水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置

摘要

本发明公开了一种水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置，用于解决现有金属微滴水平喷射沉积成形过程中液滴铺展对称性差的技术问题。技术方案是包括充电电极、充电电极夹持器、偏转电极上极板、偏转电极下极板、偏转电极滑钮、偏转电极夹持器、壳体、壳体夹持器、位置敏感传感器、平行光源、可编程高压发生器、工控机、信号放大器和光电传感器。所述光电传感器与平行光源正对放置；所述位置敏感传感器平行壳体中轴面放置；利用工控机控制可编程高压发生器调节充电电压Uc及偏转电压Ud，使偏转电极按需产生电场力消除微滴飞行过程中的竖直方向速度分量，操纵金属微滴水平飞行，最终垂直基板沉积，以此抑制金属微滴沉积过程中的非对称铺展。

权利要求

1.一种水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置，其特征在于：包括壳体(1)、偏转电极夹持器(2)、偏转电极滑钮(3)、偏转电极上极板(4)、偏转电极下极板(5)、充电电极夹持器(6)、充电电极(7)、壳体夹持器(8)、喷头(9)、位置敏感传感器(14)、平行光源(15)、可编程高压发生器(17)、工控机(18)、信号放大器(19)和光电传感器(20)；所述壳体(1)是圆柱管状结构，壳体夹持器(8)是三爪形结构，壳体(1)通过三爪形壳体夹持器(8)固定于带凸缘的喷头(9)上，所述充电电极夹持器(6)是指环状结构，充电电极夹持器(6)的柱面及右端面上均开有螺孔，充电电极夹持器(6)嵌套于壳体(1)右端，并通过螺栓与壳体(1)固连；所述充电电极(7)是带有引脚的环形薄铜片，通过螺钉固定于充电电极夹持器(6)右端面；所述偏转电极夹持器(2)为镂空的圆柱，其内壁开有两个正对着的燕尾槽，其外圆柱面上开有一个滑钮导槽(10)，偏转电极滑钮(3)通过滑钮导槽(10)安装于偏转电极夹持器(2)上，偏转电极夹持器(2)与壳体内(1)内壁配合，且能够自由滑动，偏转电极上极板(4)与偏转电极下极板(5)平行放置，分别通过燕尾槽与偏转电极夹持器(2)连接，在偏转电极滑钮(3)的推动作用下，偏转电极上极板(4)和偏转电极下极板(5)随着偏转电极夹持器(2)在壳体(1)内沿轴线滑动；所述光电传感器(20)与平行光源(15)正对放置，两者中轴线垂直于金属微滴(16)的飞行路径；所述位置敏感传感器(14)平行壳体(1)中轴面放置；所述放大器(19)用于放大光电传感器(20)及位置敏感传感器(14)的电信号供工控机(18)运算，利用工控机控制可编程高压发生器(17)调节充电电压Uc及偏转电压Ud。

2.根据权利要求1所述的水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置，其特征在于：所述壳体(1)背侧开有导线槽(11)。

3.根据权利要求1或2所述的水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置，其特征在于：所述壳体(1)的材料是石英玻璃。

4.根据权利要求1所述的水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置，其特征在于：所述偏转电极夹持器(2)上下横梁上各有一个偏转电极接线柱(13)，偏转电极接线柱(13)通过导线(12)分别与偏转电极上极板(4)和偏转电极下极板(5)电连接。

5.根据权利要求1所述的水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置，其特征在于：所述偏转电极上极板(4)与偏转电极下极板(5)表面覆铜膜，正对面为弧形瓦楞面。

6.根据权利要求1所述的水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置，其特征在于：所述壳体夹持器(8)的材料是氧化铝陶瓷。

说明书

水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置

技术领域

[0001] 本发明属于3D打印技术领域，具体是涉及一种水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置。

背景技术

[0002] 在金属微滴水平喷射3D打印中，液滴喷射速度与重力垂直，液滴在飞行过程中由于自重将产生一个沿重力方向的速度分量，以致沉积时额外受到一个沿重力方向的惯性力，液滴非对称铺展，最终凝固成泪滴状，以致相邻液滴间无法充分接触熔合，打印件内部势必存在较多孔隙，这是影响金属微滴水平喷射沉积成形件致密度的一大难题。

[0003] 文献“Liquid jet trajectory and droplet path influenced by combined cross flow and electric fields[J].Chemical Engineering Science,2018,181:114-121”公开了一种利用空气横流及静电场的联合作用改变液滴飞行轨迹的实验装置，该装置包括注射泵、喷头、反电极、高压电源、风机和导管。在注射泵的作用下喷头连续产生液滴，反电极垂直喷头放置，在高压电源的控制下两者间形成非匀强电场，液滴在电场作用下朝反电极一侧偏转，此时由风机产生水平气流，经矩形截面透明玻璃导管，形成水平射流。但由于液滴在导管内偏转，液滴无法直接沉积，且该装置无法按需精确控制不同大小液滴沉积位置。实际打印过程中金属液滴直径大小存在一定差异，飞行轨迹各异，沉积距离越大沉积精度也随之变差。在按需喷射打印中需要对每一颗金属微滴的飞行轨迹进行实时精确调控，因此文献公开的装置不能实现金属微滴水平喷射及按需精确沉积。

