多向超聲微滴噴射光固化增材製造裝置及方法與流程
2023-05-29 03:30:21
本發明涉及增材製造領域，尤其涉及一種多向超聲微滴噴射光固化增材製造裝置及方法。
背景技術：
光固化增材製造技術作為增材製造技術的一種，在航空航天、模具鑄造、工業製造、設計、生物醫學和汽車等領域被廣泛應用，並取得了令人矚目的效果，具有很好的發展前景。現有的光固化增材製造製造技術主要有立體光固化式(SLA)、多頭噴射式(PolyJet)、數字光處理式(DLP)和連續液面生產式(CLIP)等。
立體光固化增材製造技術，其工作原理是雷射光束通過數控裝置控制的掃描器，按設計的掃描路徑照射到液態光敏樹脂表面，使表面特定區域內的一層樹脂固化，當一層加工完畢後，升降臺下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態樹脂，再進行下一層掃描固化，如此往復，層層疊加成三維樣件。但其成形速度慢，成形樣件其力學特性在各個方向上不同，特別是在堆疊的方向上，抗剪切性能很差，成形複雜結構樣件需要添加支撐結構，成形後需要複雜的後處理工藝。
多頭噴射式光固化增材製造技術，其工作原理是噴射列印頭沿X軸方向來回運動，以超薄層的狀態將材料噴射到基板上，材料被噴射後立即用紫外線光進行凝固，然後工作檯下降一個層厚的距離，在進行下一層的噴射固化，如此逐層累加，實現三維成形。其噴射的超薄層實為多噴頭噴射的微滴聚集而成，噴射微滴的尺寸受噴嘴直徑限制，且容易堵塞噴頭，成形樣件各方向上的力學性能不可控，成形複雜結構樣件必須添加複雜的支撐結構。
數字光處理式光固化增材製造技術，其原理基本與SLA原理相同，只是紫外光每次掃描固化一個面，加快了成形速度，但其仍不可避免立體光固化技術存在的其他缺點。
連續液面生產式光固化增材製造技術，其工作原理是利用紫外光線和氧氣的作用來固化光敏樹脂，其主要依賴於一種特殊的既透明又透氣的窗口，光線作為固化樹脂的方式，而用氧作為抑制劑，在Z軸運動平臺的帶動下，連續快速的生成三維實體樣件。但其成形過程中需要樣件與基板之間具有較大的吸附力，成形過程中常因樣件脫離基板而成形失敗，成形複雜結構樣件需要添加支撐結構，成形後需要複雜的後處理工藝。
綜上所述，現有的光固化增材製造技術，存在成形速度較慢，只能在一個維度上連續固化累加成形，成形複雜結構樣件需要添加支撐，成形過程中失敗率高，成形樣件各方向上力學性能不可控的問題。本發明正是針對現有光固化增材製造技術的研究現狀，將聚焦超聲技術與光固化技術相結合，研製了成形速度快，可在三個維度上同時進行累加成形，成形過程中避免使用支撐結構，成形樣件各方向上力學性能可控的光固化增材製造裝置。
技術實現要素：
本發明提供一種多向超聲微滴噴射光固化增材製造裝置及方法，以解決現有光固化增材製造技術成形速度較慢，只能在一個維度上連續固化累加成形，成形複雜結構樣件需要添加支撐，成形過程中失敗率高，成形樣件各方向上力學性能不可控的問題。
本發明採取的技術方案是：包括機架、兩軸運動組件一、兩軸運動組件二、兩軸運動組件三、供料系統支架、供料系統、兩軸運動組件四、兩軸運動組件五和基板，其中兩軸運動組件一、兩軸運動組件二、兩軸運動組件四、兩軸運動組件五和兩軸運動組件三分別固定在機架的四個側面和頂面上，供料系統支架固定在機架的上面、架起的高度高於兩軸運動組件三的最高位置，供料系統固定在供料系統支架上，基板固定在機架上。
所述兩軸運動組件一、兩軸運動組件二、兩軸運動組件三、兩軸運動組件四和兩軸運動組件五的結構相同，其中兩軸運動組件一的結構，包括X軸絲母、紫外光源、聚焦超聲換能器一、Z軸光槓組件一、Z軸光槓組件二、平臺組件、X軸光槓組件一、Z軸絲槓組件、Z軸絲母組件、X軸絲槓組件、X軸光槓組件二、伺服電機組件一、伺服電機組件二，其中X軸光槓組件一、X軸光槓組件二和伺服電機組件二固定在機架上，平臺組件和X軸光槓組件一、X軸光槓組件二滑動連接，X軸絲母、Z軸光槓組件一、Z軸光槓組件二、Z軸絲槓組件和伺服電機組件一均固定在平臺組件上，Z軸絲母組件隨著Z軸絲槓組件中絲槓的轉動沿Z軸移動，紫外光源和聚焦超聲換能器一固定在Z軸絲母組件上，X軸絲母隨著X軸絲槓組件中絲槓的轉動沿X軸移動，伺服電機組件一與Z軸絲槓組件中絲槓連接，伺服電機組件二與X軸絲槓組件中絲槓連接；
