一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置及打印方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置及打印方法，包括计算机、PWM控制模块、激光发生器、直流稳压可调电源单元、粉末发生器、驱动单元模块、超声阵列发射器以及反射器，计算机与PWM控制模块中的单片机连接，驱动单元模块与PWM控制模块相连接，驱动单元模块分别与激光发生器驱动端、粉末发生器驱动端和超声阵列发射器的驱动端通信，直流稳压可调电源单元为驱动单元模块提供能量；超声阵列发射器与反射器相对设置，反射器的表面设有粉末喷射口，粉末喷射口与粉末发生器连通，激光发生器设于反射器的一侧。本发明专利技术能够实现粉末在空间位置中任一声波节点的悬浮以及移动，移动粉末效率高和安全性强，复杂环境适应能力强。

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置及打印方法
本专利技术属于超声加工设备
，具体涉及一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印的方法以及装置。
技术介绍
超声驻波悬浮技术利用超声振动产生的辐射声压使悬浮体在没有任何附加效应的声场中悬浮或移动，具有非接触、无容器悬浮的特点。超声驻波在微电子机械系统、无容器材料处理和制备等领域都有运用。3D打印技术是一种以数字模型文件为基础、通过将粉末状金属或塑料等可粘合材料逐层堆叠累积的方式来构造物体的快速成形技术，能快速个性规划定制，并可结合其他计算机技术生产更加精密的零件。随着中国制造不断发展，3D打印技术所用的材料种类越来越多，成形结构越来越复杂，零件的精度越来越高，使其应用的范围不断增大。目前，3D打印已应用于机械制造、汽车制造行业，此外，在工业设备、医疗医学、教育等领域，3D打印技术的应用也为其开辟了新的发展方向。然而现在的3D打印只是简单的采用挤出机来实现成型，耐腐蚀能力和力学性能较差。为了克服
技术介绍
的不足，本专利技术提供一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印的方法以及装置，精确控制和组织悬浮粉末堆积形成3D打印形状，在预定位置安全地处理它们。在进入声场和沉淀过程中，粉状物质的颗粒将被重新排列，沿着所需的轨迹落下并沉降成一定的图案。一层又一层，颗粒将以任何形状沉积。本装置旨在解决现在的3D打印只是简单的采用挤出机来实现成型，耐腐蚀能力和力学性能较差，成型困难。
技术实现思路
基于现有技术中存在的上述不足，本专利技术提供一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法及打印装置，操作稳定性好，位置控制精确。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，包括计算机、PWM控制模块、激光发生器、直流稳压可调电源单元、粉末发生器、驱动单元模块、超声阵列发射器以及反射器，计算机与PWM控制模块中的单片机连接，驱动单元模块通过数据线与PWM控制模块相连接，驱动单元模块分别与激光发生器驱动端、粉末发生器驱动端和超声阵列发射器的驱动端通信，直流稳压可调电源单元为驱动单元模块提供能量；超声阵列发射器与反射器相对设置，超声阵列发射器与反射器之间形成3D打印空间，反射器的表面设有粉末喷射口，粉末喷射口与粉末发生器连通，粉末由粉末喷射口喷出至3D打印空间；激光发生器设于反射器的一侧，对3D打印空间内的粉末进行激光。作为本专利技术的优选方案之一，超声阵列发射器包括振动单元和固定单元，振动单元为超声换能器组成的方形阵列，固定单元为树脂壳体，振动单元设于固定单元的表面；反射器包括反射板，反射板的表面设有粉末喷射口；反射板与超声阵列发射器通过支撑架固定。作为本专利技术的优选方案之一，粉末发生器包括粉末储存器、带有压电陶瓷结构的喷射装置、喷射管和喷嘴，喷嘴设于所述粉末喷射口内，喷嘴通过喷射管与粉末储存器连通。作为本专利技术的优选方案之一，所述超声阵列发射器为14*14超声阵列发射器，包括14*14个超声换能器组成的方形阵列；该方形阵列分为两组，每组阵列产生不同的粉末悬浮点；每组阵列的边角位置均设有位置传感器，位置传感器与计算机电性连接。作为本专利技术的优选方案之一，所述PWM控制单元采用ArduinoMEGA单片机。本专利技术还提供一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，采用所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，包括以下步骤：S1，计算机将零件实际轮廓转化为零件的点坐标，S2，计算机根据点坐标信息发送指令，PWM控制模块根据指令生成不同频率和占空比的方波，并通过驱动单元模块控制超声阵列发射器产生相应地超声相控阵驻波声场，S3，粉末发生器喷射粉末，粉末由粉末喷射口喷出，驻波声场捕获粉末并移动至预定悬浮位置，S4，关闭驻波声场，悬浮粉末堆积成预定3D打印形状，S5，激光发生器发射激光，使堆积的粉末与基材表面薄层一起熔凝，粉末堆叠，循环往复，实现零件的3D打印。作为本专利技术的优选方案之一，步骤S1具体为：计算机根据零件实际轮廓生成三维CAD模型，将该模型按一定的厚度分层切片，将零件的三维数据信息转换成二维轮廓信息，然后对二维轮廓信息点化，生成点坐标。作为本专利技术的优选方案之一，步骤S2中，计算机根据点坐标计算出阵列中的每个阵元到焦点的距离，根据声程差自动算出对应的相移值，转换为激发PWM波时间差，PWM控制模块根据计算机发出的波时间差生成相应不同频率和占空比的方波；驱动单元模块使超声阵列产生振动，产生超声相控阵驻波声场。作为本专利技术的优选方案之一，步骤S3具体为，方形脉冲施加到粉末发生器的压电元件上，粉末发生器喷射粉末，在驻波的底部压力节点处注入并使超声相控阵驻波声场捕获粉末，实现粉末悬浮；计算机根据零件点坐标发出的指令来增加或者减少PWM波占空比，使声波节点发生移动，进而实现超声相控阵任意点移动粉末。作为本专利技术的优选方案之一，步骤S2和S3工作的同时，计算机还根据位置传感器的反馈信息对粉末悬浮位置进行修正本专利技术与现有技术相比，有益效果是：通过程序控制PWM控制模块里的定时器产生精确的方波来实现移动驻波节点来控制悬浮粉末目标，能够实现粉末在空间位置中任一声波节点的悬浮以及移动，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，实现3D成型。超声驻波对悬浮的材料选择性大，能够实现任何材质粉末的悬浮。超声相控阵悬浮移动粉末效率高和安全性强，具有复杂环境适应能力强等优点。附图说明图1为本专利技术的超声相控阵悬浮3D打印装置结构示意图；图2为本专利技术超声相控阵悬浮3D打印装置PWM波移动示意图；图3为本专利技术超声相控阵悬浮3D打印装置超声阵列发射器示意图；图4为本专利技术超声相控阵反射器及粉末发生器结构示意图；图5为本专利技术3D打印装置结构示意图；图6为本专利技术超声相控阵换能器阵元坐标图；图7为本专利技术超声相控阵悬浮粉末受力示意图；图8为本专利技术超声相控阵悬浮粉末仿真图；图中，1-计算机，2-PWM控制模块，3-驱动单元模块，31-超声阵列驱动端，32-激光器驱动端，33-粉末发生器驱动端；4-直流稳压可调电源单元，5-激光发生器，6-粉末发生器，61-粉末储存器，62-喷射管，63-喷嘴；7-超声阵列发射器，71-超声换能器，72-位置传感器；8-反射器，81-粉末喷射口，9-支撑架。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例1请参阅图1，本实施例提供一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，包括计算机、PWM控制模块、激光发生器、直流稳压可调电源单元、粉末发生器、驱动单元模块、超本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，包括计算机、PWM控制模块、激光发生器、直流稳压可调电源单元、粉末发生器、驱动单元模块、超声阵列发射器以及反射器，/n计算机与PWM控制模块中的单片机连接，驱动单元模块通过数据线与PWM控制模块相连接，驱动单元模块分别与激光发生器驱动端、粉末发生器驱动端和超声阵列发射器的驱动端通信，直流稳压可调电源单元为驱动单元模块提供能量；/n超声阵列发射器与反射器相对设置，超声阵列发射器与反射器之间形成3D打印空间，反射器的表面设有粉末喷射口，粉末喷射口与粉末发生器连通，粉末由粉末喷射口喷出至3D打印空间；激光发生器设于反射器的一侧，对3D打印空间内的粉末进行激光。/n

