[发明专利]一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置及打印方法

权利要求书

1.一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，包括计算机、PWM控制模块、激光发生器、直流稳压可调电源单元、粉末发生器、驱动单元模块、超声阵列发射器以及反射器，

计算机与PWM控制模块中的单片机连接，驱动单元模块通过数据线与PWM控制模块相连接，驱动单元模块分别与激光发生器驱动端、粉末发生器驱动端和超声阵列发射器的驱动端通信，直流稳压可调电源单元为驱动单元模块提供能量；

超声阵列发射器与反射器相对设置，超声阵列发射器与反射器之间形成3D打印空间，反射器的表面设有粉末喷射口，粉末喷射口与粉末发生器连通，粉末由粉末喷射口喷出至3D打印空间；激光发生器设于反射器的一侧，对3D打印空间内的粉末进行激光。

2.根据权利要求1所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，超声阵列发射器包括振动单元和固定单元，振动单元为超声换能器组成的方形阵列，固定单元为树脂壳体，振动单元设于固定单元的表面；反射器包括反射板，反射板的表面设有粉末喷射口；反射板与超声阵列发射器通过支撑架固定。

3.根据权利要求2所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，粉末发生器包括粉末储存器、带有压电陶瓷结构的喷射装置、喷射管和喷嘴，喷嘴设于所述粉末喷射口内，喷嘴通过喷射管与粉末储存器连通。

4.根据权利要求3所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，所述超声阵列发射器为14*14超声阵列发射器，包括14*14个超声换能器组成的方形阵列；该方形阵列分为两组，每组阵列产生不同的粉末悬浮点；每组阵列的边角位置均设有位置传感器，位置传感器与计算机电性连接。

5.根据权利要求4所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，所述PWM控制单元采用Arduino MEGA单片机。

6.一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，采用权利要求5所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1，计算机将零件实际轮廓转化为零件的点坐标，

S2，计算机根据点坐标信息发送指令，PWM控制模块根据指令生成不同频率和占空比的方波，并通过驱动单元模块控制超声阵列发射器产生相应地超声相控阵驻波声场，

S3，粉末发生器喷射粉末，粉末由粉末喷射口喷出，驻波声场捕获粉末并移动至预定悬浮位置，

S4，关闭驻波声场，悬浮粉末堆积成预定3D打印形状，

S5，激光发生器发射激光，使堆积的粉末与基材表面薄层一起熔凝，粉末堆叠，循环往复，实现零件的3D打印。

7.根据权利要求6所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，其特征在于，步骤S1具体为：计算机根据零件实际轮廓生成三维CAD模型，将该模型按一定的厚度分层切片，将零件的三维数据信息转换成二维轮廓信息，然后对二维轮廓信息点化，生成点坐标。

8.根据权利要求7所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，其特征在于，步骤S2中，计算机根据点坐标计算出阵列中的每个阵元到焦点的距离，根据声程差自动算出对应的相移值，转换为激发PWM波时间差，PWM控制模块根据计算机发出的波时间差生成相应不同频率和占空比的方波；驱动单元模块使超声阵列产生振动，产生超声相控阵驻波声场。

9.根据权利要求8所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，其特征在于，步骤S3具体为，方形脉冲施加到粉末发生器的压电元件上，粉末发生器喷射粉末，在驻波的底部压力节点处注入并使超声相控阵驻波声场捕获粉末，实现粉末悬浮；计算机根据零件点坐标发出的指令来增加或者减少PWM波占空比，使声波节点发生移动，进而实现超声相控阵任意点移动粉末。

10.根据权利要求9所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，其特征在于，步骤S2和S3工作的同时，计算机还根据位置传感器的反馈信息对粉末悬浮位置进行修正。