所述的聚焦超聲換能器一的結構是，包括底板、外圈、鎳電極一、壓電陶瓷PZT、鎳電極二、內圈、聚對二甲苯層、空氣環，其中底板固定在外圈的底面，鎳電極一和鎳電極二鍍在壓電陶瓷PZT的兩側，內圈固定在外圈的頂面，鎳電極一、壓電陶瓷PZT和鎳電極二固定在內圈上，空氣環在聚對二甲苯塗層與鎳電極一之間。
所述的鎳電極一、壓電陶瓷PZT、鎳電極二、聚對二甲苯層、空氣環構成聚焦超聲振子，聚對二甲苯層與空氣環構成菲涅耳透鏡，滿足下列關係式：
為聚對二甲苯層與鎳電極一接觸的第k個空氣環內徑、為聚對二甲苯層與鎳電極一接觸的第k個空氣環外徑，L為該聚焦超聲振子焦距，即聚焦超聲振子到液面的距離，λ為超聲在液體材料中的波長，k＝1、2、3、4……。
所述的供料系統的結構是，包括控制閥二、控制閥一、供料池、控制閥四、控制閥三、控制閥五，其中供料池通過控制閥一與聚焦超聲換能器一相連，供料池通過控制閥二與聚焦超聲換能器二相連，供料池通過控制閥三與聚焦超聲換能器三相連，供料池通過控制閥四與聚焦超聲換能器四相連，供料池通過控制閥五與聚焦超聲換能器五相連。
一種多向超聲微滴噴射光固化增材製造的方法，包括以下步驟：
(1)建立需成型件的三維模型，對三維模型進行切片，生成切片軌跡代碼；
(2)將液態光敏樹脂倒入供料池內；
(3)根據列印成形件的精度，調整五個聚焦換能器的控制單元的的驅動頻率，從而調整噴射液滴的直徑；
(4)調整完成後啟動裝置開始噴射固化成形，根據三維模型的切片軌跡，計算機控制五組兩軸運動組件帶動各自的聚焦超聲換能器和紫外光源在五個平面運動，同時控制著五個聚焦超聲換能器協同噴射液滴；根據各成形面上微滴的固化方式，控制五個紫外光源的開關。按此方式直至成形完畢，得到三維實體。
本發明的有益效果是：採用聚焦超聲技術噴射微滴，噴射精度高，噴射速度快，液滴尺寸不受噴口限制，避免堵塞噴頭；噴射過程中可交替進行逐點、逐線、逐面固化，提高列印件的綜合力學性能；本發明採用五個方位聚焦超聲換能器同時工作，可同時實現三個維度的增材製造，在保證成形精度的同時加快成形速度，成形件在各方向上的力學性能可控，成形無需添加輔助支撐結構，本發明可以成形大多數光敏樹脂材料。避免了複雜的後處理工藝，降低了製造成本，為光固化增材製造領域提供了一種新的成形方法。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是本發明機架的結構示意圖；
圖3是本發明兩軸運動組件一的結構示意圖；
圖4是本發明聚焦超聲換能器的外形示意圖；
圖5是本發明聚焦超聲換能器的二維剖視圖；
圖6是本發明供料系統和聚焦超聲換能器連接關係示意圖。
具體實施方式
包括：機架1、兩軸運動組件一2、兩軸運動組件二3、兩軸運動組件三4、供料系統支架5、供料系統6、兩軸運動組件四7、兩軸運動組件五8、基板9，兩軸運動組件一2、兩軸運動組件二3、兩軸運動組件四7、兩軸運動組件五8和兩軸運動組件三4分別固定在機架1的四個側面和一個頂面上，供料系統支架5固定在機架1的上面、架起的高度高於兩軸運動組件三4的最高位置，供料系統6固定在供料系統支架5上，基板9固定在機架上。
