專利名稱：一種快速成型裝置及其壓電式噴射系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于納米顆粒材料的快速成型裝置，尤其涉及該快速成型裝置的壓電式噴射系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping Technology,簡(jiǎn)稱RP技術(shù))是九十年代發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)的制造技術(shù)，它是在現(xiàn)代CAD技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來(lái)的。不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成型材料不同，成型原理和系統(tǒng)特點(diǎn)也各有不同。RP技術(shù)可分為以下幾種典型的成型工藝立體印刷成型(Stereo lithography Apparatus, SLA)、分層實(shí)體制造(Laminated ObjectManufacturing, L0M)、激光選區(qū)燒結(jié)(Selected Laser Sintering, SLS)、溶融沉積制造(Fused Deposition Modeling, FDM)、三維打印制造(Three Dimensional Printing, 3DP) 等。這些成型工藝的基本原理是一致的，即在計(jì)算機(jī)管理與控制下，首先設(shè)計(jì)出物體的計(jì)算機(jī)三維模型，根據(jù)工藝要求，按照一定的精度要求將該模型切片，再對(duì)切片后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按照一定的掃描路徑進(jìn)行規(guī)劃得到加工文件，以快速成型系統(tǒng)精確堆積的形式加工出每層材料并粘接成型。RP技術(shù)從成型原理上提出了一個(gè)全新的思維模式，它能快速精確地根據(jù)原型CAD設(shè)計(jì)直接制造出部件，從而有效縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。在成型材料上，目前主要是有機(jī)高分子材料，比如光固化樹脂、尼龍、蠟等。但是，RP技術(shù)目前的難點(diǎn)在于成型精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中RP技術(shù)成型精度不高的缺點(diǎn)，本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種用于納米顆粒材料的快速成型裝置的壓電式噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括填料倉(cāng)，用于裝載納米顆粒材料與有機(jī)溶劑的混合溶液；噴頭和噴嘴，該噴頭用于接收來(lái)自所述填料倉(cāng)的混合溶液；其中，所述噴頭上至少與所述噴嘴相對(duì)的壁的至少一部分是由壓電陶瓷材料制成的；且該系統(tǒng)還包括壓電控制模塊，用于向由壓電陶瓷材料制成的所述至少一部分施加電壓，并調(diào)節(jié)該電壓的大小和頻率。本發(fā)明的另一個(gè)方面還提供了一種用于納米顆粒的快速成型裝置，其中，該裝置包括上述壓電式噴射系統(tǒng)。在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，由壓電陶瓷材料制成的壁的至少一部分被施加電壓時(shí)會(huì)發(fā)生機(jī)械變形，當(dāng)停止施加電壓或施加反向電壓時(shí)又會(huì)回復(fù)到初始位置或向相反方向發(fā)生機(jī)械變形。在壓電控制模塊的控制下，給上述至少一部分施加電壓，之后停止施加電壓或施加反向電壓，可以使該部分?jǐn)D壓噴頭內(nèi)的溶液，由此使得液滴從噴嘴噴出。通過(guò)控制施加電壓的大小和頻率，就可以控制從噴嘴噴出的混合溶液的液滴的大小和單位時(shí)間內(nèi)噴出的液滴的數(shù)目，這樣可以顯著地提高成型精度。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的用于納米顆粒材料的快速成型裝置。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的用于納米顆粒材料的快速成型裝置。