基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置和方法。所述的制备装置包括三维移动喷头支架、反应器设计分析单元、运动控制单元、喷嘴控制单元和工作台，在三维移动喷头支架上设有可根据制备要求移动工作的多个喷嘴。所述的制备方法是在反应器设计分析单元内设计出人工光合作用反应器的几何模型并将其离散成多层水平层片，确定加工参数、所需材料等信息，利用快速成型技术，通过制备装置以分层制造、逐层累加的方式最终得到所需的人工光合作用反应器。本发明具有设计合理、结构简单、操作简便、产品精度高、生产成本低等优点，可以高效、高精度的实现复杂三维结构人工光合作用反应器的制备。
【专利说明】基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于快速成型设备【技术领域】，涉及一种基于快速成型技术制备人工光合作 用反应器的装置和方法。
【背景技术】
[0002]目前，世界上生物能源中绿色植物光合作用以其高效率的转换太阳能、产生稳定 生物能、清洁无污染等诸多优点显现出其独特的优势。但是光合作用对太阳能利用率较低， 这促使各国科学家寻找更为有效的途径来通过模拟自然界的光合作用来高效的利用太阳 能，其中重要的研究方向之一就是人工光合作用，而人工光合作用反应器则是用于实现上 述研究方向的实验型光生物反应器。
[0003]对于生物光合作用的研究，迄今研究者已研发出了一些不同的利用光合作用原理 的人工光合作用反应器，但其制造装置的结构及其制备工艺均比较复杂，对加工环境要求 苛刻、制作成本高、周期长、且其制备工艺不能实现三维复杂结构的人工光合作用反应器的 制备。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种制备结构及制备工艺简 单、操作方便、制造周期短、产品精度高、生产成本低且可实现三维结构产品的基于快速成 型技术制备人工光合作用反应器的装置和方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0006]一种基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置，包括三维移动喷头支 架、控制器和其上放置有工作台的底座，其中:
[0007]所述的三维移动喷头支架具有一个直立设置在底座上的立杆工作臂，在立杆工作 臂上部设置有一根可做上下(Z轴向)定位运动的纵向平直工作臂，纵向平直工作臂间开有 长槽孔，在纵向平直工作臂的长槽孔内装入有一个可沿平直面做纵向(Y轴向)进退定位运 动的套筒，在套筒中插装入有一个可沿平直面做横向(X轴向)往返定位运动的横向平直工 作臂，在横向平直工作臂的位于工作台上方的端部固定安装有一个喷嘴架，在喷嘴架上固 定安装有多个喷嘴；
[0008]所述的控制器包括一个用于对待加工人工光合作用反应器进行设计分析并确定 加工参数的反应器设计分析单元、一个与反应器设计分析单元连接的用于驱动喷嘴架做三 维向运动的运动控制单元，以及一个与反应器设计分析单元连接的用于控制喷嘴架上各喷 嘴启闭的喷嘴控制单元。
[0009]上述制备装置的进一步的技术方案还包括:在立杆工作臂上部设置有一根可在升 降电机驱动下做上下定位运动的纵向平直工作臂，在纵向平直工作臂的长槽孔内装入有一 个可由纵向电机驱动的沿平直面做纵向进退定位运动的套筒，在套筒中插装入有一个可在 横向电机驱动下沿平直面横向往返定位运动的横向平直工作臂，各电机的输入端均与运动控制单元的输出端连接。
[0010]上述制备装置中，在喷嘴架上固定安装的喷嘴数为4?600个，其中一个为支撑材料喷嘴，其余的为成型材料喷嘴。
[0011]上述制备装置中，由各成型材料喷嘴喷出的成型材料分别为导电材料、绝缘材料、半导体材料和粘结材料的一种。
[0012]上述制备装置中，由成型材料喷嘴喷出的成型材料为壳聚糖。
[0013]上述制备装置中，所述喷嘴的喷口直径为微米级或纳米级。
[0014]采用上述装置制备人工光合作用反应器的方法包括下述的步骤:
[0015]I)在反应器设计分析单元内设计出需要成型的人工光合作用反应器的几何模型，并通过反应器设计分析单元将设计好的人工光合作用反应器的几何模型离散成多层水平层片，确定加工参数，确定每个层片中所需材料的种类信息和每种材料的位置信息；
[0016]2)将水平工作台的上表面调整为水平状态，对需要送入各喷嘴内的成型材料进行预加热；
[0017]3)通过反应器设计分析单元将确定好的材料种类信息传输给喷嘴控制单元，并将确定好的材料位置信息传输给运动控制单元，在运动控制单元和喷嘴控制单元的控制下，调用人工光合作用反应器制备装置上分别装有不同成型材料的喷嘴，根据人工光合作用反应器水平层片的信息在工作台上有选择地喷出一层截面，然后在快速降温装置的作用下降低已成型截面的温度，从而形成一个实体固化层；
[0018]4)用过反应器设计分析单元和运动控制单元使喷嘴架上升一个层厚的距离，重复步骤3)，在固化好的实体层上再喷出一层截面，形成一个新的成型层，该新成型层在凝结过程中与已固化层相粘结；
[0019]5)重复步骤3)?步骤4)，使各固化层逐层累加，直到整个人工光合作用反应器模型完全完成；
