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CN103056367A - 一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法及装置 - Google Patents

一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法及装置，属于三维快速成型技术领域。其特征是利用加热器加热坩埚至其内部金属成熔融状态，在坩埚内部和真空腔室之间设定正差压值，同时利用压电陶瓷驱动器对压电陶瓷施加一定的脉冲信号，使其带动传动棒产生一纵向微小位移，此位移作用于坩埚底部的金属熔体，使微小液滴从坩埚底部小孔射出，压电陶瓷每运动一次小孔处可形成一个液滴，通过摄像系统实时分析液滴的尺寸数据，进而调整最优参数；液滴降落到运动的三维运动平台进行沉积，从而沉积出所需金属零件。本发明的效果和益处是脉冲小孔喷射产生大小均一可控的金属液滴，成型制件的微观组织细小、均匀，成型工艺可控性强，成型零件精度高。

Description

一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法及装置
技术领域
本发明属于三维快速成型技术领域，特别涉及一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法及装置。
背景技术
快速成型(RapidPrototyping，简称RP)是20世纪80年代发展起来的一种新型的制造技术，它的核心思想是将三维实体分解为二维，逐层加工、堆积，最终形成原型。它突破了传统的加工模式，不需要预制型芯或机械加工设备，就可快速地制造出形状复杂的制件，为机械制造技术的发展注入了新的活力。与传统的材料“变形成形”和“去除成形”等机械加工方法不同，RP是一种集计算机辅助设计、精密机械、数控、激光和材料科学为一体的新型技术，可以自动、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件/模具，有效缩短了产品的研究开发周期，提高了产品设计、制造的一次成品率，降低产品开发成本，从而给制造业带来了根本性的变化。
液滴喷射制造技术是一种新型的快速成型技术，是喷墨打印思想在制造业上的实现。主要原理是对原材料的熔融微滴进行控制，让其在基板上精确沉积、冷却，这样逐点沉积形成层面，再逐层堆积形成所需制件。如何精确控制微滴的均匀程度和尺寸大小以及凝固位置是液滴喷射制造技术的关键所在。雾化喷射成型技术是一种传统的液滴喷射快速成型方法，目前是微滴喷射成型的主流方法，但其核心原理是雾化法，由于其本身产生液滴不均匀并且热履历不一致，无法对其进行精确控制，进而导致最终的成型零件致密度差，孔隙率高。申请号为200710059894.1的“均匀液滴喷射三维快速成型方法与装置”的发明，公开了一种用于三维快速成型的装置，但该发明利用均匀液滴喷射法(UDS)，金属束流容易受周围环境对流影响，发生不稳定断裂，且不能实现按需喷射，液滴带电后后产生排斥作用，影响成型制件的质量。已知的发明中尚没有应用脉冲小孔喷射三维快速成型的方法和装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法和装置，在控制坩埚与真空腔室存在一定压差条件下，利用加热器加热坩埚至其内部金属成熔融状态，利用压电陶瓷驱动器对压电陶瓷施加一定的脉冲信号，使其带动传动棒产生一纵向微小位移，此位移作用于坩埚底部的金属熔体，使微小液滴从坩埚底部小孔射出，压电陶瓷每运动一次小孔处可形成一个液滴；液滴降落到运动的三维运动平台上按照制件三维模型生成的扫描轨迹进行沉积，从而沉积出所需金属零件；本发明解决了现有液滴喷射快速成型中由于液滴大小不均一、不可控引起的制件孔隙率高、致密度差精度低的不足。