发明内容

[0004] 为了克服现有金属微滴水平喷射沉积成形过程中液滴铺展对称性差的不足，本发明提供一种水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置。该装置包括充电电极、充电电极夹持器、偏转电极上极板、偏转电极下极板、偏转电极滑钮、偏转电极夹持器、壳体、壳体夹持器、位置敏感传感器、平行光源、可编程高压发生器、工控机、信号放大器和光电传感器。所述光电传感器与平行光源正对放置；所述位置敏感传感器平行壳体中轴面放置；利用工控机控制可编程高压发生器调节充电电压Uc及偏转电压Ud，使偏转电极按需产生电场力消除微滴飞行过程中的竖直方向速度分量，操纵金属微滴水平飞行，最终垂直基板沉积，以此抑制金属微滴沉积过程中的非对称铺展。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置，其特点是包括壳体、偏转电极夹持器、偏转电极滑钮、偏转电极上极板、偏转电极下极板、充电电极夹持器、充电电极、壳体夹持器、喷头、位置敏感传感器、平行光源、可编程高压发生器、工控机、信号放大器和光电传感器。所述壳体是圆柱管状结构，壳体夹持器是三爪形结构，壳体通过三爪形壳体夹持器固定于带凸缘的喷头上，所述充电电极夹持器是指环状结构，充电电极夹持器的柱面及右端面上均开有螺孔，充电电极夹持器嵌套于壳体右端，并通过螺栓与壳体固连；所述充电电极是带有引脚的环形薄铜片，通过螺钉固定于充电电极夹持器右端面；所述偏转电极夹持器为镂空的圆柱，其内壁开有两个正对着的燕尾槽，其外圆柱面上开有一个滑钮导槽，偏转电极滑钮通过滑钮导槽安装于偏转电极夹持器上，偏转电极夹持器与壳体内内壁配合，且能够自由滑动，偏转电极上极板与偏转电极下极板平行放置，分别通过燕尾槽与偏转电极夹持器连接，在偏转电极滑钮的推动作用下，偏转电极上极板和偏转电极下极板随着偏转电极夹持器在壳体内沿轴线滑动。所述光电传感器与平行光源正对放置，两者中轴线垂直于金属微滴的飞行路径；所述位置敏感传感器平行壳体中轴面放置；所述放大器用于放大光电传感器及位置敏感传感器的电信号供工控机运算，利用工控机控制可编程高压发生器调节充电电压Uc及偏转电压Ud。

[0006] 所述壳体背侧开有导线槽。

[0007] 所述偏转电极夹持器上下横梁上各有一个偏转电极接线柱，偏转电极接线柱通过导线分别与偏转电极上极板和偏转电极下极板电连接。

[0008] 所述偏转电极上极板与偏转电极下极板表面覆铜膜，正对面为弧形瓦楞面。

[0009] 所述壳体的材料是石英玻璃。

[0010] 所述壳体夹持器的材料是氧化铝陶瓷。

[0011] 本发明的有益效果是：该装置包括壳体、偏转电极夹持器、偏转电极滑钮、偏转电极上极板、偏转电极下极板、充电电极夹持器、充电电极、壳体夹持器、位置敏感传感器、平行光源、可编程高压发生器、工控机、信号放大器、光电传感器。所述充电电极、偏转电极上极板、偏转电极下极板与壳体，壳体与喷头同轴装配，结构紧凑且有利于保证良好的形位精度。所述充电电极夹持器与壳体之间构成滑动副，利用滑动副调节偏转电极与喷头间的距离，调节微滴飞行距离，偏转电极位置调节滑钮导槽带有刻度，以便精确控制位置偏转电极位置。通过由位置敏感传感器、平行光源、可编程高压发生器、工控机、信号放大器、光电传感器组成的PID反馈调节系统调控充电电压、偏转电压，以控制金属微滴的充电电量、所受静电力大小，进而调节微滴飞行轨迹，使金属微滴垂直沉积与基板，减小金属微滴水平沉积后的非对称性。

[0012] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

[0013] 图1是本发明水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置的结构示意图。

[0014] 图2是图1的局部剖视图。

[0015] 图3是图2中充电电极与充电电极夹持器的安装示意图。

[0016] 图4是图2中偏转电极上极板、偏转电极下极板与偏转装置夹持器的安装示意图。

[0017] 图5是图2中导线槽11的示意图。

[0018] 图6是本发明水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置反馈调节过程示意图。

[0019] 图中，1-壳体；2-偏转装置夹持器；3-偏转电极滑钮；4-偏转电极上极板；5-偏转电极下极板；6-充电电极夹持器；7-充电电极；8-壳体夹持器；9-喷头；10-滑钮导槽；11-导线槽；12-导线；13-偏转电极接线柱；14-位置敏感传感器；15-平行光源；16-金属微滴；17-可编程高压发生器；18-工控机；19-信号放大器；20-光电传感器。

