專利名稱：一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快速成型的方法及裝置的制作方法
一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快速成型的方法及裝置技術領域
本發明屬于三維快速成型技術領域，特別涉及一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快 速成型的方法及裝置。
背景技術：
快速成型(RapidPrototyping,簡稱RP)是20世紀80年代發展起來的一種新型的 制造技術，它的核心思想是將三維實體分解為二維，逐層加工、堆積，最終形成原型。它突破 了傳統的加工模式，不需要預制型芯或機械加工設備，就可快速地制造出形狀復雜的制件， 為機械制造技術的發展注入了新的活力。與傳統的材料“變形成形”和“去除成形”等機械加 工方法不同，RP是一種集計算機輔助設計、精密機械、數控、激光和材料科學為一體的新型 技術，可以自動、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的原型或直接制造零件/模具，有 效縮短了產品的研究開發周期，提高了產品設計、制造的一次成品率，降低產品開發成本， 從而給制造業帶來了根本性的變化。
液滴噴射制造技術是一種新型的快速成型技術，是噴墨打印思想在制造業上的實 現。主要原理是對原材料的熔融微滴進行控制，讓其在基板上精確沉積、冷卻，這樣逐點沉 積形成層面，再逐層堆積形成所需制件。如何精確控制微滴的均勻程度和尺寸大小以及凝 固位置是液滴噴射制造技術的關鍵所在。霧化噴射成型技術是一種傳統的液滴噴射快速成 型方法，目前是微滴噴射成型的主流方法，但其核心原理是霧化法，由于其本身產生液滴不 均勻并且熱履歷不一致，無法對其進行精確控制，進而導致最終的成型零件致密度差，孔隙 率高。申請號為200710059894.1的“均勻液滴噴射三維快速成型方法與裝置”的發明，公開 了一種用于三維快速成型的裝置，但該發明利用均勻液滴噴射法(UDS)，金屬束流容易受周 圍環境對流影響，發生不穩定斷裂，且不能實現按需噴射，液滴帶電后后產生排斥作用，影 響成型制件的質量。已知的發明中尚沒有應用脈沖小孔噴射三維快速成型的方法和裝置。發明內容
本發明的目的是提供一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快速成型的方法和裝置，在 控制坩堝與真空腔室存在一定壓差條件下，利用加熱器加熱坩堝至其內部金屬成熔融狀 態，利用壓電陶瓷驅動器對壓電陶瓷施加一定的脈沖信號，使其帶動傳動棒產生一縱向微 小位移，此位移作用于坩堝底部的金屬熔體，使微小液滴從坩堝底部小孔射出，壓電陶瓷每 運動一次小孔處可形成一個液滴；液滴降落到運動的三維運動平臺上按照制件三維模型生 成的掃描軌跡進行沉積，從而沉積出所需金屬零件；本發明解決了現有液滴噴射快速成型 中由于液滴大小不均一、不可控引起的制件孔隙率高、致密度差精度低的不足。
本發明的技術方案是提供一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快速成型的裝置，該裝 置包括真空腔室7、液滴噴射部、壓電陶瓷驅動系統、壓差控制系統、溫度控制系統以及三維 運動系統；真空腔室7上部固定有液滴噴射部組件，下部安裝三維轉動平臺12，兩者中間為 液滴觀察部，三者通過支架相連；液滴噴射部組件主要有傳動棒2、坩堝3、加熱器4以及陶瓷片9組成，陶瓷片9固定于坩堝3底部；壓電陶瓷驅動系統主要有壓電陶瓷I和壓電陶瓷 驅動器13 ;壓電陶瓷I固定于真空腔室7外部，與傳動棒2連接，傳動棒2的底部位于陶瓷 片9上方，傳動棒2的上部固定在壓電陶瓷I上，壓電陶瓷I與壓電陶瓷驅動器13連接；壓 差控制系統包括電磁閥26、壓差控制器23以及壓差傳感器24 ;溫度控制系統由熱電偶5、 溫度控制器14以及加熱器4組成；真空腔室7的側壁安裝CXD攝像機17，CXD攝像機17與 圖像采集卡16相連，圖像采集卡16連接計算機15，用于采集液滴圖像，根據液滴圖像實時 調整加工參數；三維轉動平臺12由沉積平臺11、絲杠和伺服電機組成，PMAC控制器18 — 端與伺服電機相連，另一端連接計算機15。
