喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置及方法与流程

技术特征：

1.一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：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。

3.根据权利要求2所述的一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：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。

4.根据权利要求3所述的一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：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：

$\begin{array}{cc}{r}_k^o=\sqrt{k\mathrm{\λ}(k\mathrm{\λ}+2L)}& r_k^i=\sqrt{\frac{2k-1}{2}\mathrm{\λ}(\frac{2k-1}{2}\mathrm{\λ}+2L)}\end{array}$

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……。

5.根据权利要求1所述的一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：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。

6.一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：

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)：

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{Sin\mathrm{\θ}\sqrt{{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\η}}_2\mathrm{\ρ}vS}(\sqrt{W_1}+\sqrt{W_2}+\sqrt{W_3}+\sqrt{W_4})}{\sqrt{A}}$

其中

$\mathrm{\β}=arcsin\frac{\frac{\sqrt{2{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\η}}_2\mathrm{\ρ}vSCos\mathrm{\θ}}}{2}(-\sqrt{W_1}+\sqrt{W_2}+\sqrt{W_3}-\sqrt{W_4})}{Cos\mathrm{\θ}\sqrt{\frac{{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\η}}_2\mathrm{\ρ}vS}{2}{(-\sqrt{W_1}+\sqrt{W_2}+\sqrt{W_3}-\sqrt{W_4})}^2+\frac{{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\η}}_2\mathrm{\ρ}vS}{2}{(-\sqrt{W_1}-\sqrt{W_2}+\sqrt{W_3}+\sqrt{W_4})}^2}}$

$\mathrm{\γ}=arcsin\frac{\frac{\sqrt{2{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\η}}_2\mathrm{\ρ}vSCos\mathrm{\θ}}}{2}(-\sqrt{W_1}-\sqrt{W_2}+\sqrt{W_3}+\sqrt{W_4})}{Cos\mathrm{\θ}\sqrt{\frac{{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\η}}_2\mathrm{\ρ}vS}{2}{(-\sqrt{W_1}+\sqrt{W_2}+\sqrt{W_3}-\sqrt{W_4})}^2+\frac{{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\η}}_2\mathrm{\ρ}vS}{2}{(-\sqrt{W_1}-\sqrt{W_2}+\sqrt{W_3}+\sqrt{W_4})}^2}}$

$x=\frac{\sqrt{2}HCos\mathrm{\θ}(-\sqrt{W_1}+;\sqrt{W_2}+\sqrt{W_3}-\sqrt{W_4})}{2Sin\mathrm{\θ}(\sqrt{W_1}+\sqrt{W_2}+\sqrt{W_3}+\sqrt{W_4})}$

$y=\frac{\sqrt{2}HCos\mathrm{\θ}(-\sqrt{W_1}-\sqrt{W_2}+\sqrt{W_3}+\sqrt{W_4})}{2Sin\mathrm{\θ}(\sqrt{W_1}+\sqrt{W_2}+\sqrt{W_3}+\sqrt{W_4})}$

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。

7.根据权利要求6所述的一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造方法，其特征在于：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。