所述兩軸運動組件一2、兩軸運動組件二3、兩軸運動組件三4、兩軸運動組件四7和兩軸運動組件五8的結構相同，其中兩軸運動組件一2的結構，包括X軸絲母201、紫外光源202、聚焦超聲換能器一203、Z軸光槓組件一204、Z軸光槓組件二205、平臺組件206、X軸光槓組件一207、Z軸絲槓組件208、Z軸絲母組件209、X軸絲槓組件210、X軸光槓組件二211、伺服電機組件一212、伺服電機組件二213，其中X軸光槓組件一207、X軸光槓組件二211和伺服電機組件二213固定在機架1上，平臺組件206和X軸光槓組件一207、X軸光槓組件二211滑動連接，X軸絲母201、Z軸光槓組件一204、Z軸光槓組件二205、Z軸絲槓組件208和伺服電機組件一212均固定在平臺組件206上，Z軸絲母組件209隨著Z軸絲槓組件208中絲槓的轉動沿Z軸移動，紫外光源202和聚焦超聲換能器一203固定在Z軸絲母組件209上，X軸絲母201隨著X軸絲槓組件210中絲槓的轉動沿X軸移動，伺服電機組件一212與Z軸絲槓組件208中絲槓連接，伺服電機組件二213與X軸絲槓組件210中絲槓連接；
所述的聚焦超聲換能器一203的結構是，包括底板20301、外圈20302、鎳電極一20303、壓電陶瓷PZT20304、鎳電極二20305、內圈20306、聚對二甲苯層20307、空氣環20308，其中底板20301固定在外圈20302的底面，鎳電極一20303和鎳電極二20305鍍在壓電陶瓷PZT20304的兩側，內圈20306固定在外圈20305的頂面，鎳電極一20303、壓電陶瓷PZT20304和鎳電極二20305固定在內圈上，空氣環20308在聚對二甲苯塗層20307與鎳電極一20303之間。
所述的鎳電極一20303、壓電陶瓷PZT20304、鎳電極二20305、聚對二甲苯層20307、空氣環20308構成聚焦超聲振子，聚對二甲苯層20307與空氣環20308構成菲涅耳透鏡，滿足下列關係式：
為聚對二甲苯層20307與鎳電極一20303接觸的第k個空氣環內徑、為聚對二甲苯層20307與鎳電極一20303接觸的第k個空氣環外徑，L為該聚焦超聲振子焦距，即聚焦超聲振子到液面的距離，λ為超聲在液體材料中的波長，k＝1、2、3、4……。
所述的供料系統6的結構是，包括控制閥二601、控制閥一602、供料池603、控制閥四604、控制閥三605、控制閥五606，其中供料池603通過控制閥一602與聚焦超聲換能器一203相連，供料池603通過控制閥二601與聚焦超聲換能器二303相連，供料池603通過控制閥三605與聚焦超聲換能器三403相連，供料池603通過控制閥四604與聚焦超聲換能器四703相連，供料池603通過控制閥五606與聚焦超聲換能器五803相連，列印過程中根據各個換能器的工作情況控制各個控制閥的開啟和關閉。供料池603通過連通器原理向各個聚焦換能器供料，所述的供料池603側面開有閥門，方便未用完的光敏樹脂回收和供料池的清洗。
所述的聚焦超聲換能器203可以通過改變頻率改變噴射液滴直徑的大小，換能器噴射液滴的頻率和速度可控。
所述的五組兩軸運動平臺，列印時五組兩軸運動平臺上的換能器同時工作。
所述的供料池603中的盛裝的液態光敏樹脂，包括各種強度以及不同材質的液態光敏樹脂材料。
在實際實施過程中所述的紫外光源為帶掃描振鏡的DLP紫外線固化光源，成形過程中可交替進行逐點、逐線、逐面固化，調控成形件的力學性能。
所述的列印裝置在列印的過程中通過控制系統同時控制五組兩軸運動組件帶動各自的超聲聚焦換能器在五個平面運動進行噴射液滴列印成形件，從而實現從三個維度同時列印，增加了成型速度和精度；同時通過控制三個維度上的五組聚焦超聲換能器協調工作，避免了在列印成形件過程中需要增加輔助支撐的問題
一種多向超聲微滴噴射光固化增材製造的方法，包括以下步驟：
(1)建立需成型件的三維模型，對三維模型進行切片，生成切片軌跡代碼；
(2)將液態光敏樹脂倒入供料池603內；
(3)根據列印成形件的精度，調整五個聚焦換能器的控制單元的的驅動頻率，從而調整噴射液滴的直徑；
(4)調整完成後啟動裝置開始噴射固化成形，根據三維模型的切片軌跡，計算機控制五組兩軸運動組件帶動各自的聚焦超聲換能器和紫外光源在五個平面運動，同時控制著五個聚焦超聲換能器協同噴射液滴；根據各成形面上微滴的固化方式，控制五個紫外光源的開關。按此方式直至成形完畢，得到三維實體。