所述裝置壓差傳感器24與壓差控制器23相連，并固定于真空腔室7外側，其中壓 差傳感器24兩端分別與坩堝3以及真空腔室6相連，用來感知二者壓力差；壓差控制器另 一端與電磁閥25相連，通過壓差傳感器24感應坩堝3與真空腔室7的壓力差，將信號傳回 差壓控制器24，使得壓差控制器23按照壓差設定值控制電磁閥25的開閉，維持坩堝3內外 穩定的壓力差；坩堝進氣管19與真空腔室進氣管29通過導氣管26相連，導氣管26安裝有 平衡閥27，進氣總管24與電磁閥25相連并安裝有總閥22、流量計21、減壓閥20并與氬氣 瓶31連接。
所述裝置陶瓷片9上開有圓形小孔8，其孔徑范圍在O. 020-1. 500mm之間；壓電陶 瓷I的振動頻率在lHz-2kHz之間。
所述裝置坩堝3內置有與溫度控制器14相連的熱電偶5，坩堝3的加熱器4與溫 度控制器14相連，溫度控制器14另一端連接計算機15，實時控制記錄坩堝3內金屬熔體6 的溫度。
一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快速成型的方法，其技術方案是利用AutoCAD軟 件繪制所需零件的三維實體模型，并轉化為具有掃描路徑的控制文件，將該控制文件輸入 到PMAC控制器18中，驅動三維轉動平臺12按照上述路徑運動；利用加熱器4加熱坩堝3 至其內部金屬成熔融狀態；利用壓差控制系統使坩堝3與真空腔室7達到穩定的差壓；對 壓電陶瓷I施加一定的脈沖信號，使其帶動傳動棒2產生一縱向微小位移，此位移作用于坩 堝3底部的金屬熔體6，使微小熔體從坩堝3底部小孔8噴出形成液滴，壓電陶瓷I每運動 一次小孔8處可形成一個液滴，液滴降落到運動的三維轉動平臺12上，沉積出金屬零件，其 步驟如下
(I)根據所加工零件的尺寸參數，利用AutoCAD繪制零件的三維CAD實體模型，并 進行三角化處理，使表面光滑的CAD實體模型轉化為STL文件格式；利用切片軟件，按照一 定厚度對三維實體進行加工高度方向的切片，生成具有一定掃描路徑的控制文件，將該控 制文件導入PMAC控制器18中。
(2)將帶孔陶瓷片9固定于坩堝3底部，在坩堝3中加入成型零件需要的金屬材 料，并S封。
(3)利用機械泵32和擴散泵33對坩堝3和真空腔室7抽真空，并充入惰性保護氣 體Ar，反復進行，最后使真空腔室7內壓力達到一個大氣壓。
(4)通過坩堝進氣管19向坩堝3中通入惰性氣體，利用壓差控制系統使坩堝3與 真空腔室7之間達到穩定差壓0-50kPa。
(5)利用信號發生器13編輯脈沖信號并施加給壓電陶瓷1，壓電陶瓷I在脈沖信號的驅動下產生微小位移,并帶動傳動棒2運動，此微小位移由傳動棒2作用在坩堝底3部 的熔體金屬6，從而使得微小液滴從小孔8中射出。
(6)待金屬液滴噴射穩定后，在PMAC控制器12的驅動下，三維轉動平臺12按設定 的軌跡運動，下落的金屬液滴按上述軌跡在沉積基板11上沉積，從而沉積出所需的金屬零 件。
本發明的效果和益處是所提供的一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快速成型的方 法和裝置，將脈沖小孔噴射技術與零件成型工藝相結合，通過脈沖小孔噴射產生大小均一 可控的金屬液滴，并且可以利用圖像檢測系統可進行工藝參數的調節，減小產生的金屬液 滴與設定液滴尺寸的誤差；將制件實體模型的掃描路徑文件輸入到PMAC控制器，控制三維 運動平臺按上述路徑運動，金屬液滴按照上述路徑在沉積基板上沉積形成制件。此種快速 成型方法中液滴快速凝固可細化晶粒尺寸，使成型制件的微觀組織細小、均勻，制件性能較 高；該成型方法工藝可控性強，成型零件精度高，成本低，易成型復雜零件。


附圖是一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快速成型裝置示意圖。
