專(zhuān)利名稱(chēng)：一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用靜電紡絲技術(shù)制造微小零件的裝置，屬于 快速成型技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping,簡(jiǎn)稱(chēng)為RP技術(shù))是利用材料逐層迭 加累積成型的原理來(lái)制造產(chǎn)品的?？焖俪尚图夹g(shù)將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)、精密伺服驅(qū)動(dòng) 和新材料等先進(jìn)技術(shù)集成于一體，被認(rèn)為是最近20年來(lái)制造領(lǐng)域的一次 重大突破，是目前先進(jìn)制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。
目前，快速成型技術(shù)有很多種，如光固法(SLA)、層疊法(LOM)、激 光選域燒結(jié)法(SLS)、熔融沉積法(FDM)、掩模固化法(SGC)、三維印刷法 (TDP)和噴粒法(BPM)等。其中熔融沉積法(FDM)，由于其具有設(shè)備小巧、 價(jià)格低廉、應(yīng)用材料范圍廣泛、可直接制成工業(yè)產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，在企業(yè)中 有著最廣泛的應(yīng)用。然而，工業(yè)上應(yīng)用的熔融沉積法快速成型機(jī)， 一般 精度不高，而且，其噴嘴直徑一般在0.2~0.6mm，熔體經(jīng)過(guò)噴嘴后由于擠 出脹大效應(yīng)直徑一般大于lmm，因而熔融沉積法快速成型機(jī)對(duì)于微小零 件的生產(chǎn)顯得無(wú)能為力。
靜電紡絲技術(shù)是一種制備超細(xì)纖維和納米纖維的重要方法，典型的 靜電紡絲纖維直徑為40 2000nm。把靜電紡絲技術(shù)和快速成型技術(shù)結(jié)合 起來(lái)的研究，目前還沒(méi)有見(jiàn)到有公開(kāi)的報(bào)道。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型提出的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，把靜電 紡絲技術(shù)應(yīng)用到快速成型中，利用靜電紡絲技術(shù)可以紡出超細(xì)纖維的特 點(diǎn)，解決了熔融沉積法快速成型機(jī)在生產(chǎn)微小零件方面的不足，制品精 度提高，并且制品與紡絲介質(zhì)流出口可以保持一定的距離，因而制品平 臺(tái)只在兩維方向有高精度要求，使得設(shè)備加工成本降低。
本實(shí)用新型一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，包括尖端電極、 尖端電極托臺(tái)、靜電發(fā)生器、制品平臺(tái)、制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、毛細(xì)管、 噴嘴、支架及紡絲介質(zhì)控制裝置，尖端電極與靜電發(fā)生器的正極連接， 尖端電極安裝在尖端電極托臺(tái)上，尖端電極托臺(tái)安裝在支架的下端，尖端電極托臺(tái)在支架上可以上下移動(dòng)，用于調(diào)節(jié)尖端電極的尖部與毛細(xì)管
末端的距離；制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)制品平臺(tái)可以在支架上上下移動(dòng)， 調(diào)節(jié)制品平臺(tái)與毛細(xì)管的距離，制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接， 將根據(jù)預(yù)加工制品的形狀編制的制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)程序輸入到計(jì)算機(jī)中，由 計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制制品平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，毛細(xì)管與大地連接，毛細(xì)管在 尖端電極的正上方，毛細(xì)管與噴嘴相連，噴嘴安裝在紡絲介質(zhì)控制裝置 的下端，紡絲介質(zhì)控制裝置固定在支架的上端的中間部位。從毛細(xì)管末 端噴出的帶電紡絲介質(zhì)噴射流沿著直線路徑飛向尖端電極，由于制品平 臺(tái)的阻隔，噴射流就會(huì)堆積在制品平臺(tái)上。