本實(shí)用新型屬于增材制造領(lǐng)域，特別涉及一種無級(jí)變速多材料超聲微滴噴射增材制造裝置，用于無級(jí)變速多材料的超聲微滴噴射增材制造，噴射過程中噴射速度與噴射液滴直徑可調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)功能梯度材料增材制造。

背景技術(shù)：

微滴噴射增材制造技術(shù)是在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)設(shè)計(jì)的三維圖形，使材料以微細(xì)液滴的形式噴射至底板，形成具有真實(shí)產(chǎn)品功能的三維實(shí)體器件。與傳統(tǒng)增材制造技術(shù)相比，其具有成形精度高，適用原材料廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在打印設(shè)備，制造領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)工程中得到了愈來愈多的應(yīng)用，并取得了令人矚目的效果，具有很好的發(fā)展前景。典型的微滴噴射增材制造裝置有閥控式、電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)式、熱泡式和壓電式等。

閥控式微滴噴射增材制造裝置，用液泵或壓縮空氣對(duì)液體施加一定的壓力，借助控制閥(如電磁閥、氣動(dòng)閥或螺桿閥等)的開通產(chǎn)生液流，通過改變壓力、開通時(shí)間和噴頭的直徑來控制液流量。但其微滴噴射速率低，液滴直徑受噴頭限制，且容易堵塞噴頭。

電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)式微滴噴射增材制造裝置，利用液泵或壓縮空氣對(duì)液體施加一定的壓力并使之形成液流，通過微滴發(fā)生器周期性地使液流斷裂成微滴，然后對(duì)液滴進(jìn)行充電，再用偏轉(zhuǎn)電極板控制液滴的飛行方向，使液滴射至預(yù)定的位置。但其生成微滴尺寸精度差，并伴有衛(wèi)星液滴產(chǎn)生，需要復(fù)雜的電場(chǎng)控制，難以實(shí)現(xiàn)多種材料混合增材制造。

熱泡式微滴噴射增材制造裝置，利用寬度為幾微秒的脈沖電流瞬時(shí)將噴頭內(nèi)的電熱元件加熱至300℃左右，與電熱元件表面接觸的液體迅速汽化，形成很小的氣泡，膨脹的小氣泡擠壓噴頭中的液體，使其以微滴的形式從噴頭中射出。但其需要加熱，只能用于噴射能被熱量蒸發(fā)的水溶液，噴頭中存在熱應(yīng)力，且液滴直徑受噴頭限制。

壓電式微滴噴射增材制造裝置，借助壓電器件產(chǎn)生的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使噴頭中的液體克服噴頭處的阻力和表面張力形成微滴射出。但其噴射材料粘度范圍小，生成微滴的體積主要由噴頭的直徑來控制，且容易產(chǎn)生衛(wèi)星液滴，影響成形精度。

綜上所述，現(xiàn)有微滴噴射增材制造裝置，生成液滴尺寸受噴頭限制，常伴有衛(wèi)星液滴產(chǎn)生，且容易堵塞噴頭；不易實(shí)現(xiàn)多種材料混合增材制造，無法實(shí)現(xiàn)功能梯度材料的增材制造；噴射過程中，噴射速度與液滴的大小不易改變，不能實(shí)現(xiàn)變速微滴噴射增材制造。本實(shí)用新型正是針對(duì)目前微滴噴射增材制造裝置的現(xiàn)狀，研制了噴射液滴尺寸不受噴頭限制，無衛(wèi)星液滴產(chǎn)生，噴射材料粘度范圍大，可無級(jí)變速多材料混合的微滴噴射增材制造裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供一種無級(jí)變速多材料超聲微滴噴射增材制造裝置，將聚焦超聲技術(shù)與增材制造技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速多材料的超聲微滴噴射增材制造，解決現(xiàn)有微滴噴射增材制造系統(tǒng)噴射液滴尺寸受噴頭限制，容易堵塞噴頭，噴射過程中伴隨有衛(wèi)星液滴產(chǎn)生，無法實(shí)現(xiàn)多材料功能梯度材料增材制造，噴射過程中噴射速度與噴射液滴尺寸不可改變的問題。

本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是：包括機(jī)架、三角洲運(yùn)動(dòng)基板裝置、材料池裝置、聚焦超聲系統(tǒng)和供料裝置，所述的三角洲運(yùn)動(dòng)基板裝置固定在機(jī)架內(nèi)并位于其頂板下方，所述的聚焦超聲系統(tǒng)固定在機(jī)架內(nèi)并位于其底板上方，所述的材料池裝置位于聚焦超聲系統(tǒng)上方并固定在機(jī)架上，所述的供料裝置固定在機(jī)架的支撐柱上。

本實(shí)用新型所述的機(jī)架由底板、光杠底座、支撐柱和頂板之間通過固定連接組成，所述的支撐柱用于固定連接底板和頂板，所述的光杠底座上有同步帶輪槽，所述的光杠底座分別用于連接光杠一和光杠二，所述的同步帶輪槽分別用于連接同步帶輪一和同步帶輪二；所述的頂板上有同步帶通孔，用于穿過同步帶一和同步帶二。

