喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置及方法与流程

本发明属于增材制造领域，涉及一种增材制造装置及方法，特别涉及一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置及方法。
背景技术：
：目前，各种各样的增材制造设备及方法不断涌现，针对液体材料的增材制造技术有光固化增材制造技术、数字光处理增材制造技术(DLP)、微滴喷射增材技术，光固化增材制造技术和数字光处理增材制造技术(DLP)只能用于液态光敏树脂材料增材制造，应用材料受限，微滴喷射增材制造技术能够喷射多种材料液滴进行增材制造，具有广阔的应用前景。目前典型微滴喷射增材制造技术的原理有气动式、机械式、热泡式、压电式等：1)气动式微滴喷射增材制造通过控制压缩气体对装有液体材料的料管或针管的压力作用实现定量喷射。适用于广泛的液体材料，喷射液滴的大小取决于压缩气体的作用压力大小和时间长短。但喷射过程中气体体积增大压强减小，气体的滞后性和可压缩性会导致液体材料在喷嘴的喷射滞后，响应速度变慢，一致性也发生变化。2)机械式微滴喷射增材制造通过机械运动(活塞运动、螺杆旋转等)将液体材料从喷头挤出并喷射至基板上，液滴直径和速度受到喷口直径和机械运动的影响，适用于高粘度液体的喷射，但由于腔体中有运动部件，存在机械磨损和冲击，液体材料性质可能发生变化。3)热气泡式微滴喷射增材制造通过局部加热产生气泡，液滴受气泡压力作用喷出到达基板实现增材制造过程，该方法受材料限制较大，喷射材料在加热过程中易发生物理或化学性质的改变，影响喷射精度和成形件质量。4)压电式微滴喷射增材制造通过电压脉冲使压电陶瓷产生位移或机械振动，导致料管或针管内部压力发生变化，产生的压力使得液体材料克服表面张力并由喷嘴喷出，到达基板实现增材制造，但液滴直径受喷头限制不可改变且喷头易发生堵塞不易清洗，维护成本较高。目前，微滴喷射增材制造存在喷射液滴直径受喷头限制不可改变、喷头易堵塞清洗不便、液滴喷射方向不可改变、增材制造过程中成形件晃动、无法使用广泛的液体材料的缺点；聚焦超声具有能量小，无接触等特点，采用聚焦超声微滴喷射技术进行增材制造，能够实现无污染、高精度非接触式微滴喷射增材制造，喷射方向和液面成一定角度的微滴极大程度上减少了液体表面和成形件的晃动，提高打印精度和成形质量。技术实现要素：本发明提供一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置及方法，以解决大多数微滴喷射增材制造过程中存在的精度低、喷嘴成本高、易堵塞且清理不便等问题。本发明采取的技术方案是：包括底座、Z向工作台、高精密注射泵、聚焦超声换能器、基板、承片台、液体容器、送料头，所述底座安装在最下方，液体容器的喷射池安装在底座上，喷射池中安装有聚焦超声换能器，基板固定在承片台下方且位于喷射池上方，承片台安装在Z向工作台上，Z向工作台安装在底座上，喷射池和液体容器的储液池相互连通，高精密注射泵与送料头相连；所述的聚焦超声换能器，包含4个完全相同的聚焦超声振子，且均为90°扇形结构，并由与吸波材料构成完整的圆，且有共同的焦点，且4个聚焦超声振子之间通过吸波材料分隔开，独立工作互不干扰，吸波材料和聚焦超声振子安装在高阻抗层上，散热片安装在高阻抗层下方且与水冷管相连，密封圈位于散热片上方，外壳位于密封圈上方；所述聚焦超声振子包括：PZT压电陶瓷、上镍电级、下镍电极、聚对二甲苯涂层、空气环；PZT压电陶瓷上表面均镀有上镍电极、下表面镀有下镍电极，聚对二甲苯涂层位于上镍电极上方，且聚对二甲苯涂层与上镍电极之间存在空气环；所述的空气环结构是：聚对二甲苯涂层与空气环构成菲涅耳透镜，满足下列关系式：rko=kλ(kλ+2L)rki=2k-12λ(2k-12λ+2L)]]>其中：第k个空气环外径为第k个空气环内径为L为聚焦超声振子焦距，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……。所述的液体容器的结构是：喷射池底部和喷射池底部采用直径为400um的管道连接，并满足连通器原理。