[發明專利]多向超聲微滴噴射光固化增材制造裝置及方法

有效

• 申請號: 201610703005.X
• 申請日: 2016-08-22
• 公開（公告）號: CN106113509B
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 吳文征;李桂偉;蔣吉利;郭曉鈺;武子超;劉彥宇;趙繼
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B29C64/135
• 分類號: B29C64/135;B29C64/20;B29C64/264;B29C64/393;B33Y30/00;B33Y10/00;B33Y50/02
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本發明涉及增材制造領域，尤其涉及一種多向超聲微滴噴射光固化增材制造裝置及方法。

背景技術

光固化增材制造技術作為增材制造技術的一種，在航空航天、模具鑄造、工業制造、設計、生物醫學和汽車等領域被廣泛應用，并取得了令人矚目的效果，具有很好的發展前景。現有的光固化增材制造制造技術主要有立體光固化式(SLA)、多頭噴射式(PolyJet)、數字光處理式(DLP)和連續液面生產式(CLIP)等。

立體光固化增材制造技術，其工作原理是激光光束通過數控裝置控制的掃描器，按設計的掃描路徑照射到液態光敏樹脂表面，使表面特定區域內的一層樹脂固化，當一層加工完畢后，升降臺下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態樹脂，再進行下一層掃描固化，如此往復，層層疊加成三維樣件。但其成形速度慢，成形樣件其力學特性在各個方向上不同，特別是在堆疊的方向上，抗剪切性能很差，成形復雜結構樣件需要添加支撐結構，成形后需要復雜的后處理工藝。

多頭噴射式光固化增材制造技術，其工作原理是噴射打印頭沿X軸方向來回運動，以超薄層的狀態將材料噴射到基板上，材料被噴射后立即用紫外線光進行凝固，然后工作臺下降一個層厚的距離，在進行下一層的噴射固化，如此逐層累加，實現三維成形。其噴射的超薄層實為多噴頭噴射的微滴聚集而成，噴射微滴的尺寸受噴嘴直徑限制，且容易堵塞噴頭，成形樣件各方向上的力學性能不可控，成形復雜結構樣件必須添加復雜的支撐結構。

數字光處理式光固化增材制造技術，其原理基本與SLA原理相同，只是紫外光每次掃描固化一個面，加快了成形速度，但其仍不可避免立體光固化技術存在的其他缺點。

連續液面生產式光固化增材制造技術，其工作原理是利用紫外光線和氧氣的作用來固化光敏樹脂，其主要依賴于一種特殊的既透明又透氣的窗口，光線作為固化樹脂的方式，而用氧作為抑制劑，在Z軸運動平臺的帶動下，連續快速的生成三維實體樣件。但其成形過程中需要樣件與基板之間具有較大的吸附力，成形過程中常因樣件脫離基板而成形失敗，成形復雜結構樣件需要添加支撐結構，成形后需要復雜的后處理工藝。

綜上所述，現有的光固化增材制造技術，存在成形速度較慢，只能在一個維度上連續固化累加成形，成形復雜結構樣件需要添加支撐，成形過程中失敗率高，成形樣件各方向上力學性能不可控的問題。本發明正是針對現有光固化增材制造技術的研究現狀，將聚焦超聲技術與光固化技術相結合，研制了成形速度快，可在三個維度上同時進行累加成形，成形過程中避免使用支撐結構，成形樣件各方向上力學性能可控的光固化增材制造裝置。

發明內容

本發明提供一種多向超聲微滴噴射光固化增材制造裝置及方法，以解決現有光固化增材制造技術成形速度較慢，只能在一個維度上連續固化累加成形，成形復雜結構樣件需要添加支撐，成形過程中失敗率高，成形樣件各方向上力學性能不可控的問題。

本發明采取的技術方案是：包括機架、兩軸運動組件一、兩軸運動組件二、兩軸運動組件三、供料系統支架、供料系統、兩軸運動組件四、兩軸運動組件五和基板，其中兩軸運動組件一、兩軸運動組件二、兩軸運動組件四、兩軸運動組件五和兩軸運動組件三分別固定在機架的四個側面和頂面上，供料系統支架固定在機架的上面、架起的高度高于兩軸運動組件三的最高位置，供料系統固定在供料系統支架上，基板固定在機架上。

所述兩軸運動組件一、兩軸運動組件二、兩軸運動組件三、兩軸運動組件四和兩軸運動組件五的結構相同，其中兩軸運動組件一的結構，包括X軸絲母、紫外光源、聚焦超聲換能器一、Z軸光杠組件一、Z軸光杠組件二、平臺組件、X軸光杠組件一、Z軸絲杠組件、Z軸絲母組件、X軸絲杠組件、X軸光杠組件二、伺服電機組件一、伺服電機組件二，其中X軸光杠組件一、X軸光杠組件二和伺服電機組件二固定在機架上，平臺組件和X軸光杠組件一、X軸光杠組件二滑動連接，X軸絲母、Z軸光杠組件一、Z軸光杠組件二、Z軸絲杠組件和伺服電機組件一均固定在平臺組件上，Z軸絲母組件隨著Z軸絲杠組件中絲杠的轉動沿Z軸移動，紫外光源和聚焦超聲換能器一固定在Z軸絲母組件上，X軸絲母隨著X軸絲杠組件中絲杠的轉動沿X軸移動，伺服電機組件一與Z軸絲杠組件中絲杠連接，伺服電機組件二與X軸絲杠組件中絲杠連接；

所述的聚焦超聲換能器一的結構是，包括底板、外圈、鎳電極一、壓電陶瓷PZT、鎳電極二、內圈、聚對二甲苯層、空氣環，其中底板固定在外圈的底面，鎳電極一和鎳電極二鍍在壓電陶瓷PZT的兩側，內圈固定在外圈的頂面，鎳電極一、壓電陶瓷PZT和鎳電極二固定在內圈上，空氣環在聚對二甲苯涂層與鎳電極一之間。