專利名稱：一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種利用靜電紡絲技術(shù)制造微小零件的裝置，屬于 快速成型技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping,簡稱為RP技術(shù))是利用材料逐層迭 加累積成型的原理來制造產(chǎn)品的?？焖俪尚图夹g(shù)將計算機輔助設(shè)計 (CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機數(shù)字控制(CNC)、精密伺服驅(qū)動 和新材料等先進技術(shù)集成于一體，被認為是最近20年來制造領(lǐng)域的一次 重大突破，是目前先進制造領(lǐng)域研究的熱點之一。
目前，快速成型技術(shù)有很多種，如光固法(SLA)、層疊法(LOM)、激 光選域燒結(jié)法(SLS)、熔融沉積法(FDM)、掩模固化法(SGC)、三維印刷法 (TDP)和噴粒法(BPM)等。其中熔融沉積法(FDM)，由于其具有設(shè)備小巧、 價格低廉、應(yīng)用材料范圍廣泛、可直接制成工業(yè)產(chǎn)品等優(yōu)點，在企業(yè)中 有著最廣泛的應(yīng)用。然而，工業(yè)上應(yīng)用的熔融沉積法快速成型機， 一般 精度不高，而且，其噴嘴直徑一般在0.2~0.6mm，熔體經(jīng)過噴嘴后由于擠 出脹大效應(yīng)直徑一般大于lmm，因而熔融沉積法快速成型機對于微小零 件的生產(chǎn)顯得無能為力。
靜電紡絲技術(shù)是一種制備超細纖維和納米纖維的重要方法，典型的 靜電紡絲纖維直徑為40 2000nm。把靜電紡絲技術(shù)和快速成型技術(shù)結(jié)合 起來的研究，目前還沒有見到有公開的報道。
實用新型內(nèi)容
本實用新型提出的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，把靜電 紡絲技術(shù)應(yīng)用到快速成型中，利用靜電紡絲技術(shù)可以紡出超細纖維的特 點，解決了熔融沉積法快速成型機在生產(chǎn)微小零件方面的不足，制品精 度提高，并且制品與紡絲介質(zhì)流出口可以保持一定的距離，因而制品平 臺只在兩維方向有高精度要求，使得設(shè)備加工成本降低。
本實用新型一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，包括尖端電極、 尖端電極托臺、靜電發(fā)生器、制品平臺、制品平臺運動系統(tǒng)、毛細管、 噴嘴、支架及紡絲介質(zhì)控制裝置，尖端電極與靜電發(fā)生器的正極連接， 尖端電極安裝在尖端電極托臺上，尖端電極托臺安裝在支架的下端，尖端電極托臺在支架上可以上下移動，用于調(diào)節(jié)尖端電極的尖部與毛細管
末端的距離；制品平臺運動系統(tǒng)帶動制品平臺可以在支架上上下移動， 調(diào)節(jié)制品平臺與毛細管的距離，制品平臺運動系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)連接， 將根據(jù)預加工制品的形狀編制的制品平臺運動程序輸入到計算機中，由 計算機程序來控制制品平臺的運動軌跡，毛細管與大地連接，毛細管在 尖端電極的正上方，毛細管與噴嘴相連，噴嘴安裝在紡絲介質(zhì)控制裝置 的下端，紡絲介質(zhì)控制裝置固定在支架的上端的中間部位。從毛細管末 端噴出的帶電紡絲介質(zhì)噴射流沿著直線路徑飛向尖端電極，由于制品平 臺的阻隔，噴射流就會堆積在制品平臺上。制品平臺是一個絕緣的薄壁 平板，其在制品平臺運動系統(tǒng)的帶動下可實現(xiàn)在XYZ三個方向自由移動， 沿XY方向運動精度要求高，沿Z方向的運動精度不要求很高，制品沿Z方 向的尺寸根據(jù)堆積的層數(shù)確定，在制品加工過程中，制品平臺沿Z方向靜 止，因而該裝置比常規(guī)熔融沉積法快速成型機造價低，由于在靜電場下 產(chǎn)生的紡絲介質(zhì)的噴射流可以達到微米級或納米級，所以由此方法可制 備出極微小的精密零件。另外，紡絲介質(zhì)的噴射流動在電場力的作用下， 通過增加電壓，紡絲介質(zhì)的流速或流量可以增加，所以對于普通尺寸的 快速成型制品，采用該裝置可以提高加工速度。紡絲介質(zhì)控制裝置可以 是螺桿式結(jié)構(gòu)，主要包括料筒、料斗、轉(zhuǎn)動控制裝置、螺桿、加熱器和 溫度傳感器，紡絲介質(zhì)從料斗加入到料筒中，轉(zhuǎn)動控制裝置帶動螺桿轉(zhuǎn) 動將紡絲介質(zhì)均勻地擠入到噴嘴，經(jīng)毛細管流出，毛細管和噴嘴采用錐 面配合，噴嘴與料筒采用螺釘連接。在料筒外側(cè)包覆加熱器，溫度傳感 器安裝在料筒上。