一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造方法，包括以下步骤：1)建立成形件的三维模型；2)根据步骤1)中的模型配制所需液体材料；3)使用粘度计和密度计测得步骤2)中配制液体材料的液体粘度ν、液体密度ρ，根据打印精度、目标点所在的空间位置和液体粘度ν、液体密度ρ确定4个聚焦超声振子各自的工作频率f、电功率W1、W2、W3、W4；4)产生驱动信号并驱动聚焦超声换能器的四个聚焦超声振子协调工作；5)4个聚焦超声振子在共同焦点处的超声压力相互叠加，驱动焦点处液滴沿超声压力合力方向以一定角度：α，β，γ射出并到达基板上的点P(x，y，z)：α=arcsinSinθη1η2ρvS(W1+W2+W3+W4)A]]>其中β=arcsin2η1η2ρvSCosθ2(-W1+W2+W3-W4)Cosθη1η2ρvS2(-W1+W2+W3-W4)2+η1η2ρvS2(-W1-W2+W3+W4)2]]>γ=arcsin2η1η2ρvSCosθ2(-W1-W2+W3+W4)Cosθη1η2ρvS2(-W1+W2+W3-W4)2+η1η2ρvS2(-W1-W2+W3+W4)2]]>x=2HCosθ(-W1+;W2+W3-W4)2Sinθ(W1+W2+W3+W4)]]>y=2HCosθ(-W1-W2+W3+W4)2Sinθ(W1+W2+W3+W4)]]>z＝H；其中，基板距液面高度为H，4个聚焦超声振子电功率W1、W2、W3、W4的值可根据电功率和P(x，y，z)的上述关系式取出一组W1、W2、W3、W4满足上述关系式即可，四部分超声压力与X-Y平面夹角均为θ，夹角θ由聚焦超声振子制造过程决定，且为定值可实验测得，焦点面积为S，聚焦超声振子换能效率均为η1，聚对二甲苯涂层的声学效率为η2；6)反复重复步骤3)至步骤5)，构建出所需成形件；所述的液体材料，包括金属玻璃凝胶、细胞悬浮液、工业浆料、导电银浆等导电浆料、低温液态金属以及具有一定粘度的流体材料。本发明目的在于克服当前微滴喷射增材制造的缺点，通过利用聚焦超声微滴喷射原理该装置解决了大多数微滴喷射增材制造过程中存在的精度低，喷嘴成本高、易堵塞且清理不便等问题，同时也保持较高的打印效率；同时本发明装置所涉及的聚焦超声换能器能够实现微滴定向倾斜喷射至基板上的目标点，通过减少基板的移动减少成形件晃动，利于所需成形件精准成形和稳定成形。本发明的优点是结构新颖，使用聚焦超声微滴喷射技术，利用聚焦超声振子焦点处超声压力作为液滴喷射驱动力，解决了喷头污染和不易清洗的问题，实现了非接触式无喷头超声喷射增材制造；超声频率可根据制造喷射精度和喷射速度进行选择，兼顾高效率和高精度两个方面；可用于生物组织增材制造并能实现单个细胞的精准控制；聚焦超声换能器四个聚焦超声振子协调工作，实现液滴喷射方向与液面角度可调的倾斜喷射。本发明可实现喷射角度可控制的超声微滴喷射增材制造，可实现金属玻璃凝胶、细胞悬浮液、工业浆料、导电银浆等导电浆料、低温液态金属以及具有一定粘度的流体材料的增材制造，为多种材料提供增材制造方法。附图说明图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明液体容器的剖视图；图3是本发明聚焦超声换能器的外部结构示意图；图4是本发明聚焦超声换能器的爆炸图；图5是本发明聚焦超声振子结构示意图；图6是本发明聚焦超声换能器上半部分剖视图；图7是本发明聚焦超声换能器的剖视图；图8(a)是本发明的焦点受力示意图；图8(b)是本发明F力在三个方向的投影图。具体实施方式包括底座1、Z向工作台2、高精密注射泵3、聚焦超声换能器4、基板5、承片台6、液体容器7、送料头8，所述底座1安装在最下方，液体容器7的喷射池702安装在底座1上，喷射池702中安装有聚焦超声换能器4，基板5固定在承片台6下方且位于喷射池702上方，承片台6安装在Z向工作台2上，Z向工作台2安装在底座1上，喷射池702和液体容器7的储液池701相互连通，高精密注射泵3与送料头8相连；所述的聚焦超声换能器4，包含4个完全相同的聚焦超声振子401，且均为90°扇形结构，并由与吸波材料407构成完整的圆且有共同的焦点，且4个聚焦超声振子401之间通过吸波材料407分隔开，独立工作互不干扰，吸波材料407和聚焦超声振子401安装在高阻抗层405上，散热片402安装在高阻抗层405下方且与水冷管403相连，密封圈406位于散热片402上方，外壳404位于密封圈406上方；所述聚焦超声振子401包括：PZT压电陶瓷40101、上镍电级40102、下镍电极40103、聚对二甲苯涂层40104、空气环40105；PZT压电陶瓷40101上表面均镀有上镍电极40102、下表面镀有下镍电极40103，聚对二甲苯涂层40104位于上镍电极40102上方，且聚对二甲苯涂层40104与上镍电极40102之间存在空气环40105；所述的空气环40105结构是：聚对二甲苯涂层40104与空气环40105构成菲涅耳透镜，满足下列关系式：rko=kλ(kλ+2L)rki=2k-12λ(2k-12λ+2L)]]>其中：第k个空气环外径为第k个空气环内径为L为聚焦超声振子焦距，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……。