CN112793154B - 一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置及方法，包括三维接收平台、材料输送系统、激光分束加热系统、高压静电发生系统和温度控制系统；其中，三维接收平台根据制品要求调控三个方向的运动从而形成三维制品；材料输送系统包括静电纺丝材料和喂料单元，喂料单元将静电纺丝材料向下输送；激光分束加热系统包括激光发射器、分束反射装置和激光接收器，激光发射器发射的激光经过分束反射装置分为两束，一束用于熔融静电纺丝材料下端，一束防止纺丝射流达到接收板前固化；高压静电发生系统用于形成高压静电场；温度控制系统用于调节纺丝纤维的固化过程。本发明可应用于高熔点有机、无机材料高精密制品的加工制造。

Description

一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置及方法
技术领域
本发明属于静电纺丝技术领域，尤其涉及一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置及方法。
背景技术
3D打印又称增材制造，是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印粉末状金属或塑料等可粘合材料的方式实现产品的成型制造。此技术将精准的数字技术、工厂的重复性以及工匠设计的自由性结合在一起，具备生产周期短、成本低、产品多样化等诸多优点，但是通过此技术所得制品线材精度较低，严重制约了它的发展应用。熔体静电纺丝是熔体在高压静电场的作用下克服表面张力形成超细纤维的一种技术。通过此技术获得的产品大多为线、带、膜这种二维结构。因此,将3D打印技术与熔体静电纺丝技术结合不仅可以解决3D打印线材精度较低的问题，而且可以实现静电纺丝产品二维结构向三维结构的扩展。
以高熔点材料如玻璃为原料制备的玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，具有良好的绝缘性、耐热性、抗腐蚀性及机械性能，作为一种光学纤维广泛应用于光纤通信、光学传感、激光直写等领域。传统的光学玻璃纤维通常采用物理拉伸方法制造，存在制备过程复杂、设备要求高且可重复性差等缺点以致无法批量生产。熔体静电直写技术结合了3D打印与熔体静电纺丝二者的优点，作为一种简单环保高效的可控微纳纤维制造技术成为批量制备可控形状高熔点产品的有效途径。同时，高熔点材料如玻璃的熔融温度与粘度均较高，少有研究此类材料作为3D打印与熔体静电纺丝技术的原材料，因此设计一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置及方法，具有重要的科研意义和应用前景。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明主要目的在于提供一种用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置及方法，以中空物料管为原料，将3D打印与激光熔体静电纺丝技术相结合，通过调节喂料辊的喂料速度、静电纺丝工艺参数(电压、纺丝距离)和激光发射器功率等实现高熔点制品的高精度快速成型。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置，包括三维接收平台、材料输送系统、激光分束加热系统、高压静电发生系统和温度控制系统；其中，
所述三维接收平台包括三维运动平台和固定连接在所述三维运动平台上方的接收板，所述三维运动平台在X、Y与Z方向移动，根据制品要求调控接收板在三个方向的运动，从而形成三维制品；
所述材料输送系统包括静电纺丝材料和喂料单元，所述喂料单元将静电纺丝材料向下输送；
所述激光分束加热系统包括激光发射器、分束反射装置和激光接收器，所述激光发射器发射的激光经过分束反射装置分为两束，一束用于熔融静电纺丝材料下端，一束防止纺丝射流达到接收板前固化，所述激光接收器用于接收所述激光发生器发射的激光；
所述高压静电发生系统用于在所述材料下端与三维运动平台间形成高压静电场；
所述温度控制系统用于调节纺丝纤维的固化过程。
进一步，所述熔体静电纺丝材料包括中空物料管和石墨碳棒，其中石墨碳棒位于所述中空物料管中，所述石墨碳棒下端呈锥台尖端状，所述中空物料管下端熔融后附着于所述石墨碳棒锥台尖端上。
进一步，所述喂料单元包括喂料辊和动力系统，所述动力系统用于驱动喂料辊，喂料辊设置在中空物料管两侧，根据纺丝速率调节其进给速度输送中空物料管向下运动。
进一步，所述分束反射装置包括准直透镜、扩束镜、分束镜、反射镜，所述激光发射器设于所述熔体静电纺丝材料底部一侧，激光接收器设于所述熔体静电纺丝材料底部另一侧，激光发射器与所述静电纺丝材料之间设置分束镜，反射镜设置在所述分束镜下端，所述激光发射器发射的激光经过所述分束镜后分为两束，一束沿原路作用于熔融静电纺丝材料后被所述激光接收器接收，另一束作用于所述反射镜后依次经过扩束镜和准直透镜作用于纺丝射流后被所述激光接收器接收。
进一步，所述高压静电发生系统包括高压静电发生器和接地电极，所述高压静电发生器连接在所述石墨碳棒上端，所述三维运动平台直接或间接连接接地电极。