如圖I所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種用于納米顆粒材料的快速成型裝置的壓電式噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括填料倉(cāng)7，用于裝載納米顆粒材料與有機(jī)溶劑的混合溶液；噴頭8和噴嘴10，該噴頭8用于接收來(lái)自所述填料倉(cāng)7的混合溶液；其中，所述噴頭8上至少與所述噴嘴10相對(duì)的壁的至少一部分9是由壓電陶瓷材料制成的；且所述噴射系統(tǒng)還包括壓電控制模塊4，用于向由壓電陶瓷材料制成的所述至少一部分9施加電壓，并調(diào)節(jié)該電壓的大小和頻率。 所述由壓電陶瓷材料制成的所述至少一部分9可以是壓電陶瓷片或壓電陶瓷薄膜。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，除了與噴嘴10相對(duì)的壁，所述噴頭8的其它壁的至少一部分也可以是壓電陶瓷片或壓電陶瓷薄膜。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，填料倉(cāng)7可以通過(guò)管道與噴頭8連接，所述填料倉(cāng)7可以位于所述噴頭8的上方，使得該填料倉(cāng)7中的所述混合溶液能夠在自身重力的作用下進(jìn)入到所述噴頭8。所述噴射系統(tǒng)還可以包括信號(hào)處理模塊2，該信號(hào)處理模塊2用于接收來(lái)自計(jì)算機(jī)I的數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)生成用于所述壓電控制模塊4的指令；所述壓電控制模塊4接收該指令，根據(jù)指令控制施加到所述至少一部分9的電壓的大小和頻率。具體來(lái)說(shuō)，信號(hào)處理模塊2可以接收來(lái)自計(jì)算機(jī)I的上述分層數(shù)據(jù)，根據(jù)該分層數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生各種指令，例如關(guān)于從噴嘴10噴出的混合溶液的液滴的大小以及單位時(shí)間內(nèi)噴出的液滴的數(shù)目的指令。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，在成型過(guò)程中，從噴嘴10噴出的液滴的大小以及單位時(shí)間內(nèi)噴出的液滴的數(shù)目等應(yīng)當(dāng)與工件臺(tái)12的運(yùn)動(dòng)保持協(xié)調(diào)，這取決于切片的精度，即每一個(gè)分層數(shù)據(jù)所代表的物體切片的厚度。所述信號(hào)處理模塊2可以包括但不限于通用處理器、專用處理器、微處理器、微控制器、DSP電路、FPGA電路等。壓電控制模塊4可以從信號(hào)處理模塊2接收關(guān)于液滴大小以及液滴噴射頻率的指令，根據(jù)該指令調(diào)節(jié)施加到壓電陶瓷材料制成的壁的至少一部分9的電壓的大小以及電壓的頻率從而控制從噴嘴10噴出的液滴的大小以及單位時(shí)間內(nèi)噴出的液滴的數(shù)目。舉例來(lái)說(shuō)，可以采用方波電壓信號(hào)。納米顆粒材料與例如酒精、丙酮等的有機(jī)溶劑混合并分散后裝入填料倉(cāng)7，然后從填料倉(cāng)7進(jìn)入到噴頭8。在一個(gè)周期中，當(dāng)給壓電陶瓷片或壓電陶瓷薄膜(即，上述噴頭8的壁的至少一部分9)施加正電壓時(shí)，壓電陶瓷片或薄膜會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，向外收縮，使噴頭8的容積稍微增大。當(dāng)停止施加電壓或施加負(fù)電壓時(shí)，壓電陶瓷片或薄膜在恢復(fù)力或恢復(fù)力與由于施加負(fù)電壓形成的反向拉力的作用下，壓電陶瓷片或薄膜迅速向噴頭8內(nèi)彈壓，壓縮噴頭8的容積，將噴頭8里的混合溶液的一部分從噴嘴10擠出。此時(shí)被擠出的部分形成液滴，由于噴頭8內(nèi)的溶液對(duì)液滴的牽引力，該液滴掛在噴嘴10上。此時(shí)，停止給壓電陶瓷片或薄膜施加電壓或施加反向電壓，使得該壓電陶瓷片或薄膜迅速往回收縮，使得噴頭8內(nèi)的溶液與液滴斷開，液滴在自身重力的作用下飛離噴嘴10。由此，所施加的電壓在一個(gè)電壓周期內(nèi)方向發(fā)生交替，或者所施加的電壓在一個(gè)電壓周期的一部分中為零?？商鎿Q地，在一個(gè)電壓周期中，可以直接施加電壓使得壓電陶瓷片或薄膜壓縮噴頭8的容積，然后停止施加電壓，使壓電陶瓷片或薄膜回復(fù)到初始位置。通過(guò)這樣的方式，液滴的形狀得到了精確控制。從噴嘴10噴出的液滴都有完美的形狀(近似球狀)和正確的飛行方向。