CN114888301A - 一种空间超声高能束成形装置与方法 - Google Patents

一种空间超声高能束成形装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间超声高能束成形装置与方法；包括激光器、超声振子和成型基板；超声振子以阵列形式，安装于矩形框架四周的安装槽内，形成一由超声振子围成的矩形超声通道；矩形框架由丝杆机构驱动其沿安装基台的Z方向直线移动，其垂直平面的水平和竖直方向分别为X方向和Y方向；超声振子在XY方向上的平面阵列排布，两个超声振子相对组成一组驻波发生模块，两组处于同一XY平面上相互垂直的驻波发生模块构成一组XY驻波位移模块；材料供给系统将材料送至矩形超声通道的超声驻波波节处，材料在超声驻波作用下悬停于其中；超声发生控制器控制超声波的频率和相位，实现材料在驻波发生模块连线方向上的运动，实现材料在XY平面的移动和传送。

Description

一种空间超声高能束成形装置与方法
技术领域
本发明涉及增材制造和高能束成形技术领域，尤其涉及一种空间超声高能束成形装置与方法。
背景技术
增材制造技术，是一种从三维模型出发，将离散材料逐层堆叠成实体零件的先进制造技术，具有可成形复杂结构、生产周期短、可个性化柔性生产的特点与优势，已经被广泛应用在生物医疗、航空航天与汽车工业等领域。
目前常见的增材技术，主要激光选区熔化、定向能量沉积、材料熔融沉积、光固化成形、选择性激光烧结、选择性粉末粘结等。
其中，激光等高能束增材制造技术(以激光等高能束为主要能量源)是目前应用最广泛的增材制造技术之一，其中激光束具有能量密度高、可控制性高等特点，其技术进步与发展也极大地促进了增材制造技术的发展。
此外，超声驻波物质传送技术的发展也让任何物质在超声空间的精确传送成为可以被应用到制药等领域的现实技术。
如果将高能束成形技术与超声空间物质传输技术结合，超声空间物质传送系统实现材料的高精度空间定位，使用激光等高能束进行熔凝成形和光固化成形，将最终实现实体的空间成形。
这样基于激光等高能束成形的超声空间成形技术的出现将为增材制造技术带来新的变革，为增材制造技术开拓新的方法和工艺，而该工艺和方法将兼具超声空间物质传输和高能束成形的优点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种空间超声高能束成形装置与方法。本发明实现了工件成型过程中，无支撑并且可任意空间位置加工，本发明还实现液相、固态材料的同时成形。
本发明通过下述技术方案实现：
一种空间超声高能束成形装置，包括位于安装基台1上的激光器9、材料供给系统6、超声发生控制器10和成型基板4；激光器9包括振镜7和场镜8；
所述成型基板4和安装基台1的表面相垂直；成型基板4由丝杆机构驱动其沿安装基台1的Z轴方向直线运动，Z轴方向即沿着丝杆机构驱动的丝杆轴线方向，垂直于安装基台1的平面方向为X轴方向，垂直于X轴Z轴平面方向为Y轴方向；
所述超声发生控制器10包括超声振子13；
所述超声振子13以阵列形式，安装于矩形框架13-1四周的安装槽内，形成一由超声振子13围成的矩形超声通道13-2；
所述矩形框架13-1由丝杆机构驱动其沿安装基台1的Z方向直线移动，其垂直平面的水平和竖直方向分别为X方向和Y方向；超声振子13在XY方向上的平面阵列排布，两侧对称，两个超声振子13相对组成一组驻波发生模块，两组处于同一XY平面上相互垂直的驻波发生模块构成一组XY驻波位移模块；
所述成型基板4位于矩形超声通道的一端，激光器9的振镜7、场镜8和材料供给系统6位于矩形超声通道13-2的另一端；
所述材料供给系统6用于将打印所需材料，输送至矩形超声通道13-2的超声驻波波节处，材料在超声驻波作用下悬停于其中；超声发生控制器10控制超声波的频率和相位，实现材料在驻波发生模块连线方向上的运动，实现材料在XY平面的移动和传送。
