本發(fā)明屬于增材制造領(lǐng)域，涉及一種增材制造裝置及方法，特別涉及一種噴射角度可控超聲微滴噴射增材制造裝置及方法。
背景技術(shù)：
：目前，各種各樣的增材制造設(shè)備及方法不斷涌現(xiàn)，針對液體材料的增材制造技術(shù)有光固化增材制造技術(shù)、數(shù)字光處理增材制造技術(shù)(DLP)、微滴噴射增材技術(shù)，光固化增材制造技術(shù)和數(shù)字光處理增材制造技術(shù)(DLP)只能用于液態(tài)光敏樹脂材料增材制造，應(yīng)用材料受限，微滴噴射增材制造技術(shù)能夠噴射多種材料液滴進行增材制造，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前典型微滴噴射增材制造技術(shù)的原理有氣動式、機械式、熱泡式、壓電式等：1)氣動式微滴噴射增材制造通過控制壓縮氣體對裝有液體材料的料管或針管的壓力作用實現(xiàn)定量噴射。適用于廣泛的液體材料，噴射液滴的大小取決于壓縮氣體的作用壓力大小和時間長短。但噴射過程中氣體體積增大壓強減小，氣體的滯后性和可壓縮性會導(dǎo)致液體材料在噴嘴的噴射滯后，響應(yīng)速度變慢，一致性也發(fā)生變化。2)機械式微滴噴射增材制造通過機械運動(活塞運動、螺桿旋轉(zhuǎn)等)將液體材料從噴頭擠出并噴射至基板上，液滴直徑和速度受到噴口直徑和機械運動的影響，適用于高粘度液體的噴射，但由于腔體中有運動部件，存在機械磨損和沖擊，液體材料性質(zhì)可能發(fā)生變化。3)熱氣泡式微滴噴射增材制造通過局部加熱產(chǎn)生氣泡，液滴受氣泡壓力作用噴出到達基板實現(xiàn)增材制造過程，該方法受材料限制較大，噴射材料在加熱過程中易發(fā)生物理或化學(xué)性質(zhì)的改變，影響噴射精度和成形件質(zhì)量。4)壓電式微滴噴射增材制造通過電壓脈沖使壓電陶瓷產(chǎn)生位移或機械振動，導(dǎo)致料管或針管內(nèi)部壓力發(fā)生變化，產(chǎn)生的壓力使得液體材料克服表面張力并由噴嘴噴出，到達基板實現(xiàn)增材制造，但液滴直徑受噴頭限制不可改變且噴頭易發(fā)生堵塞不易清洗，維護成本較高。目前，微滴噴射增材制造存在噴射液滴直徑受噴頭限制不可改變、噴頭易堵塞清洗不便、液滴噴射方向不可改變、增材制造過程中成形件晃動、無法使用廣泛的液體材料的缺點；聚焦超聲具有能量小，無接觸等特點，采用聚焦超聲微滴噴射技術(shù)進行增材制造，能夠?qū)崿F(xiàn)無污染、高精度非接觸式微滴噴射增材制造，噴射方向和液面成一定角度的微滴極大程度上減少了液體表面和成形件的晃動，提高打印精度和成形質(zhì)量。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種噴射角度可控超聲微滴噴射增材制造裝置及方法，以解決大多數(shù)微滴噴射增材制造過程中存在的精度低、噴嘴成本高、易堵塞且清理不便等問題。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：包括底座、Z向工作臺、高精密注射泵、聚焦超聲換能器、基板、承片臺、液體容器、送料頭，所述底座安裝在最下方，液體容器的噴射池安裝在底座上，噴射池中安裝有聚焦超聲換能器，基板固定在承片臺下方且位于噴射池上方，承片臺安裝在Z向工作臺上，Z向工作臺安裝在底座上，噴射池和液體容器的儲液池相互連通，高精密注射泵與送料頭相連；所述的聚焦超聲換能器，包含4個完全相同的聚焦超聲振子，且均為90°扇形結(jié)構(gòu)，并由與吸波材料構(gòu)成完整的圓，且有共同的焦點，且4個聚焦超聲振子之間通過吸波材料分隔開，獨立工作互不干擾，吸波材料和聚焦超聲振子安裝在高阻抗層上，散熱片安裝在高阻抗層下方且與水冷管相連，密封圈位于散熱片上方，外殼位于密封圈上方；所述聚焦超聲振子包括：PZT壓電陶瓷、上鎳電