通過(guò)控制施加電壓的大小就可以控制從噴嘴10噴出的液滴的大小，控制電壓的頻率(或周期)就能夠控制液滴的單位時(shí)間內(nèi)噴出的液滴的數(shù)目。所述壓電控制模塊4可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的用于壓電陶瓷的調(diào)節(jié)電壓的裝置。優(yōu)選地，所述壓電控制模塊4可以例如是XE-500或XE-501驅(qū)動(dòng)電源裝置。具體地，該驅(qū)動(dòng)電源裝置可以包括CPU模塊，由單片機(jī)、串行通信接口電路、電壓監(jiān)控和數(shù)字邏輯隔離電路等構(gòu)成，該CPU模塊控制整個(gè)驅(qū)動(dòng)電源各模塊的正常工作；脈沖觸發(fā)模塊，該模塊可以產(chǎn)生IOV的高壓脈沖觸發(fā)信號(hào)、參考電壓信號(hào)和偏置電壓；波形發(fā)生器模塊，該模塊可 以產(chǎn)生一個(gè)與輸出的激勵(lì)脈沖幅值成比例的低壓參考脈沖波形，為數(shù)模轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備；狀態(tài)模塊，該模塊配合CPU模塊的工作，用于控制整個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的輸出，并能檢測(cè)輸出情況；DAC模塊，該模塊是數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，是將數(shù)字的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成低壓的梯形波模擬脈沖信號(hào)，為高壓放大電路提供所需要的信號(hào)；LED模塊該模塊是LED燈顯示模塊，通過(guò)不同的LED燈的亮和熄滅來(lái)顯示壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的工作情況。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，還提供一種用于納米顆粒材料的快速成型裝置，其可以包括如上所述的壓電式噴射系統(tǒng)。所述快速成型裝置還可以包括工件臺(tái)12，用于承載從噴嘴10噴出的納米顆粒材料。所述快速成型裝置還可以包括計(jì)算機(jī)I或可以和計(jì)算機(jī)I配合使用。計(jì)算機(jī)I可以用于構(gòu)建物體的三維模型，對(duì)構(gòu)建的三維模型進(jìn)行處理，對(duì)處理后的三維模型進(jìn)行切片并獲得切片后的分層數(shù)據(jù)。具體地，計(jì)算機(jī)I可以利用計(jì)算機(jī)I輔助設(shè)計(jì)軟件(如Pro/E、I-DEAS>Solidfforks, UG等)直接構(gòu)建物體的三維模型，也可以將已有物體的二維圖樣進(jìn)行轉(zhuǎn)換而形成三維模型，或?qū)ξ矬w實(shí)體進(jìn)行激光掃描、CT斷層掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用反求工程的方法來(lái)構(gòu)造三維模型。所得數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)過(guò)曲線重構(gòu)、曲面重構(gòu)、實(shí)體重構(gòu)，形成實(shí)體的三維數(shù)字化模型，并將該實(shí)體模型轉(zhuǎn)化成快速成型系統(tǒng)通用的數(shù)據(jù)格式-STL文件。所述信號(hào)處理模塊2用于接收來(lái)自計(jì)算機(jī)I的數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)生成用于所述壓電控制模塊4的指令；所述壓電控制模塊4接收該指令，根據(jù)指令控制施加到所述至少一部分9的電壓的大小和頻率。所述快速成型裝置還可以包括激光器11和基座13，該激光器11用于向工件臺(tái)12的表面發(fā)射激光以對(duì)噴射到該工件臺(tái)12的納米顆粒材料進(jìn)行加熱，工件臺(tái)12可以固定在基座13上，基座13可以為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。所述快速成型裝置還可以包括激光驅(qū)動(dòng)模塊5和機(jī)械微驅(qū)動(dòng)模塊6。