[发明专利]一种基于脉冲小孔液滴喷射三维快速成型的方法及装置

权利要求书

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。