級、下鎳電極、聚對二甲苯涂層、空氣環(huán)；PZT壓電陶瓷上表面均鍍有上鎳電極、下表面鍍有下鎳電極，聚對二甲苯涂層位于上鎳電極上方，且聚對二甲苯涂層與上鎳電極之間存在空氣環(huán)；所述的空氣環(huán)結(jié)構(gòu)是：聚對二甲苯涂層與空氣環(huán)構(gòu)成菲涅耳透鏡，滿足下列關(guān)系式：rko=kλ(kλ+2L)rki=2k-12λ(2k-12λ+2L)]]>其中：第k個空氣環(huán)外徑為第k個空氣環(huán)內(nèi)徑為L為聚焦超聲振子焦距，即聚焦超聲振子到液面的距離，λ為超聲在液體材料中的波長，k＝1、2、3、4……。所述的液體容器的結(jié)構(gòu)是：噴射池底部和噴射池底部采用直徑為400um的管道連接，并滿足連通器原理。一種噴射角度可控超聲微滴噴射增材制造方法，包括以下步驟：1)建立成形件的三維模型；2)根據(jù)步驟1)中的模型配制所需液體材料；3)使用粘度計和密度計測得步驟2)中配制液體材料的液體粘度ν、液體密度ρ，根據(jù)打印精度、目標(biāo)點所在的空間位置和液體粘度ν、液體密度ρ確定4個聚焦超聲振子各自的工作頻率f、電功率W1、W2、W3、W4；4)產(chǎn)生驅(qū)動信號并驅(qū)動聚焦超聲換能器的四個聚焦超聲振子協(xié)調(diào)工作；5)4個聚焦超聲振子在共同焦點處的超聲壓力相互疊加，驅(qū)動焦點處液滴沿超聲壓力合力方向以一定角度：α，β，γ射出并到達基板上的點P(x，y，z)：α=arcsinSinθη1η2ρvS(W1+W2+W3+W4)A]]>其中β=arcsin2η1η2ρvSCosθ2(-W1+W2+W3-W4)Cosθη1η2ρvS2(-W1+W2+W3-W4)2+η1η2ρvS2(-W1-W2+W3+W4)2]]>γ=arcsin2η1η2ρvSCosθ2(-W1-W2+W3+W4)Cosθη1η2ρvS2(-W1+W2+W3-W4)2+η1η2ρvS2(-W1-W2+W3+W4)2]]>x=2HCosθ(-W1+;W2+W3-W4)2Sinθ(W1+W2+W3+W4)]]>y=2HCosθ(-W1-W2+W3+W4)2Sinθ(W1+W2+W3+W4)]]>z＝H；其中，基板距液面高度為H，4個聚焦超聲振子電功率W1、W2、W3、W4的值可根據(jù)電功率和P(x，y，z)的上述關(guān)系式取出一組W1、W2、W3、W4滿足上述關(guān)系式即可，四部分超聲壓力與X-Y平面夾角均為θ，夾角θ由聚焦超聲振子制造過程決定，且為定值可實驗測得，焦點面積為S，聚焦超聲振子換能效率均為η1，聚對二甲苯涂層的聲學(xué)效率為η2；6)反復(fù)重復(fù)步驟3)至步驟5)，構(gòu)建出所需成形件；所述的液體材料，包括金屬玻璃凝膠、細胞懸浮液、工業(yè)漿料、導(dǎo)電銀漿等導(dǎo)電漿料、低溫液態(tài)金屬以及具有一定粘度的流體材料。本發(fā)明目的在于克服當(dāng)前微滴噴射增材制造的缺點，通過利用聚焦超聲微滴噴射原理該裝置解決了大多數(shù)微滴噴射增材制造過程中存在的精度低，噴嘴成本高、易堵塞且清理不便等問題，同時也保持較高的打印效率；同時本發(fā)明裝置所涉及的聚焦超聲換能器能夠?qū)崿F(xiàn)微滴定向傾斜噴射至基板上的目標(biāo)點，通過減少基板的移動減少成形件晃動，利于所需成形件精準(zhǔn)成形和穩(wěn)定成形。本發(fā)明的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)新穎，使用聚焦超聲微滴噴射技術(shù)，利用聚焦超聲振子焦點處超聲壓力作為液滴噴射驅(qū)動力，解決了噴頭污染和不易清洗的問題，實現(xiàn)了非接觸式無噴頭超聲噴射增材制造；超聲頻率可根據(jù)制造噴射精度和噴射速度進行選擇，兼顧高效率和高精度兩個方面；可用于生物組織增材制造并能實現(xiàn)單個細胞的精準(zhǔn)控制；聚焦超聲換能器四個聚焦超聲振子協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)液滴噴射方向與液面角度可調(diào)的傾斜噴射。