本發(fā)明屬于增材制造領(lǐng)域，特別涉及一種無級變速多材料超聲微滴噴射增材制造裝置及方法，用于無級變速多材料的超聲微滴噴射增材制造，噴射過程中噴射速度與噴射液滴直徑可調(diào)控，可實現(xiàn)功能梯度材料增材制造。

背景技術(shù)：

微滴噴射增材制造技術(shù)是在計算機的控制下，根據(jù)設(shè)計的三維圖形，使材料以微細液滴的形式噴射至底板，形成具有真實產(chǎn)品功能的三維實體器件。與傳統(tǒng)增材制造技術(shù)相比，其具有成形精度高，適用原材料廣泛等優(yōu)點，在打印設(shè)備，制造領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)工程中得到了愈來愈多的應(yīng)用，并取得了令人矚目的效果，具有很好的發(fā)展前景。典型的微滴噴射增材制造裝置有閥控式、電場偏轉(zhuǎn)式、熱泡式和壓電式等。

閥控式微滴噴射增材制造裝置，用液泵或壓縮空氣對液體施加一定的壓力，借助控制閥(如電磁閥、氣動閥或螺桿閥等)的開通產(chǎn)生液流，通過改變壓力、開通時間和噴頭的直徑來控制液流量。但其微滴噴射速率低，液滴直徑受噴頭限制，且容易堵塞噴頭。

電場偏轉(zhuǎn)式微滴噴射增材制造裝置，利用液泵或壓縮空氣對液體施加一定的壓力并使之形成液流，通過微滴發(fā)生器周期性地使液流斷裂成微滴，然后對液滴進行充電，再用偏轉(zhuǎn)電極板控制液滴的飛行方向，使液滴射至預(yù)定的位置。但其生成微滴尺寸精度差，并伴有衛(wèi)星液滴產(chǎn)生，需要復(fù)雜的電場控制，難以實現(xiàn)多種材料混合增材制造。

熱泡式微滴噴射增材制造裝置，利用寬度為幾微秒的脈沖電流瞬時將噴頭內(nèi)的電熱元件加熱至300℃左右，與電熱元件表面接觸的液體迅速汽化，形成很小的氣泡，膨脹的小氣泡擠壓噴頭中的液體，使其以微滴的形式從噴頭中射出。但其需要加熱，只能用于噴射能被熱量蒸發(fā)的水溶液，噴頭中存在熱應(yīng)力，且液滴直徑受噴頭限制。

壓電式微滴噴射增材制造裝置，借助壓電器件產(chǎn)生的機械運動，使噴頭中的液體克服噴頭處的阻力和表面張力形成微滴射出。但其噴射材料粘度范圍小，生成微滴的體積主要由噴頭的直徑來控制，且容易產(chǎn)生衛(wèi)星液滴，影響成形精度。

綜上所述，現(xiàn)有微滴噴射增材制造裝置，生成液滴尺寸受噴頭限制，常伴有衛(wèi)星液滴產(chǎn)生，且容易堵塞噴頭；不易實現(xiàn)多種材料混合增材制造，無法實現(xiàn)功能梯度材料的增材制造；噴射過程中，噴射速度與液滴的大小不易改變，不能實現(xiàn)變速微滴噴射增材制造。本發(fā)明正是針對目前微滴噴射增材制造裝置的現(xiàn)狀，研制了噴射液滴尺寸不受噴頭限制，無衛(wèi)星液滴產(chǎn)生，噴射材料粘度范圍大，可無級變速多材料混合的微滴噴射增材制造裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種無級變速多材料超聲微滴噴射增材制造裝置及方法，將聚焦超聲技術(shù)與增材制造技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)無級變速多材料的超聲微滴噴射增材制造，解決現(xiàn)有微滴噴射增材制造系統(tǒng)噴射液滴尺寸受噴頭限制，容易堵塞噴頭，噴射過程中伴隨有衛(wèi)星液滴產(chǎn)生，無法實現(xiàn)多材料功能梯度材料增材制造，噴射過程中噴射速度與噴射液滴尺寸不可改變的問題。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：包括機架、三角洲運動基板裝置、材料池裝置、聚焦超聲系統(tǒng)和供料裝置，所述的三角洲運動基板裝置固定在機架內(nèi)并位于其頂板下方，所述的聚焦超聲系統(tǒng)固定在機架內(nèi)并位于其底板上方，所述的材料池裝置位于聚焦超聲系統(tǒng)上方并固定在機架上，所述的供料裝置固定在機架的支撐柱上。