本實(shí)用新型所述的三角洲運(yùn)動(dòng)基板裝置由步進(jìn)電機(jī)一、聯(lián)軸器一、電機(jī)座一、同步帶輪三、滑塊一、光杠一、連桿一、基板一、同步帶一和同步帶輪一組成，所述的步進(jìn)電機(jī)一通過電機(jī)座一連接到機(jī)架的頂板上，所述的同步帶輪三通過聯(lián)軸器一與步進(jìn)電機(jī)一相連，通過同步帶一與固定于同步帶輪槽上的同步帶輪一相連，所述的滑塊一與光杠一滑動(dòng)連接，在同步帶一的帶動(dòng)下進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，所述的連桿一一端與滑塊一鉸接，另一端與基板一鉸接。

本實(shí)用新型所述的材料池裝置的結(jié)構(gòu)是，料池底座通過連接件一固定連接在機(jī)架的支撐柱上，材料池固定連接在材料池底座上，所述的材料池具有多個(gè)儲(chǔ)料小室，用于裝不同的噴射材料。

本實(shí)用新型所述的供料裝置的結(jié)構(gòu)是，微注射泵通過連接件二固定連接在機(jī)架的支撐柱上，所述的輸料管一端與微注射泵相連，另一端與材料池相連，計(jì)算機(jī)根據(jù)噴射材料量控制供應(yīng)材料量。

本實(shí)用新型所述的聚焦超聲系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)二、電機(jī)座二、聯(lián)軸器二、同步帶輪四、耦合液池、聚焦超聲換能器、基板二、光杠二、同步帶二、滑塊二、連桿二和同步帶輪二組成，所述的步進(jìn)電機(jī)二通過電機(jī)座二連接到機(jī)架的頂板上，所述的同步帶輪四通過聯(lián)軸器二與步進(jìn)電機(jī)二相連，通過同步帶二與固定于同步帶輪槽上的同步帶輪二相連，所述的滑塊與光杠二滑動(dòng)連接，在同步帶二的帶動(dòng)下進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，所述的連桿二一端與滑塊二鉸接，另一端鉸接于基板二上，所述的耦合液池固定在基板二上，所述的聚焦超聲換能器固定在耦合液池內(nèi)。

本實(shí)用新型的有益效果為：將聚焦超聲技術(shù)與增材制造技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)噴射液滴的尺寸不受噴頭限制，無需使用噴頭，避免堵塞噴頭，降低了制造成本；采用由下向上噴射式噴射微滴，可避免衛(wèi)星液滴的產(chǎn)生，提高打印精度；噴射材料粘度范圍為廣，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電漿料、陶瓷漿料、金屬粉末懸濁液和室溫下液態(tài)金屬等材料的微滴噴射；可實(shí)現(xiàn)多種材料混合增材制造，實(shí)現(xiàn)功能梯度材料的增材制造；打印過程中微滴噴射頻率可調(diào)，微滴直徑大小可變，實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速多材料微滴噴射增材制造。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型機(jī)架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型三角洲運(yùn)動(dòng)基板裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型三角洲運(yùn)動(dòng)基板裝置頂部電機(jī)連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型儲(chǔ)料池裝置和供料裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本實(shí)用新型聚焦超聲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本實(shí)用新型聚焦超聲系統(tǒng)光杠底部連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本實(shí)用新型聚焦超聲系統(tǒng)頂部電機(jī)連接結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

包括機(jī)架1、三角洲運(yùn)動(dòng)基板裝置2、材料池裝置3、聚焦超聲系統(tǒng)4和供料裝置5，所述的三角洲運(yùn)動(dòng)基板裝置2固定在機(jī)架1內(nèi)并位于其頂板105下方，所述的聚焦超聲系統(tǒng)4固定在機(jī)架1內(nèi)并位于其底板101上方，所述的材料池裝置3位于聚焦超聲系統(tǒng)4上方并固定在機(jī)架1上，所述的供料裝置5固定在機(jī)架1的支撐柱104上。該無級(jí)變速多材料混合超聲微滴噴射增材制造裝置，將聚焦超聲技術(shù)與增材制造技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速多材料混合的超聲微滴噴射增材制造，可解決現(xiàn)有微滴噴射增材制造系統(tǒng)噴射液滴尺寸受噴頭限制，容易堵塞噴頭，無法實(shí)現(xiàn)多材料混合噴射成形，噴射過程中噴射速度與噴射液滴尺寸不可改變的問題。所述的材料池內(nèi)裝有多種噴射材料，既可實(shí)現(xiàn)一種材料的連續(xù)噴射，又可通過控制聚焦超聲系統(tǒng)的移動(dòng)，連續(xù)噴射多種材料不同大小的微滴，實(shí)現(xiàn)功能梯度材料增材制造。

所述的機(jī)架1由底板101、光杠底座102、支撐柱104和頂板105之間通過固定連接組成；所述的支撐柱104用于固定連接底板101和頂板105，所述的光杠底座102上有同步帶輪槽103，所述的光杠底座分別用于連接光杠一206和光杠二408，所述的同步帶輪槽分別用于連接同步帶輪一210和同步帶輪二412；所述的頂板105上有同步帶通孔106，用于穿過同步帶一209和同步帶二409。