【技术特征摘要】
1.一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，包括计算机、PWM控制模块、激光发生器、直流稳压可调电源单元、粉末发生器、驱动单元模块、超声阵列发射器以及反射器，
计算机与PWM控制模块中的单片机连接，驱动单元模块通过数据线与PWM控制模块相连接，驱动单元模块分别与激光发生器驱动端、粉末发生器驱动端和超声阵列发射器的驱动端通信，直流稳压可调电源单元为驱动单元模块提供能量；
超声阵列发射器与反射器相对设置，超声阵列发射器与反射器之间形成3D打印空间，反射器的表面设有粉末喷射口，粉末喷射口与粉末发生器连通，粉末由粉末喷射口喷出至3D打印空间；激光发生器设于反射器的一侧，对3D打印空间内的粉末进行激光。


2.根据权利要求1所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，超声阵列发射器包括振动单元和固定单元，振动单元为超声换能器组成的方形阵列，固定单元为树脂壳体，振动单元设于固定单元的表面；反射器包括反射板，反射板的表面设有粉末喷射口；反射板与超声阵列发射器通过支撑架固定。


3.根据权利要求2所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，粉末发生器包括粉末储存器、带有压电陶瓷结构的喷射装置、喷射管和喷嘴，喷嘴设于所述粉末喷射口内，喷嘴通过喷射管与粉末储存器连通。


4.根据权利要求3所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，所述超声阵列发射器为14*14超声阵列发射器，包括14*14个超声换能器组成的方形阵列；该方形阵列分为两组，每组阵列产生不同的粉末悬浮点；每组阵列的边角位置均设有位置传感器，位置传感器与计算机电性连接。


5.根据权利要求4所述的非接触式超声相控阵悬浮3D打印装置，其特征在于，所述PWM控制单元采用ArduinoMEGA单片机。


6.一种非接触式超声相控阵悬浮3D打印方法，采用权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴立群，刘宽，杨梦露，陈增，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33