本發(fā)明可實現(xiàn)噴射角度可控制的超聲微滴噴射增材制造，可實現(xiàn)金屬玻璃凝膠、細胞懸浮液、工業(yè)漿料、導(dǎo)電銀漿等導(dǎo)電漿料、低溫液態(tài)金屬以及具有一定粘度的流體材料的增材制造，為多種材料提供增材制造方法。附圖說明圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明液體容器的剖視圖；圖3是本發(fā)明聚焦超聲換能器的外部結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明聚焦超聲換能器的爆炸圖；圖5是本發(fā)明聚焦超聲振子結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明聚焦超聲換能器上半部分剖視圖；圖7是本發(fā)明聚焦超聲換能器的剖視圖；圖8(a)是本發(fā)明的焦點受力示意圖；圖8(b)是本發(fā)明F力在三個方向的投影圖。具體實施方式包括底座1、Z向工作臺2、高精密注射泵3、聚焦超聲換能器4、基板5、承片臺6、液體容器7、送料頭8，所述底座1安裝在最下方，液體容器7的噴射池702安裝在底座1上，噴射池702中安裝有聚焦超聲換能器4，基板5固定在承片臺6下方且位于噴射池702上方，承片臺6安裝在Z向工作臺2上，Z向工作臺2安裝在底座1上，噴射池702和液體容器7的儲液池701相互連通，高精密注射泵3與送料頭8相連；所述的聚焦超聲換能器4，包含4個完全相同的聚焦超聲振子401，且均為90°扇形結(jié)構(gòu)，并由與吸波材料407構(gòu)成完整的圓且有共同的焦點，且4個聚焦超聲振子401之間通過吸波材料407分隔開，獨立工作互不干擾，吸波材料407和聚焦超聲振子401安裝在高阻抗層405上，散熱片402安裝在高阻抗層405下方且與水冷管403相連，密封圈406位于散熱片402上方，外殼404位于密封圈406上方；所述聚焦超聲振子401包括：PZT壓電陶瓷40101、上鎳電級40102、下鎳電極40103、聚對二甲苯涂層40104、空氣環(huán)40105；PZT壓電陶瓷40101上表面均鍍有上鎳電極40102、下表面鍍有下鎳電極40103，聚對二甲苯涂層40104位于上鎳電極40102上方，且聚對二甲苯涂層40104與上鎳電極40102之間存在空氣環(huán)40105；所述的空氣環(huán)40105結(jié)構(gòu)是：聚對二甲苯涂層40104與空氣環(huán)40105構(gòu)成菲涅耳透鏡，滿足下列關(guān)系式：rko=kλ(kλ+2L)rki=2k-12λ(2k-12λ+2L)]]>其中：第k個空氣環(huán)外徑為第k個空氣環(huán)內(nèi)徑為L為聚焦超聲振子焦距，即聚焦超聲振子到液面的距離，λ為超聲在液體材料中的波長，k＝1、2、3、4……。所述的液體容器7的結(jié)構(gòu)是：噴射池702底部和噴射池701底部采用直徑為400um的管道連接，并滿足連通器原理；一種噴射角度可控超聲微滴噴射增材制造方法，包括以下步驟：1)建立成形件的三維模型；2)根據(jù)步驟1)中的模型配制所需液體材料；3)使用粘度計和密度計測得步驟2)中配制液體材料的液體粘度ν、液體密度ρ，根據(jù)打印精度、目標(biāo)點所在的空間位置和液體粘度ν、液體密度ρ確定4個聚焦超聲振子各自的工作頻率f、電功率W1、W2、W3、W4；4)產(chǎn)生驅(qū)動信號并驅(qū)動聚焦超聲換能器的四個聚焦超聲振子協(xié)調(diào)工作；5)4個聚焦超聲振子401在共同焦點處的超聲壓力相互疊加，驅(qū)動焦點處液