圖中1壓電陶瓷，2傳動棒，3坩堝，4加熱器，5熱電偶，6金屬熔體，7真空腔室， 8小孔，9陶瓷片，10金屬液滴，11沉積基板，12三維轉動平臺，13信號發生器，14溫度控 制機器，15計算機，16圖像采集卡，17 CXD攝像機，18 PMAC控制器，19坩堝進氣管，20減壓 閥，21流量計，22進氣總閥，23壓差控制器，24壓差傳感器，25進氣總管，26電磁閥，27導氣 管，28平衡閥，29腔體進氣管，30腔體進氣閥，31氬氣瓶，32腔體進氣閥，32機械泵，33擴 散泵。
具體實施方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式
。
本發明是利用AutoCAD軟件繪制所需零件的三維實體模型，并轉化為具有掃描路 徑的控制文件，將該控制文件輸入到PMAC控制器18中，驅動三維平臺12按照上述路徑運 動；利用加熱器4加熱坩堝3至其內部金屬成熔融狀態；利用壓差控制系統使坩堝3與真空 腔室7達到穩定的差壓；對壓電陶瓷I施加一定的脈沖信號，使其帶動傳動棒2產生一縱向 微小位移，此位移作用于坩堝3底部的金屬熔體6，使微小熔體從坩堝3底部小孔8噴出形 成液滴，壓電陶瓷I每運動一次小孔8處可形成一個液滴，液滴降落到運動的三維轉動平臺 12上，沉積出金屬零件。實施例
利用脈沖小孔液滴噴射三維快速成型裝置
具體實施例方式
(I)根據所加工零件的尺寸參數，利用AutoCAD繪制零件的三維CAD實體模型，并 進行三角化處理，使表面光滑的CAD實體模型轉化為STL文件格式；利用切片軟件，按照一 定厚度對三維實體進行加工高度方向的切片，生成具有一定掃描路徑的控制文件，將該控 制文件導入PMAC控制器18中；將Sn63Pb37共晶合金破碎為塊體放入到坩堝3中，放入量 達到坩堝3的3/4。
(2)用機械泵32將噴射部坩堝3、真空腔室7抽到低真空5Pa以下，再利用擴散泵 33將噴射部坩堝3、真空腔室7抽到高真空O. OOlPa ;利用坩堝進氣管19和腔體進氣管29 向坩堝3和真空腔室7中通入惰性氣體Ar氣，并打開平衡閥28，使噴射部坩堝3、真空腔 室7內的壓力相等且為一個大氣壓，反復進行。
(3)利用溫度控制系統加熱坩堝3內的金屬材料至220 0C,保溫20分鐘，使金屬材 料處于完全融化狀態。
(4)利用壓差控制系統，通過坩堝進氣管19向坩堝3中通入惰性氣體氬氣，使得與 真空腔室7產生一定壓差；將壓電陶瓷驅動器13的驅動信號信號施加給壓電陶瓷1，在其 驅動下，壓電陶瓷I產生向下的微小位移，由傳動棒2傳遞給坩堝3底部的金屬熔體6，從 而使得微小金屬熔體6通過坩堝3底部陶瓷片9上的小孔8噴出。
(5)根據CXD攝像機17所拍攝的液滴圖像調節振動頻率，從而產生設定尺寸的均 勻液滴。
(6)待液滴噴射穩定后，在PMAC控制器18的控制下，三維轉動平臺12按設定的軌 跡運動，下落的金屬液滴按上述軌跡在沉積基板11上沉積，從而沉積出所需的金屬零件。
權利要求
1.一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快速成型的裝置，其特征在于(a)該裝置包括真空腔室(7)、液滴噴射部、壓電陶瓷驅動系統、壓差控制系統、溫度控制系統以及三維運動系統；真空腔室(7)上部固定有液滴噴射部組件，下部安裝三維轉動平臺(12)，兩者中間為液滴觀察部，三者通過支架相連；液滴噴射部組件主要有傳動棒 (2)、 甘堝(3)、加熱器(4)以及陶瓷片(9)組成，陶瓷片(9)固定于坩堝(3)底部；壓電陶瓷驅動系統主要有壓電陶瓷(I)和壓電陶瓷驅動器(13);壓電陶瓷(I)固定于真空腔室(7)外部，與傳動棒(2)連接，傳動棒(2)的底部位于陶瓷片(9)上方，傳動棒(2)的上部固定在壓電陶瓷(I)上，壓電陶瓷(I)與壓電陶瓷驅動器(13)連接；壓差控制系統包括電磁閥(26)、壓差控制器(23)以及壓差傳感器(24);溫度控制系統由熱電偶(5)、溫度控制器(14)以及加熱器⑷組成；真空腔室(7)的側壁安裝CCD攝像機(17)，CCD攝像機(17) 與圖像采集卡(16)相連，圖像采集卡(16)連接計算機(15)，用于采集液滴圖像，根據液滴圖像實時調整加工參數；三維轉動平臺(12)由沉積平臺(11)、絲杠和伺服電機組成，PMAC 控制器(18) —端與伺服電機相連，另一端連接計算機(15)；(b)所述裝置壓差傳感器(24)與壓差控制器(23)相連，并固定于真空腔室(7)外側， 