所述的三角洲運(yùn)動(dòng)基板裝置2由步進(jìn)電機(jī)一201、聯(lián)軸器一202、電機(jī)座一203、同步帶輪三204、滑塊一205、光杠一206、連桿一207、基板一208、同步帶一209和同步帶輪一210組成，所述的步進(jìn)電機(jī)一201通過電機(jī)座一203連接到機(jī)架1的頂板105上，所述的同步帶輪三204通過聯(lián)軸器一202與步進(jìn)電機(jī)一201相連，通過同步帶一209與固定于同步帶輪槽103上的同步帶輪一210相連，所述的滑塊一205與光杠一206滑動(dòng)連接，在同步帶一209的帶動(dòng)下進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，所述的連桿一207一端與滑塊一205鉸接，另一端與基板一208鉸接，通過計(jì)算機(jī)控制三個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基板一208的空間運(yùn)動(dòng)。

所述的材料池裝置3的結(jié)構(gòu)是，料池底座302通過連接件一301固定連接在機(jī)架1的支撐柱104上，材料池303固定連接在材料池底座302上，所述的材料池303具有多個(gè)儲(chǔ)料小室，用于裝不同的噴射材料。

所述的供料裝置5的結(jié)構(gòu)是，微注射泵501通過連接件二502固定連接在機(jī)架1的支撐柱104上，所述的輸料管503一端與微注射泵501相連，另一端與材料池303相連，計(jì)算機(jī)根據(jù)噴射材料量控制供應(yīng)材料量。

所述的聚焦超聲系統(tǒng)4由步進(jìn)電機(jī)二401、電機(jī)座二402、聯(lián)軸器二403、同步帶輪四404、耦合液池405、聚焦超聲換能器406、基板二407、光杠二408、同步帶二409、滑塊二410、連桿二411和同步帶輪二412組成，所述的步進(jìn)電機(jī)二401通過電機(jī)座二402連接到機(jī)架1的頂板105上，所述的同步帶輪二404通過聯(lián)軸器二403與步進(jìn)電機(jī)二401相連，通過同步帶二409與固定于同步帶輪槽103上的同步帶輪二412相連，所述的滑塊410與光杠二408滑動(dòng)連接，在同步帶二409的帶動(dòng)下進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，所述的連桿二411一端與滑塊二410鉸接，另一端鉸接于基板二407上，所述的耦合液池405固定在基板二407上，所述的聚焦超聲換能器406固定在耦合液池405內(nèi)，所述的耦合液池內(nèi)裝有耦合液體水，用于打印時(shí)耦合連聚焦超聲換能器406和材料池303，減小聲波能量的損失，通過計(jì)算機(jī)控制三個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聚焦超聲系統(tǒng)4的空間移動(dòng)。

一種無級(jí)變速多材料超聲微滴噴射增材制造方法，包括如下步驟：

計(jì)算機(jī)根據(jù)所需噴射材料的種類，控制聚焦超聲系統(tǒng)4平面移動(dòng)，令聚焦超聲換能器406位于所需噴射材料的正下方；

所述的聚焦超聲換能器406，在噴射微滴前，先發(fā)射一個(gè)檢測(cè)聲波，位于聚焦超聲換能器406表面的聲吶接收由耦合液與材料池303下底面之間的界面、材料池303上底面與材料之間的界面和材料與空氣之間的界面反射回來的聲波，并將信息反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)反射聲波的信息分析出材料池303內(nèi)所要噴射材料的聲阻抗以及液面高度，結(jié)合輸入的噴射液滴直徑和噴射速度參數(shù)，分析出所需聚焦超聲換能器406的焦距以及驅(qū)動(dòng)頻率，調(diào)節(jié)聚焦超聲系統(tǒng)4的高度，發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行微滴噴射；

在微滴噴射過程中，計(jì)算機(jī)根據(jù)噴射流量及材料種類控制供料裝置5供料，根據(jù)噴射液滴所需沉積位置控制三角洲運(yùn)動(dòng)基板裝置2上的基板一208的空間運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)多材料混合超聲微滴噴射增材制造。

所述的聚焦超聲換能器406通過發(fā)射聚焦聲波，在材料表面的焦點(diǎn)處，聲壓力使液體材料克服其表面張力并噴射出，噴射方向豎直向上，無需使用噴頭；通過改變聚焦超聲換能器406驅(qū)動(dòng)頻率和驅(qū)動(dòng)電壓的大小，噴射過程中可改變噴射速度和噴射液滴直徑的大小；可噴射粘度范圍為0-2000mpa.s的陶瓷粉末漿料，聚合物粉末漿料，金屬粉末漿料以及室溫下液態(tài)金屬材料；可噴微滴的體積范圍為5pl-250nl,穩(wěn)定噴射頻率范圍為0-8000Hz；結(jié)合基板的空間移動(dòng)與聚焦超聲系統(tǒng)的空間移動(dòng)以及聚焦超聲換能器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變化，本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速多材料混合超聲微滴噴射增材制造。