本發(fā)明涉及增材制造領(lǐng)域，尤其涉及一種多向超聲微滴噴射光固化增材制造裝置及方法。

背景技術(shù)：

光固化增材制造技術(shù)作為增材制造技術(shù)的一種，在航空航天、模具鑄造、工業(yè)制造、設(shè)計(jì)、生物醫(yī)學(xué)和汽車等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并取得了令人矚目的效果，具有很好的發(fā)展前景。現(xiàn)有的光固化增材制造制造技術(shù)主要有立體光固化式(SLA)、多頭噴射式(PolyJet)、數(shù)字光處理式(DLP)和連續(xù)液面生產(chǎn)式(CLIP)等。

立體光固化增材制造技術(shù)，其工作原理是激光光束通過數(shù)控裝置控制的掃描器，按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹脂固化，當(dāng)一層加工完畢后，升降臺(tái)下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進(jìn)行下一層掃描固化，如此往復(fù)，層層疊加成三維樣件。但其成形速度慢，成形樣件其力學(xué)特性在各個(gè)方向上不同，特別是在堆疊的方向上，抗剪切性能很差，成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)樣件需要添加支撐結(jié)構(gòu)，成形后需要復(fù)雜的后處理工藝。

多頭噴射式光固化增材制造技術(shù)，其工作原理是噴射打印頭沿X軸方向來回運(yùn)動(dòng)，以超薄層的狀態(tài)將材料噴射到基板上，材料被噴射后立即用紫外線光進(jìn)行凝固，然后工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的距離，在進(jìn)行下一層的噴射固化，如此逐層累加，實(shí)現(xiàn)三維成形。其噴射的超薄層實(shí)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(xué)性能不可控，成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)樣件必須添加復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)。

數(shù)字光處理式光固化增材制造技術(shù)，其原理基本與SLA原理相同，只是紫外光每次掃描固化一個(gè)面，加快了成形速度，但其仍不可避免立體光固化技術(shù)存在的其他缺點(diǎn)。

連續(xù)液面生產(chǎn)式光固化增材制造技術(shù)，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，其主要依賴于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(yùn)動(dòng)平臺(tái)的帶動(dòng)下，連續(xù)快速的生成三維實(shí)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，成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)樣件需要添加支撐結(jié)構(gòu)，成形后需要復(fù)雜的后處理工藝。

綜上所述，現(xiàn)有的光固化增材制造技術(shù)，存在成形速度較慢，只能在一個(gè)維度上連續(xù)固化累加成形，成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(xué)性能不可控的問題。本發(fā)明正是針對(duì)現(xiàn)有光固化增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀，將聚焦超聲技術(shù)與光固化技術(shù)相結(jié)合，研制了成形速度快，可在三個(gè)維度上同時(shí)進(jìn)行累加成形，成形過程中避免使用支撐結(jié)構(gòu)，成形樣件各方向上力學(xué)性能可控的光固化增材制造裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種多向超聲微滴噴射光固化增材制造裝置及方法，以解決現(xiàn)有光固化增材制造技術(shù)成形速度較慢，只能在一個(gè)維度上連續(xù)固化累加成形，成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(xué)性能不可控的問題。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：包括機(jī)架、兩軸運(yùn)動(dòng)組件一、兩軸運(yùn)動(dòng)組件二、兩軸運(yùn)動(dòng)組件三、供料系統(tǒng)支架、供料系統(tǒng)、兩軸運(yùn)動(dòng)組件四、兩軸運(yùn)動(dòng)組件五和基板，其中兩軸運(yùn)動(dòng)組件一、兩軸運(yùn)動(dòng)組件二、兩軸運(yùn)動(dòng)組件四、兩軸運(yùn)動(dòng)組件五和兩軸運(yùn)動(dòng)組件三分別固定在機(jī)架的四個(gè)側(cè)面和頂面上，供料系統(tǒng)支架固定在機(jī)架的上面、架起的高度高于兩軸運(yùn)動(dòng)組件三的最高位置，供料系統(tǒng)固定在供料系統(tǒng)支架上，基板固定在機(jī)架上。

