单元为驱动单元模块提供能量；

2.根据权利要求1所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，超声阵列发射器包括振动单元和固定单元，振动单元为超声换能器组成的方形阵列，固定单元为树脂壳体，振动单元设于固定单元的表面；反射器包括反射板，反射板的表面设有粉末喷射口；反射板与超声阵列发射器通过支撑架固定。

3.根据权利要求2所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，粉末发生器包括粉末储存器、带有压电陶瓷结构的喷射装置、喷射管和喷嘴，喷嘴设于所述粉末喷射口内，喷嘴通过喷射管与粉末储存器连通。

4.根据权利要求3所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，所述超声阵列发射器为14*14超声阵列发射器，包括14*14个超声换能器组成的方形阵列；该方形阵列分为两组，每组阵列产生不同的粉末悬浮点；每组阵列的边角位置均设有位置传感器，位置传感器与计算机电性连接。

5.根据权利要求4所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，所述PWM控制单元采用Arduino MEGA单片机。

6.一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，采用权利要求5所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1，计算机将零件实际轮廓转化为零件的点坐标，

S4，关闭驻波声场，悬浮粉末堆积成预定3D打印形状，

7.根据权利要求6所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，其特征在于，步骤S1具体为：计算机根据零件实际轮廓生成三维CAD模型，将该模型按一定的厚度分层切片，将零件的三维数据信息转换成二维轮廓信息，然后对二维轮廓信息点化，生成点坐标。

8.根据权利要求7所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，其特征在于，步骤S2中，计算机根据点坐标计算出阵列中的每个阵元到焦点的距离，根据声程差自动算出对应的相移值，转换为激发PWM波时间差，PWM控制模块根据计算机发出的波时间差生成相应不同频率和占空比的方波；驱动单元模块使超声阵列产生振动，产生超声相控阵驻波声场。

9.根据权利要求8所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，其特征在于，步骤S3具体为，方形脉冲施加到粉末发生器的压电元件上，粉末发生器喷射粉末，在驻波的底部压力节点处注入并使超声相控阵驻波声场捕获粉末，实现粉末悬浮；计算机根据零件点坐标发出的指令来增加或者减少PWM波占空比，使声波节点发生移动，进而实现超声相控阵任意点移动粉末。

10.根据权利要求9所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，其特征在于，步骤S2和S3工作的同时，计算机还根据位置传感器的反馈信息对粉末悬浮位置进行修正。