本发明的技术方案是提供一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的装置，该装置包括真空腔室7、液滴喷射部、压电陶瓷驱动系统、压差控制系统、温度控制系统以及三维运动系统；真空腔室7上部固定有液滴喷射部组件，下部安装三维转动平台12，两者中间为液滴观察部，三者通过支架相连；液滴喷射部组件主要有传动棒2、坩埚3、加热器4以及陶瓷片9组成，陶瓷片9固定于坩埚3底部；压电陶瓷驱动系统主要有压电陶瓷1和压电陶瓷驱动器13；压电陶瓷1固定于真空腔室7外部，与传动棒2连接，传动棒2的底部位于陶瓷片9上方，传动棒2的上部固定在压电陶瓷1上，压电陶瓷1与压电陶瓷驱动器13连接；压差控制系统包括电磁阀26、压差控制器23以及压差传感器24；温度控制系统由热电偶5、温度控制器14以及加热器4组成；真空腔室7的侧壁安装CCD摄像机17，CCD摄像机17与图像采集卡16相连，图像采集卡16连接计算机15，用于采集液滴图像，根据液滴图像实时调整加工参数；三维转动平台12由沉积平台11、丝杠和伺服电机组成， PMAC控制器18一端与伺服电机相连，另一端连接计算机15。
所述装置压差传感器24与压差控制器23相连，并固定于真空腔室7外侧，其中压差传感器24两端分别与坩埚3以及真空腔室6相连，用来感知二者压力差；压差控制器另一端与电磁阀25相连，通过压差传感器24感应坩埚3与真空腔室7的压力差，将信号传回差压控制器24，使得压差控制器23按照压差设定值控制电磁阀25的开闭，维持坩埚3内外稳定的压力差；坩埚进气管19与真空腔室进气管29通过导气管26相连，导气管26安装有平衡阀27，进气总管24与电磁阀25相连并安装有总阀22、流量计21、减压阀20并与氩气瓶31连接。
所述装置陶瓷片9上开有圆形小孔8，其孔径范围在0.020-1.500mm之间；压电陶瓷1的振动频率在1Hz-2kHz之间。
所述装置坩埚3内置有与温度控制器14相连的热电偶5，坩埚3的加热器4与温度控制器14相连，温度控制器14另一端连接计算机15，实时控制记录坩埚3内金属熔体6的温度。
一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法，其技术方案是利用AutoCAD软件绘制所需零件的三维实体模型，并转化为具有扫描路径的控制文件，将该控制文件输入到PMAC控制器18中，驱动三维转动平台12按照上述路径运动；利用加热器4加热坩埚3至其内部金属成熔融状态；利用压差控制系统使坩埚3与真空腔室7达到稳定的差压；对压电陶瓷1施加一定的脉冲信号，使其带动传动棒2产生一纵向微小位移，此位移作用于坩埚3底部的金属熔体6，使微小熔体从坩埚3底部小孔8喷出形成液滴，压电陶瓷1每运动一次小孔8处可形成一个液滴，液滴降落到运动的三维转动平台12上，沉积出金属零件，其步骤如下：
（1）根据所加工零件的尺寸参数，利用AutoCAD绘制零件的三维CAD实体模型，并进行三角化处理，使表面光滑的CAD实体模型转化为STL文件格式；利用切片软件，按照一定厚度对三维实体进行加工高度方向的切片，生成具有一定扫描路径的控制文件，将该控制文件导入PMAC控制器18中。
（2）将带孔陶瓷片9固定于坩埚3底部，在坩埚3中加入成型零件需要的金属材料，并密封。
（3）利用机械泵32和扩散泵33对坩埚3和真空腔室7抽真空，并充入惰性保护气体Ar，反复进行，最后使真空腔室7内压力达到一个大气压。
（4）通过坩埚进气管19向坩埚3中通入惰性气体，利用压差控制系统使坩埚3与真空腔室7之间达到稳定差压0-50kPa。
（5）利用信号发生器13编辑脉冲信号并施加给压电陶瓷1，压电陶瓷1在脉冲信号的驱动下产生微小位移，并带动传动棒2运动，此微小位移由传动棒2作用在坩埚底3部的熔体金属6，从而使得微小液滴从小孔8中射出。
（6）待金属液滴喷射稳定后，在PMAC控制器12的驱动下，三维转动平台12按设定的轨迹运动，下落的金属液滴按上述轨迹在沉积基板11上沉积，从而沉积出所需的金属零件。