所述成型基板4与矩形超声通道13-2，位于同一轴线上，并可沿该轴线独立移动。
所述材料供给系统6包括多个用于储存材料的料斗17，以及用于供料电机15和安装在料斗17出口的供料导管16。
所述矩形超声通道13-2在其丝杆机构的带动下，朝材料供给系统6的供料导管16出口处直线移动，当供料导管16临近矩形超声通道13-2驻波平面的驻波波节处时停止；
供料电机15转动，使材料在重力作用下，通过供料导管16输送至矩形超声通道13-2；
超声振子13在超声发生控制器10作用下产生的超声驻波波节处，材料在超声驻波作用下实现空间位置的悬停；
超声发生控制器10通过控制超声振子13振动频率和相位，改变材料在超声驻波平面的位置，完成第一个驻波平面材料供料；
待第一个驻波平面材料供料完成后，矩形框架13-1朝着远离材料供给系统6方向移动一个驻波平面，供料电机15转动，使材料在重力作用下，通过供料导管16输送该驻波平面的波节位置；如此重复，直至完成材料供应；
完成材料供应后，矩形框架13-1移动至场镜8的成形位置区域后停止；
成型基板4在丝杆机构带动下，运动至矩形超声通道13-2的材料成形平面区域；
超声发生控制器10根据打印数据，通过控制超声振子13频率或者相位变化，将原驻波波节处的材料，移动到该平面上的指定成型位置；此时，超声发生控制器10改变非当前加工作业超声平面的驻波频率和相位，使不属于当前加工作业层超声平面的材料，向矩形超声通道13-2的周围移开，以避开场镜8出射的激光光路，以免遮挡；
激光器9发射激光，并通过振镜7和场镜8导向聚焦至材料所在位置；激光与材料相互作用熔化或固化材料，使材料在对应位置成形并固定于成型基板4上；
超声发生控制器10根据打印数据，将下一个平面的邻近波节处材料，依次送至成形位置，并在激光作用下，与成型基板4上原已成形的材料层熔化凝固或者固化结合。
所述矩形框架的两侧，通过连接结构安装在丝杆上；连接结构与丝杆螺纹配合；当丝转动时，其沿着丝杆的直线轨迹运动。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1.驻波作用下无支撑任意空间位置加工
驻波由振幅、频率和传播速度都相同的两列相干波叠加形成，可以使液体材料或者固体颗粒状材料等材料悬停于空中；在本发明中，超声发生控制器10、超声振子13、矩形框架13-1(超声振子的载体)和矩形超声通道13-2等，形成超声驻波物质传输系统。
在本发明中，超声振子13在超声发生控制器10作用下产生的超声驻波波节处，材料在超声驻波作用下实现空间位置的悬停；材料在超声驻波的悬浮作用，相当于无支撑作用下进行材料的输送和成形，类似于“无支撑打印”。基于悬浮作用，便可以使材料在任意空间位置停留，再通过激光对材料进行加工。本发明激光路径不被阻挡，实现任意角度的堆叠成形。
相较于现有的增材制造工艺，本方法可以实现无支撑打印，任意位置任意角度的堆叠成形，使得增材制造更加自由与富有选择性，可以使某些复杂结构例如封闭空心球体、封闭空心壳体的成形成为可能。
2.超精细增材制造
增材制造的加工尺度一方面取决于加工工具如喷头大小、光斑大小等的影响，另一方面，材料的多少和形式也可以决定增材制造的成形尺度。在本方法中，材料被驻波离散成小的材料团体，当材料团体足够小时，便可以此决定加工的尺度。当材料供给系统足够精细，使材料以单独颗粒运送到超声驻波物质传输系统中，此时便可以实现单独材料颗粒大小的超精细增材制造。
3.任意多种材料成形
超声驻波物质传输系统，可以在不同的驻波波节处悬浮多种所需的成形材料，每种材料设置特定的工艺参数，可以一次性成形任意多种材料。同时，超声驻波的悬浮作用可以使材料在空间任意位置，任意角度成形，基于此便可实现多种材料在空间任意位置的组合成形，同一个零件的任意位置可以根据需求分布任意种材料。
