[发明专利]无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于增材制造领域，特别涉及一种无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置及方法，用于无级变速多材料的超声微滴喷射增材制造，喷射过程中喷射速度与喷射液滴直径可调控，可实现功能梯度材料增材制造。

背景技术

微滴喷射增材制造技术是在计算机的控制下，根据设计的三维图形，使材料以微细液滴的形式喷射至底板，形成具有真实产品功能的三维实体器件。与传统增材制造技术相比，其具有成形精度高，适用原材料广泛等优点，在打印设备，制造领域和生物医学工程中得到了愈来愈多的应用，并取得了令人瞩目的效果，具有很好的发展前景。典型的微滴喷射增材制造装置有阀控式、电场偏转式、热泡式和压电式等。

阀控式微滴喷射增材制造装置，用液泵或压缩空气对液体施加一定的压力，借助控制阀(如电磁阀、气动阀或螺杆阀等)的开通产生液流，通过改变压力、开通时间和喷头的直径来控制液流量。但其微滴喷射速率低，液滴直径受喷头限制，且容易堵塞喷头。

电场偏转式微滴喷射增材制造装置，利用液泵或压缩空气对液体施加一定的压力并使之形成液流，通过微滴发生器周期性地使液流断裂成微滴，然后对液滴进行充电，再用偏转电极板控制液滴的飞行方向，使液滴射至预定的位置。但其生成微滴尺寸精度差，并伴有卫星液滴产生，需要复杂的电场控制，难以实现多种材料混合增材制造。

热泡式微滴喷射增材制造装置，利用宽度为几微秒的脉冲电流瞬时将喷头内的电热元件加热至300℃左右，与电热元件表面接触的液体迅速汽化，形成很小的气泡，膨胀的小气泡挤压喷头中的液体，使其以微滴的形式从喷头中射出。但其需要加热，只能用于喷射能被热量蒸发的水溶液，喷头中存在热应力，且液滴直径受喷头限制。

压电式微滴喷射增材制造装置，借助压电器件产生的机械运动，使喷头中的液体克服喷头处的阻力和表面张力形成微滴射出。但其喷射材料粘度范围小，生成微滴的体积主要由喷头的直径来控制，且容易产生卫星液滴，影响成形精度。

综上所述，现有微滴喷射增材制造装置，生成液滴尺寸受喷头限制，常伴有卫星液滴产生，且容易堵塞喷头；不易实现多种材料混合增材制造，无法实现功能梯度材料的增材制造；喷射过程中，喷射速度与液滴的大小不易改变，不能实现变速微滴喷射增材制造。本发明正是针对目前微滴喷射增材制造装置的现状，研制了喷射液滴尺寸不受喷头限制，无卫星液滴产生，喷射材料粘度范围大，可无级变速多材料混合的微滴喷射增材制造装置。

发明内容

本发明提供一种无级变速多材料超声微滴喷射增材制造装置及方法，将聚焦超声技术与增材制造技术相结合，实现无级变速多材料的超声微滴喷射增材制造，解决现有微滴喷射增材制造系统喷射液滴尺寸受喷头限制，容易堵塞喷头，喷射过程中伴随有卫星液滴产生，无法实现多材料功能梯度材料增材制造，喷射过程中喷射速度与喷射液滴尺寸不可改变的问题。

本发明采取的技术方案是：包括机架、三角洲运动基板装置、材料池装置、聚焦超声系统和供料装置，所述的三角洲运动基板装置固定在机架内并位于其顶板下方，所述的聚焦超声系统固定在机架内并位于其底板上方，所述的材料池装置位于聚焦超声系统上方并固定在机架上，所述的供料装置固定在机架的支撑柱上。

本发明所述的机架由底板、光杠底座、支撑柱和顶板之间通过固定连接组成，所述的支撑柱用于固定连接底板和顶板，所述的光杠底座上有同步带轮槽，所述的光杠底座分别用于连接光杠一和光杠二，所述的同步带轮槽分别用于连接同步带轮一和同步带轮二；所述的顶板上有同步带通孔，用于穿过同步带一和同步带二。

本发明所述的三角洲运动基板装置由步进电机一、联轴器一、电机座一、同步带轮三、滑块一、光杠一、连杆一、基板一、同步带一和同步带轮一组成，所述的步进电机一通过电机座一连接到机架的顶板上，所述的同步带轮三通过联轴器一与步进电机一相连，通过同步带一与固定于同步带轮槽上的同步带轮一相连，所述的滑块一与光杠一滑动连接，在同步带一的带动下进行上下运动，所述的连杆一一端与滑块一铰接，另一端与基板一铰接。

本发明所述的材料池装置的结构是，料池底座通过连接件一固定连接在机架的支撑柱上，材料池固定连接在材料池底座上，所述的材料池具有多个储料小室，用于装不同的喷射材料。

本发明所述的供料装置的结构是，微注射泵通过连接件二固定连接在机架的支撑柱上，所述的输料管一端与微注射泵相连，另一端与材料池相连，计算机根据喷射材料量控制供应材料量。