[发明专利]一种电喷射打印曲面压电陶瓷的方法

摘要

本发明属于先进制造技术领域，提供一种电喷射打印曲面压电陶瓷的方法，首先为压电陶瓷浆料提供稳定的压力，以保证浆料按固定流量从喷口流出，同时在喷口处对压电陶瓷浆料施加电场，使之形成稳定的精细射流；然后将曲面基底固定在曲面基底六轴联动模块的夹具上，保证曲面基底在打印过程中始终与喷针射流保持垂直且距离喷口不变；通过协同控制曲面基底六轴联动模块和电场、流场的变化实现精细射流按需打印，并最终实现曲面压电陶瓷的电喷射打印成型。本发明实现复杂曲面陶瓷的按需打印制造，保证打印射流的稳定性和打印曲面的均匀一致性，避免传统制造工艺精度低、粘贴难度大等问题以及压电陶瓷和基体的粘接胶蠕变、结合强度弱等问题。

主权项

1.一种电喷射打印曲面压电陶瓷的方法，其特征在于，采用包括电喷射压电陶瓷模块和曲面基底六轴联动模块两部分的曲面压电陶瓷电流体喷射打印成型装置实现曲面压电陶瓷的打印；首先电喷射压电陶瓷模块为压电陶瓷浆料提供稳定的压力，以保证压电陶瓷浆料按固定流量从喷口流出，同时在喷口处对压电陶瓷浆料施加电场，形成精细射流；然后将曲面基底(23)固定在曲面基底六轴联动模块的可换夹具(19)上，保证曲面基底(23)在打印过程中始终与精细射流保持垂直且距离喷口不变；通过协同控制曲面基底六轴联动模块和电场、流场的变化实现精细射流按需打印，并最终实现复杂曲面结构压电陶瓷的电喷射打印成型；所述的曲面压电陶瓷电喷射打印成型装置具体组成如下：/n所述的电喷射压电陶瓷模块包括PC工控机(1)、CCD观察相机(2)、微量注射泵(4)、精密注射器(5)、软管(6)、喷针(7)和高压电源(8)；所述的精密注射器(5)固定在微量注射泵(4)上，通过软管(6)和喷针(7)相连，且喷针(7)固定在三维移动装置(10)的Z轴滑块上，位于三维旋转装置(9)的上方；所述的高压电源(8)，其正极输出端与喷针(7)相连接，其负极输出端与三维旋转装置(9)中的可换夹具(19)相连接；陶瓷浆料作为原材料墨汁，储存在精密注射器(5)中；所述的微量注射泵(4)供电后，控制精密注射器(5)以稳定的流量将原材料墨汁经过软管(6)后从喷针(7)口喷出，实现电喷射打印；所述的CCD观察相机(2)、微量注射泵(4)和高压电源(8)，均与PC工控机(1)连接，通过CCD观察相机(2)观察打印过程中射流的稳定性，通过PC工控机(1)控制微量注射泵(4)的注射以及高压电源(8)通电情况；/n所述的曲面基底六轴联动模块包括PC工控机(1)、定位相机(3)、三维旋转装置(9)和三维移动装置(10)；所述的三维旋转装置(9)包括导电滑环(11)、周向旋转架(12)、Y向旋转步进电机(13)、Y向旋转架(14)、X向旋转架(16)、调平配重(17)、可换夹具(19)、X向旋转步进电机(20)、周向旋转电机(22)、X向旋转限位传感器(18)、Y向旋转限位传感器(15)和Z向旋转限位传感器(21)；所述的Y向旋转架(14)和X向旋转架(16)为框架结构，二者分别由Y向旋转步进电机(13)和X向旋转步进电机(20)控制并提供Y向和X向的旋转力矩；可换夹具(19)固定安装在X向旋转架(16)上，X向旋转架(16)通过安装轴安装在Y向旋转架(14)，X向旋转架(16)绕轴旋转；所述的Y向旋转架(14)通过安装轴安装在周向旋转架(12)上，Y向旋转架(14