所述兩軸運(yùn)動(dòng)組件一、兩軸運(yùn)動(dòng)組件二、兩軸運(yùn)動(dòng)組件三、兩軸運(yùn)動(dòng)組件四和兩軸運(yùn)動(dòng)組件五的結(jié)構(gòu)相同，其中兩軸運(yùn)動(dòng)組件一的結(jié)構(gòu)，包括X軸絲母、紫外光源、聚焦超聲換能器一、Z軸光杠組件一、Z軸光杠組件二、平臺(tái)組件、X軸光杠組件一、Z軸絲杠組件、Z軸絲母組件、X軸絲杠組件、X軸光杠組件二、伺服電機(jī)組件一、伺服電機(jī)組件二，其中X軸光杠組件一、X軸光杠組件二和伺服電機(jī)組件二固定在機(jī)架上，平臺(tái)組件和X軸光杠組件一、X軸光杠組件二滑動(dòng)連接，X軸絲母、Z軸光杠組件一、Z軸光杠組件二、Z軸絲杠組件和伺服電機(jī)組件一均固定在平臺(tái)組件上，Z軸絲母組件隨著Z軸絲杠組件中絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)沿Z軸移動(dòng)，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軸絲杠組件中絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)沿X軸移動(dòng)，伺服電機(jī)組件一與Z軸絲杠組件中絲杠連接，伺服電機(jī)組件二與X軸絲杠組件中絲杠連接；

所述的聚焦超聲換能器一的結(jié)構(gòu)是，包括底板、外圈、鎳電極一、壓電陶瓷PZT、鎳電極二、內(nèi)圈、聚對(duì)二甲苯層、空氣環(huán)，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(cè)，內(nèi)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(nèi)圈上，空氣環(huán)在聚對(duì)二甲苯涂層與鎳電極一之間。

所述的鎳電極一、壓電陶瓷PZT、鎳電極二、聚對(duì)二甲苯層、空氣環(huán)構(gòu)成聚焦超聲振子，聚對(duì)二甲苯層與空氣環(huán)構(gòu)成菲涅耳透鏡，滿足下列關(guān)系式：

$r_k^0=\sqrt{\frac{2k-1}{2}\mathrm{\λ}(\frac{2k-1}{2}\mathrm{\λ}+2L)}$

$r_k^1=\sqrt{k\mathrm{\λ}(k\mathrm{\λ}+2L)}$

為聚對(duì)二甲苯層與鎳電極一接觸的第k個(gè)空氣環(huán)內(nèi)徑、為聚對(duì)二甲苯層與鎳電極一接觸的第k個(gè)空氣環(huán)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)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制造的方法，包括以下步驟：

(1)建立需成型件的三維模型，對(duì)三維模型進(jìn)行切片，生成切片軌跡代碼；

(2)將液態(tài)光敏樹脂倒入供料池內(nèi)；

(3)根據(jù)打印成形件的精度，調(diào)整五個(gè)聚焦換能器的控制單元的的驅(qū)動(dòng)頻率，從而調(diào)整噴射液滴的直徑；

(4)調(diào)整完成后啟動(dòng)裝置開始噴射固化成形，根據(jù)三維模型的切片軌跡，計(jì)算機(jī)控制五組兩軸運(yùn)動(dòng)組件帶動(dòng)各自的聚焦超聲換能器和紫外光源在五個(gè)平面運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制著五個(gè)聚焦超聲換能器協(xié)同噴射液滴；根據(jù)各成形面上微滴的固化方式，控制五個(gè)紫外光源的開關(guān)。按此方式直至成形完畢，得到三維實(shí)體。

本發(fā)明的有益效果是：采用聚焦超聲技術(shù)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(jìn)行逐點(diǎn)、逐線、逐面固化，提高打印件的綜合力學(xué)性能；本發(fā)明采用五個(gè)方位聚焦超聲換能器同時(shí)工作，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)維度的增材制造，在保證成形精度的同時(shí)加快成形速度，成形件在各方向上的力學(xué)性能可控，成形無需添加輔助支撐結(jié)構(gòu)，本發(fā)明可以成形大多數(shù)光敏樹脂材料。避免了復(fù)雜的后處理工藝，降低了制造成本，為光固化增材制造領(lǐng)域提供了一種新的成形方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明機(jī)架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明兩軸運(yùn)動(dòng)組件一的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明聚焦超聲換能器的外形示意圖；

圖5是本發(fā)明聚焦超聲換能器的二維剖視圖；

圖6是本發(fā)明供料系統(tǒng)和聚焦超聲換能器連接關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

包括：機(jī)架1、兩軸運(yùn)動(dòng)組件一2、兩軸運(yùn)動(dòng)組件二3、兩軸運(yùn)動(dòng)組件三4、供料系統(tǒng)支架5、供料系統(tǒng)6、兩軸運(yùn)動(dòng)組件四7、兩軸運(yùn)動(dòng)組件五8、基板9，兩軸運(yùn)動(dòng)組件一2、兩軸運(yùn)動(dòng)組件二3、兩軸運(yùn)動(dòng)組件四7、兩軸運(yùn)動(dòng)組件五8和兩軸運(yùn)動(dòng)組件三4分別固定在機(jī)架1的四個(gè)側(cè)面和一個(gè)頂面上，供料系統(tǒng)支架5固定在機(jī)架1的上面、架起的高度高于兩軸運(yùn)動(dòng)組件三4的最高位置，供料系統(tǒng)6固定在供料系統(tǒng)支架5上，基板9固定在機(jī)架上。

