[发明专利]一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置及方法

说明书

本发明公开了一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置及方法，包括三维接收平台、材料输送系统、激光分束加热系统、高压静电发生系统和温度控制系统；其中，三维接收平台根据制品要求调控三个方向的运动从而形成三维制品；材料输送系统包括静电纺丝材料和喂料单元，喂料单元将静电纺丝材料向下输送；激光分束加热系统包括激光发射器、分束反射装置和激光接收器，激光发射器发射的激光经过分束反射装置分为两束，一束用于熔融静电纺丝材料下端，一束防止纺丝射流达到接收板前固化；高压静电发生系统用于形成高压静电场；温度控制系统用于调节纺丝纤维的固化过程。本发明可应用于高熔点有机、无机材料高精密制品的加工制造。

技术领域

本发明属于静电纺丝技术领域，尤其涉及一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置及方法。

背景技术

3D打印又称增材制造，是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印粉末状金属或塑料等可粘合材料的方式实现产品的成型制造。此技术将精准的数字技术、工厂的重复性以及工匠设计的自由性结合在一起，具备生产周期短、成本低、产品多样化等诸多优点，但是通过此技术所得制品线材精度较低，严重制约了它的发展应用。熔体静电纺丝是熔体在高压静电场的作用下克服表面张力形成超细纤维的一种技术。通过此技术获得的产品大多为线、带、膜这种二维结构。因此,将3D打印技术与熔体静电纺丝技术结合不仅可以解决3D打印线材精度较低的问题，而且可以实现静电纺丝产品二维结构向三维结构的扩展。

以高熔点材料如玻璃为原料制备的玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，具有良好的绝缘性、耐热性、抗腐蚀性及机械性能，作为一种光学纤维广泛应用于光纤通信、光学传感、激光直写等领域。传统的光学玻璃纤维通常采用物理拉伸方法制造，存在制备过程复杂、设备要求高且可重复性差等缺点以致无法批量生产。熔体静电直写技术结合了3D打印与熔体静电纺丝二者的优点，作为一种简单环保高效的可控微纳纤维制造技术成为批量制备可控形状高熔点产品的有效途径。同时，高熔点材料如玻璃的熔融温度与粘度均较高，少有研究此类材料作为3D打印与熔体静电纺丝技术的原材料，因此设计一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置及方法，具有重要的科研意义和应用前景。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明主要目的在于提供一种用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置及方法，以中空物料管为原料，将3D打印与激光熔体静电纺丝技术相结合，通过调节喂料辊的喂料速度、静电纺丝工艺参数(电压、纺丝距离)和激光发射器功率等实现高熔点制品的高精度快速成型。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种应用于高熔点材料的激光熔体静电直写装置，包括三维接收平台、材料输送系统、激光分束加热系统、高压静电发生系统和温度控制系统；其中，

所述三维接收平台包括三维运动平台和固定连接在所述三维运动平台上方的接收板，所述三维运动平台在X、Y与Z方向移动，根据制品要求调控接收板在三个方向的运动，从而形成三维制品；

所述材料输送系统包括静电纺丝材料和喂料单元，所述喂料单元将静电纺丝材料向下输送；

所述激光分束加热系统包括激光发射器、分束反射装置和激光接收器，所述激光发射器发射的激光经过分束反射装置分为两束，一束用于熔融静电纺丝材料下端，一束防止纺丝射流达到接收板前固化，所述激光接收器用于接收所述激光发生器发射的激光；

所述高压静电发生系统用于在所述材料下端与三维运动平台间形成高压静电场；

所述温度控制系统用于调节纺丝纤维的固化过程。

进一步，所述熔体静电纺丝材料包括中空物料管和石墨碳棒，其中石墨碳棒位于所述中空物料管中，所述石墨碳棒下端呈锥台尖端状，所述中空物料管下端熔融后附着于所述石墨碳棒锥台尖端上。

进一步，所述喂料单元包括喂料辊和动力系统，所述动力系统用于驱动喂料辊，喂料辊设置在中空物料管两侧，根据纺丝速率调节其进给速度输送中空物料管向下运动。