滴沿超聲壓力合力方向以一定角度：α，β，γ射出并到達基板上的點P(x，y，z)：α=arcsinSinθη1η2ρvS(W1+W2+W3+W4)A]]>其中β=arcsin2η1η2ρvSCosθ2(-W1+W2+W3-W4)Cosθη1η2ρvS2(-W1+W2+W3-W4)2+η1η2ρvS2(-W1-W2+W3+W4)2]]>γ=arcsin2η1η2ρvSCosθ2(-W1-W2+W3+W4)Cosθη1η2ρvS2(-W1+W2+W3-W4)2+η1η2ρvS2(-W1-W2+W3+W4)2]]>x=2HCosθ(-W1+;W2+W3-W4)2Sinθ(W1+W2+W3+W4)]]>y=2HCosθ(-W1-W2+W3+W4)2Sinθ(W1+W2+W3+W4)]]>z＝H；其中，基板5距液面高度為H，4個聚焦超聲振子401電功率W1、W2、W3、W4的值可根據(jù)電功率和P(x，y，z)的上述關(guān)系式取出一組W1、W2、W3、W4滿足上述關(guān)系式即可，四部分超聲壓力與X-Y平面夾角均為θ，夾角θ由聚焦超聲振子401制造過程決定，且為定值可實驗測得，焦點面積為S，聚焦超聲振子401換能效率均為η1，聚對二甲苯涂層403的聲學(xué)效率為η2；6)反復(fù)重復(fù)步驟3)至步驟5)，構(gòu)建出所需成形件；所述的液體材料，包括金屬玻璃凝膠、細胞懸浮液、工業(yè)漿料、導(dǎo)電銀漿等導(dǎo)電漿料、低溫液態(tài)金屬以及具有一定粘度的流體材料。其中，聚焦超聲換能器4工作時，焦點面積為S，聚焦超聲換能器4四個部分的換能效率均為η1，電功率分別為W1、W2、W3、W4，聚對二甲苯涂層403的聲學(xué)效率為η2，基板5距液面高度為H,液體材料密度為ρ，超聲在液體材料中的傳播速度為v，4個聚焦超聲振子在焦點處產(chǎn)生的聲壓分別為P1、P2、P3、P4，超聲壓力分別為F1、F2、F3、F4,與X-Y平面夾角均為θ，在X-Y平面上的投影分別于相鄰的X半軸、Y半軸呈45°夾角，(焦點面積S、換能效率η1、聲學(xué)效率η2、夾角θ均由聚焦超聲換能器制造過程決定，且為定值可實驗測得，超聲在液體材料中的傳播速度v在給定液體材料后為定值且可實驗測得)，超超聲壓力F1、F2、F3、F4合力為F，且合力F與X-Y平面、Y軸正半軸、X軸負半軸的夾角分別為α、β、γ，以上參數(shù)關(guān)系式推導(dǎo)過程如下：超聲聲壓超聲壓力F1的大?。簗F1|=P1S=W1η1η2ρvS×S=W1η1η2ρvS]]>超聲壓力F1的向量表示為:(Cosθ2W1η1η2ρvS2,-Cosθ2W1η1η2ρvS2,Sinθ·W2η1η2ρvS),]]>同理，超聲壓力F2、F3、F4分別為：(Cosθ2W2η1η2ρvS2,-Cosθ2W2η1η2ρvS2,Sinθ·W2η1η2ρvS),]]>(Cosθ2W3η1η2ρvS2,Cosθ2W3η1η2ρvS2,Sinθ·W3η1η2ρvS>),]]>(-Cosθ2W4η1η2ρvS2,Cosθ2W4η1η2ρvS2,Sinθ·W4η1η2ρvS),]]>合力F的向量表示為：[Cosθ2η1η2ρvS2(-W1+W2+W3-W4),]]>Cosθ2η1η2ρvS2(-W1-W2+W3+W4),]]>Sinθ·η1η2ρvS·(W1+W2+W3+W4)]]]>合力F與X-Y平面夾角為：α=arcsinSinθη1η2ρvS(W1+W2+W3+W4)A]]>合力F與Y軸正半軸夾角為：合力F與X軸負半軸夾角為:由于作用時間極短且基板到液面距離很小，則忽略重力對液滴軌跡的影響，液滴噴射至基板上的位置坐標(biāo)P(x，y，z)：x=2HCosθ(-W1+;W2+W3-W4)2Sinθ(W1+W2+W3+W4)]]>y=2HCosθ(-W1-W2+W3+W4)2Sinθ(W1+W2+W3+W4)]]>z＝H。當(dāng)前第1頁1 2 3