4.固液相材料同时成形
超声驻波悬浮作用既可以使固态材料悬浮于空中，也可以使液态材料悬浮于空中，所以在成形过程中可以实现液相、固态材料的同时成形。再多材料成形中增加液态固态材料的同时成形，对于多材料工艺而言是一种全新的方法与工艺。
5.超声振动增益作用
超声在液体传播过程中会产生空化和声流效应，会对液体产生一定的搅拌作用，在激光成形技术中，熔凝成形和固化成形材料都会经历液相状态，所以超声在熔凝成形和光固化成形过程中会对材料产生一定的搅拌作用，可以使材料成分更加均匀，对于金属材料可以起到细化晶粒减少缺陷和提高性能的作用。
综上所述，本发明利用超声驻波的悬浮作用和激光成形，可以实现任意空间位置的无支撑直接材料成形，也可通过控制材料的供给量实现单个材料颗粒的超精细增材制造，同时因为超声无差别的悬浮作用，可以实现多种材料的供给进而根据任意空间的成形实现多材料在任意空间位置的成形，同时材料也不仅限于单一固相或液相材料，可以实现固相液相材料的同时成形。同时在超声的搅拌作用下，可以均匀材料成分、减少缺陷、细化金属材料的晶粒提高材料的成形性能。
附图说明
图1为本发明空间超声高能束成形装置的轴测图。
图2为本发明超声发生控制器的矩形框架的轴测图。
图3为本发明激光器示意图。
图4为本发明料供给系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
本发明公开了一种空间超声高能束成形装置，包括位于安装基台1上的激光器9、材料供给系统6、超声发生控制器10和成型基板4。激光器9连接计算机。激光器9包括振镜7和场镜8。
所述成型基板4和安装基台1的表面相垂直；成型基板4由丝杆机构驱动其沿安装基台1的Z轴方向直线运动，Z轴方向即沿着丝杆机构驱动的丝杆轴线方向，垂直于安装基台1的平面方向为X轴方向，垂直于X轴Z轴平面方向为Y轴方向；
所述超声发生控制器10包括超声振子13；
所述超声振子13以阵列形式，安装于矩形框架13-1四周的安装槽内，形成一由超声振子13围成的矩形超声通道13-2；
所述矩形框架13-1由丝杆机构驱动其沿安装基台1的Z方向直线移动，其垂直平面的水平和竖直方向分别为X方向和Y方向；超声振子13在XY方向上的平面阵列排布，两侧对称，两个超声振子13相对组成一组驻波发生模块，两组处于同一XY平面上相互垂直的驻波发生模块构成一组XY驻波位移模块；
所述成型基板4位于矩形超声通道的一端，激光器9的振镜7、场镜8和材料供给系统6位于矩形超声通道13-2的另一端；
所述材料供给系统6用于将打印所需材料，输送至矩形超声通道13-2的超声驻波波节处，材料在超声驻波作用下悬停于其中；超声发生控制器10控制超声波的频率和相位，实现材料在驻波发生模块连线方向上的运动，实现材料在XY平面的移动和传送。
所述成型基板4与矩形超声通道13-2，位于同一轴线上，并可沿该轴线独立移动。
所述材料供给系统6包括多个用于储存材料的料斗17，以及用于供料电机15和安装在料斗17出口的供料导管16。
所述矩形超声通道13-2在其丝杆机构的带动下，朝材料供给系统6的供料导管16出口处直线移动，当供料导管16临近矩形超声通道13-2驻波平面的驻波波节处时停止；
供料电机15转动，使材料在重力作用下，通过供料导管16输送至矩形超声通道13-2；
超声振子13在超声发生控制器10作用下产生的超声驻波波节处，材料在超声驻波作用下实现空间位置的悬停；
超声发生控制器10通过控制超声振子13振动频率和相位，改变材料在超声驻波平面的位置，完成第一个驻波平面材料供料；