进一步，所述温度控制系统包括内置于所述接收板内的加热棒，所述温度控制器连接所述加热棒调节所述加热棒温度从而调节纺丝纤维的固化过程。
进一步，接收板与三维运动平台间安装有隔热板用于保护所述三维运动平台。
进一步，所述激光发射器为二氧化碳激光器。
本发明还提供一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置的方法，包括如下步骤：
S1.将中空物料管安装至与石墨碳棒下端锥台尖端平齐；
S2.启动激光发射器，根据中空物料管熔融纺丝温度要求，调节激光发射器功率；
S3.基于中空物料管熔融速率，调整喂料辊喂料速率为；
S4.待石墨碳棒锥台尖端上均匀覆盖熔体后，启动高压静电发生器，并调节纺丝电压，直至熔体在高压静电场的作用下形成射流；基于纺丝射流固化要求调节接收板的温控控制器至合适温度；
S5.根据制品模型启动预设的三维运动平台运动模式，开始制品打印程序；
S6.经过一段时间，待制品成型，依次关闭高压静电发生器、喂料辊及二氧化碳激光器，然后取出制品，完成高精度高熔点制品的激光熔体静电直写。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.可应用于高精度高熔点有机、无机材料制品的加工制造；
2.中空物料管中内置固定石墨碳棒，石墨碳棒下端呈锥台尖端状，主要有以下作用：辅助物料吸热，为熔融物料提供附着，充当纺丝喷头，作为高压电极；
3.二氧化碳激光器通过分束器分为两束激光，一束用于熔融中空物料管下端，一束用于防止纺丝射流在到达接收板前固化；
4.接收板内部安装有加热装置，通过调节温度调控固化过程。
附图说明
图1为本发明一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置结构示意图；
图中：1-三维运动平台，2-隔热板，3-接收板，4-激光接收器，5-中空物料管，6-喂料辊，7-石墨碳棒，8-高压静电发生器，9-准直透镜，10-扩束镜，11-分束镜，12-二氧化碳激光器，13-反射镜，14-加热棒，15-温控控制器，16-接地电极，17-接地极板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，如图1所示，本发明提供一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置，主要包括三维运动平台1，隔热板2，接收板3，激光接收器4，中空物料管5，喂料辊6，石墨碳棒7，高压静电发生器8，准直透镜9，扩束镜10，分束镜11，二氧化碳激光器12，反射镜13，加热棒14，温控控制器15等。其中三维运动平台1在X、Y与Z方向移动，根据制品要求调控接收板在三个方向的运动，从而形成三维制品；喂料辊6设置在中空物料管5两侧，喂料辊6在动力系统作用下根据纺丝速率调节其进给速度输送中空物料管5向下运动；石墨碳棒7位于中空物料管5中，石墨碳棒7下端呈锥台尖端状，中空物料管5下端熔融后附着于所述石墨碳棒7锥台尖端上；二氧化碳激光器12设于所述静电纺丝材料底部一侧，激光接收器4设于静电纺丝材料底部另一侧，二氧化碳激光器12与熔体静电纺丝材料之间设置分束镜11，反射镜13设置在所述分束镜11下端，二氧化碳激光器12发射的激光经过分束镜11后分为两束，一束沿原路作用于熔融熔体静电纺丝材料后被激光接收器4接收，另一束作用于反射镜13后依次经过扩束镜10和准直透镜9作用于纺丝射流后被激光接收器4接收。高压静电发生器8连接在石墨碳棒7上端，三维运动平台1直接连接接地电极16或通过接地极板17连接接地电极。温度控制器15连接内置于接收板3内的加热棒14调节加热棒14的温度从而调节纺丝纤维的固化过程。接收板3与三维运动平台1间安装有隔热板2用于保护所述三维运动平台。其中中空物料管5包括氧化硼管和聚对苯二甲酸乙二醇酯，但不仅限于以上几种材料。
实施例1
固定石墨碳棒位于中空物料管5中；其中中空物料管5为氧化硼管，氧化硼管根据中空物料管熔融速率调节喂料辊6的喂料速率；二氧化碳激光器12通过分束镜11分成两束激光，一束激光直接作用于氧化硼管下端促使氧化硼管熔化，熔融的氧化硼管均匀附着于石墨碳棒锥台尖端上；另一束激光通过反射镜13、扩束镜10，分束镜11及准直透镜9转变为线激光，作用于纺丝射流上，防止射流提前固化，两束激光均被激光接收器接收；石墨碳棒上端连接高压静电发生器8，作为静电纺丝高压电极；内置加热棒14的接收板3置于隔热板2上，隔热板2置于三维运动平台1上；三维运动平台1连接接地电极16，从而在石墨碳棒7下端与三维运动平台1间形成高压静电场。
本实施例应用于高熔点材料的激光熔体静电直写方法包括如下步骤：
1.将氧化硼管安装至与石墨碳棒下端锥台尖端平齐；
2.启动二氧化碳激光器，调节二氧化碳激光器功率为40W，使氧化硼管下端良好熔融；
3.基于氧化硼管下端熔融速率，调整喂料辊喂料速率为1mm/s；
4.待石墨碳棒锥台尖端上均匀覆盖氧化硼熔体后，启动高压静电发生器，并调节纺丝电压为500V，直至氧化硼熔体在高压静电场作用下形成射流；基于氧化硼射流固化要求调节接收板的温控控制器至60℃；