所述兩軸運(yùn)動(dòng)組件一2、兩軸運(yùn)動(dòng)組件二3、兩軸運(yùn)動(dòng)組件三4、兩軸運(yùn)動(dòng)組件四7和兩軸運(yùn)動(dòng)組件五8的結(jié)構(gòu)相同，其中兩軸運(yùn)動(dòng)組件一2的結(jié)構(gòu)，包括X軸絲母201、紫外光源202、聚焦超聲換能器一203、Z軸光杠組件一204、Z軸光杠組件二205、平臺(tái)組件206、X軸光杠組件一207、Z軸絲杠組件208、Z軸絲母組件209、X軸絲杠組件210、X軸光杠組件二211、伺服電機(jī)組件一212、伺服電機(jī)組件二213，其中X軸光杠組件一207、X軸光杠組件二211和伺服電機(jī)組件二213固定在機(jī)架1上，平臺(tái)組件206和X軸光杠組件一207、X軸光杠組件二211滑動(dòng)連接，X軸絲母201、Z軸光杠組件一204、Z軸光杠組件二205、Z軸絲杠組件208和伺服電機(jī)組件一212均固定在平臺(tái)組件206上，Z軸絲母組件209隨著Z軸絲杠組件208中絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)沿Z軸移動(dòng)，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軸絲杠組件210中絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)沿X軸移動(dòng)，伺服電機(jī)組件一212與Z軸絲杠組件208中絲杠連接，伺服電機(jī)組件二213與X軸絲杠組件210中絲杠連接；

所述的聚焦超聲換能器一203的結(jié)構(gòu)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(nèi)圈20306、聚對(duì)二甲苯層20307、空氣環(huán)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(cè)，內(nèi)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(nèi)圈上，空氣環(huán)20308在聚對(duì)二甲苯涂層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(duì)二甲苯層20307、空氣環(huán)20308構(gòu)成聚焦超聲振子，聚對(duì)二甲苯層20307與空氣環(huán)20308構(gòu)成菲涅耳透鏡，滿足下列關(guān)系式：

$r_k^0=\sqrt{\frac{2k-1}{2}\mathrm{\λ}(\frac{2k-1}{2}\mathrm{\λ}+2L)}$

$r_k^1=\sqrt{k\mathrm{\λ}(k\mathrm{\λ}+2L)}$

為聚對(duì)二甲苯層20307與鎳電極一20303接觸的第k個(gè)空氣環(huán)內(nèi)徑、為聚對(duì)二甲苯層20307與鎳電極一20303接觸的第k個(gè)空氣環(huán)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(tǒng)6的結(jié)構(gòu)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，打印過程中根據(jù)各個(gè)換能器的工作情況控制各個(gè)控制閥的開啟和關(guān)閉。供料池603通過連通器原理向各個(gè)聚焦換能器供料，所述的供料池603側(cè)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)，打印時(shí)五組兩軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的換能器同時(shí)工作。

所述的供料池603中的盛裝的液態(tài)光敏樹脂，包括各種強(qiáng)度以及不同材質(zhì)的液態(tài)光敏樹脂材料。

在實(shí)際實(shí)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(jìn)行逐點(diǎn)、逐線、逐面固化，調(diào)控成形件的力學(xué)性能。

所述的打印裝置在打印的過程中通過控制系統(tǒng)同時(shí)控制五組兩軸運(yùn)動(dòng)組件帶動(dòng)各自的超聲聚焦換能器在五個(gè)平面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行噴射液滴打印成形件，從而實(shí)現(xiàn)從三個(gè)維度同時(shí)打印，增加了成型速度和精度；同時(shí)通過控制三個(gè)維度上的五組聚焦超聲換能器協(xié)調(diào)工作，避免了在打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制造的方法，包括以下步驟：

(1)建立需成型件的三維模型，對(duì)三維模型進(jìn)行切片，生成切片軌跡代碼；

(2)將液態(tài)光敏樹脂倒入供料池603內(nèi)；

(3)根據(jù)打印成形件的精度，調(diào)整五個(gè)聚焦換能器的控制單元的的驅(qū)動(dòng)頻率，從而調(diào)整噴射液滴的直徑；

(4)調(diào)整完成后啟動(dòng)裝置開始噴射固化成形，根據(jù)三維模型的切片軌跡，計(jì)算機(jī)控制五組兩軸運(yùn)動(dòng)組件帶動(dòng)各自的聚焦超聲換能器和紫外光源在五個(gè)平面運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制著五個(gè)聚焦超聲換能器協(xié)同噴射液滴；根據(jù)各成形面上微滴的固化方式，控制五個(gè)紫外光源的開關(guān)。按此方式直至成形完畢，得到三維實(shí)體。