其中壓差傳感器(24)兩端分別與坩堝(3)以及真空腔室(6)相連，用來感知二者壓力差； 壓差控制器另一端與電磁閥(25)相連，通過壓差傳感器(24)感應坩堝(3)與真空腔室(7) 的壓力差，將信號傳回壓差控制器(24)，使得壓差控制器(23)按照壓差設定值控制電磁閥(25)的開閉，維持坩堝(3)內外穩定的壓力差；坩堝進氣管(19)與真空腔室進氣管(29)通過導氣管(26)相連，導氣管(26)安裝有平衡閥(27)，進氣總管(24)與電磁閥(25)相連并安裝有總閥(22)、流量計(21)、減壓閥(20)并與氬氣瓶(31)連接；(c)所述裝置陶瓷片(9)上開有圓形小孔(8)，其孔徑范圍在O.020-1. 500mm之間；壓電陶瓷(I)的振動頻率在lHz-2kHz之間；(d)所述裝置坩堝3內置有與溫度控制器(14)相連的熱電偶(5)，坩堝(3)的加熱器(4)與溫度控制器(14)相連，溫度控制器(14)另一端連接計算機(15)，實時控制記錄坩堝 ⑶內金屬熔體(6)的溫度。
2.一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快速成型的方法，其特征在于利用AutoCAD軟件繪制所需零件的三維實體模型，并轉化為具有掃描路徑的控制文件，將該控制文件輸入到PMAC控制器(18)中，驅動三維轉動平臺(12)按照設定的軌跡運動；利用加熱器(4)加熱坩堝(3)至其內部金屬成熔融狀態；利用壓差控制系統使坩堝(3) 與真空腔室(7)達到穩定的差壓；對壓電陶瓷(I)施加一定的脈沖信號，使其帶動傳動棒(2)產生一縱向微小位移，此位移作用于坩堝(3)底部的金屬熔體(6)，使微小熔體從坩堝(3)底部小孔(8)噴出形成液滴，壓電陶瓷(I)每運動一次小孔(8)處可形成一個液滴，液滴降落到運動的三維轉動平臺(12)上，沉積出金屬零件，其步驟如下(1)根據所加工零件的尺寸參數，利用AutoCAD繪制零件的三維CAD實體模型，并進行三角化處理，使表面光滑的CAD實體模型轉化為STL文件格式；利用切片軟件，按照一定厚度對三維實體進行加工高度方向的切片，生成具有一定掃描路徑的控制文件，將該控制文件導入PMAC控制器(18)中；(2)將帶孔陶瓷片(9)固定于坩堝(3)底部，在坩堝(3)中加入成型零件需要的金屬材料，并密封；(3)利用機械泵(32)和擴散泵(33)對坩堝(3)和真空腔室(7)抽真空，并充入惰性保護氣體Ar，反復進行，最后使真空腔室(7)內壓力達到一個大氣壓；(4)通過坩堝進氣管(19)向坩堝(3)中通入惰性氣體，利用壓差控制系統使坩堝(3) 與真空腔室(7)之間達到穩定差壓0-50kPa ；(5)利用信號發生器(13)編輯脈沖信號并施加給壓電陶瓷(I)，壓電陶瓷(I)在脈沖信號的驅動下產生微小位移，并帶動傳動棒( 2)運動，此微小位移由傳動棒(2)作用在坩堝底(3)部的金屬熔體￠)，從而使得微小液滴從小孔(8)中射出；(6)待金屬液滴噴射穩定后，在PMAC控制器(12)的驅動下，三維轉動平臺(12)按設定的軌跡運動，下落的金屬液滴按上述軌跡在沉積基板(11)上沉積，從而沉積出所需的金屬零件。
全文摘要
一種基于脈沖小孔液滴噴射三維快速成型的方法及裝置，屬于三維快速成型技術領域。其特征是利用加熱器加熱坩堝至其內部金屬成熔融狀態，在坩堝內部和真空腔室之間設定正差壓值，同時利用壓電陶瓷驅動器對壓電陶瓷施加一定的脈沖信號，使其帶動傳動棒產生一縱向微小位移，此位移作用于坩堝底部的金屬熔體，使微小液滴從坩堝底部小孔射出，壓電陶瓷每運動一次小孔處可形成一個液滴，通過攝像系統實時分析液滴的尺寸數據，進而調整最優參數；液滴降落到運動的三維運動平臺進行沉積，從而沉積出所需金屬零件。本發明的效果和益處是脈沖小孔噴射產生大小均一可控的金屬液滴，成型制件的微觀組織細小、均勻，成型工藝可控性強，成型零件精度高。
文檔編號B22F3/115GK103056367SQ20121059313
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月29日 優先權日2012年12月29日
發明者董偉, 譚毅, 魯棟 申請人:大連理工大學