基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置和方法。所述的制備裝置包括三維移動(dòng)噴頭支架、反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、噴嘴控制單元和工作臺(tái)，在三維移動(dòng)噴頭支架上設(shè)有可根據(jù)制備要求移動(dòng)工作的多個(gè)噴嘴。所述的制備方法是在反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元內(nèi)設(shè)計(jì)出人工光合作用反應(yīng)器的幾何模型并將其離散成多層水平層片，確定加工參數(shù)、所需材料等信息，利用快速成型技術(shù)，通過(guò)制備裝置以分層制造、逐層累加的方式最終得到所需的人工光合作用反應(yīng)器。本發(fā)明具有設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)品精度高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以高效、高精度的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)人工光合作用反應(yīng)器的制備。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于快速成型設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于快速成型技術(shù)制備人工光合作 用反應(yīng)器的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，世界上生物能源中綠色植物光合作用以其高效率的轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能、產(chǎn)生穩(wěn)定 生物能、清潔無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)顯現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是光合作用對(duì)太陽(yáng)能利用率較低， 這促使各國(guó)科學(xué)家尋找更為有效的途徑來(lái)通過(guò)模擬自然界的光合作用來(lái)高效的利用太陽(yáng) 能，其中重要的研究方向之一就是人工光合作用，而人工光合作用反應(yīng)器則是用于實(shí)現(xiàn)上 述研究方向的實(shí)驗(yàn)型光生物反應(yīng)器。
[0003]對(duì)于生物光合作用的研究，迄今研究者已研發(fā)出了一些不同的利用光合作用原理 的人工光合作用反應(yīng)器，但其制造裝置的結(jié)構(gòu)及其制備工藝均比較復(fù)雜，對(duì)加工環(huán)境要求 苛刻、制作成本高、周期長(zhǎng)、且其制備工藝不能實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的人工光合作用反應(yīng)器的 制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種制備結(jié)構(gòu)及制備工藝簡(jiǎn) 單、操作方便、制造周期短、產(chǎn)品精度高、生產(chǎn)成本低且可實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的基于快速成 型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置和方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置，包括三維移動(dòng)噴頭支 架、控制器和其上放置有工作臺(tái)的底座，其中:
[0007]所述的三維移動(dòng)噴頭支架具有一個(gè)直立設(shè)置在底座上的立桿工作臂，在立桿工作 臂上部設(shè)置有一根可做上下(Z軸向)定位運(yùn)動(dòng)的縱向平直工作臂，縱向平直工作臂間開(kāi)有 長(zhǎng)槽孔，在縱向平直工作臂的長(zhǎng)槽孔內(nèi)裝入有一個(gè)可沿平直面做縱向(Y軸向)進(jìn)退定位運(yùn) 動(dòng)的套筒，在套筒中插裝入有一個(gè)可沿平直面做橫向(X軸向)往返定位運(yùn)動(dòng)的橫向平直工 作臂，在橫向平直工作臂的位于工作臺(tái)上方的端部固定安裝有一個(gè)噴嘴架，在噴嘴架上固 定安裝有多個(gè)噴嘴；
[0008]所述的控制器包括一個(gè)用于對(duì)待加工人工光合作用反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)分析并確定 加工參數(shù)的反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元、一個(gè)與反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元連接的用于驅(qū)動(dòng)噴嘴架做三 維向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制單元，以及一個(gè)與反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元連接的用于控制噴嘴架上各噴 嘴啟閉的噴嘴控制單元。
[0009]上述制備裝置的進(jìn)一步的技術(shù)方案還包括:在立桿工作臂上部設(shè)置有一根可在升 降電機(jī)驅(qū)動(dòng)下做上下定位運(yùn)動(dòng)的縱向平直工作臂，在縱向平直工作臂的長(zhǎng)槽孔內(nèi)裝入有一 個(gè)可由縱向電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沿平直面做縱向進(jìn)退定位運(yùn)動(dòng)的套筒，在套筒中插裝入有一個(gè)可在 橫向電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿平直面橫向往返定位運(yùn)動(dòng)的橫向平直工作臂，各電機(jī)的輸入端均與運(yùn)動(dòng)控制單元的輸出端連接。
[0010]上述制備裝置中，在噴嘴架上固定安裝的噴嘴數(shù)為4?600個(gè)，其中一個(gè)為支撐材料噴嘴，其余的為成型材料噴嘴。
