多向超声微滴喷射光固化增材制造装置及方法与流程

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种多向超声微滴喷射光固化增材制造装置及方法。

背景技术：

光固化增材制造技术作为增材制造技术的一种，在航空航天、模具铸造、工业制造、设计、生物医学和汽车等领域被广泛应用，并取得了令人瞩目的效果，具有很好的发展前景。现有的光固化增材制造制造技术主要有立体光固化式(SLA)、多头喷射式(PolyJet)、数字光处理式(DLP)和连续液面生产式(CLIP)等。

立体光固化增材制造技术，其工作原理是激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化，当一层加工完毕后，升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行下一层扫描固化，如此往复，层层叠加成三维样件。但其成形速度慢，成形样件其力学特性在各个方向上不同，特别是在堆叠的方向上，抗剪切性能很差，成形复杂结构样件需要添加支撑结构，成形后需要复杂的后处理工艺。

多头喷射式光固化增材制造技术，其工作原理是喷射打印头沿X轴方向来回运动，以超薄层的状态将材料喷射到基板上，材料被喷射后立即用紫外线光进行凝固，然后工作台下降一个层厚的距离，在进行下一层的喷射固化，如此逐层累加，实现三维成形。其喷射的超薄层实为多喷头喷射的微滴聚集而成，喷射微滴的尺寸受喷嘴直径限制，且容易堵塞喷头，成形样件各方向上的力学性能不可控，成形复杂结构样件必须添加复杂的支撑结构。

数字光处理式光固化增材制造技术，其原理基本与SLA原理相同，只是紫外光每次扫描固化一个面，加快了成形速度，但其仍不可避免立体光固化技术存在的其他缺点。

连续液面生产式光固化增材制造技术，其工作原理是利用紫外光线和氧气的作用来固化光敏树脂，其主要依赖于一种特殊的既透明又透气的窗口，光线作为固化树脂的方式，而用氧作为抑制剂，在Z轴运动平台的带动下，连续快速的生成三维实体样件。但其成形过程中需要样件与基板之间具有较大的吸附力，成形过程中常因样件脱离基板而成形失败，成形复杂结构样件需要添加支撑结构，成形后需要复杂的后处理工艺。

综上所述，现有的光固化增材制造技术，存在成形速度较慢，只能在一个维度上连续固化累加成形，成形复杂结构样件需要添加支撑，成形过程中失败率高，成形样件各方向上力学性能不可控的问题。本发明正是针对现有光固化增材制造技术的研究现状，将聚焦超声技术与光固化技术相结合，研制了成形速度快，可在三个维度上同时进行累加成形，成形过程中避免使用支撑结构，成形样件各方向上力学性能可控的光固化增材制造装置。

技术实现要素：

本发明提供一种多向超声微滴喷射光固化增材制造装置及方法，以解决现有光固化增材制造技术成形速度较慢，只能在一个维度上连续固化累加成形，成形复杂结构样件需要添加支撑，成形过程中失败率高，成形样件各方向上力学性能不可控的问题。

本发明采取的技术方案是：包括机架、两轴运动组件一、两轴运动组件二、两轴运动组件三、供料系统支架、供料系统、两轴运动组件四、两轴运动组件五和基板，其中两轴运动组件一、两轴运动组件二、两轴运动组件四、两轴运动组件五和两轴运动组件三分别固定在机架的四个侧面和顶面上，供料系统支架固定在机架的上面、架起的高度高于两轴运动组件三的最高位置，供料系统固定在供料系统支架上，基板固定在机架上。

所述两轴运动组件一、两轴运动组件二、两轴运动组件三、两轴运动组件四和两轴运动组件五的结构相同，其中两轴运动组件一的结构，包括X轴丝母、紫外光源、聚焦超声换能器一、Z轴光杠组件一、Z轴光杠组件二、平台组件、X轴光杠组件一、Z轴丝杠组件、Z轴丝母组件、X轴丝杠组件、X轴光杠组件二、伺服电机组件一、伺服电机组件二，其中X轴光杠组件一、X轴光杠组件二和伺服电机组件二固定在机架上，平台组件和X轴光杠组件一、X轴光杠组件二滑动连接，X轴丝母、Z轴光杠组件一、Z轴光杠组件二、Z轴丝杠组件和伺服电机组件一均固定在平台组件上，Z轴丝母组件随着Z轴丝杠组件中丝杠的转动沿Z轴移动，紫外光源和聚焦超声换能器一固定在Z轴丝母组件上，X轴丝母随着X轴丝杠组件中丝杠的转动沿X轴移动，伺服电机组件一与Z轴丝杠组件中丝杠连接，伺服电机组件二与X轴丝杠组件中丝杠连接；