紡絲介質(zhì)控制裝置也可以是柱塞式結(jié)構(gòu)，主要包括料筒、柱塞、微 位移驅(qū)動器、加熱器和溫度傳感器，將定量的紡絲介質(zhì)加入到料筒中， 柱塞放置于料筒中作用在紡絲介質(zhì)上，微位移驅(qū)動器帶動柱塞使其在料 筒內(nèi)移動，柱塞通過微位移驅(qū)動器的控制使紡絲介質(zhì)經(jīng)由噴嘴和毛細管 流出，在料筒外側(cè)包覆加熱器，在料筒上安裝溫度傳感器。
本實用新型提出的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，紡絲介 質(zhì)可以為顆粒狀或粉末狀的聚合物，也可以是聚合物溶液。當紡絲介質(zhì) 為聚合物溶液時，加熱器不工作。當紡絲介質(zhì)為顆粒狀或粉末狀的聚合 物時，加熱器工作，為了延緩熔體噴射流的固化可以在制品平臺上安裝 紅外加熱燈。
本實用新型提出的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，對于微小零件的生產(chǎn)，具有顯著的效果。根據(jù)生產(chǎn)需要，調(diào)節(jié)各種工藝參數(shù)， 可以生產(chǎn)出微米級的精密零件，對于常規(guī)尺寸的快速成型制品，成型速 度快，由于通過調(diào)節(jié)靜電電壓和毛細管與尖端電極的距離可以調(diào)節(jié)紡絲 介質(zhì)的噴射流的直徑，所以加工控制靈活，適應(yīng)的范圍更寬。

圖l是本實用新型提出的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置的 示意圖
圖2是本實用新型提出的結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置的紡絲 介質(zhì)控制裝置為柱塞式結(jié)構(gòu)的示意圖
圖中l(wèi).尖端電極托臺，2.尖端電極，3.靜電發(fā)生器，4.制品平臺運 動系統(tǒng)，5.制品平臺，6.制品，7.毛細管，8.噴嘴，9.支架，IO.紡絲介質(zhì) 控制裝置，10-1.加熱器，10-2.料筒，10-3.料斗，10-4.轉(zhuǎn)動控制裝置，10-5. 螺桿，10-6.溫度傳感器，10-7.柱塞，10-8.微位移驅(qū)動器。
具體實施方式

本實用新型一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，見圖1和圖2， 該裝置包括尖端電極2、尖端電極托臺l、靜電發(fā)生器3、制品平臺5、制 品平臺運動系統(tǒng)4、毛細管7、噴嘴8、支架9及紡絲介質(zhì)控制裝置10，尖 端電極2與靜電發(fā)生器3的正極連接，尖端電極2安裝在尖端電極托臺1上， 尖端電極托臺1安裝在支架9的下端，尖端電極托臺1在支架9上可以上下 移動，用于調(diào)節(jié)尖端電極2的尖部與毛細管7末端的距離；制品平臺運動 系統(tǒng)4帶動制品平臺5可以在支架9上上下移動，調(diào)節(jié)毛細管7與制品平臺5 的垂直距離，制品平臺運動系統(tǒng)4與計算機系統(tǒng)連接，將根據(jù)預加工制品 的形狀編制的制品平臺5運動程序輸入到計算機中，由計算機程序來控制 制品平臺5的運動軌跡，毛細管7與大地連接，毛細管7在尖端電極2的正 上方，毛細管7與噴嘴8相連，噴嘴8安裝在紡絲介質(zhì)控制裝置10的下端， 紡絲介質(zhì)控制裝置10固定在支架9的上端的中間部位。從毛細管7末端噴 出的帶電紡絲介質(zhì)噴射流沿著直線路徑飛向尖端電極2，由于制品平臺5 的阻隔，噴射流就會堆積在制品平臺5上。制品平臺5是一個絕緣的薄壁 平板，其在制品平臺運動系統(tǒng)4的帶動下可實現(xiàn)在XYZ三個方向自由移 動，由精密伺服驅(qū)動沿XY方向的高精度運動，制品平臺及尖端電極托臺 1沿Z方向可以采用常規(guī)的氣動、液動或機械傳動的運動，精度不要求很 高，制品6沿Z方向的尺寸根據(jù)堆積的層數(shù)確定，在制品6加工過程中，制品平臺5沿Z方向靜止，因而該裝置比常規(guī)熔融沉積法快速成型機減少一 個方向的高精度運動，裝置造價降低，由于在靜電場下產(chǎn)生的紡絲介質(zhì) 的噴射流可以達到微米級或納米級，所以由此方法可制備出極微小的精 密零件。另外，紡絲介質(zhì)的噴射流動在電場力的作用下，通過增加電壓， 紡絲介質(zhì)流量可以增加，所以對于普通尺寸的快速成型制品，采用該裝 置可以提高加工速度。紡絲介質(zhì)控制裝置10可以采用螺桿式結(jié)構(gòu)，主要 包括料筒10-2、料斗10-3、轉(zhuǎn)動控制裝置10-4、螺桿10-5、加熱器10-1和 溫度傳感器10-6，紡絲介質(zhì)從料斗10-3加入到料筒10-2中，轉(zhuǎn)動控制裝置 10-4帶動螺桿10-5轉(zhuǎn)動將紡絲介質(zhì)均勻地擠入到噴嘴8，再經(jīng)毛細管7流 出，毛細管7和噴嘴8采用錐面配合，噴嘴8與料筒10-2采用螺釘連接，在 料筒10-2外側(cè)包覆加熱器10-1，并安裝溫度傳感器10-6。圖2所示是柱塞 式結(jié)構(gòu)的紡絲介質(zhì)控制裝置IO，其結(jié)構(gòu)中包括料筒10-2、加熱器10-1、溫 度傳感器10-6、柱塞10-7和微位移驅(qū)動器10-8，將定量的紡絲介質(zhì)加入到 料筒10-2中，柱塞10-7放置于料筒10-2中作用在紡絲介質(zhì)上，柱塞10-7通 過微位移驅(qū)動器10-8的控制使紡絲介質(zhì)經(jīng)由噴嘴8和毛細管7均勻流出。