制品平臺(tái)是一個(gè)絕緣的薄壁 平板，其在制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)在XYZ三個(gè)方向自由移動(dòng)， 沿XY方向運(yùn)動(dòng)精度要求高，沿Z方向的運(yùn)動(dòng)精度不要求很高，制品沿Z方 向的尺寸根據(jù)堆積的層數(shù)確定，在制品加工過(guò)程中，制品平臺(tái)沿Z方向靜 止，因而該裝置比常規(guī)熔融沉積法快速成型機(jī)造價(jià)低，由于在靜電場(chǎng)下 產(chǎn)生的紡絲介質(zhì)的噴射流可以達(dá)到微米級(jí)或納米級(jí)，所以由此方法可制 備出極微小的精密零件。另外，紡絲介質(zhì)的噴射流動(dòng)在電場(chǎng)力的作用下， 通過(guò)增加電壓，紡絲介質(zhì)的流速或流量可以增加，所以對(duì)于普通尺寸的 快速成型制品，采用該裝置可以提高加工速度。紡絲介質(zhì)控制裝置可以 是螺桿式結(jié)構(gòu)，主要包括料筒、料斗、轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置、螺桿、加熱器和 溫度傳感器，紡絲介質(zhì)從料斗加入到料筒中，轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn) 動(dòng)將紡絲介質(zhì)均勻地?cái)D入到噴嘴，經(jīng)毛細(xì)管流出，毛細(xì)管和噴嘴采用錐 面配合，噴嘴與料筒采用螺釘連接。在料筒外側(cè)包覆加熱器，溫度傳感 器安裝在料筒上。
紡絲介質(zhì)控制裝置也可以是柱塞式結(jié)構(gòu)，主要包括料筒、柱塞、微 位移驅(qū)動(dòng)器、加熱器和溫度傳感器，將定量的紡絲介質(zhì)加入到料筒中， 柱塞放置于料筒中作用在紡絲介質(zhì)上，微位移驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)柱塞使其在料 筒內(nèi)移動(dòng)，柱塞通過(guò)微位移驅(qū)動(dòng)器的控制使紡絲介質(zhì)經(jīng)由噴嘴和毛細(xì)管 流出，在料筒外側(cè)包覆加熱器，在料筒上安裝溫度傳感器。
本實(shí)用新型提出的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，紡絲介 質(zhì)可以為顆粒狀或粉末狀的聚合物，也可以是聚合物溶液。當(dāng)紡絲介質(zhì) 為聚合物溶液時(shí)，加熱器不工作。當(dāng)紡絲介質(zhì)為顆粒狀或粉末狀的聚合 物時(shí)，加熱器工作，為了延緩熔體噴射流的固化可以在制品平臺(tái)上安裝 紅外加熱燈。
本實(shí)用新型提出的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，對(duì)于微小零件的生產(chǎn)，具有顯著的效果。根據(jù)生產(chǎn)需要，調(diào)節(jié)各種工藝參數(shù)， 可以生產(chǎn)出微米級(jí)的精密零件，對(duì)于常規(guī)尺寸的快速成型制品，成型速 度快，由于通過(guò)調(diào)節(jié)靜電電壓和毛細(xì)管與尖端電極的距離可以調(diào)節(jié)紡絲 介質(zhì)的噴射流的直徑，所以加工控制靈活，適應(yīng)的范圍更寬。

圖l是本實(shí)用新型提出的一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置的 示意圖
圖2是本實(shí)用新型提出的結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置的紡絲 介質(zhì)控制裝置為柱塞式結(jié)構(gòu)的示意圖
圖中l(wèi).尖端電極托臺(tái)，2.尖端電極，3.靜電發(fā)生器，4.制品平臺(tái)運(yùn) 動(dòng)系統(tǒng)，5.制品平臺(tái)，6.制品，7.毛細(xì)管，8.噴嘴，9.支架，IO.紡絲介質(zhì) 控制裝置，10-1.加熱器，10-2.料筒，10-3.料斗，10-4.轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置，10-5. 螺桿，10-6.溫度傳感器，10-7.柱塞，10-8.微位移驅(qū)動(dòng)器。
具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，見(jiàn)圖1和圖2， 該裝置包括尖端電極2、尖端電極托臺(tái)l、靜電發(fā)生器3、制品平臺(tái)5、制 品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)4、毛細(xì)管7、噴嘴8、支架9及紡絲介質(zhì)控制裝置10，尖 端電極2與靜電發(fā)生器3的正極連接，尖端電極2安裝在尖端電極托臺(tái)1上， 尖端電極托臺(tái)1安裝在支架9的下端，尖端電極托臺(tái)1在支架9上可以上下 移動(dòng)，用于調(diào)節(jié)尖端電極2的尖部與毛細(xì)管7末端的距離；制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng) 