具体实施方式

[0020] 以下实施例参照图1～6。

[0021] 本发明水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置包括充电电极7、充电电极夹持器6、偏转电极上极板4、偏转电极下极板5、偏转电极滑钮3、偏转电极夹持器2、壳体1、壳体夹持器8、喷头9、位置敏感传感器14、平行光源15、可编程高压发生器17、工控机18、信号放大器19和光电传感器20。

[0022] 所述壳体1是圆柱管状，壳体夹持器8是三爪形结构，壳体1通过三爪形壳体夹持器8固定于带凸缘的喷头9上，壳体1的材料是石英玻璃，具有较好的透视性，便于位置敏感传感器14采集金属微滴16的位置信息，壳体夹持器8的材料是氧化铝陶瓷，可以避免喷头9上的热量传递至壳体1而损坏壳体1；所述充电电极夹持器6是指环状结构，充电电极夹持器6的柱面及右端面上均开有螺孔，充电电极夹持器6嵌套于壳体1右端，并通过螺栓与壳体1固连；所述充电电极7是带有引脚的环形薄铜片，通过螺钉固定于充电电极夹持器6右端面；所述偏转电极夹持器2为镂空的圆柱，其内壁开有两个正对着的燕尾槽，其外圆柱面上开有一个滑钮导槽10，偏转电极滑钮3通过滑钮导槽10安装于偏转电极夹持器2，偏转电极夹持器2与壳体内1内壁配合，且能够自由滑动，偏转电极上极板4与偏转电极下极板5分别通过燕尾槽与偏转电极夹持器2连接，在偏转电极滑钮3的推动作用下，偏转电极上极板4和偏转电极下极板5随着偏转电极夹持器2在壳体1内沿轴线滑动，调节偏转电极上极板4和偏转电极下极板5空间位置，对金属微滴16飞行轨迹有不同的调节效果，偏转电极上极板4和偏转电极下极板5表面均覆铜膜，正对面为弧形瓦楞面，平行放置，便于约束金属微滴16沿中轴面运动；所述光电传感器20与平行光源15正对放置，两者中轴线垂直于金属微滴16的飞行路径，测量采集金属微滴16的直径大小；所述位置敏感传感器14平行壳体1中轴面放置，用来获取金属微滴16的位置信息；所述放大器19用于放大光电传感器20及位置敏感传感器14的电信号供工控机18运算，利用工控机控制可编程高压发生器17调节充电电压Uc及偏转电压Ud。

[0023] 所述壳体1背侧开有导线槽11。

[0024] 所述偏转电极夹持器2上下横梁上各有一个偏转电极接线柱13，偏转电极接线柱13通过导线12分别与偏转电极上极板4和偏转电极下极板5电连接。

[0025] 水平喷射金属微滴飞行轨迹调控装置工作时，首先利用偏转电极滑钮3按所需沉积距离调节偏转电极上极板4和偏转电极下极板5与喷头9之间的距离；连接可编程高压发生器17与充电电极7、偏转电极上极板4、偏转电极下极板5之间的电路。然后，启动喷头9按所需频率连续产生金属微滴16。接着，启动控制程序，充电电压Uc置于电场即将放电电压Udis，充电电极7与喷头9之间将产生充电电场，偏转电压Ud置零。当金属微滴16穿过充电电极7时，在静电感应作用下金属微滴16被充电，光电传感器20上接受到金属微滴16的阴影形成的光电信号，经计算得到金属微滴16直径大小d，利用经前期大量微滴样本训练过的神经网络模型计算得到金属微滴16表面所覆盖的电荷量。紧接着根据Ud≥πρgd2/6q预估所需偏转电压的大小作为偏转电压的初始值，经工控机18发出调压指令，可编程高压发生器17将更新偏转电压大小，偏转电极上极板4与偏转电极下极板5之间产生偏转电场。当金属微滴16穿过偏转电场时在偏转电场的作用下带电金属微滴16受静电力作用，产生与重力加速度方向相反的反重力飞行加速度，此时位置传感器将检测到微滴的空间坐标；当微滴的坐标不与偏转电场重合时，高频调制程序将不断调整偏转电压Ud的大小直至金属微滴16穿过偏转电场。当金属微滴16穿过偏转电场时的坐标位于偏转电场轴线上方时，可编程高压发生器17在下一颗金属微滴喷射前减小充电电压，经过多次调制金属微滴16最终将沿偏转电场轴线飞出，水平飞行的金属微滴16垂直沉积于基板，金属微滴16水平沉积后具有较好的对称性；当金属微滴16穿过偏转电场时的坐标位于偏转电场轴线下方时，则表明液滴直径过大，超过调制范围，应当适当减小微滴直径或使用轻质金属材料。