本發(fā)明所述的機架由底板、光杠底座、支撐柱和頂板之間通過固定連接組成，所述的支撐柱用于固定連接底板和頂板，所述的光杠底座上有同步帶輪槽，所述的光杠底座分別用于連接光杠一和光杠二，所述的同步帶輪槽分別用于連接同步帶輪一和同步帶輪二；所述的頂板上有同步帶通孔，用于穿過同步帶一和同步帶二。

本發(fā)明所述的三角洲運動基板裝置由步進電機一、聯(lián)軸器一、電機座一、同步帶輪三、滑塊一、光杠一、連桿一、基板一、同步帶一和同步帶輪一組成，所述的步進電機一通過電機座一連接到機架的頂板上，所述的同步帶輪三通過聯(lián)軸器一與步進電機一相連，通過同步帶一與固定于同步帶輪槽上的同步帶輪一相連，所述的滑塊一與光杠一滑動連接，在同步帶一的帶動下進行上下運動，所述的連桿一一端與滑塊一鉸接，另一端與基板一鉸接。

本發(fā)明所述的材料池裝置的結(jié)構(gòu)是，料池底座通過連接件一固定連接在機架的支撐柱上，材料池固定連接在材料池底座上，所述的材料池具有多個儲料小室，用于裝不同的噴射材料。

本發(fā)明所述的供料裝置的結(jié)構(gòu)是，微注射泵通過連接件二固定連接在機架的支撐柱上，所述的輸料管一端與微注射泵相連，另一端與材料池相連，計算機根據(jù)噴射材料量控制供應(yīng)材料量。

本發(fā)明所述的聚焦超聲系統(tǒng)由步進電機二、電機座二、聯(lián)軸器二、同步帶輪四、耦合液池、聚焦超聲換能器、基板二、光杠二、同步帶二、滑塊二、連桿二和同步帶輪二組成，所述的步進電機二通過電機座二連接到機架的頂板上，所述的同步帶輪四通過聯(lián)軸器二與步進電機二相連，通過同步帶二與固定于同步帶輪槽上的同步帶輪二相連，所述的滑塊與光杠二滑動連接，在同步帶二的帶動下進行上下運動，所述的連桿二一端與滑塊二鉸接，另一端鉸接于基板二上，所述的耦合液池固定在基板二上，所述的聚焦超聲換能器固定在耦合液池內(nèi)。

一種無級變速多材料超聲微滴噴射增材制造方法，包括如下步驟：

計算機根據(jù)所需噴射材料的種類，控制聚焦超聲系統(tǒng)平面移動，令聚焦超聲換能器位于所需噴射材料的正下方；

所述的聚焦超聲換能器，在噴射微滴前，先發(fā)射一個檢測聲波，位于聚焦超聲換能器表面的聲吶接收由耦合液與材料池下底面之間的界面、材料池上底面與材料之間的界面和材料與空氣之間的界面反射回來的聲波，并將信息反饋給計算機，計算機根據(jù)反射聲波的信息分析出材料池內(nèi)所要噴射材料的聲阻抗以及液面高度，結(jié)合輸入的噴射液滴直徑和噴射速度參數(shù)，分析出所需聚焦超聲換能器的焦距以及驅(qū)動頻率，調(diào)節(jié)聚焦超聲系統(tǒng)的高度，發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動信號進行微滴噴射；

在微滴噴射過程中，計算機根據(jù)噴射流量及材料種類控制供料裝置供料，根據(jù)噴射液滴所需沉積位置控制三角洲運動基板裝置上的基板一的空間運動，從而實現(xiàn)多材料混合超聲微滴噴射增材制造。