本发明的效果和益处是所提供的一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法和装置，将脉冲小孔喷射技术与零件成型工艺相结合，通过脉冲小孔喷射产生大小均一可控的金属液滴，并且可以利用图像检测系统可进行工艺参数的调节，减小产生的金属液滴与设定液滴尺寸的误差；将制件实体模型的扫描路径文件输入到PMAC控制器，控制三维运动平台按上述路径运动，金属液滴按照上述路径在沉积基板上沉积形成制件。此种快速成型方法中液滴快速凝固可细化晶粒尺寸，使成型制件的微观组织细小、均匀，制件性能较高；该成型方法工艺可控性强，成型零件精度高，成本低，易成型复杂零件。
附图说明
附图是一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型装置示意图。
图中：1压电陶瓷，2传动棒，3坩埚，4加热器，5热电偶，6金属熔体，7真空腔室，8小孔, 9陶瓷片，10金属液滴，11沉积基板，12三维转动平台，13信号发生器，14温度控制机器，15计算机，16图像采集卡，17 CCD摄像机，18 PMAC控制器，19坩埚进气管，20减压阀，21流量计，22进气总阀，23压差控制器，24压差传感器，25进气总管，26电磁阀，27导气管，28平衡阀， 29腔体进气管，30腔体进气阀，31氩气瓶，32腔体进气阀，32机械泵，33扩散泵。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
本发明是利用AutoCAD软件绘制所需零件的三维实体模型，并转化为具有扫描路径的控制文件，将该控制文件输入到PMAC控制器18中，驱动三维平台12按照上述路径运动；利用加热器4加热坩埚3至其内部金属成熔融状态；利用压差控制系统使坩埚3与真空腔室7达到稳定的差压；对压电陶瓷1施加一定的脉冲信号，使其带动传动棒2产生一纵向微小位移，此位移作用于坩埚3底部的金属熔体6，使微小熔体从坩埚3底部小孔8喷出形成液滴，压电陶瓷1每运动一次小孔8处可形成一个液滴，液滴降落到运动的三维转动平台12上，沉积出金属零件。
实施例：
利用脉冲小孔液滴喷射三维快速成型装置具体实施方式：
（1）根据所加工零件的尺寸参数，利用AutoCAD绘制零件的三维CAD实体模型，并进行三角化处理，使表面光滑的CAD实体模型转化为STL文件格式；利用切片软件，按照一定厚度对三维实体进行加工高度方向的切片，生成具有一定扫描路径的控制文件，将该控制文件导入PMAC控制器18中；将Sn63Pb37共晶合金破碎为块体放入到坩埚3中，放入量达到坩埚3的3/4。
（2）用机械泵32将喷射部坩埚3、真空腔室7抽到低真空5Pa以下，再利用扩散泵33将喷射部坩埚3、真空腔室7抽到高真空0.001Pa；利用坩埚进气管19和腔体进气管29向坩埚3和真空腔室7中通入惰性气体Ar气,并打开平衡阀28，使喷射部坩埚3、真空腔室7内的压力相等且为一个大气压，反复进行。
（3）利用温度控制系统加热坩埚3内的金属材料至220 oC，保温20分钟，使金属材料处于完全融化状态。
（4）利用压差控制系统，通过坩埚进气管19向坩埚3中通入惰性气体氩气，使得与真空腔室7产生一定压差；将压电陶瓷驱动器13的驱动信号信号施加给压电陶瓷1，在其驱动下，压电陶瓷1产生向下的微小位移,由传动棒2传递给坩埚3底部的金属熔体6，从而使得微小金属熔体6通过坩埚3底部陶瓷片9上的小孔8喷出。
（5）根据CCD摄像机17所拍摄的液滴图像调节振动频率，从而产生设定尺寸的均匀液滴。
（6）待液滴喷射稳定后，在PMAC控制器18的控制下，三维转动平台12按设定的轨迹运动，下落的金属液滴按上述轨迹在沉积基板11上沉积，从而沉积出所需的金属零件。

Claims (2)

1.一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的装置，其特征在于：
