專利名稱：一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用靜電紡絲技術(shù)制造微小零件的方法及裝置，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(jiǎn)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)集成于一體，被認(rèn)為是最近20 年來制造領(lǐng)域的一次重大突破，是目前先進(jìn)制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。目前，快速成型技術(shù)有很多種，如光固法(SLA)、層疊法(L0M)、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(jià)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(diǎn)，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(jī)，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1mm，因而熔融沉積法快速成型機(jī)對(duì)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(xì)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(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型方法及裝置，把靜電紡絲技術(shù)應(yīng) 用到快速成型方法中，利用靜電紡絲技術(shù)可以紡出超細(xì)纖維的特點(diǎn)，解決了熔融沉積法快 速成型機(jī)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(tái)只在兩維方向有高精度要求，使得設(shè)備加工成本降低。本發(fā)明一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型方法，將紡絲介質(zhì)加入到紡絲介質(zhì)控制 裝置中，調(diào)節(jié)紡絲介質(zhì)的流量并使其從毛細(xì)管末端均勻流出；將制品平臺(tái)的平面運(yùn)動(dòng)程序 輸入到計(jì)算機(jī)中，制品平臺(tái)上升至工作位置；尖端電極托臺(tái)上升，根據(jù)毛細(xì)管噴出的絲的 尺寸要求，調(diào)節(jié)尖端電極托臺(tái)高度和靜電發(fā)生器輸出電壓，當(dāng)上述調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，清理制品平 臺(tái)，然后啟動(dòng)靜電發(fā)生器、制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序，熔融的纖維在制品平臺(tái)上 堆積成所需的形狀，關(guān)閉靜電發(fā)生器，停止紡絲介質(zhì)控制裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置的工作，一個(gè) 制品的加工完成。
利用本發(fā)明一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型方法的成型裝置，包括尖端電極、 尖端電極托臺(tái)、靜電發(fā)生器、制品平臺(tái)、制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、毛細(xì)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(tái)上，尖端電極 托臺(tái)安裝在支架的下端，尖端電極托臺(tái)在支架上可以上下移動(dòng)，用于調(diào)節(jié)尖端電極的尖部 與毛細(xì)管末端的距離；制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)制品平臺(tái)可以在支架上上下移動(dòng)，調(diào)節(jié)制品平臺(tái)與毛細(xì)管的距離，制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，將根據(jù)預(yù)加工制品的形狀編 制的制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)程序輸入到計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)程序來控制制品平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，毛細(xì) 管與大地連接，毛細(xì)管在尖端電極的正上方，毛細(xì)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(xì)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(tái)的阻隔，噴射流就會(huì)堆積在制 品平臺(tái)上。制品平臺(tái)是一個(gè)絕緣的薄壁平板，其在制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)在XYZ 三個(gè)方向自由移動(dòng)，沿XY方向運(yùn)動(dòng)精度要求高，沿Z方向的運(yùn)動(dòng)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(tái)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(jī)造價(jià)低，由于在靜電場(chǎng)下產(chǎn)生的紡絲介質(zhì)的噴射流可以達(dá)到 微米級(jí)或納米級(jí)，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(dòng)在 電場(chǎng)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(duì)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(dòng)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(dòng)控制裝置帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)將紡絲介質(zhì)均勻地?cái)D入到噴嘴，經(jīng)毛細(xì)管流出，毛細(xì)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(dòng)器、力口 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(dòng)器帶動(dòng)柱塞使其在料筒內(nèi)移動(dòng)，柱塞通過微位移驅(qū)動(dòng)器的控制使紡絲介質(zhì) 經(jīng)由噴嘴和毛細(xì)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。本發(fā)明提出的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型方法及裝置，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(dāng)紡絲介質(zhì)為聚合物溶液時(shí)，加熱器不工 作。當(dāng)紡絲介質(zhì)為顆粒狀或粉末狀的聚合物時(shí)，加熱器工作，為了延緩熔體噴射流的固化可 以在制品平臺(tái)上安裝紅外加熱燈。本發(fā)明提出的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型方法及裝置，對(duì)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(jí)的精密零件，對(duì) 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(xì)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1是本發(fā)明提出的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置的示意2是本發(fā)明提出的結(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)的示意中1.尖端電極托臺(tái)，2.尖端電極，3.靜電發(fā)生器，4.制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，5.制 品平臺(tái)，6.制品，7.毛細(xì)管，8.噴嘴，9.支架，10.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(dòng)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(dòng)器。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型方法及裝置，裝置簡(jiǎn)圖見圖1和圖2，該 裝置包括尖端電極2、尖端電極托臺(tái)1、靜電發(fā)生器3、制品平臺(tái)5、制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)4、毛細(xì) 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(tái)1上，尖端電極托臺(tái)1安裝在支架9的下端，尖端電極托臺(tái)1在 支架9上可以上下移動(dòng)，用于調(diào)節(jié)尖端電極2的尖部與毛細(xì)管7末端的距離；制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng) 系統(tǒng)4帶動(dòng)制品平臺(tái)5可以在支架9上上下移動(dòng)，調(diào)節(jié)毛細(xì)管7與制品平臺(tái)5的垂直距離， 制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)4與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，將根據(jù)預(yù)加工制品的形狀編制的制品平臺(tái)5運(yùn)動(dòng) 程序輸入到計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)程序來控制制品平臺(tái)5的運(yùn)動(dòng)軌跡，毛細(xì)管7與大地連接， 毛細(xì)管7在尖端電極2的正上方，毛細(xì)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(xì)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(tái)5的阻隔，噴射流就會(huì)堆 積在制品平臺(tái)5上。