信號(hào)處理模塊2還可以根據(jù)分層數(shù)據(jù)生成用于控制基座13的指令序列，并根據(jù)該指令序列通過(guò)機(jī)械微驅(qū)動(dòng)模塊6來(lái)控制基座13動(dòng)作，以使得工件臺(tái)12按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。同時(shí)信號(hào)處理模塊2還可以根據(jù)分層數(shù)據(jù)生成用于控制激光器11開啟/關(guān)閉的指令序列，并根據(jù)該指令序列通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)模塊5來(lái)控制激光器11的開啟/關(guān)閉。所述工件臺(tái)12的運(yùn)動(dòng)可以是三維運(yùn)動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)自由度(例如三個(gè))運(yùn)動(dòng)的裝置。所述快速成型裝置還可以包括成型室，所述靜電噴射系統(tǒng)、激光器11、工件臺(tái)12以及基座13可以位于該成型室內(nèi)。該裝置還可以包括真空氣泵15，用于抽出成型室內(nèi)的空氣。所述快速成型裝置還可以包括CXD攝像頭14，用于拍攝工件臺(tái)12上的影像并將該影像信號(hào)經(jīng)過(guò)C⑶圖像信號(hào)處理電路3處理后經(jīng)由信號(hào)處理模塊2發(fā)送到計(jì)算機(jī)I。所述納米顆粒材料可以為顆粒直徑在IOnm-IOOnm的粉末，即納米粉體材料。納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子所占比例增大，原子配位不足，使這些表面原子具有高的活性，很容易與其他原子結(jié)合，從而引起納米粒子的吸附性比相同材質(zhì)的大塊材料更強(qiáng)。納米粒子的表面活性使得它們很容易在成型冷卻的過(guò)程中團(tuán)聚在一起，從而形成帶 有若干弱連接界面的尺寸較大的三維團(tuán)聚體。納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等使得其表面能增大、擴(kuò)散速率增加、成核中心增多，由此不僅導(dǎo)致其熔點(diǎn)大幅度降低，相比體材料要低幾百倍或更多，而且對(duì)激光的吸收率大幅度提高、熱導(dǎo)率增大。在成型過(guò)程中由于納米粉體材料的低溫熔燒，從而有效提高了微型零部件的精度和表面光潔度，并且能有效提高微型零件的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)，由于納米顆粒對(duì)光的吸收效率的提高和熔燒溫度的大幅度降低，使得所需激光功率大幅度降低，由此可以采用光斑更小、光束質(zhì)量更好的可見(jiàn)光波段的激光進(jìn)行加工，從而保證了微成型的精度和質(zhì)量。下面介紹使用本發(fā)明提供的快速成型裝置進(jìn)行快速成型的過(guò)程。計(jì)算機(jī)I利用CAD軟件構(gòu)建物體的三維模型并對(duì)該三維模型進(jìn)行切片處理以生成分層數(shù)據(jù)后，以信號(hào)處理模塊2專用的形式存儲(chǔ)該分層數(shù)據(jù)(例如STL文件)。信號(hào)處理模塊2接收該分層數(shù)據(jù)(例如上述STL文件)，根據(jù)該數(shù)據(jù)生成各種指令，并根據(jù)該指令執(zhí)行多種操作，包括但不限于通過(guò)機(jī)械微驅(qū)動(dòng)模塊6控制基座13以使得工件臺(tái)12按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)；通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)模塊5控制激光器11的開啟/關(guān)閉；通過(guò)壓電控制模塊4控制施加到壓電陶瓷片或薄膜的電壓的大小和頻率從而控制從噴嘴10噴出的納米顆粒材料與有機(jī)溶液混合后的混合溶液的液滴的大小和單位時(shí)間內(nèi)噴出的液滴的數(shù)目