[0020]6)对模型进行整体固化处理，即得到需求的人工光合作用反应器。
[0021]本发明所述的制备人工光合作用反应器的装置及方法是一种利用快速成型技术，通过分层制造、逐层累加的方式进行人工光合作用反应器加工的装置及方法。与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0022](I)该基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置设计合理、结构简单，通过三维移动工作臂的设置实现喷嘴在X、Y和Z三个方向的移动，完成三维结构的人工光合作用反应器打印成型；
[0023](2)该基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置操作简便，使用时只需在反应器设计分析单元内建立人工光合作用反应器的几何模型并进行离散化，将加工信息传输给喷嘴控制单元和运动控制单元后，即可开始人工光合作用反应器的三维打印工作；
[0024](3)本发明可以高效、高精度的实现复杂三维结构人工光合作用反应器的制备。
[0025]( 4 )本发明由于采用快速成型技术来制备制造人工光合作用反应器，节约材料，可以实现复合材料的加工，一次成型，可以批量制造各种复杂的具有特殊性能的人工光合作用反应器，操作简单易行，工作可靠，减少了人工参与，缩短了制造周期(一般仅需几小时便可制造出来)，降低了制造成本。【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明所述基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置的整体结构示意图。
[0027]图2是图1中三维移动喷头支架工作臂部分的结构示意图。
[0028]图3是是本发明的制被工艺流程图。
[0029]附图中各数字标记的名称分别是:1.底座，2.三维移动喷头支架，2-1.立杆工作臂，2-2.纵向平直工作臂，2-3.横向平直工作臂，3.反应器设计分析单元，4.运动控制单元，5.喷嘴架，6.喷嘴，7.喷嘴控制单元，8.工作台，9.人工光合作用反应器。
【具体实施方式】
[0030]以下将结合附图及实施例对本
【发明内容】
进一步说明，但本发明的实际应用形式并不仅限于下述的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应被认为属于本发明保护的范围。
[0031]参见附图1，本发明所述的制备人工光合作用反应器的装置由底座1、工作台4、装有喷嘴架5的三维移动喷头支架2、控制器等组成，其中的由反应器设计分析单元3、运动控制单元4、喷嘴控制单元7组成。工作台4装放在底座I上。三维移动喷头支架2用于安装并带动喷嘴架5移动，其工作臂部分的结构如图2所示，它由相互垂直的立杆(Z向)工作臂2-1、纵向(Y向)平直工作臂2-2和横向(X向)平直工作臂2-3组成，纵向平直工作臂2-2可在升降电机驱动下沿立杆工作臂2-1做上下定位运动，横向平直工作臂2-3可在纵向电机或横向电机驱动下沿纵向平直工作臂2-2做纵向或横向的定位运动。在横向平直工作臂2-3的端部通过喷嘴架5固定安装有多个(图1中为六个)直径为微米级或纳米级的喷嘴6，其中的一个喷嘴为支撑材料喷嘴，其余的喷嘴为成型材料喷嘴。由喷嘴所喷涂的成型材料可以是有机材料(如聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、壳聚糖、ABS塑料)、无机材料(如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷)，也可以是液体材料(如液态树脂)或固体材料(如低熔点金属锡合金)。
[0032]本发明装置中的反应器设计分析单元3可用于对待加工人工光合作用反应器9进行设计分析并确定加工参数，其输出端分别与用于控制三维移动喷头支架2运动的运动控制单元4的输入端以及用于控制喷嘴6开关的喷嘴控制单元7的输入端相连接。实际结构中，反应器设计分析单元3采用可以运行三维造型软件(如UG，Pro-e等)的计算机，运动控制单元4可采用高精度运动控制器，喷嘴控制单元7可采用基于PLC的控制器。工作时反应器设计分析单元3根据加工参数要求通过运动控制单元4及喷嘴控制单元7驱动三维移动喷头支架2及喷嘴6工作。在喷嘴控制单元7控制下，喷嘴架5上的多个喷嘴之间可以单独运动，即一个喷嘴运动完成后另一个喷嘴再运动，也可以协调运动，即多个喷嘴同时有规则地运动。
[0033]本发明所述的制备人工光合作用反应器方法是一种利用快速成型技术，通过分层制造、逐层累加的方式进行人工光合作用反应器的加工方法，该方法包括以下步骤:
[0034]I)在反应器设计分析单元3内设计出需要成型的人工光合作用反应器的几何模型，并通过反应器设计分析单元3将设计好的人工光合作用反应器的几何模型离散成多层水平层片，确定加工参数，确定每个层片中所需材料的种类信息和每种材料的位置信息；[0035]2)将水平工作台8的上表面调整为水平状态，对需要送入各喷嘴6内的成型材料 进行预加热；