制品平臺(tái)5是一個(gè)絕緣的薄壁平板，其在制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)4的帶動(dòng)下 可實(shí)現(xiàn)在XYZ三個(gè)方向自由移動(dòng)，由精密伺服驅(qū)動(dòng)沿XY方向的高精度運(yùn)動(dòng)，制品平臺(tái)及尖 端電極托臺(tái)1沿Z方向可以采用常規(guī)的氣動(dòng)、液動(dòng)或機(jī)械傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，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(tái)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(jī)減少一個(gè)方向的高精度運(yùn)動(dòng)，裝置造價(jià)降低，由 于在靜電場(chǎng)下產(chǎn)生的紡絲介質(zhì)的噴射流可以達(dá)到微米級(jí)或納米級(jí)，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(dòng)在電場(chǎng)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(duì)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(dòng)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(dòng)控制裝置10-4帶動(dòng)螺桿10-5轉(zhuǎn)動(dòng)將紡絲介質(zhì)均勻地?cái)D入到噴嘴8，再經(jīng)毛細(xì)管7流出， 毛細(xì)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10，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(dòng)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(dòng)器10-8的控制使紡絲介質(zhì)經(jīng)由噴嘴8和毛細(xì)管7均勻流出。下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。圖1中毛細(xì)管7內(nèi)徑為 0. 2mm,螺桿10-5直徑為14mm，毛細(xì)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(dòng)與螺桿10-5連接的轉(zhuǎn)動(dòng)控 制裝置10-4，等到毛細(xì)管7末端形成熔體滴時(shí)，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(xì)管7末端產(chǎn)生熔體噴射流，然后清除工作臺(tái)上的余料，打開制品平 臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)4及計(jì)算機(jī)程序，制品平臺(tái)5按照要求的軌跡移動(dòng)，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(xì)纖維，可以生產(chǎn)出微米級(jí)的微小零件。
權(quán)利要求
一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型方法，其特征在于將紡絲介質(zhì)加入到紡絲介質(zhì)控制裝置中，調(diào)節(jié)紡絲介質(zhì)的流量并使其從毛細(xì)管末端均勻流出；將制品平臺(tái)的平面運(yùn)動(dòng)程序輸入到計(jì)算機(jī)中，制品平臺(tái)上升至工作位置；尖端電極托臺(tái)上升，根據(jù)毛細(xì)管噴出的絲的尺寸要求，調(diào)節(jié)尖端電極托臺(tái)高度和靜電發(fā)生器輸出電壓，當(dāng)上述調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，清理制品平臺(tái)，然后啟動(dòng)靜電發(fā)生器、制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序，熔融的纖維在制品平臺(tái)上堆積成所需的形狀，關(guān)閉靜電發(fā)生器，停止紡絲介質(zhì)控制裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置的工作，一個(gè)制品的加工完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型方法，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。
3.利用權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型方法的裝置，其特征在 于該裝置包括尖端電極、尖端電極托臺(tái)、靜電發(fā)生器、制品平臺(tái)、制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、毛細(xì) 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(tái)上，尖端電極托臺(tái)安裝在支架的下端，尖端電極托臺(tái)在支架上可以上下移動(dòng)； 制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)制品平臺(tái)可以在支架上上下移動(dòng)，制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 連接，由計(jì)算機(jī)程序來控制制品平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，毛細(xì)管與大地連接，毛細(xì)管在尖端電極的 正上方，毛細(xì)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(tái)是一個(gè)絕緣的薄壁平板，它在制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的帶 動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)在XYZ三個(gè)方向自由移動(dòng)；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(dòng)控制裝置、螺桿、加熱器和溫度傳感器，轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，毛細(xì)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求3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(dòng)器、加熱器和溫度傳感器，微位移驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)柱塞使其在 料筒內(nèi)移動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于在制品平臺(tái)上可以安裝紅外加熱燈。
6.根據(jù)權(quán)利要求3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。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型方法及裝置，將紡絲介質(zhì)加入到紡絲介質(zhì)控制裝置中，調(diào)節(jié)紡絲介質(zhì)的流量并使其從毛細(xì)管末端均勻流出；將制品平臺(tái)的平面運(yùn)動(dòng)程序輸入到計(jì)算機(jī)中，制品平臺(tái)上升至工作位置；尖端電極托臺(tái)上升，根據(jù)毛細(xì)管噴出的絲的尺寸要求，調(diào)節(jié)尖端電極托臺(tái)高度和靜電發(fā)生器輸出電壓，當(dāng)上述調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，清理制品平臺(tái)，然后啟動(dòng)靜電發(fā)生器、制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序，熔融的纖維在制品平臺(tái)上堆積成所需的形狀。本發(fā)明把靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用到快速成型方法中，對(duì)于微小零件的生產(chǎn)，具有顯著的效果；對(duì)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(hào)B29C67/00GK101837642SQ20091008012
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)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, 劉勇, 安瑛, 楊衛(wèi)民, 謝鵬程, 鄧榮堅(jiān), 閻華 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)