喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置，属于增材制造领域。底座安装在最下方，喷射池安装在底座上，喷射池中安装有聚焦超声换能器，基板固定在承片台下方且位于喷射池上方，承片台安装在Z向工作台上，Z向工作台安装在底座上，喷射池和储液池相互连通，高精密注射泵与送料头相连；聚焦超声使液体克服表面张力并从液面喷射出微滴，通过计算机控制聚焦超声换能器的4个聚焦超声振子的功率并相互配合进而改变液滴出射角度，喷射至基板的不同位置；Z轴运动平台配合不同的出射角度完成基板不同位置点的打印。本实用新型专利技术提高了打印精度，保证成形零件的物理、化学等性能，不需使用打印喷头，避免了液体材料的污染和清洗困难。

Spraying angle controllable ultrasonic droplet jetting material increasing and manufacturing device

The utility model relates to a spraying angle controllable ultrasonic droplet injection material increasing and manufacturing device. The base is arranged on the bottom of the pool, the jet is installed on the base, a focused ultrasound transducer mounted spray pool, substrate is fixed on the lower side of the wafer stage and is located above the pool stage injection, installed in the Z to the table, Z to the workbench is installed on the base, the jet pool and pool to communicate with each other. High precision injection pump and feeding head connected; focused ultrasound to overcome the surface tension of liquid and spray droplets from the liquid level, the power control focusing ultrasonic transducer through the computer 4 focusing ultrasonic vibrator and cooperate with each other and then change the droplet exit angle, different injection position to the substrate; Z axis motion platform with different the exit angle of the different position of print board. The utility model has the advantages that the printing precision is improved, the physical and chemical properties of the formed parts are ensured, and the printing spray head is not needed.