所述的聚焦超声换能器一的结构是，包括底板、外圈、镍电极一、压电陶瓷PZT、镍电极二、内圈、聚对二甲苯层、空气环，其中底板固定在外圈的底面，镍电极一和镍电极二镀在压电陶瓷PZT的两侧，内圈固定在外圈的顶面，镍电极一、压电陶瓷PZT和镍电极二固定在内圈上，空气环在聚对二甲苯涂层与镍电极一之间。

所述的镍电极一、压电陶瓷PZT、镍电极二、聚对二甲苯层、空气环构成聚焦超声振子，聚对二甲苯层与空气环构成菲涅耳透镜，满足下列关系式：

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

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

为聚对二甲苯层与镍电极一接触的第k个空气环内径、为聚对二甲苯层与镍电极一接触的第k个空气环外径，L为该聚焦超声振子焦距，即聚焦超声振子到液面的距离，λ为超声在液体材料中的波长，k＝1、2、3、4……。

所述的供料系统的结构是，包括控制阀二、控制阀一、供料池、控制阀四、控制阀三、控制阀五，其中供料池通过控制阀一与聚焦超声换能器一相连，供料池通过控制阀二与聚焦超声换能器二相连，供料池通过控制阀三与聚焦超声换能器三相连，供料池通过控制阀四与聚焦超声换能器四相连，供料池通过控制阀五与聚焦超声换能器五相连。

一种多向超声微滴喷射光固化增材制造的方法，包括以下步骤：

(1)建立需成型件的三维模型，对三维模型进行切片，生成切片轨迹代码；

(2)将液态光敏树脂倒入供料池内；

(3)根据打印成形件的精度，调整五个聚焦换能器的控制单元的的驱动频率，从而调整喷射液滴的直径；

(4)调整完成后启动装置开始喷射固化成形，根据三维模型的切片轨迹，计算机控制五组两轴运动组件带动各自的聚焦超声换能器和紫外光源在五个平面运动，同时控制着五个聚焦超声换能器协同喷射液滴；根据各成形面上微滴的固化方式，控制五个紫外光源的开关。按此方式直至成形完毕，得到三维实体。

本发明的有益效果是：采用聚焦超声技术喷射微滴，喷射精度高，喷射速度快，液滴尺寸不受喷口限制，避免堵塞喷头；喷射过程中可交替进行逐点、逐线、逐面固化，提高打印件的综合力学性能；本发明采用五个方位聚焦超声换能器同时工作，可同时实现三个维度的增材制造，在保证成形精度的同时加快成形速度，成形件在各方向上的力学性能可控，成形无需添加辅助支撑结构，本发明可以成形大多数光敏树脂材料。避免了复杂的后处理工艺，降低了制造成本，为光固化增材制造领域提供了一种新的成形方法。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明机架的结构示意图；

图3是本发明两轴运动组件一的结构示意图；

图4是本发明聚焦超声换能器的外形示意图；

图5是本发明聚焦超声换能器的二维剖视图；

图6是本发明供料系统和聚焦超声换能器连接关系示意图。

具体实施方式

包括：机架1、两轴运动组件一2、两轴运动组件二3、两轴运动组件三4、供料系统支架5、供料系统6、两轴运动组件四7、两轴运动组件五8、基板9，两轴运动组件一2、两轴运动组件二3、两轴运动组件四7、两轴运动组件五8和两轴运动组件三4分别固定在机架1的四个侧面和一个顶面上，供料系统支架5固定在机架1的上面、架起的高度高于两轴运动组件三4的最高位置，供料系统6固定在供料系统支架5上，基板9固定在机架上。

