[发明专利]一种微喷自由成形系统

说明书

技术领域

本发明涉及自由成形系统，尤其涉及一种用压电式喷头与微注射器喷头组合的微喷自由成形系统。

背景技术

微喷自由成形(Freeform Fabrication with Micro-droplet Jetting，FFMJ)是基于加成制造法的一种新型成形方法，起源于20世纪80年代末出现的快速成形(Rapid Prototyping，RP)。快速成形能根据工件的CAD模型直接制作三维实体，而无需传统的机床与工模具，因此曾经被誉为制造领域的一场革命。但是由于它可以采用的原材料有较大的限制，致使多数快速成形件的性能与实际工件的要求有较大的差别。为克服上述弊端，近年来出现了微滴喷射自由成形，这种方法可采用的原材料几乎不受限制，从而为新材料的应用，特别是功能器件的制作创造了极为有利的条件。

微喷自由成形利用精细喷头喷射容积为微升至飞升的液滴(通常称为墨滴)，此液滴沉积在基材上逐步形成二维或三维结构。目前微滴喷射用的喷头主要有压电式喷头和微注射器式喷头等两种，由这两种喷头为核心构成的微喷自由成形系统已成为现代自由成形发展的方向。

其中，压电式喷头是喷墨打印机上十分先进而成熟的产品，其喷嘴直径为微米级，每个喷头上的喷嘴数可达1000个以上，喷射液滴的自然分辨率可达到几百dpi(每英寸长度上的液滴数)以上，喷射频率可达几十KHz，因此，只需将喷墨打印机通常用的墨水变更为自由成形所需的特殊“墨水”(例如陶瓷墨水、金属墨水、聚合物墨水、细胞液等)，就能实现二维或三维的自由成形，高效率地制作精细的功能机电器件、功能陶瓷器件、功能梯度材料构件和功能生物医学器件等。但是，压电式喷头有如下缺点：(1)压电陶瓷片的推力有限，喷射“墨水”的黏度一般限定为10～14(20)cPs，不能喷射高黏度(除非可以用加热降低黏度)或含有较多颗粒的墨水。(2)喷嘴与喷印基板之间的喷射距离应小于1mm，否则喷印的墨滴会发散，因此不能在高低差别较大的基板上获得一致的喷印品质。

微注射器式喷头可采用直线步进电机驱动，喷射力大，能喷射黏度很大和含有较多颗粒的“墨水”(所含固体颗粒的容积可达40～55％)，“墨水”可以是下列状态的有机或无机“墨水”：溶液(水溶液、溶剂溶液)、熔融体、含有纳米金属或陶瓷的胶体、悬浮液、浆料，以及低熔点焊料等流态材料；喷射速度大，在喷射距离较大的条件下能将“墨水”精确地喷印至平面或非平面基板上，因此能在高低差别较大的基板上进行立体印制。但是，微注射器式喷头反应速度和喷射频率不如压电式喷头，不能精确地喷射单个微细液滴，只能喷射液滴串，而且外形尺寸较大，难于制作更多喷嘴的喷头，喷印效率较低。

国外现有商品化的微喷自由成形系统一般采用压电式喷头，采用微注射器式喷头的微喷自由成形系统尚处于研究阶段，未见商品化的成熟产品，更没有综合采用这两种喷头的微喷自由成形系统，我国也未见类似产品。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种微喷自由成形系统，同时采用压电式喷头和微注射器式喷头，广泛适用于多种黏度不同状态的原材料的组合自由成形。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种微喷自由成形系统，包括：

机身，对整个系统进行支撑和定位；

微注射器式喷头，与滑架相连接，用于喷射包含颗粒流态原料；

压电式喷头，与滑架相连接，用于喷射流态原料，其中该压电式喷头所喷射的流态原料的黏度比该微注射器式喷头所喷射的流态原料的黏度小；

可升降工作台及其Z向驱动系统，与该机身相连接，用于支承工件，并使其逐步上升，成形三维结构件；

滑架及其Y向驱动系统，与该机身相连接，用于支撑该压电式喷头和该微注射器式喷头，该Y向驱动系统驱动该滑架沿着Y向运动；

喷头X向驱动系统，与该滑架相连接，用于驱动该微注射器式喷头和该压电式喷头沿着X向运动；

冷气枪，与该机身相连接，用于向该可升降工作台上正在成形的该工件喷射冷气流，使工件迅速降温固化；

控制系统，对整个系统进行自动控制。

根据本发明的微喷自由成形系统的一实施例，该微注射器式喷头进一步包括：

料筒，位于微注射器式喷头的下段，用于存储原料；

微注射器式喷嘴，固定在微注射器式喷头的该料筒的最下端，用作喷射材料的通道；

电热套，位于微注射器式喷头的该料筒的外面，用于加热该料筒中的原料；

直线步进电机，位于微注射器式喷头的上部，用于驱动该微注射器式喷头中的柱塞，迫使该料筒中的原料从该微注射器式喷嘴中挤出；