CN115416282A - 一种超声微结构立体成型方法 - Google Patents

一种超声微结构立体成型方法 Download PDF

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郭紫莹
姚光
韩泽西
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Abstract

本申请涉及一种超声微结构立体成型方法，包括以下步骤：S1：在超声打印头工作端预制目标微结构的母版结构；S2：将所需成型的材料添加到材料缸中；S3：驱动超声打印头垂直向下运动；S4：启动超声波发生器；S5：材料缸内底部的材料经超声作用单层固化，完成单层固化后驱动超声打印头，垂直上移预设距离；S6：材料缸内超声打印头外围的材料流动，填充超声打印头与材料之间的成型加工面；S7：重复步骤S5‑S6直至各层全部打印结束；S8：关闭超声波发生器，抬离超声打印头，取下材料缸中加工成型的构件；本方法用超声替代目前常规的立体成型能量源，对材料作用使其固化成型，可同时满足液态和粉末态的材料立体成型需求，与材料的适配性好，低成本操作方便。

Description

一种超声微结构立体成型方法
技术领域
本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种超声微结构立体成型方法。
背景技术
增材制造技术(AM)，即3D打印技术是目前最常见的材料立体成型方法之一，因具有灵活的自由成型优点，使其在医疗、航空航天、国际空间、建筑、电子通讯、汽车等领域都有广泛应用。目前能用于3D打印的材料包括粉末、液态和线材形式的树脂、金属、陶瓷和生物材料，不同的材料有相对应的成型技术包括：SLA、SLS、PolyJet、DLP、FDM、EBF、DMLS、SLM、SHS等。
目前一种成型技术只能适应一种形态的材料，适用于粉末打印的设备不能用于液态材料打印，如果需要满足不同材料的制备需求，则需要购置不同成型技术的设备，且需要配置不同的场地以满足不同设备的存放要求，需要增加相应的操作人员，成本高，操作复杂。此外，目前的3D打印能量源包括激光、热、电子束等，设备成本高、功耗大、存放条件严格，且容易造成安全隐患。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种超声微结构立体成型方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是，提供一种超声微结构立体成型方法，包括以下步骤：
S1：在超声打印头工作端预制目标微结构的母版结构；
S2：将所需成型的材料添加到材料缸中；
S3：驱动超声打印头垂直向下运动，直至超声打印头与材料缸内底之间的间距达到预设距离；
S4：启动超声打印头，设定超声打印头的振幅；
S5：材料缸内底部的材料经超声作用单层固化，完成单层固化后驱动超声打印头，垂直上移预设距离；
S6：材料缸内超声打印头外围的材料流动，填充超声打印头与材料之间的成型加工面，为下层的固化做准备；
S7：重复步骤S5-S6直至各层全部打印结束；
S8：关闭超声波发生器，抬离超声打印头，取下材料缸中加工成型的构件。
进一步的，在步骤S2中，采用的材料为液态或粉末状的热固性树脂、金属或复合材料。
进一步的，在步骤S3、S5中，预设距离为所加工构件一个加工层的厚度。
进一步的，在步骤S4中，超声打印头与超声波发生器电性连接，超声打印头的谐振频率为20-100kHz、单边振幅为3-50um。
进一步的，超声打印头安装在运动模块的末端，由运动模块驱动移动。
进一步的，所述运动模块为N轴移动平台，N不小于3。
进一步的，所述运动模块的末端安装有用以装夹超声打印头的夹具。
进一步的，所述超声打印头垂直朝向材料缸，且超声打印头的垂直投影尺寸小于材料缸的垂直投影尺寸。
进一步的，所述超声打印头的工作端的形状为尖头、平头、内凹头、凸头或异形头。
进一步的，所述超声打印头的工作端为光滑面或预制目标微结构的母版结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：用超声替代目前常规的立体成型能量源，对材料作用使其固化成型，且一台设备可同时满足液态和粉末态的材料立体成型需求，与材料的适配性好，通用性强，有效较低成本、节能环保、操作方便。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本方法的流程示意图。
图2为成型方法示意图。
图3为一种预制微结构的超声打印头工作端面示意图。
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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1-3所示，一种超声微结构立体成型方法，构件采用逐层打印的方式立体加工成型，包括以下步骤：
S1：在超声打印头2的工作端预制目标微结构的母版结构；母版结构上包括若干微结构成型部,根据微结构的具体样式,微结构型腔为凹陷的成型槽和/或凸出的成型凸,优选的微结构成型部阵列布置；
S2：将所需成型的材料3添加到材料缸4中；采用的材料为液态或粉末状的热固性树脂、金属或复合材料；材料缸可根据打印件的尺寸进行更换；
S3：驱动超声打印头垂直向下运动，直至超声打印头与材料缸内底之间的间距达到预设距离，为固化留有空间，同时确保超声打印头能完全与材料接触；超声打印头垂直朝向材料缸，且超声打印头的垂直投影尺寸小于材料缸的垂直投影尺寸；即在成型时，超声打印头的工作端面可以完全被材料缸中的材料覆盖；