(a)该装置包括真空腔室(7)、液滴喷射部、压电陶瓷驱动系统、压差控制系统、温度控制系统以及三维运动系统；真空腔室(7)上部固定有液滴喷射部组件，下部安装三维转动平台(12)，两者中间为液滴观察部，三者通过支架相连；液滴喷射部组件主要有传动棒(2)、坩埚(3)、加热器(4)以及陶瓷片(9)组成，陶瓷片(9)固定于坩埚(3)底部；压电陶瓷驱动系统主要有压电陶瓷(1)和压电陶瓷驱动器(13)；压电陶瓷(1)固定于真空腔室(7)外部，与传动棒(2)连接，传动棒(2)的底部位于陶瓷片(9)上方，传动棒(2)的上部固定在压电陶瓷(1)上，压电陶瓷(1)与压电陶瓷驱动器(13)连接；压差控制系统包括电磁阀(26)、压差控制器(23)以及压差传感器(24)；温度控制系统由热电偶(5)、温度控制器(14)以及加热器(4)组成；真空腔室(7)的侧壁安装CCD摄像机(17)，CCD摄像机(17)与图像采集卡(16)相连，图像采集卡(16)连接计算机(15)，用于采集液滴图像，根据液滴图像实时调整加工参数；三维转动平台(12)由沉积平台(11)、丝杠和伺服电机组成， PMAC控制器(18)一端与伺服电机相连，另一端连接计算机(15)；
(b)所述装置压差传感器(24)与压差控制器(23)相连，并固定于真空腔室(7)外侧，其中压差传感器(24)两端分别与坩埚(3)以及真空腔室(6)相连，用来感知二者压力差；压差控制器另一端与电磁阀(25)相连，通过压差传感器(24)感应坩埚(3)与真空腔室(7)的压力差，将信号传回压差控制器(24)，使得压差控制器(23)按照压差设定值控制电磁阀(25)的开闭，维持坩埚(3)内外稳定的压力差；坩埚进气管(19)与真空腔室进气管(29)通过导气管(26)相连，导气管(26)安装有平衡阀(27)，进气总管(24)与电磁阀(25)相连并安装有总阀(22)、流量计(21)、减压阀(20)并与氩气瓶(31)连接；
(c)所述装置陶瓷片(9)上开有圆形小孔(8)，其孔径范围在0.020-1.500mm之间；压电陶瓷(1)的振动频率在1Hz-2kHz之间;
(d)所述装置坩埚3内置有与温度控制器(14)相连的热电偶(5)，坩埚(3)的加热器(4)与温度控制器(14)相连，温度控制器(14)另一端连接计算机(15)，实时控制记录坩埚(3)内金属熔体(6)的温度。
2.一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法，其特征在于:
利用AutoCAD软件绘制所需零件的三维实体模型，并转化为具有扫描路径的控制文件，将该控制文件输入到PMAC控制器(18)中，驱动三维转动平台(12)按照设定的轨迹运动；利用加热器(4)加热坩埚(3)至其内部金属成熔融状态；利用压差控制系统使坩埚(3)与真空腔室(7)达到稳定的差压；对压电陶瓷(1)施加一定的脉冲信号，使其带动传动棒(2)产生一纵向微小位移，此位移作用于坩埚(3)底部的金属熔体(6)，使微小熔体从坩埚(3)底部小孔(8)喷出形成液滴，压电陶瓷(1)每运动一次小孔(8)处可形成一个液滴，液滴降落到运动的三维转动平台(12)上，沉积出金属零件，其步骤如下：
（1）根据所加工零件的尺寸参数，利用AutoCAD绘制零件的三维CAD实体模型，并进行三角化处理，使表面光滑的CAD实体模型转化为STL文件格式；利用切片软件，按照一定厚度对三维实体进行加工高度方向的切片，生成具有一定扫描路径的控制文件，将该控制文件导入PMAC控制器(18)中；
（2）将带孔陶瓷片(9)固定于坩埚(3)底部，在坩埚(3)中加入成型零件需要的金属材料，并密封；
（3）利用机械泵(32)和扩散泵(33)对坩埚(3)和真空腔室(7)抽真空，并充入惰性保护气体Ar，反复进行，最后使真空腔室(7)内压力达到一个大气压；
（4）通过坩埚进气管(19)向坩埚(3)中通入惰性气体，利用压差控制系统使坩埚(3)与真空腔室(7)之间达到稳定差压0-50kPa；
（5）利用信号发生器(13)编辑脉冲信号并施加给压电陶瓷(1)，压电陶瓷(1)在脉冲信号的驱动下产生微小位移，并带动传动棒(2)运动，此微小位移由传动棒(2)作用在坩埚底(3)部的金属熔体(6)，从而使得微小液滴从小孔(8)中射出；
（6）待金属液滴喷射稳定后，在PMAC控制器(12)的驱动下，三维转动平台(12)按设定的轨迹运动，下落的金属液滴按上述轨迹在沉积基板(11)上沉积，从而沉积出所需的金属零件。
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