所述的液体容器7的结构是：喷射池702底部和喷射池701底部采用直径为400um的管道连接，并满足连通器原理；一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造方法，包括以下步骤：1)建立成形件的三维模型；2)根据步骤1)中的模型配制所需液体材料；3)使用粘度计和密度计测得步骤2)中配制液体材料的液体粘度ν、液体密度ρ，根据打印精度、目标点所在的空间位置和液体粘度ν、液体密度ρ确定4个聚焦超声振子各自的工作频率f、电功率W1、W2、W3、W4；4)产生驱动信号并驱动聚焦超声换能器的四个聚焦超声振子协调工作；5)4个聚焦超声振子401在共同焦点处的超声压力相互叠加，驱动焦点处液滴沿超声压力合力方向以一定角度：α，β，γ射出并到达基板上的点P(x，y，z)：α=arcsinSinθη1η2ρvS(W1+W2+W3+W4)A]]>其中β=arcsin2η1η2ρvSCosθ2(-W1+W2+W3-W4)Cosθη1η2ρvS2(-W1+W2+W3-W4)2+η1η2ρvS2(-W1-W2+W3+W4)2]]>γ=arcsin2η1η2ρvSCosθ2(-W1-W2+W3+W4)Cosθη1η2ρvS2(-W1+W2+W3-W4)2+η1η2ρvS2(-W1-W2+W3+W4)2]]>x=2HCosθ(-W1+;W2+W3-W4)2Sinθ(W1+W2+W3+W4)]]>y=2HCosθ(-W1-W2+W3+W4)2Sinθ(W1+W2+W3+W4)]]>z＝H；其中，基板5距液面高度为H，4个聚焦超声振子401电功率W1、W2、W3、W4的值可根据电功率和P(x，y，z)的上述关系式取出一组W1、W2、W3、W4满足上述关系式即可，四部分超声压力与X-Y平面夹角均为θ，夹角θ由聚焦超声振子401制造过程决定，且为定值可实验测得，焦点面积为S，聚焦超声振子401换能效率均为η1，聚对二甲苯涂层403的声学效率为η2；6)反复重复步骤3)至步骤5)，构建出所需成形件；所述的液体材料，包括金属玻璃凝胶、细胞悬浮液、工业浆料、导电银浆等导电浆料、低温液态金属以及具有一定粘度的流体材料。其中，聚焦超声换能器4工作时，焦点面积为S，聚焦超声换能器4四个部分的换能效率均为η1，电功率分别为W1、W2、W3、W4，聚对二甲苯涂层403的声学效率为η2，基板5距液面高度为H,液体材料密度为ρ，超声在液体材料中的传播速度为v，4个聚焦超声振子在焦点处产生的声压分别为P1、P2、P3、P4，超声压力分别为F1、F2、F3、F4,与X-Y平面夹角均为θ，在X-Y平面上的投影分别于相邻的X半轴、Y半轴呈45°夹角，(焦点面积S、换能效率η1、声学效率η2、夹角θ均由聚焦超声换能器制造过程决定，且为定值可实验测得，超声在液体材料中的传播速度v在给定液体材料后为定值且可实验测得)，超超声压力F1、F2、F3、F4合力为F，且合力F与X-Y平面、Y轴正半轴、X轴负半轴的夹角分别为α、β、γ，以上参数关系式推导过程如下：超声声压超声压力F1的大小：|F1|=P1S=W1η1η2ρvS×S=W1η1η2ρvS]]>超声压力F1的向量表示为:(Cosθ2W1η1η2ρvS2,-Cosθ2W1η1η2ρvS2,Sinθ·W2η1η2ρvS),]]>同理，超声压力F2、F3、F4分别为：(Cosθ2W2η1η2ρvS2,-Cosθ2W2η1η2ρvS2,Sinθ·W2η1η2ρvS),]]>(Cosθ2W3η1η2ρvS2,Cosθ2W3η1η2ρvS2,Sinθ·W3η1η2ρvS>),]]>(-Cosθ2W4η1η2ρvS2,Cosθ2W4η1η2ρvS2,Sinθ·W4η1η2ρvS),]]>合力F的向量表示为：[Cosθ2η1η2ρvS2(-W1+W2+W3-W4),]]>Cosθ2η1η2ρvS2(-W1-W2+W3+W4),]]>Sinθ·η1η2ρvS·(W1+W2+W3+W4)]]]>合力F与X-Y平面夹角为：α=arcsinSinθη1η2ρvS(W1+W2+W3+W4)A]]>合力F与Y轴正半轴夹角为：合力F与X轴负半轴夹角为:由于作用时间极短且基板到液面距离很小，则忽略重力对液滴轨迹的影响，液滴喷射至基板上的位置坐标P(x，y，z)：x=2HCosθ(-W1+;W2+W3-W4)2Sinθ(W1+W2+W3+W4)]]>y=2HCosθ(-W1-W2+W3+W4)2Sinθ(W1+W2+W3+W4)]]>z＝H。当前第1页1 2 3