【技术实现步骤摘要】

本技术属于增材制造领域，涉及一种增材制造装置，特别涉及一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置。
技术介绍
目前，各种各样的增材制造设备及方法不断涌现，针对液体材料的增材制造技术有光固化增材制造技术、数字光处理增材制造技术(DLP)、微滴喷射增材技术，光固化增材制造技术和数字光处理增材制造技术(DLP)只能用于液态光敏树脂材料增材制造，应用材料受限，微滴喷射增材制造技术能够喷射多种材料液滴进行增材制造，具有广阔的应用前景。目前典型微滴喷射增材制造技术的原理有气动式、机械式、热泡式、压电式等：1)气动式微滴喷射增材制造通过控制压缩气体对装有液体材料的料管或针管的压力作用实现定量喷射。适用于广泛的液体材料，喷射液滴的大小取决于压缩气体的作用压力大小和时间长短。但喷射过程中气体体积增大压强减小，气体的滞后性和可压缩性会导致液体材料在喷嘴的喷射滞后，响应速度变慢，一致性也发生变化。2)机械式微滴喷射增材制造通过机械运动(活塞运动、螺杆旋转等)将液体材料从喷头挤出并喷射至基板上，液滴直径和速度受到喷口直径和机械运动的影响，适用于高粘度液体的喷射，但由于腔体中有运动部件，存在机械磨损和冲击，液体材料性质可能发生变化。3)热气泡式微滴喷射增材制造通过局部加热产生气泡，液滴受气泡压力作用喷出到达基板实现增材制造过程，该方法受材料限制较大，喷射材料在加热过程中易发生物理或化学性质的改变，影响喷射精度和成形件质量。4)压电式微滴喷射增材制造通过电压脉冲使压电陶瓷产生位移或机械振动，导致料管或针管内部压力发生变化，产生的压力使得液体材料克服表面张力并由喷嘴喷出，到达基板实现增材制造，但液滴直径受喷头限制不可改变且喷头易发生堵塞不易清洗，维护成本较高。目前，微滴喷射增材制造存在喷射液滴直径受喷头限制不可改变、喷头易堵塞清洗不便、液滴喷射方向不可改变、增材制造过程中成形件晃动、无法使用广泛的液体材料的缺点；聚焦超声具有能量小，无接触等特点，采用聚焦超声微滴喷射技术进行增材制造，能够实现无污染、高精度非接触式微滴喷射增材制造，喷射方向和液面成一定角度的微滴极大程度上减少了液体表面和成形件的晃动，提高打印精度和成形质量。
技术实现思路
本技术提供一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置，以解决大多数微滴喷射增材制造过程中存在的精度低、喷嘴成本高、易堵塞且清理不便等问题。本技术采取的技术方案是：包括底座、Z向工作台、高精密注射泵、聚焦超声换能器、基板、承片台、液体容器、送料头，所述底座安装在最下方，液体容器的喷射池安装在底座上，喷射池中安装有聚焦超声换能器，基板固定在承片台下方且位于喷射池上方，承片台安装在Z向工作台上，Z向工作台安装在底座上，喷射池和液体容器的储液池相互连通，高精密注射泵与送料头相连；所述的聚焦超声换能器，包含4个完全相同的聚焦超声振子，且均为90°扇形结构，并由与吸波材料构成完整的圆，且有共同的焦点，且4个聚焦超声振子之间通过吸波材料分隔开，独立工作互不干扰，吸波材料和聚焦超声振子安装在高阻抗层上，散热片安装在高阻抗层下方且与水冷管相连，密封圈位于散热片上方，外壳位于密封圈上方；所述聚焦超声振子包括：PZT压电陶瓷、上镍电级、下镍电极、聚对二甲苯涂层、空气环；PZT压电陶瓷上表面均镀有上镍电极、下表面镀有下镍电极，聚对二甲苯涂层位于上镍电极上方，且聚对二甲苯涂层与上镍电极之间存在空气环；所述的空气环结构是：聚对二甲苯涂层与空气环构成菲涅耳透镜，满足下列关系式：其中：第k个空气环外径为第k个空气环内径为L为聚焦超声振子焦距，即聚焦超声振子到液面的距离，λ为超声在液体材料中的波长，k＝1、2、3、4……。所述的液体容器的结构是：喷射池底部和喷射池底部采用直径为400um的管道连接，并满足连通器原理。本技术目的在于克服当前微滴喷射增材制造的缺点，通过利用聚焦超声微滴喷射原理该装置解决了大多数微滴喷射增材制造过程中存在的精度低，喷嘴成本高、易堵塞且清理不便等问题，同时也保持较高的打印效率；同时本技术装置所涉及的聚焦超声换能器能够实现微滴定向倾斜喷射至基板上的目标点，通过减少基板的移动减少成形件晃动，利于所需成形件精准成形和稳定成形。本技术的优点是结构新颖，使用聚焦超声微滴喷射技术，利用聚焦超声振子焦点处超声压力作为液滴喷射驱动力，解决了喷头污染和不易清洗的问题，实现了非接触式无喷头超声喷射增材制造；超声频率可根据制造喷射精度和喷射速度进行选择，兼顾高效率和高精度两个方面；可用于生物组织增材制造并能实现单个细胞的精准控制；聚焦超声换能器四个聚焦超声振子协调工作，实现液滴喷射方向与液面角度可调的倾斜喷射。本技术可实现喷射角度可控制的超声微滴喷射增材制造，可实现金属玻璃凝胶、细胞悬浮液、工业浆料、导电银浆等导电浆料、低温液态金属以及具有一定粘度的流体材料的增材制造，为多种材料提供增材制造方法。附图说明图1是本技术的整体结构示意图；图2是本技术液体容器的剖视图；图3是本技术聚焦超声换能器的外部结构示意图；图4是本技术聚焦超声换能器的爆炸图；图5是本技术聚焦超声振子结构示意图；图6是本技术聚焦超声换能器上半部分剖视图；图7是本技术聚焦超声换能器的剖视图；图8(a)是本技术的焦点受力示意图；图8(b)是本技术F力在三个方向的投影图。具体实施方式包括底座1、Z向工作台2、高精密注射泵3、聚焦超声换能器4、基板5、承片台6、液体容器7、送料头8，所述底座1安装在最下方，液体容器7的喷射池702安装在底座1上，喷射池702中安装有聚焦超声换能器4，基板5固定在承片台6下方且位于喷射池702上方，承片台6安装在Z向工作台2上，Z向工作台2安装在底座1上，喷射池702和液体容器7的储液池701相互连通，高精密注射泵3与送料头8相连；所述的聚焦超声换能器4，包含4个完全相同的聚焦超声振子401，且均为90°扇形结构，并由与吸波材料407构成完整的圆且有共同的焦点，且4个聚焦超声振子401之间通过吸波材料407分隔开，独立工作互不干扰，吸波材料407和聚焦超声振子401安装在高阻抗层405上，散热片402安装在高阻抗层405下方且与水冷管403相连，密封圈406位于散热片402上方，外壳404位于密封圈406上方；所述聚焦超声振子401包括：PZT压电陶瓷40101、上镍电级40102、下镍电极40103、聚对二甲苯涂层40104、空气环40105；PZT压电陶瓷40101上表面均镀有上镍电极40102、下表面镀有下镍电极40103，聚对二甲苯涂层40104位于上镍电极40102上方，且聚对二甲苯涂层40104与上镍电极40102之间存在空气环40105；所述的空气环40105结构是：聚对二甲苯涂层40104与空气环40105构成菲涅耳透镜，满足下列关系式：其中：第k个空气环外径为第k个空气环内径为L为聚焦超声振子焦距，即聚焦超声振子到液面的距离，λ为超声在液体材料中的波长，k＝1、2、3、4……。所述的液体容器7的结构是：喷射池702底部和喷射池701底部采用直径为400um的管道连接，并满足连通器原理；一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造方法，包括以下步骤：1)建立成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：包括底座、Z向工作台、高精密注射泵、聚焦超声换能器、基板、承片台、液体容器、送料头，所述底座安装在最下方，液体容器的喷射池安装在底座上，喷射池中安装有聚焦超声换能器，基板固定在承片台下方且位于喷射池上方，承片台安装在Z向工作台上，Z向工作台安装在底座上，喷射池和液体容器的储液池相互连通，高精密注射泵与送料头相连。

【技术特征摘要】
1.一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：包括底座、Z向工作台、高精密注射泵、聚焦超声换能器、基板、承片台、液体容器、送料头，所述底座安装在最下方，液体容器的喷射池安装在底座上，喷射池中安装有聚焦超声换能器，基板固定在承片台下方且位于喷射池上方，承片台安装在Z向工作台上，Z向工作台安装在底座上，喷射池和液体容器的储液池相互连通，高精密注射泵与送料头相连。2.根据权利要求1所述的一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置，其特征在于：所述的聚焦超声换能器，包含4个完全相同的聚焦超声振子，且均为90°扇形结构，并由与吸波材料构成完整的圆，且有共同的焦点，且4个聚焦超声振子之间通过吸波材料分隔开，独立工作互不干扰，吸波材料和聚焦超声振子安装在高阻抗层上，散热片安装在高阻抗层下方且与水冷管相连，密封圈位于散热片上方，外壳位于密封圈上方。3.根据权利要求2所述的一种喷射角度可控超声微滴喷射增材制造装置，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文征，刘巍，李桂伟，杜海东，郭晓钰，王博凡，赵继，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林;22