在实际应用中，预设距离为所加工构件5一个加工层的厚度。
S4：启动超声打印头，设定超声打印头的振幅；
在实际应用中，超声打印头与超声波发生器1电性连接，超声打印头的谐振频率为20-100kHz、单边振幅为3-50um；
S5：材料缸内底部的材料经超声作用单层固化，材料缸内底部的材料经超声作用单层固化，完成单层固化后驱动超声打印头，垂直上移预设距离；
S6：材料缸内超声打印头外围的材料流动，填充超声打印头与材料之间的成型加工面，从而使母版结构上的微结构成型部被填充包裹，为下层的固化做准备；
S7：重复步骤S5-S6直至各层全部打印结束；
S8：关闭超声波发生器，抬离超声打印头，取下材料缸中加工成型的构件。
在本实施例中，超声打印头安装在运动模块的末端，由运动模块驱动移动，运动模块的末端安装有用以装夹超声打印头的夹具，夹具在保证连接强度的同时，方便超声打印头的更换；运动模块为N轴移动平台，N不小于3，如机械手、三轴线型模组。
在本实施例中，所述超声打印头的工作端的形状为尖头、平头、内凹头、凸头或异形头，超声打印头工作端的尺寸也有大小之分，使用时根据加工要求更换不同的作用头。
在本实施例中，针对不同的加工情况，所述超声打印头的工作端为光滑面或预制目标微结构的母版结构，光滑面用于正常加工成型，预制目标微结构的母版结构用于微结构立体成型。
本方法通过用超声替代目前常规的立体成型能量源，对材料作用使其固化成型，替代目前常规的立体成型能量源(激光、热、电子束等)，成本低、安全可靠、节能环保、操作方便、效率高、质量好。
本方法通过可以同时适用于液态和粉末态的热固性树脂或其他复合物材料，解决目前立体成型设备仅能成型单一状态的材料的问题；其与材料的适配性好，通用性强，材料更换方便。
本方法通过在超声打印头工作端面制备复杂精密微结构，通过控制超声打印头的结构从而控制成型结构，从而获得相应微结构构件。
实施例2：
如2-3所示，实施例2采用实施例1所提供的方法，进行圆球阵列微结构的超声立体成型加工。
具体加工步骤如下：
S1：对超声打印头工作端面通过高精密机械加工制备阵列半圆结构，半圆直径为500μm；将超声打印头与超声波发生器连接，超声波发生器与电源接通，超声打印头与多轴机械手装夹固定；
S2：选用PDMS作为打印材料，添加PDMS的材料到材料缸中；
S3：控制多轴机械手，带动超声打印头垂直向下运动，直至超声打印头与材料缸内底有一个层厚的距离，为固化留有空间，同时确保超声打印头能完全与材料接触；
S4：接通电源，开启超声波发生器，调整超声功率参数，从而控制超声打印头的振幅；
S5：材料缸内底部的材料经超声作用单层固化，完成单层固化后，多轴机械手控制超声打印头向上运动一个层厚的高度，同时外围材料流动，补充超声打印头与材料之间的微小孔隙，为下一层的固化做准备；重复此步骤直至打印结束；
S6：关闭超声波发生器，抬离超声打印头，取下圆球阵列微结构构件。
本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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专利，而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专利的限制。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声微结构立体成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在超声打印头工作端预制目标微结构的母版结构；
S2：将所需成型的材料添加到材料缸中；
S3：驱动超声打印头垂直向下运动，直至超声打印头与材料缸内底之间的间距达到预设距离；
S4：启动超声打印头，设定超声打印头的振幅；
S5：材料缸内底部的材料经超声作用单层固化，完成单层固化后驱动超声打印头，垂直上移预设距离；
S6：材料缸内超声打印头外围的材料流动，填充超声打印头与材料之间的成型加工面；
S7：重复步骤S5-S6直至各层全部打印结束；
S8：关闭超声波发生器，抬离超声打印头，取下材料缸中加工成型的构件。
2.根据权利要求1所述的超声微结构立体成型方法，其特征在于：在步骤S2中，采用的材料为液态或粉末状的热固性树脂、金属或复合材料。
3.根据权利要求1所述的超声微结构立体成型方法，其特征在于：在步骤S3、S5中，预设距离为所加工构件一个加工层的厚度。
4.根据权利要求1所述的超声微结构立体成型方法，其特征在于：在步骤S4中，超声打印头的谐振频率为20-100kHz、单边振幅为3-50um。
5.根据权利要求1所述的超声微结构立体成型方法，其特征在于：所述超声打印头安装在运动模块的末端，由运动模块驱动移动。
6.根据权利要求5所述的超声微结构立体成型方法，其特征在于：所述运动模块为N轴移动平台，N不小于3。
7.根据权利要求5或6所述的超声微结构立体成型方法，其特征在于：所述运动模块的末端安装有用以装夹超声打印头的夹具。
8.根据权利要求1所述的超声微结构立体成型方法，其特征在于：所述超声打印头垂直朝向材料缸，且超声打印头的垂直投影尺寸小于材料缸的垂直投影尺寸。
9.根据权利要求1所述的超声微结构立体成型方法，其特征在于：所述超声打印头的工作端的形状为尖头、平头、内凹头、凸头或异形头。
10.根据权利要求1所述的超声微结构立体成型方法，其特征在于：所述超声打印头的工作端为光滑面或预制目标微结构的母版结构。
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