[發(fā)明專利]一種非接觸式超聲相控陣懸浮3D打印裝置及打印方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010468479.7
• 申請(qǐng)日: 2020-05-28
• 公開（公告）號(hào): CN111531892A
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳立群;劉寬;楊夢(mèng)露;陳增
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): B29C64/393
• 分類號(hào): B29C64/393;B29C64/20;B29C64/153;B33Y50/02;B33Y30/00;B33Y10/00
• 代理公司: 浙江千克知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

1.一種非接觸式超聲相控陣懸浮3D打印裝置，其特征在于，包括計(jì)算機(jī)、PWM控制模塊、激光發(fā)生器、直流穩(wěn)壓可調(diào)電源單元、粉末發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)單元模塊、超聲陣列發(fā)射器以及反射器，

計(jì)算機(jī)與PWM控制模塊中的單片機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)單元模塊通過(guò)數(shù)據(jù)線與PWM控制模塊相連接，驅(qū)動(dòng)單元模塊分別與激光發(fā)生器驅(qū)動(dòng)端、粉末發(fā)生器驅(qū)動(dòng)端和超聲陣列發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)端通信，直流穩(wěn)壓可調(diào)電源單元為驅(qū)動(dòng)單元模塊提供能量；

超聲陣列發(fā)射器與反射器相對(duì)設(shè)置，超聲陣列發(fā)射器與反射器之間形成3D打印空間，反射器的表面設(shè)有粉末噴射口，粉末噴射口與粉末發(fā)生器連通，粉末由粉末噴射口噴出至3D打印空間；激光發(fā)生器設(shè)于反射器的一側(cè)，對(duì)3D打印空間內(nèi)的粉末進(jìn)行激光。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式超聲相控陣懸浮3D打印裝置，其特征在于，超聲陣列發(fā)射器包括振動(dòng)單元和固定單元，振動(dòng)單元為超聲換能器組成的方形陣列，固定單元為樹脂殼體，振動(dòng)單元設(shè)于固定單元的表面；反射器包括反射板，反射板的表面設(shè)有粉末噴射口；反射板與超聲陣列發(fā)射器通過(guò)支撐架固定。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非接觸式超聲相控陣懸浮3D打印裝置，其特征在于，粉末發(fā)生器包括粉末儲(chǔ)存器、帶有壓電陶瓷結(jié)構(gòu)的噴射裝置、噴射管和噴嘴，噴嘴設(shè)于所述粉末噴射口內(nèi)，噴嘴通過(guò)噴射管與粉末儲(chǔ)存器連通。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非接觸式超聲相控陣懸浮3D打印裝置，其特征在于，所述超聲陣列發(fā)射器為14*14超聲陣列發(fā)射器，包括14*14個(gè)超聲換能器組成的方形陣列；該方形陣列分為兩組，每組陣列產(chǎn)生不同的粉末懸浮點(diǎn)；每組陣列的邊角位置均設(shè)有位置傳感器，位置傳感器與計(jì)算機(jī)電性連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非接觸式超聲相控陣懸浮3D打印裝置，其特征在于，所述PWM控制單元采用Arduino MEGA單片機(jī)。

6.一種非接觸式超聲相控陣懸浮3D打印方法，采用權(quán)利要求5所述的非接觸式超聲相控陣懸浮3D打印裝置，其特征在于，包括以下步驟：

S1，計(jì)算機(jī)將零件實(shí)際輪廓轉(zhuǎn)化為零件的點(diǎn)坐標(biāo)，

S2，計(jì)算機(jī)根據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)信息發(fā)送指令，PWM控制模塊根據(jù)指令生成不同頻率和占空比的方波，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元模塊控制超聲陣列發(fā)射器產(chǎn)生相應(yīng)地超聲相控陣駐波聲場(chǎng)，

S3，粉末發(fā)生器噴射粉末，粉末由粉末噴射口噴出，駐波聲場(chǎng)捕獲粉末并移動(dòng)至預(yù)定懸浮位置，

S4，關(guān)閉駐波聲場(chǎng)，懸浮粉末堆積成預(yù)定3D打印形狀，

S5，激光發(fā)生器發(fā)射激光，使堆積的粉末與基材表面薄層一起熔凝，粉末堆疊，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)零件的3D打印。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非接觸式超聲相控陣懸浮3D打印方法，其特征在于，步驟S1具體為：計(jì)算機(jī)根據(jù)零件實(shí)際輪廓生成三維CAD模型，將該模型按一定的厚度分層切片，將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成二維輪廓信息，然后對(duì)二維輪廓信息點(diǎn)化，生成點(diǎn)坐標(biāo)。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非接觸式超聲相控陣懸浮3D打印方法，其特征在于，步驟S2中，計(jì)算機(jī)根據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出陣列中的每個(gè)陣元到焦點(diǎn)的距離，根據(jù)聲程差自動(dòng)算出對(duì)應(yīng)的相移值，轉(zhuǎn)換為激發(fā)PWM波時(shí)間差，PWM控制模塊根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的波時(shí)間差生成相應(yīng)不同頻率和占空比的方波；驅(qū)動(dòng)單元模塊使超聲陣列產(chǎn)生振動(dòng)，產(chǎn)生超聲相控陣駐波聲場(chǎng)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的非接觸式超聲相控陣懸浮3D打印方法，其特征在于，步驟S3具體為，方形脈沖施加到粉末發(fā)生器的壓電元件上，粉末發(fā)生器噴射粉末，在駐波的底部壓力節(jié)點(diǎn)處注入并使超聲相控陣駐波聲場(chǎng)捕獲粉末，實(shí)現(xiàn)粉末懸浮；計(jì)算機(jī)根據(jù)零件點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)出的指令來(lái)增加或者減少PWM波占空比，使聲波節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超聲相控陣任意點(diǎn)移動(dòng)粉末。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的非接觸式超聲相控陣懸浮3D打印方法，其特征在于，步驟S2和S3工作的同時(shí)，計(jì)算機(jī)還根據(jù)位置傳感器的反饋信息對(duì)粉末懸浮位置進(jìn)行修正。