5.根据玻纤模型启动预设的三维运动平台运动模式，开始玻纤制品打印程序；
6.经过一段时间，待玻纤制品成型，依次关闭高压静电发生器、喂料辊及二氧化碳激光器，然后取出制品，完成高精度玻纤制品的3D打印激光熔体静电纺丝。
实施例2
与上述实施例不同的是，本实施例，其中中空物料管5采用聚对苯二甲酸乙二醇酯
本实施例应用于高熔点材料的激光熔体静电直写方法包括如下步骤：
1.将聚对苯二甲酸乙二醇酯安装至与石墨碳棒下端锥台尖端平齐；
2.启动二氧化碳激光器，调节二氧化碳激光器功率为10W,至聚对苯二甲酸乙二醇酯良好熔融；
3.基于氧化硼管下端熔融速率，调整喂料辊喂料速率为3mm/s；
4.待石墨碳棒锥台尖端上均匀覆盖聚对苯二甲酸乙二醇酯熔体后，启动高压静电发生器，并调节纺丝电压为1KV,直至聚对苯二甲酸乙二醇酯熔体在高压静电场作用下形成射流；基于射流固化要求调节接收板的温控控制器温度至40℃；
5.根据玻纤模型启动预设的三维运动平台运动模式，开始玻纤制品打印程序；
6.经过一段时间，待玻纤制品成型，依次关闭高压静电发生器、喂料辊及二氧化碳激光器，然后取出制品，完成高精度玻纤制品的3D打印激光熔体静电纺丝。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置，其特征在于：包括三维接收平台、材料输送系统、激光分束加热系统、高压静电发生系统和温度控制系统；其中，
所述三维接收平台包括三维运动平台和固定连接在所述三维运动平台上方的接收板，所述三维运动平台在X、Y与Z方向移动，根据制品要求调控接收板在三个方向的运动，从而形成三维制品；
所述材料输送系统包括静电纺丝材料和喂料单元，所述喂料单元将静电纺丝材料向下输送，所述静电纺丝材料包括中空物料管和石墨碳棒，其中石墨碳棒位于所述中空物料管中，所述石墨碳棒下端呈锥台尖端状，所述中空物料管下端熔融后附着于所述石墨碳棒锥台尖端上；
所述激光分束加热系统包括激光发射器、分束反射装置和激光接收器，所述激光发射器发射的激光经过分束反射装置分为两束，一束用于熔融静电纺丝材料下端，一束防止纺丝射流达到接收板前固化，所述激光接收器用于接收所述激光发生器发射的激光；
所述高压静电发生系统用于在所述材料下端与三维运动平台间形成高压静电场；
所述温度控制系统用于调节纺丝纤维的固化过程。
2.根据权利要求1所述的一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置，其特征在于：所述喂料单元包括喂料辊和动力系统，所述动力系统用于驱动喂料辊，喂料辊设置在中空物料管两侧，根据纺丝速率调节其进给速度输送中空物料管向下运动。
3.根据权利要求1所述的一种应用于高熔点的激光熔体静电直写装置其特征在于：所述分束反射装置包括准直透镜、扩束镜、分束镜、反射镜，所述激光发射器设于所述静电纺丝材料底部一侧，激光接收器设于所述静电纺丝材料底部另一侧，激光发射器与所述熔体静电纺丝材料之间设置分束镜，反射镜设置在所述分束镜下端，所述激光发射器发射的激光经过所述分束镜后分为两束，一束沿原路作用于熔融熔体静电纺丝材料后被所述激光接收器接收，另一束作用于所述反射镜后依次经过扩束镜和准直透镜作用于纺丝射流后被所述激光接收器接收。
4.根据权利要求1所述的一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置，其特征在于：所述高压静电发生系统包括高压静电发生器和接地电极，所述高压静电发生器连接在所述石墨碳棒上端，所述三维运动平台直接或间接连接接地电极。
5.根据权利要求1所述的一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置，其特征在于：所述温度控制系统包括内置于所述接收板内的加热棒，所述温度控制器连接所述加热棒调节所述加热棒温度从而调节纺丝纤维的固化过程。
6.根据权利要求1所述的一种应用于高熔点材料的 激光熔体静电直写装置，其特征在于：接收板与三维运动平台间安装有隔热板用于保护所述三维运动平台。
7.根据权利要求1所述的一种应用于高熔点材料的 激光熔体静电直写装置，其特征在于：所述激光发射器为二氧化碳激光器。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将中空物料管安装至与石墨碳棒下端锥台尖端平齐；
S2.启动激光发射器，根据中空物料管熔融纺丝温度要求，调节激光发射器功率；
S3.基于中空物料管熔融速率，调整喂料辊喂料速率；
S4.待石墨碳棒锥台尖端上均匀覆盖熔体后，启动高压静电发生器，并调节纺丝电压，直至熔体在高压静电场的作用下形成射流；基于纺丝射流固化要求调节接收板的温控控制器至合适温度；
S5.根据制品模型启动预设的三维运动平台运动模式，开始制品打印程序；
S6.经过一段时间，待制品成型，依次关闭高压静电发生器、喂料辊及二氧化碳激光器，然后取出制品，完成高精度高熔点制品的激光熔体静电直写。
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