專(zhuān)利名稱(chēng)：利用太陽(yáng)能的三維打印線聚光光源和打印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能利用技術(shù)和快速原型制造(RPM)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用太陽(yáng)能的聚光能量和電致變色原理對(duì)顆粒物料進(jìn)行選擇性燒結(jié)打印的光源和打印方法。
背景技術(shù)：
在當(dāng)前工業(yè)設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域，快速原型制造是指由產(chǎn)品數(shù)字化模型直接驅(qū)動(dòng)成形設(shè)備，以快速制造任意三維物理實(shí)體的相關(guān)技術(shù)的總稱(chēng)。它通過(guò)正向設(shè)計(jì)或逆向測(cè)繪，在計(jì)算機(jī)中建立產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，根據(jù)具體要求，將模型離散為一系列有序的單元；通常，
是在Z方向上按一定厚度進(jìn)行離散分層，將原來(lái)的三維模型變成一系列的二維層片；根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，生成數(shù)控代碼；選擇合適的材料及成形工藝，利用快速成形機(jī)，將材料按照指定的路徑逐層堆積并連接起來(lái)，得到產(chǎn)品的三維物理實(shí)體。快速原型制造將復(fù)雜的三維加工轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸S層片的加工，使得成形過(guò)程的實(shí)現(xiàn)與待成形實(shí)體的形狀與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了降維制造，大大降低了加工難度。快速原型制造與傳統(tǒng)切削加工、模具成形有著本質(zhì)的區(qū)別。在理論層面，快速原型制造技術(shù)可以加工出任意復(fù)雜形狀的零部件，它開(kāi)辟了不用刀具、模具而制造產(chǎn)品原型和產(chǎn)品的新途徑，使設(shè)計(jì)師可以直觀體會(huì)設(shè)計(jì)感覺(jué)，快速檢查、驗(yàn)證所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、外形和性能，創(chuàng)造了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全新模式和全新境界，并具有潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益?？焖僭椭圃斓某尚芜^(guò)程對(duì)能源具有較高的要求，能源的選用還與所使用的原材料性能有關(guān)?？傮w上，目前有兩類(lèi)能源形式一類(lèi)是基于激光能量的固化切割或熔的方法，另一類(lèi)是基于非激光能量的堆積成形方法。激光具有能量集中、易于控制、光斑小、波長(zhǎng)恒定等特點(diǎn)，是目前常用的快速原型制造技術(shù)的能源。但是，激光能源的缺點(diǎn)是成本較高，尤其是在加工體積較大、數(shù)量較多且不能為傳統(tǒng)加工方法實(shí)現(xiàn)的模型時(shí)。而驅(qū)動(dòng)激光正常工作的能源通常來(lái)自于化石能源。太陽(yáng)能是一種清潔無(wú)污染的可再生能源，取之不盡，用之不竭，充分開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能不僅可以節(jié)約日益枯竭的化石能源，緩解日益嚴(yán)峻的資源短缺問(wèn)題，而且還可以減少碳排放污染，應(yīng)對(duì)氣候變化，保護(hù)人類(lèi)賴(lài)以生存的生態(tài)環(huán)境。電致變色是指材料的光學(xué)屬性，如反射率、透過(guò)率、吸收率等，在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化的現(xiàn)象，在外觀上表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化。具有電致變色性能的材料稱(chēng)為電致變色材料，用電致變色材料做成的器件稱(chēng)為電致變色器件。電致變色材料分為無(wú)機(jī)電致變色材料和有機(jī)電致變色材料。無(wú)機(jī)電致變色材料的典型代表是三氧化鎢，目前，以WO3為功能材料的電致變色器件已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。而有機(jī)電致變色材料主要有聚噻吩類(lèi)及其衍生物、紫羅精類(lèi)、四硫富瓦烯、金屬酞菁類(lèi)化合物等。