[0011]上述制備裝置中，由各成型材料噴嘴噴出的成型材料分別為導(dǎo)電材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料和粘結(jié)材料的一種。
[0012]上述制備裝置中，由成型材料噴嘴噴出的成型材料為殼聚糖。
[0013]上述制備裝置中，所述噴嘴的噴口直徑為微米級(jí)或納米級(jí)。
[0014]采用上述裝置制備人工光合作用反應(yīng)器的方法包括下述的步驟:
[0015]I)在反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元內(nèi)設(shè)計(jì)出需要成型的人工光合作用反應(yīng)器的幾何模型，并通過(guò)反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元將設(shè)計(jì)好的人工光合作用反應(yīng)器的幾何模型離散成多層水平層片，確定加工參數(shù)，確定每個(gè)層片中所需材料的種類(lèi)信息和每種材料的位置信息；
[0016]2)將水平工作臺(tái)的上表面調(diào)整為水平狀態(tài)，對(duì)需要送入各噴嘴內(nèi)的成型材料進(jìn)行預(yù)加熱；
[0017]3)通過(guò)反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元將確定好的材料種類(lèi)信息傳輸給噴嘴控制單元，并將確定好的材料位置信息傳輸給運(yùn)動(dòng)控制單元，在運(yùn)動(dòng)控制單元和噴嘴控制單元的控制下，調(diào)用人工光合作用反應(yīng)器制備裝置上分別裝有不同成型材料的噴嘴，根據(jù)人工光合作用反應(yīng)器水平層片的信息在工作臺(tái)上有選擇地噴出一層截面，然后在快速降溫裝置的作用下降低已成型截面的溫度，從而形成一個(gè)實(shí)體固化層；
[0018]4)用過(guò)反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元和運(yùn)動(dòng)控制單元使噴嘴架上升一個(gè)層厚的距離，重復(fù)步驟3)，在固化好的實(shí)體層上再?lài)姵鲆粚咏孛?，形成一個(gè)新的成型層，該新成型層在凝結(jié)過(guò)程中與已固化層相粘結(jié)；
[0019]5)重復(fù)步驟3)?步驟4)，使各固化層逐層累加，直到整個(gè)人工光合作用反應(yīng)器模型完全完成；
[0020]6)對(duì)模型進(jìn)行整體固化處理，即得到需求的人工光合作用反應(yīng)器。
[0021]本發(fā)明所述的制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置及方法是一種利用快速成型技術(shù)，通過(guò)分層制造、逐層累加的方式進(jìn)行人工光合作用反應(yīng)器加工的裝置及方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022](I)該基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)三維移動(dòng)工作臂的設(shè)置實(shí)現(xiàn)噴嘴在X、Y和Z三個(gè)方向的移動(dòng)，完成三維結(jié)構(gòu)的人工光合作用反應(yīng)器打印成型；
[0023](2)該基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置操作簡(jiǎn)便，使用時(shí)只需在反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元內(nèi)建立人工光合作用反應(yīng)器的幾何模型并進(jìn)行離散化，將加工信息傳輸給噴嘴控制單元和運(yùn)動(dòng)控制單元后，即可開(kāi)始人工光合作用反應(yīng)器的三維打印工作；
[0024](3)本發(fā)明可以高效、高精度的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)人工光合作用反應(yīng)器的制備。
[0025]( 4 )本發(fā)明由于采用快速成型技術(shù)來(lái)制備制造人工光合作用反應(yīng)器，節(jié)約材料，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的加工，一次成型，可以批量制造各種復(fù)雜的具有特殊性能的人工光合作用反應(yīng)器，操作簡(jiǎn)單易行，工作可靠，減少了人工參與，縮短了制造周期(一般僅需幾小時(shí)便可制造出來(lái))，降低了制造成本。【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明所述基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2是圖1中三維移動(dòng)噴頭支架工作臂部分的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖3是是本發(fā)明的制被工藝流程圖。
[0029]附圖中各數(shù)字標(biāo)記的名稱(chēng)分別是:1.底座，2.三維移動(dòng)噴頭支架，2-1.立桿工作臂，2-2.縱向平直工作臂，2-3.橫向平直工作臂，3.反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元，4.運(yùn)動(dòng)控制單元，5.噴嘴架，6.噴嘴，7.噴嘴控制單元，8.工作臺(tái)，9.人工光合作用反應(yīng)器。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本
【發(fā)明內(nèi)容】