本發(fā)明聚焦超聲換能器通過發(fā)射聚焦聲波，在材料表面的焦點處，聲壓力使液體材料克服其表面張力并噴射出，噴射方向豎直向上，無需使用噴頭；通過改變聚焦超聲換能器驅(qū)動頻率和驅(qū)動電壓的大小，噴射過程中可改變噴射速度和噴射液滴直徑的大小；可噴射粘度范圍為0-2000mpa.s的陶瓷粉末漿料，聚合物粉末漿料，金屬粉末漿料以及室溫下液態(tài)金屬材料；可噴微滴的體積范圍為5pl-250nl,穩(wěn)定噴射頻率范圍為0-8000Hz；結(jié)合基板的空間移動與聚焦超聲系統(tǒng)的空間移動以及聚焦超聲換能器驅(qū)動信號的變化，本發(fā)明可實現(xiàn)無級變速多材料混合超聲微滴噴射增材制造。

本發(fā)明的有益效果為：將聚焦超聲技術(shù)與增材制造技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)噴射液滴的尺寸不受噴頭限制，無需使用噴頭，避免堵塞噴頭，降低了制造成本；采用由下向上噴射式噴射微滴，可避免衛(wèi)星液滴的產(chǎn)生，提高打印精度；噴射材料粘度范圍為廣，可實現(xiàn)導(dǎo)電漿料、陶瓷漿料、金屬粉末懸濁液和室溫下液態(tài)金屬等材料的微滴噴射；可實現(xiàn)多種材料混合增材制造，實現(xiàn)功能梯度材料的增材制造；打印過程中微滴噴射頻率可調(diào)，微滴直徑大小可變，實現(xiàn)無級變速多材料微滴噴射增材制造。為微滴噴射增材制造領(lǐng)域提供了一種新的微滴噴射成形方法。

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)明機架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明三角洲運動基板裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明三角洲運動基板裝置頂部電機連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明儲料池裝置和供料裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明聚焦超聲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明聚焦超聲系統(tǒng)光杠底部連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本發(fā)明聚焦超聲系統(tǒng)頂部電機連接結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

包括機架1、三角洲運動基板裝置2、材料池裝置3、聚焦超聲系統(tǒng)4和供料裝置5，所述的三角洲運動基板裝置2固定在機架1內(nèi)并位于其頂板105下方，所述的聚焦超聲系統(tǒng)4固定在機架1內(nèi)并位于其底板101上方，所述的材料池裝置3位于聚焦超聲系統(tǒng)4上方并固定在機架1上，所述的供料裝置5固定在機架1的支撐柱104上。該無級變速多材料混合超聲微滴噴射增材制造裝置，將聚焦超聲技術(shù)與增材制造技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)無級變速多材料混合的超聲微滴噴射增材制造，可解決現(xiàn)有微滴噴射增材制造系統(tǒng)噴射液滴尺寸受噴頭限制，容易堵塞噴頭，無法實現(xiàn)多材料混合噴射成形，噴射過程中噴射速度與噴射液滴尺寸不可改變的問題。所述的材料池內(nèi)裝有多種噴射材料，既可實現(xiàn)一種材料的連續(xù)噴射，又可通過控制聚焦超聲系統(tǒng)的移動，連續(xù)噴射多種材料不同大小的微滴，實現(xiàn)功能梯度材料增材制造。

所述的機架1由底板101、光杠底座102、支撐柱104和頂板105之間通過固定連接組成；所述的支撐柱104用于固定連接底板101和頂板105，所述的光杠底座102上有同步帶輪槽103，所述的光杠底座分別用于連接光杠一206和光杠二408，所述的同步帶輪槽分別用于連接同步帶輪一210和同步帶輪二412；所述的頂板105上有同步帶通孔106，用于穿過同步帶一209和同步帶二409。

所述的三角洲運動基板裝置2由步進電機一201、聯(lián)軸器一202、電機座一203、同步帶輪三204、滑塊一205、光杠一206、連桿一207、基板一208、同步帶一209和同步帶輪一210組成，所述的步進電機一201通過電機座一203連接到機架1的頂板105上，所述的同步帶輪三204通過聯(lián)軸器一202與步進電機一201相連，通過同步帶一209與固定于同步帶輪槽103上的同步帶輪一210相連，所述的滑塊一205與光杠一206滑動連接，在同步帶一209的帶動下進行上下運動，所述的連桿一207一端與滑塊一205鉸接，另一端與基板一208鉸接，通過計算機控制三個步進電機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)基板一208的空間運動。