以紫羅精類(lèi)為功能材料的電致變色材料已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服快速原型制造技術(shù)中利用激光能源成本高昂的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種利用太陽(yáng)能的三維打印線聚光光源，能夠在對(duì)顆粒物料進(jìn)行選擇性燒結(jié)的過(guò)程中，采用太陽(yáng)能，而不采用化石能源驅(qū)動(dòng)；能夠?qū)μ?yáng)能的利用時(shí)間更長(zhǎng)，聚光利用方式更加合理。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明提供一種利用太陽(yáng)能的三維打印線聚光光源，包括燒結(jié)面、工作平臺(tái)、經(jīng)向直線軌道、經(jīng)向平移支架、緯向直線軌道、聚光器、水平經(jīng)向反射鏡、水平緯向反射鏡、拋物柱面反射鏡、遮光器；燒結(jié)面是由顆粒較小的物料組成的水平面；工作平臺(tái)上表面為水平面，經(jīng)向直線軌道固定在工作平臺(tái)上表面，朝向?yàn)槟媳狈较颍唤?jīng)向平移支架安裝在經(jīng)向直線軌道上，能夠沿南北方向水平平移運(yùn)動(dòng)；緯向直線軌道和水平緯向反射鏡固定安裝在經(jīng)向平移支架上；拋物柱面反射鏡和遮光器的位置較近、距離固定且固定在一起，能夠沿緯向直線軌道在經(jīng)向平移支架上進(jìn)行水平平移運(yùn)動(dòng)；遮光器位于水平緯向反射鏡和拋物柱面反射鏡之間；水平經(jīng)向反射鏡、水平緯向反射鏡為平面反射鏡。聚光器為平行光聚光器，輸出光線與輸入光線傳播方向相同且平行，so"為聚光器的中心軸線，O"點(diǎn)位于聚光區(qū)域一側(cè)。 在工作平臺(tái)上有固定點(diǎn)O ;水平經(jīng)向反射鏡位于工作平臺(tái)上部，水平經(jīng)向反射鏡的反射表面中心點(diǎn)位于O點(diǎn)并且能?chē)@O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)；聚光器安裝在工作平臺(tái)上部，聚光器中心軸線S0"上的一定點(diǎn)O"在跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終與工作平臺(tái)上的固定點(diǎn)O點(diǎn)重合；聚光器中心軸線SO"始終指向太陽(yáng)；GH是通過(guò)聚光器表面、垂直且相交于聚光器中心軸線S0"、始終與燒結(jié)面表面平行的線段；EF位于聚光器表面、垂直且相交于中心軸線S0"的線段，并與聚光器的入射矩形面ABCD的其中一個(gè)邊平行；EF線段相對(duì)于聚光器的位置固定，與線段GH之間的偏轉(zhuǎn)角為λ，且當(dāng)太陽(yáng)的方位角ω=0即太陽(yáng)在正南方向時(shí)，偏轉(zhuǎn)角入=0 ;聚光器能夠沿中心軸線S0"進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使線段EF與GH之間有偏轉(zhuǎn)角λ ;聚光器輸出的平行聚光光線全部射向水平經(jīng)向反射鏡；水平經(jīng)向反射鏡將聚光器輸出的平行聚光光線反射為水平經(jīng)向光線，呈水平向南方向，并全部射向水平緯向反射鏡，再由水平緯向反射鏡反射為水平緯向光線，呈水平東西方向，通過(guò)遮光器，射向拋物柱面反射鏡上；拋物柱面反射鏡再將光線聚焦形成聚光線，聚光線位于燒結(jié)面表面。SO表示太陽(yáng)入射光線，通過(guò)水平經(jīng)向反射鏡的反射，形成光線0Μ，OM指向水平正南方向，OS'是OS在水平面上的投影，OL是Z SOM的角平分線，即垂直于水平經(jīng)向反射鏡表面的法線，OL'是OL在水平面上的投影，ω表示太陽(yáng)的方位角，Φ表示太陽(yáng)的高度角。水平經(jīng)向反射鏡的法線OL的方位角α與ω、φ之間的關(guān)系為
權(quán)利要求
1.一種利用太陽(yáng)能的三維打印線聚光光源，包括燒結(jié)面11、工作平臺(tái)12、經(jīng)向直線軌道13、經(jīng)向平移支架14、緯向直線軌道15、聚光器31、水平經(jīng)向反射鏡32、水平緯向反射鏡35、拋物柱面反射鏡33 ;其特征在于，還包括遮光器60 ;工作平臺(tái)12上表面為水平面，經(jīng)向直線軌道13固定在工作平臺(tái)12上表面，朝向?yàn)槟媳狈较?