待第一个驻波平面材料供料完成后，矩形框架13-1朝着远离材料供给系统6方向移动一个驻波平面，供料电机15转动，使材料在重力作用下，通过供料导管16输送该驻波平面的波节位置；如此重复，直至完成材料供应；
完成材料供应后，矩形框架13-1移动至场镜8的成形位置区域后停止；
成型基板4在丝杆机构带动下，运动至矩形超声通道13-2的材料成形平面区域；
超声发生控制器10根据打印数据，通过控制超声振子13频率或者相位变化，将原驻波波节处的材料，移动到该平面上的指定成型位置；此时，超声发生控制器10改变非当前加工作业超声平面的驻波频率和相位，使不属于当前加工作业层超声平面的材料，向矩形超声通道13-2的周围移开，以避开场镜8出射的激光光路，以免遮挡；
激光器9发射激光，并通过振镜7和场镜8导向聚焦至材料所在位置；激光与材料相互作用熔化或固化材料，使材料在对应位置成形并固定于成型基板4上；
超声发生控制器10根据打印数据，将下一个平面的邻近波节处材料，依次送至成形位置，并在激光作用下，与成型基板4上原已成形的材料层熔化凝固或者固化结合。
所述矩形框架13-1的两侧，通过连接结构13-3安装在丝杆上；连接结构与丝杆螺纹配合；当丝转动时，其沿着丝杆的直线轨迹运动。
本发明作业原理，进一步描述如下：
(1).往料斗17中放入材料，可以放入液体材料与固体颗粒状材料，每个料斗17可以放入一种材料，可根据所需材料的种类增加料盒数量；
(2).计算机输入所需打印的模型数据；
(3).丝杆结构的伺服系统，根据计算机内的打印数据，将矩形框架13-1移动至材料供给系统6对应的、可接收材料的位置；
(4).超声发生控制器10开启，并成超声驻波，准备接受材料；
(5).供料电机15开启，放出定量材料，材料经过供料导管16移动至矩形超声通道13-2的超声驻波波节处，材料在超声驻波的作用下悬停于空中；
(6).基于(5)步骤，超声发生控制器10控制超声振子13产生的驻波超声的频率、相位，将超声移动至该材料平面的非作业位置，并再次将来自供料导管16的材料，送至指定驻波波节位置，完成一个超声平面材料；
(7).完成一个超声平面材料的接收后，矩形框架13-1朝着远离材料供给系统6方向移动一个驻波平面，并如步骤(5)和步骤(6)逐层完成材料的接收；
(8)完成材料供应后，矩形框架13-1移动至场镜8的成形位置区域后停止；
(9).成型基板4在丝杆机构带动下，运动至矩形超声通道13-2的材料成形平面区域(接近，但成型基板4不与材料接触)；
(10).超声发生控制器10根据打印数据，通过控制超声振子13频率或者相位变化，将原驻波波节处的材料，移动到该平面上的指定成型位置；此时，超声发生控制器10改变非当前加工作业超声平面的驻波频率和相位，使不属于当前加工作业层超声平面的材料，向矩形超声通道13-2的周围移开，以避开场镜8出射的激光光路，以免遮挡；
(11).激光器9发射激光，并通过振镜7和场镜8导向聚焦至材料所在位置；激光与材料相互作用熔化或固化材料，使材料在对应位置成形并固定于成型基板4上；
(12).超声发生控制器10根据打印数据，将下一个平面的邻近波节处材料，依次送至成形位置，并在激光作用下，与成型基板4上原已成形的材料层熔化凝固或者固化结合，直至完成零件的各层的堆叠加工，最终得到成型零件；
(13).零件加工成型后，关闭超声发生控制器10，未成形的多余材料自然散落。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种空间超声高能束成形装置，包括位于安装基台(1)上的激光器(9)、材料供给系统(6)、超声发生控制器(10)和成型基板(4)；激光器(9)包括振镜(7)和场镜(8)；其特征在于：