系統(tǒng)4帶動(dòng)制品平臺(tái)5可以在支架9上上下移動(dòng)，調(diào)節(jié)毛細(xì)管7與制品平臺(tái)5 的垂直距離，制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)4與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，將根據(jù)預(yù)加工制品 的形狀編制的制品平臺(tái)5運(yùn)動(dòng)程序輸入到計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制 制品平臺(tái)5的運(yùn)動(dòng)軌跡，毛細(xì)管7與大地連接，毛細(xì)管7在尖端電極2的正 上方，毛細(xì)管7與噴嘴8相連，噴嘴8安裝在紡絲介質(zhì)控制裝置10的下端， 紡絲介質(zhì)控制裝置10固定在支架9的上端的中間部位。從毛細(xì)管7末端噴 出的帶電紡絲介質(zhì)噴射流沿著直線路徑飛向尖端電極2，由于制品平臺(tái)5 的阻隔，噴射流就會(huì)堆積在制品平臺(tái)5上。制品平臺(tái)5是一個(gè)絕緣的薄壁 平板，其在制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)4的帶動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)在XYZ三個(gè)方向自由移 動(dòng)，由精密伺服驅(qū)動(dòng)沿XY方向的高精度運(yùn)動(dòng)，制品平臺(tái)及尖端電極托臺(tái) 1沿Z方向可以采用常規(guī)的氣動(dòng)、液動(dòng)或機(jī)械傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，精度不要求很 高，制品6沿Z方向的尺寸根據(jù)堆積的層數(shù)確定，在制品6加工過(guò)程中，制品平臺(tái)5沿Z方向靜止，因而該裝置比常規(guī)熔融沉積法快速成型機(jī)減少一 個(gè)方向的高精度運(yùn)動(dòng)，裝置造價(jià)降低，由于在靜電場(chǎng)下產(chǎn)生的紡絲介質(zhì) 的噴射流可以達(dá)到微米級(jí)或納米級(jí)，所以由此方法可制備出極微小的精 密零件。另外，紡絲介質(zhì)的噴射流動(dòng)在電場(chǎng)力的作用下，通過(guò)增加電壓， 紡絲介質(zhì)流量可以增加，所以對(duì)于普通尺寸的快速成型制品，采用該裝 置可以提高加工速度。紡絲介質(zhì)控制裝置10可以采用螺桿式結(jié)構(gòu)，主要 包括料筒10-2、料斗10-3、轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置10-4、螺桿10-5、加熱器10-1和 溫度傳感器10-6，紡絲介質(zhì)從料斗10-3加入到料筒10-2中，轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置 10-4帶動(dòng)螺桿10-5轉(zhuǎn)動(dòng)將紡絲介質(zhì)均勻地?cái)D入到噴嘴8，再經(jīng)毛細(xì)管7流 出，毛細(xì)管7和噴嘴8采用錐面配合，噴嘴8與料筒10-2采用螺釘連接，在 料筒10-2外側(cè)包覆加熱器10-1，并安裝溫度傳感器10-6。圖2所示是柱塞 式結(jié)構(gòu)的紡絲介質(zhì)控制裝置IO，其結(jié)構(gòu)中包括料筒10-2、加熱器10-1、溫 度傳感器10-6、柱塞10-7和微位移驅(qū)動(dòng)器10-8，將定量的紡絲介質(zhì)加入到 料筒10-2中，柱塞10-7放置于料筒10-2中作用在紡絲介質(zhì)上，柱塞10-7通 過(guò)微位移驅(qū)動(dòng)器10-8的控制使紡絲介質(zhì)經(jīng)由噴嘴8和毛細(xì)管7均勻流出。
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。圖l中毛細(xì) 管7內(nèi)徑為0.2mm，螺桿10-5直徑為14mm，毛細(xì)管7末端與尖端電極2的距 離為15cm，紡絲介質(zhì)為顆粒狀PP，料筒10-2設(shè)定溫度為250。C。
加工步驟首先把料筒10-2加熱到設(shè)定溫度，然后啟動(dòng)與螺桿10-5 連接的轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置10-4，等到毛細(xì)管7末端形成熔體滴時(shí)，打開(kāi)靜電發(fā) 生器3的電源，并逐步調(diào)節(jié)尖端電極2的電壓一直到毛細(xì)管7末端產(chǎn)生熔體 噴射流，然后清除工作臺(tái)上的余料，打開(kāi)制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)4及計(jì)算機(jī)程 序，制品平臺(tái)5按照要求的軌跡移動(dòng)，最終生產(chǎn)出所需制品6。通過(guò)此方 法，可以紡出十幾納米的超細(xì)纖維，可以生產(chǎn)出微米級(jí)的微小零件。