)绕轴旋转；所述的周向旋转架(12)通过周向旋转电机(22)提供周向的旋转力矩并保证打印的均匀性，使周向旋转架(12)绕底座周向旋转；从而通过电机和旋转架的配合带动可换夹具(19)做曲面运动；所述的X向旋转步进电机(20)和调平配重(17)均安装在Y向旋转架(14)上，且二者的安装位置相对称，通过调平配重(17)平衡X向旋转步进电机(20)的重量；所述的X向旋转限位传感器(18)、Y向旋转限位传感器(15)和Z向旋转限位传感器(21)分别安装在X向旋转架(16)、Y向旋转架(14)和周向旋转架(12)上，并与PC工控机(1)相连接，为模块的旋转运动提供基准原点和限位点，并通过PC工控机(1)反馈限位和回零；所述的导电滑环(11)安装在周向旋转架(12)的下方，解决周向电机22的旋转导致Y向旋转步进电机(13)和X向旋转步进电机(20)以及X向旋转限位传感器(18)、Y向旋转限位传感器(15)和Z向旋转限位传感器(21)的控制线发生绕线问题；所述的曲面基底(23)固定在可换夹具(19)上，并通过紧定螺钉(26)进行紧固；所述的三维旋转装置(9)安装在三维移动装置(10)的X/Y二维移动平台上，三维移动装置(10)实现三维旋转装置(9)的X和Y轴平移运动，通过调节三维移动装置(10)的Z轴滑块的位置以调整喷针(7)与曲面基底(23)之间的距离；三维旋转装置(9)和三维移动装置(10)均与PC工控机(1)相连接，PC工控机(1)协同控制三维旋转装置(9)和三维移动装置(10)实现六轴联动运动，实现曲面基底(23)的X、Y轴旋转运动以及周向旋转运动，从而实现复杂压电陶瓷曲面轨迹的运动；所述的定位相机(3)固定在三维移动装置(10)的Z轴滑块上，位于三维旋转装置(9)的上方，且与PC工控机(1)连接，通过定位相机(3)和三维移动装置(10)的共同配合实现曲面基底(23)轨迹的精确重复定位；/n电喷射打印复杂曲面压电陶瓷结构的具体步骤如下：/n1)电喷射压电陶瓷浆料/n调节喷针(7)的高度，高压电源(8)在喷针(7)与可换夹具(19)之间施加电压，形成稳定电场；陶瓷浆料在微量注射泵(4)的推动下，从精密注射器(5)中通过软管(6)流至喷针(7)出口，在电场、重力场作用下，在喷针(7)口处形成稳定的精细射流，后续过程中可打印在曲面基底(23)上；在PC工控机(1)屏幕中监测CCD观察相机(2)视野内射流的打印情况；/n2)曲面压电陶瓷的电喷射打印成型/nPC工控机(1)通过定位相机(3)的观察并控制三维移动装置(10)运动进行定位，带动三维旋转装置(9)移动至预定打印点，实现初始位置设定，并通过PC工控机(1)和三个限位传感器反馈调整三维旋转装置(9)起始姿态；在电喷射压电陶瓷模块产生精细射流的过程中，通过PC工控机(1)设定曲面基底六轴联动模块的曲面运动轨迹，控制步进电机的工作，使曲面基底(23)按照预定的曲面运动轨迹进行旋转运动，并控制微量注射泵(4)的注射，实现曲面压电陶瓷的电喷射打印成型；曲面运动轨迹保证喷针(7)的喷口与曲面基底(23)上打印点的距离保持不变，且保证喷针(7)始终垂直于曲面在打印点处的切面；第一层打印完成后，锁定三维旋转装置(9)并解除三维移动装置(10)的锁定，移出曲面基底(23)进行加热处理；重复上述步骤进行下一层打印，直至满足规定的打印厚度，然后烧结成型得到所需的曲面压电陶瓷结构。/n