所述成型基板(4)和安装基台(1)的表面相垂直；成型基板(4)由丝杆机构驱动其沿安装基台(1)的Z轴方向直线运动，Z轴方向即沿着丝杆机构驱动的丝杆轴线方向，垂直于安装基台(1)的平面方向为X轴方向，垂直于X轴Z轴平面方向为Y轴方向；
所述超声发生控制器(10)包括超声振子(13)；
所述超声振子(13)以阵列形式，安装于矩形框架(13-1)四周的安装槽内，形成一由超声振子(13)围成的矩形超声通道(13-2)；
所述矩形框架(13-1)由丝杆机构驱动其沿安装基台(1)的Z方向直线移动，其垂直平面的水平和竖直方向分别为X方向和Y方向；超声振子(13)在XY方向上的平面阵列排布，两侧对称，两个超声振子(13)相对组成一组驻波发生模块，两组处于同一XY平面上相互垂直的驻波发生模块构成一组XY驻波位移模块；
所述成型基板(4)位于矩形超声通道的一端，激光器(9)的振镜(7)、场镜(8)和材料供给系统(6)位于矩形超声通道(13-2)的另一端；
所述材料供给系统(6)用于将打印所需材料，输送至矩形超声通道(13-2)的超声驻波波节处，材料在超声驻波作用下悬停于其中；超声发生控制器(10)控制超声波的频率和相位，实现材料在驻波发生模块连线方向上的运动，实现材料在XY平面的移动和传送。
2.根据权利要求1所述空间超声高能束成形装置，其特征在于：
所述成型基板(4)与矩形超声通道(13-2)，位于同一轴线上，并可沿该轴线独立移动。
3.根据权利要求2所述空间超声高能束成形装置，其特征在于：
所述材料供给系统(6)包括多个用于储存材料的料斗(17)，以及用于供料的供料电机(15)和安装在料斗(17)出口的供料导管(16)。
4.根据权利要求3所述空间超声高能束成形装置，其特征在于：
所述矩形超声通道(13-2)在其丝杆机构的带动下，朝材料供给系统(6)的供料导管(16)出口处直线移动，当供料导管(16)临近矩形超声通道(13-2)驻波平面的驻波波节处时停止；
供料电机(15)转动，使材料在重力作用下，通过供料导管(16)输送至矩形超声通道(13-2)；
超声振子(13)在超声发生控制器(10)作用下产生的超声驻波波节处，材料在超声驻波作用下实现空间位置的悬停；
超声发生控制器(10)通过控制超声振子(13)振动频率和相位，改变材料在超声驻波平面的位置，完成第一个驻波平面材料供料；
待第一个驻波平面材料供料完成后，矩形框架(13-1)朝着远离材料供给系统(6)方向移动一个驻波平面，供料电机(15)转动，使材料在重力作用下，通过供料导管(16)输送该驻波平面的波节位置；如此重复，直至完成材料供应；
完成材料供应后，矩形框架(13-1)移动至场镜(8)的成形位置区域后停止；
成型基板(4)在丝杆机构带动下，运动至矩形超声通道(13-2)的材料成形平面区域；
超声发生控制器(10)根据打印数据，通过控制超声振子(13)频率或者相位变化，将原驻波波节处的材料，移动到该平面上的指定成型位置；此时，超声发生控制器(10)改变非当前加工作业超声平面的驻波频率和相位，使不属于当前加工作业层超声平面的材料，向矩形超声通道(13-2)的周围移开，以避开场镜(8)出射的激光光路，以免遮挡；
激光器(9)发射激光，并通过振镜(7)和场镜(8)导向聚焦至材料所在位置；激光与材料相互作用熔化或固化材料，使材料在对应位置成形并固定于成型基板(4)上；
超声发生控制器(10)根据打印数据，将下一个平面的邻近波节处材料，依次送至成形位置，并在激光作用下，与成型基板(4)上原已成形的材料层熔化凝固或者固化结合。
5.根据权利要求4所述空间超声高能束成形装置，其特征在于：
所述矩形框架(13-1)的两侧，通过连接结构(13-3)安装在丝杆上；连接结构与丝杆螺纹配合；当丝转动时，其沿着丝杆的直线轨迹运动。
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