坐寸o填料倉(cāng)7內(nèi)的混合溶液通過(guò)管道進(jìn)入噴頭8，然后如上所述以液滴的形式從噴嘴10噴出。液滴被噴到到工件臺(tái)12的表面上，溶劑很快揮發(fā)，殘留下團(tuán)聚的納米顆粒在工件臺(tái)12上。同時(shí)激光器11向工件表面發(fā)射激光以對(duì)剛落到工件臺(tái)12表面的納米顆粒進(jìn)行加熱，使其熔化成型?；?3按照預(yù)定的程序進(jìn)行動(dòng)作，以使得工件臺(tái)12按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，這樣就可以在工件臺(tái)12上形成一層納米材料層。按照上述過(guò)程進(jìn)行多層疊加就可以得到計(jì)算機(jī)I所構(gòu)建的三維物體模型的實(shí)物。在成型的過(guò)程中，CXD攝像頭14可以實(shí)時(shí)拍攝成型過(guò)程，并將影像信號(hào)經(jīng)過(guò)C⑶圖像信號(hào)處理電路3處理后經(jīng)由信號(hào)處理模塊發(fā)送到計(jì)算機(jī)1，計(jì)算機(jī)I可以將該影像信號(hào)在顯示器上顯示，以方便實(shí)時(shí)監(jiān)控。以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。另外需要說(shuō)明的是，本發(fā)明涉及本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)的部分沒(méi)有進(jìn)行 詳細(xì)描述，以使本發(fā)明主次分明、重點(diǎn)突出。此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于納米顆粒材料的快速成型裝置的壓電式噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 填料倉(cāng)(7)，用于裝載納米顆粒材料與有機(jī)溶劑的混合溶液； 噴頭(8)和噴嘴(10)，該噴頭(8)用于接收來(lái)自所述填料倉(cāng)(7)的混合溶液； 其特征在于，所述噴頭(8)上至少與所述噴嘴(10)相對(duì)的壁的至少一部分(9)是由壓電陶瓷材料制成的；該系統(tǒng)還包括壓電控制模塊(4)，用于向由壓電陶瓷材料制成的所述至少一部分(9)施加電壓，并調(diào)節(jié)該電壓的大小和頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所施加的電壓在一個(gè)電壓周期內(nèi)方向發(fā)生交替。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所施加的電壓在一個(gè)電壓周期內(nèi)的一部分中為零。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，由壓電陶瓷材料制成的所述至少一部分(9)是壓電陶瓷片或壓電陶瓷薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述填料倉(cāng)(7)位于所述噴頭(8)的上方，使得該填料倉(cāng)(7)中的所述混合溶液能夠在自身重力的作用下進(jìn)入到所述噴頭(8)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)還包括信號(hào)處理模塊(2)，該信號(hào)處理模塊(2)用于接收來(lái)自計(jì)算機(jī)(I)的數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)生成用于所述壓電控制模塊(4)的指令； 所述壓電控制模塊(4)接收該指令，根據(jù)指令控制施加到所述至少一部分(9)的電壓的大小和頻率。
7.一種用于納米顆粒材料的快速成型裝置，其特征在于，該裝置包括權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述的壓電式噴射系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于納米顆粒材料的快速成型裝置的壓電式噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括填料倉(cāng)(7)，用于裝載納米顆粒材料與有機(jī)溶劑的混合溶液；噴頭(8)和噴嘴(10)，該噴頭(8)用于接收來(lái)自所述填料倉(cāng)(7)的混合溶液；其特征在于，所述噴頭(8)上至少與所述噴嘴(10)相對(duì)的壁的至少一部分(9)是由壓電陶瓷材料制成的；該系統(tǒng)還包括壓電控制模塊(4)，用于向由壓電陶瓷材料制成的所述至少一部分(9)施加電壓，并調(diào)節(jié)該電壓的大小和頻率。通過(guò)控制施加電壓的大小和頻率，就可以控制從噴嘴噴出的混合溶液的液滴的大小和單位時(shí)間內(nèi)噴出的液滴的數(shù)目，這樣可以顯著地提高成型精度。
文檔編號(hào)B22F3/105GK102744405SQ20111009895
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者張冬冬, 裘曉輝 申請(qǐng)人:國(guó)家納米科學(xué)中心