所述的材料池裝置3的結(jié)構(gòu)是，料池底座302通過連接件一301固定連接在機架1的支撐柱104上，材料池303固定連接在材料池底座302上，所述的材料池303具有多個儲料小室，用于裝不同的噴射材料。

所述的供料裝置5的結(jié)構(gòu)是，微注射泵501通過連接件二502固定連接在機架1的支撐柱104上，所述的輸料管503一端與微注射泵501相連，另一端與材料池303相連，計算機根據(jù)噴射材料量控制供應(yīng)材料量。

所述的聚焦超聲系統(tǒng)4由步進電機二401、電機座二402、聯(lián)軸器二403、同步帶輪四404、耦合液池405、聚焦超聲換能器406、基板二407、光杠二408、同步帶二409、滑塊二410、連桿二411和同步帶輪二412組成，所述的步進電機二401通過電機座二402連接到機架1的頂板105上，所述的同步帶輪二404通過聯(lián)軸器二403與步進電機二401相連，通過同步帶二409與固定于同步帶輪槽103上的同步帶輪二412相連，所述的滑塊410與光杠二408滑動連接，在同步帶二409的帶動下進行上下運動，所述的連桿二411一端與滑塊二410鉸接，另一端鉸接于基板二407上，所述的耦合液池405固定在基板二407上，所述的聚焦超聲換能器406固定在耦合液池405內(nèi)，所述的耦合液池內(nèi)裝有耦合液體水，用于打印時耦合連聚焦超聲換能器406和材料池303，減小聲波能量的損失，通過計算機控制三個步進電機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)聚焦超聲系統(tǒng)4的空間移動。

一種無級變速多材料超聲微滴噴射增材制造方法，包括如下步驟：

計算機根據(jù)所需噴射材料的種類，控制聚焦超聲系統(tǒng)4平面移動，令聚焦超聲換能器406位于所需噴射材料的正下方；

所述的聚焦超聲換能器406，在噴射微滴前，先發(fā)射一個檢測聲波，位于聚焦超聲換能器406表面的聲吶接收由耦合液與材料池303下底面之間的界面、材料池303上底面與材料之間的界面和材料與空氣之間的界面反射回來的聲波，并將信息反饋給計算機，計算機根據(jù)反射聲波的信息分析出材料池303內(nèi)所要噴射材料的聲阻抗以及液面高度，結(jié)合輸入的噴射液滴直徑和噴射速度參數(shù)，分析出所需聚焦超聲換能器406的焦距以及驅(qū)動頻率，調(diào)節(jié)聚焦超聲系統(tǒng)4的高度，發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動信號進行微滴噴射；

在微滴噴射過程中，計算機根據(jù)噴射流量及材料種類控制供料裝置5供料，根據(jù)噴射液滴所需沉積位置控制三角洲運動基板裝置2上的基板一208的空間運動，從而實現(xiàn)多材料混合超聲微滴噴射增材制造。

所述的聚焦超聲換能器406通過發(fā)射聚焦聲波，在材料表面的焦點處，聲壓力使液體材料克服其表面張力并噴射出，噴射方向豎直向上，無需使用噴頭；通過改變聚焦超聲換能器406驅(qū)動頻率和驅(qū)動電壓的大小，噴射過程中可改變噴射速度和噴射液滴直徑的大?。豢蓢娚湔扯确秶鸀?-2000mpa.s的陶瓷粉末漿料，聚合物粉末漿料，金屬粉末漿料以及室溫下液態(tài)金屬材料；可噴微滴的體積范圍為5pl-250nl,穩(wěn)定噴射頻率范圍為0-8000Hz；結(jié)合基板的空間移動與聚焦超聲系統(tǒng)的空間移動以及聚焦超聲換能器驅(qū)動信號的變化，本發(fā)明可實現(xiàn)無級變速多材料混合超聲微滴噴射增材制造。