；?jīng)向平移支架14安裝在經(jīng)向直線軌道13上，能夠沿南北方向水平平移運(yùn)動(dòng)；緯向直線軌道15和水平緯向反射鏡35固定安裝在經(jīng)向平移支架14上；拋物柱面反射鏡33和遮光器60的位置較近、距離固定且固定在一起，能夠沿緯向直線軌道15在經(jīng)向平移支架14上進(jìn)行水平平移運(yùn)動(dòng)；遮光器60位于水平緯向反射鏡35和拋物柱面反射鏡33之間；水平經(jīng)向反射鏡32、水平緯向反射鏡35為平面反射鏡；聚光器31輸出的平行聚光光線全部射向水平經(jīng)向反射鏡32，水平經(jīng)向反射鏡32將平行聚光光線全部反射為水平向南方向，并全部射向水平緯向反射鏡35，水平緯向反射鏡35再將入射光線全部反射為水平東西方向，通過(guò)遮光器60后射向拋物柱面反射鏡33上；拋物柱面反射鏡33將接收到的全部聚光平行光線反射聚焦到聚光線36上，聚光線36位于燒結(jié)面11表面； 遮光器60包括透明容器61、導(dǎo)熱介質(zhì)62、低溫管道63、高溫管道64、遮光光柵65、散熱器67 ;透明容器61和散熱器67通過(guò)低溫管道63和高溫管道64連接為一體，內(nèi)部有連通空腔，并注滿導(dǎo)熱介質(zhì)62，透明容器61和導(dǎo)熱介質(zhì)62為透明材料，具有較好的透光性；導(dǎo)熱介質(zhì)62沿透明容器61、高溫管道64、低溫管道63和散熱器67進(jìn)行循環(huán)；遮光光柵65安裝在透明容器61內(nèi)部且浸入在導(dǎo)熱介質(zhì)62中；遮光光柵65是由若干條條狀光柵66組成的矩形平面，每個(gè)條狀光柵66為細(xì)長(zhǎng)等寬矩形；條狀光柵66之間相鄰且平行但不重疊，并位于同一平面內(nèi)；水平緯向光線45垂直于遮光光柵65所在的平面且全部射向遮光光柵65 ;條狀光柵66的長(zhǎng)邊與拋物柱面反射鏡33的聚光線36之間互相垂直；每個(gè)條狀光柵66通過(guò)拋物柱面反射鏡33在聚光線36上的光學(xué)投影是與條狀光柵66寬度相等的一個(gè)線段；條狀光柵66具有電致變色特征；在每個(gè)條狀光柵66上都施加了電致變色電壓；通過(guò)改變條狀光柵66上的電壓使條狀光柵66的透光率發(fā)生改變；當(dāng)條狀光柵66透光率達(dá)到最高時(shí)，通過(guò)這個(gè)條狀光柵66的水平緯向光線45的輻射能量只有極少部分會(huì)被條狀光柵66吸收，對(duì)應(yīng)在聚光線36上的光學(xué)投影線段上所得到的聚光能量就強(qiáng)；當(dāng)條狀光柵66透光率下降時(shí)，通過(guò)這個(gè)條狀光柵66的水平緯向光線45的輻射能量會(huì)被條狀光柵66部分或全部吸收；通過(guò)導(dǎo)熱介質(zhì)62的循環(huán)，將條狀光柵66上熱量帶至散熱器67中釋放掉。
2.一種利用利用太陽(yáng)能的三維打印線聚光光源的打印方法是 a、將計(jì)算機(jī)中建立產(chǎn)品的三維數(shù)字模型離散為一系列有序的單元，即在Z方向上按一定厚度進(jìn)行離散分層，將原來(lái)的三維模型變成一系列的二維層片； b、根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息，生成聚光線36在燒結(jié)面11上的掃描點(diǎn)陣信息； C、根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息及對(duì)應(yīng)的掃描點(diǎn)陣信息，由計(jì)算機(jī)控制拋物柱面反射鏡33沿ox和oy方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)每個(gè)條狀光柵66的電致變色電壓進(jìn)行控制，使拋物柱面反射鏡33的聚光線36在燒結(jié)面11上掃描，對(duì)顆粒物料進(jìn)行選擇性燒結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用太陽(yáng)能的三維打印線聚光光源和打印方法，包括燒結(jié)面、工作平臺(tái)、經(jīng)向直線軌道、經(jīng)向平移支架、緯向直線軌道、聚光器、水平經(jīng)向反射鏡、水平緯向反射鏡、拋物柱面反射鏡、遮光器；聚光器輸出的平行聚光光線通過(guò)水平經(jīng)向反射鏡、水平緯向反射鏡、遮光器和拋物柱面反射鏡，在燒結(jié)面表面形成聚光線。遮光器包括透明容器、導(dǎo)熱介質(zhì)、遮光光柵、散熱器等；遮光光柵是由若干條條狀光柵組成；控制每個(gè)條狀光柵的電致變色電壓，在聚光線上得到不同聚光能量的點(diǎn)陣，實(shí)現(xiàn)利用太陽(yáng)能聚光能量對(duì)顆粒物料的選擇性燒結(jié)。能夠?qū)μ?yáng)能的利用時(shí)間更長(zhǎng)，聚光利用方式更加合理，克服了快速原型制造技術(shù)中利用激光能源成本高昂的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)B29C67/04GK102886901SQ20121043297
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月4日
發(fā)明者張德勝 申請(qǐng)人:張德勝