權(quán)利要求1、一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，其特征在于該裝置包括尖端電極、尖端電極托臺(tái)、靜電發(fā)生器、制品平臺(tái)、制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、毛細(xì)管、噴嘴、支架及紡絲介質(zhì)控制裝置，尖端電極與靜電發(fā)生器的正極連接，尖端電極安裝在尖端電極托臺(tái)上，尖端電極托臺(tái)安裝在支架的下端，尖端電極托臺(tái)在支架上可以上下移動(dòng)；制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)制品平臺(tái)可以在支架上上下移動(dòng)，制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，由計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制制品平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，毛細(xì)管與大地連接，毛細(xì)管在尖端電極的正上方，毛細(xì)管與噴嘴相連，噴嘴安裝在紡絲介質(zhì)控制裝置的下端，紡絲介質(zhì)控制裝置固定在支架的上端的中間部位；制品平臺(tái)是一個(gè)絕緣的薄壁平板，它在制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)在XYZ三個(gè)方向自由移動(dòng)；紡絲介質(zhì)控制裝置可以是螺桿式結(jié)構(gòu)，主要包括料筒、料斗、轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置、螺桿、加熱器和溫度傳感器，轉(zhuǎn)動(dòng)控制裝置帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，毛細(xì)管和噴嘴采用錐面配合，噴嘴與料筒采用螺釘連接，在料筒外側(cè)包覆加熱器，溫度傳感器安裝在料筒上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于紡絲介質(zhì)控制裝置也可以是柱塞式結(jié)構(gòu)，主要包括料筒、柱塞、微位移驅(qū)動(dòng)器、加熱器和溫 度傳感器，微位移驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)柱塞使柱塞在料筒內(nèi)移動(dòng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于在制品平臺(tái)上可以安裝紅外加熱燈。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于紡絲介質(zhì)可以為顆粒 狀或粉末狀的聚合物，也可以是聚合物溶液。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種結(jié)合靜電紡絲技術(shù)的快速成型裝置，包括尖端電極、尖端電極托臺(tái)、靜電發(fā)生器、制品平臺(tái)、制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、毛細(xì)管、噴嘴、支架及紡絲介質(zhì)控制裝置，尖端電極與靜電發(fā)生器的正極連接，尖端電極托臺(tái)在支架上可以上下移動(dòng)；制品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)制品平臺(tái)可以在支架上實(shí)現(xiàn)在XYZ三個(gè)方向自由移動(dòng)，毛細(xì)管在尖端電極正上方，毛細(xì)管與噴嘴相連，噴嘴安裝在紡絲介質(zhì)控制裝置的下端，紡絲介質(zhì)控制裝置固定在支架的上端的中間部位。本實(shí)用新型把靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用到快速成型中，對(duì)于微小零件的生產(chǎn)，具有顯著的效果；對(duì)于常規(guī)尺寸的快速成型制品的生產(chǎn)，成型速度快，加工控制靈活，適應(yīng)的范圍更寬。
文檔編號(hào)D01D5/00GK201357575SQ20092010628
公開(kāi)日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者丁玉梅, 勇 劉, 瑛 安, 楊衛(wèi)民, 謝鵬程, 鄧榮堅(jiān), 華 閻 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)