所述两轴运动组件一2、两轴运动组件二3、两轴运动组件三4、两轴运动组件四7和两轴运动组件五8的结构相同，其中两轴运动组件一2的结构，包括X轴丝母201、紫外光源202、聚焦超声换能器一203、Z轴光杠组件一204、Z轴光杠组件二205、平台组件206、X轴光杠组件一207、Z轴丝杠组件208、Z轴丝母组件209、X轴丝杠组件210、X轴光杠组件二211、伺服电机组件一212、伺服电机组件二213，其中X轴光杠组件一207、X轴光杠组件二211和伺服电机组件二213固定在机架1上，平台组件206和X轴光杠组件一207、X轴光杠组件二211滑动连接，X轴丝母201、Z轴光杠组件一204、Z轴光杠组件二205、Z轴丝杠组件208和伺服电机组件一212均固定在平台组件206上，Z轴丝母组件209随着Z轴丝杠组件208中丝杠的转动沿Z轴移动，紫外光源202和聚焦超声换能器一203固定在Z轴丝母组件209上，X轴丝母201随着X轴丝杠组件210中丝杠的转动沿X轴移动，伺服电机组件一212与Z轴丝杠组件208中丝杠连接，伺服电机组件二213与X轴丝杠组件210中丝杠连接；

所述的聚焦超声换能器一203的结构是，包括底板20301、外圈20302、镍电极一20303、压电陶瓷PZT20304、镍电极二20305、内圈20306、聚对二甲苯层20307、空气环20308，其中底板20301固定在外圈20302的底面，镍电极一20303和镍电极二20305镀在压电陶瓷PZT20304的两侧，内圈20306固定在外圈20305的顶面，镍电极一20303、压电陶瓷PZT20304和镍电极二20305固定在内圈上，空气环20308在聚对二甲苯涂层20307与镍电极一20303之间。

所述的镍电极一20303、压电陶瓷PZT20304、镍电极二20305、聚对二甲苯层20307、空气环20308构成聚焦超声振子，聚对二甲苯层20307与空气环20308构成菲涅耳透镜，满足下列关系式：

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

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

为聚对二甲苯层20307与镍电极一20303接触的第k个空气环内径、为聚对二甲苯层20307与镍电极一20303接触的第k个空气环外径，L为该聚焦超声振子焦距，即聚焦超声振子到液面的距离，λ为超声在液体材料中的波长，k＝1、2、3、4……。

所述的供料系统6的结构是，包括控制阀二601、控制阀一602、供料池603、控制阀四604、控制阀三605、控制阀五606，其中供料池603通过控制阀一602与聚焦超声换能器一203相连，供料池603通过控制阀二601与聚焦超声换能器二303相连，供料池603通过控制阀三605与聚焦超声换能器三403相连，供料池603通过控制阀四604与聚焦超声换能器四703相连，供料池603通过控制阀五606与聚焦超声换能器五803相连，打印过程中根据各个换能器的工作情况控制各个控制阀的开启和关闭。供料池603通过连通器原理向各个聚焦换能器供料，所述的供料池603侧面开有阀门，方便未用完的光敏树脂回收和供料池的清洗。

所述的聚焦超声换能器203可以通过改变频率改变喷射液滴直径的大小，换能器喷射液滴的频率和速度可控。

所述的五组两轴运动平台，打印时五组两轴运动平台上的换能器同时工作。

所述的供料池603中的盛装的液态光敏树脂，包括各种强度以及不同材质的液态光敏树脂材料。

在实际实施过程中所述的紫外光源为带扫描振镜的DLP紫外线固化光源，成形过程中可交替进行逐点、逐线、逐面固化，调控成形件的力学性能。

所述的打印装置在打印的过程中通过控制系统同时控制五组两轴运动组件带动各自的超声聚焦换能器在五个平面运动进行喷射液滴打印成形件，从而实现从三个维度同时打印，增加了成型速度和精度；同时通过控制三个维度上的五组聚焦超声换能器协调工作，避免了在打印成形件过程中需要增加辅助支撑的问题

一种多向超声微滴喷射光固化增材制造的方法，包括以下步骤：

(1)建立需成型件的三维模型，对三维模型进行切片，生成切片轨迹代码；

(2)将液态光敏树脂倒入供料池603内；

(3)根据打印成形件的精度，调整五个聚焦换能器的控制单元的的驱动频率，从而调整喷射液滴的直径；

(4)调整完成后启动装置开始喷射固化成形，根据三维模型的切片轨迹，计算机控制五组两轴运动组件带动各自的聚焦超声换能器和紫外光源在五个平面运动，同时控制着五个聚焦超声换能器协同喷射液滴；根据各成形面上微滴的固化方式，控制五个紫外光源的开关。按此方式直至成形完毕，得到三维实体。