[0036]3)通过反应器设计分析单元3将确定好的材料种类信息传输给喷嘴控制单元7， 并将确定好的材料位置信息传输给运动控制单元4，在运动控制单元4和喷嘴控制单元7的 控制下，调用人工光合作用反应器制备装置上分别装有不同成型材料的喷嘴，根据人工光 合作用反应器水平层片的信息在工作台上有选择地喷出一层截面，然后在快速降温装置的 作用下降低已成型截面的温度，从而形成一个实体固化层；
[0037]4)用过反应器设计分析单元3和运动控制单元4使喷嘴架5上升一个层厚的距 离，重复步骤3)，在固化好的实体层上再喷出一层截面，形成一个新的成型层，该新成型层 在凝结过程中与已固化层相粘结；
[0038]5)重复步骤3)?步骤4)，使各固化层逐层累加，直到整个人工光合作用反应器模 型完全完成；
[0039]6)对模型进行整体固化处理，即得到需求的人工光合作用反应器。
【权利要求】
1.一种基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置，包括三维移动喷头支架(2)、控制器和其上放置有工作台(8)的底座(1)，其特征在于: 所述的三维移动喷头支架(2)具有一个直立设置在底座(1)上的立杆工作臂(2-1)，在立杆工作臂(2-1)上部设置有一根可做上下定位运动的纵向平直工作臂(2-2)，纵向平直工作臂(2-2)间开有长槽孔，在纵向平直工作臂(2-2)的长槽孔内装入有一个可沿平直面做纵向进退定位运动的套筒，在套筒中插装入有一个可沿平直面做横向往返定位运动的横向平直工作臂(2-3)，在横向平直工作臂(2-3)的位于工作台(8)上方的端部固定安装有一个喷嘴架(5)，在喷嘴架(5)上固定安装有多个喷嘴(6)； 所述的控制器包括一个用于对待加工人工光合作用反应器(9)进行设计分析并确定加工参数的反应器设计分析单元(3)、一个与反应器设计分析单元(3)连接的用于驱动喷嘴架(5)做三维向运动的运动控制单元(4)，以及一个与反应器设计分析单元(3)连接的用于控制喷嘴架(5)上各喷嘴(6)启闭的喷嘴控制单元(7)。
2.根据权利要求1所述的基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置，其特征在于:在立杆工作臂(2-1)上部设置有一根可在升降电机驱动下做上下定位运动的纵向平直工作臂(2-2)，在纵向平直工作臂(2-2)的长槽孔内装入有一个可由纵向电机驱动的沿平直面做纵向进退定位运动的套筒，在套筒中插装入有一个可在横向电机驱动下沿平直面横向往返定位运动的横向平直工作臂(2-3)，各电机的输入端均与运动控制单元(4)的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置，其特征在于:在喷嘴架(5)上固定安装的喷嘴(6)数为4~600个，其中一个为支撑材料喷嘴，其余的为成型材料喷嘴。
4.根据权利要求3所述的 基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置，其特征在于:由各成型材料喷嘴喷出的成型材料分别为导电材料、绝缘材料、半导体材料和粘结材料的一种。
5.根据权利要求3所述的基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置，其特征在于:由成型材料喷嘴喷出的成型材料为壳聚糖。
6.根据权利要求1或3所述的基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的装置，其特征在于:所述喷嘴(6)的喷口直径为微米级或纳米级。
7.一种基于快速成型技术制备人工光合作用反应器的方法，其特征在于包括下述的步骤: 1)在反应器设计分析单元(3)内设计出需要成型的人工光合作用反应器的几何模型，并通过反应器设计分析单元(3)将设计好的人工光合作用反应器的几何模型离散成多层水平层片，确定加工参数，确定每个层片中所需材料的种类信息和每种材料的位置信息； 2)将水平工作台(8)的上表面调整为水平状态，对需要送入各喷嘴(6)内的成型材料进行预加热； 3)通过反应器设计分析单元(3)将确定好的材料种类信息传输给喷嘴控制单元(7)，并将确定好的材料位置信息传输给运动控制单元(4)，在运动控制单元(4)和喷嘴控制单元(7)的控制下，调用人工光合作用反应器制备装置上分别装有不同成型材料的喷嘴，根据人工光合作用反应器水平层片的信息在工作台上有选择地喷出一层截面，然后在快速降温装置的作用下降低已成型截面的温度，从而形成一个实体固化层； 4)用过反应器设计分析单元(3)和运动控制单元(4)使喷嘴架(5)上升一个层厚的距离，重复步骤3)，在固化好的实体层上再喷出一层截面，形成一个新的成型层，该新成型层在凝结过程中与已固化层相粘结； 5)重复步骤3)~步骤4)，使各固化层逐层累加，直到整个人工光合作用反应器模型完全完成； 6)对模型进行整体固·化处理，即得到需求的人工光合作用反应器。
【文档编号】B22F7/02GK103522548SQ201310485741
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】杨来侠, 任秀彬, 高扬, 李涤尘, 陈龙 申请人:西安科技大学