下面結(jié)合具體實施例對本實用新型作進一步的詳細闡述。圖l中毛細 管7內(nèi)徑為0.2mm，螺桿10-5直徑為14mm，毛細管7末端與尖端電極2的距 離為15cm，紡絲介質(zhì)為顆粒狀PP，料筒10-2設(shè)定溫度為250。C。
加工步驟首先把料筒10-2加熱到設(shè)定溫度，然后啟動與螺桿10-5 連接的轉(zhuǎn)動控制裝置10-4，等到毛細管7末端形成熔體滴時，打開靜電發(fā) 生器3的電源，并逐步調(diào)節(jié)尖端電極2的電壓一直到毛細管7末端產(chǎn)生熔體 噴射流，然后清除工作臺上的余料，打開制品平臺運動系統(tǒng)4及計算機程 序，制品平臺5按照要求的軌跡移動，最終生產(chǎn)出所需制品6。通過此方 法，可以紡出十幾納米的超細纖維，可以生產(chǎn)出微米級的微小零件。
權(quán)利要求1、一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，其特征在于該裝置包括尖端電極、尖端電極托臺、靜電發(fā)生器、制品平臺、制品平臺運動系統(tǒng)、毛細管、噴嘴、支架及紡絲介質(zhì)控制裝置，尖端電極與靜電發(fā)生器的正極連接，尖端電極安裝在尖端電極托臺上，尖端電極托臺安裝在支架的下端，尖端電極托臺在支架上可以上下移動；制品平臺運動系統(tǒng)帶動制品平臺可以在支架上上下移動，制品平臺運動系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)連接，由計算機程序來控制制品平臺的運動軌跡，毛細管與大地連接，毛細管在尖端電極的正上方，毛細管與噴嘴相連，噴嘴安裝在紡絲介質(zhì)控制裝置的下端，紡絲介質(zhì)控制裝置固定在支架的上端的中間部位；制品平臺是一個絕緣的薄壁平板，它在制品平臺運動系統(tǒng)的帶動下可實現(xiàn)在XYZ三個方向自由移動；紡絲介質(zhì)控制裝置可以是螺桿式結(jié)構(gòu)，主要包括料筒、料斗、轉(zhuǎn)動控制裝置、螺桿、加熱器和溫度傳感器，轉(zhuǎn)動控制裝置帶動螺桿轉(zhuǎn)動，毛細管和噴嘴采用錐面配合，噴嘴與料筒采用螺釘連接，在料筒外側(cè)包覆加熱器，溫度傳感器安裝在料筒上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于紡絲介質(zhì)控制裝置也可以是柱塞式結(jié)構(gòu)，主要包括料筒、柱塞、微位移驅(qū)動器、加熱器和溫 度傳感器，微位移驅(qū)動器帶動柱塞使柱塞在料筒內(nèi)移動。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于在制品平臺上可以安裝紅外加熱燈。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于紡絲介質(zhì)可以為顆粒 狀或粉末狀的聚合物，也可以是聚合物溶液。
專利摘要本實用新型提供了一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，包括尖端電極、尖端電極托臺、靜電發(fā)生器、制品平臺、制品平臺運動系統(tǒng)、毛細管、噴嘴、支架及紡絲介質(zhì)控制裝置，尖端電極與靜電發(fā)生器的正極連接，尖端電極托臺在支架上可以上下移動；制品平臺運動系統(tǒng)帶動制品平臺可以在支架上實現(xiàn)在XYZ三個方向自由移動，毛細管在尖端電極正上方，毛細管與噴嘴相連，噴嘴安裝在紡絲介質(zhì)控制裝置的下端，紡絲介質(zhì)控制裝置固定在支架的上端的中間部位。本實用新型把靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用到快速成型中，對于微小零件的生產(chǎn)，具有顯著的效果；對于常規(guī)尺寸的快速成型制品的生產(chǎn)，成型速度快，加工控制靈活，適應(yīng)的范圍更寬。
文檔編號D01D5/00GK201357575SQ20092010628
公開日2009年12月9日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者丁玉梅, 勇 劉, 瑛 安, 楊衛(wèi)民, 謝鵬程, 鄧榮堅, 華 閻 申請人:北京化工大學