進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用形式并不僅限于下述的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)被認(rèn)為屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0031]參見(jiàn)附圖1，本發(fā)明所述的制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置由底座1、工作臺(tái)4、裝有噴嘴架5的三維移動(dòng)噴頭支架2、控制器等組成，其中的由反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元3、運(yùn)動(dòng)控制單元4、噴嘴控制單元7組成。工作臺(tái)4裝放在底座I上。三維移動(dòng)噴頭支架2用于安裝并帶動(dòng)噴嘴架5移動(dòng)，其工作臂部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由相互垂直的立桿(Z向)工作臂2-1、縱向(Y向)平直工作臂2-2和橫向(X向)平直工作臂2-3組成，縱向平直工作臂2-2可在升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿立桿工作臂2-1做上下定位運(yùn)動(dòng)，橫向平直工作臂2-3可在縱向電機(jī)或橫向電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿縱向平直工作臂2-2做縱向或橫向的定位運(yùn)動(dòng)。在橫向平直工作臂2-3的端部通過(guò)噴嘴架5固定安裝有多個(gè)(圖1中為六個(gè))直徑為微米級(jí)或納米級(jí)的噴嘴6，其中的一個(gè)噴嘴為支撐材料噴嘴，其余的噴嘴為成型材料噴嘴。由噴嘴所噴涂的成型材料可以是有機(jī)材料(如聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、殼聚糖、ABS塑料)、無(wú)機(jī)材料(如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷)，也可以是液體材料(如液態(tài)樹(shù)脂)或固體材料(如低熔點(diǎn)金屬錫合金)。
[0032]本發(fā)明裝置中的反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元3可用于對(duì)待加工人工光合作用反應(yīng)器9進(jìn)行設(shè)計(jì)分析并確定加工參數(shù)，其輸出端分別與用于控制三維移動(dòng)噴頭支架2運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制單元4的輸入端以及用于控制噴嘴6開(kāi)關(guān)的噴嘴控制單元7的輸入端相連接。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元3采用可以運(yùn)行三維造型軟件(如UG，Pro-e等)的計(jì)算機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制單元4可采用高精度運(yùn)動(dòng)控制器，噴嘴控制單元7可采用基于PLC的控制器。工作時(shí)反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元3根據(jù)加工參數(shù)要求通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制單元4及噴嘴控制單元7驅(qū)動(dòng)三維移動(dòng)噴頭支架2及噴嘴6工作。在噴嘴控制單元7控制下，噴嘴架5上的多個(gè)噴嘴之間可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，即一個(gè)噴嘴運(yùn)動(dòng)完成后另一個(gè)噴嘴再運(yùn)動(dòng)，也可以協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即多個(gè)噴嘴同時(shí)有規(guī)則地運(yùn)動(dòng)。
[0033]本發(fā)明所述的制備人工光合作用反應(yīng)器方法是一種利用快速成型技術(shù)，通過(guò)分層制造、逐層累加的方式進(jìn)行人工光合作用反應(yīng)器的加工方法，該方法包括以下步驟:
[0034]I)在反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元3內(nèi)設(shè)計(jì)出需要成型的人工光合作用反應(yīng)器的幾何模型，并通過(guò)反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元3將設(shè)計(jì)好的人工光合作用反應(yīng)器的幾何模型離散成多層水平層片，確定加工參數(shù)，確定每個(gè)層片中所需材料的種類(lèi)信息和每種材料的位置信息；[0035]2)將水平工作臺(tái)8的上表面調(diào)整為水平狀態(tài)，對(duì)需要送入各噴嘴6內(nèi)的成型材料 進(jìn)行預(yù)加熱；
[0036]3)通過(guò)反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元3將確定好的材料種類(lèi)信息傳輸給噴嘴控制單元7， 并將確定好的材料位置信息傳輸給運(yùn)動(dòng)控制單元4，在運(yùn)動(dòng)控制單元4和噴嘴控制單元7的 控制下，調(diào)用人工光合作用反應(yīng)器制備裝置上分別裝有不同成型材料的噴嘴，根據(jù)人工光 合作用反應(yīng)器水平層片的信息在工作臺(tái)上有選擇地噴出一層截面，然后在快速降溫裝置的 作用下降低已成型截面的溫度，從而形成一個(gè)實(shí)體固化層；
[0037]4)用過(guò)反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元3和運(yùn)動(dòng)控制單元4使噴嘴架5上升一個(gè)層厚的距 離，重復(fù)步驟3)，在固化好的實(shí)體層上再?lài)姵鲆粚咏孛妫纬梢粋€(gè)新的成型層，該新成型層 在凝結(jié)過(guò)程中與已固化層相粘結(jié)；
[0038]5)重復(fù)步驟3)?步驟4)，使各固化層逐層累加，直到整個(gè)人工光合作用反應(yīng)器模 型完全完成；
[0039]6)對(duì)模型進(jìn)行整體固化處理，即得到需求的人工光合作用反應(yīng)器。
【權(quán)利要求】
1.一種基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置，包括三維移動(dòng)噴頭支架(2)、控制器和其上放置有工作臺(tái)(8)的底座(1)，其特征在于: 所述的三維移動(dòng)噴頭支架(2)具有一個(gè)直立設(shè)置在底座(1)上的立桿工作臂(2-1)，在立桿工作臂(2-1)上部設(shè)置有一根可做上下定位運(yùn)動(dòng)的縱向平直工作臂(2-2)，縱向平直工作臂(2-2)間開(kāi)有長(zhǎng)槽孔，在縱向平直工作臂(2-2)的長(zhǎng)槽孔內(nèi)裝入有一個(gè)可沿平直面做縱向進(jìn)退定位運(yùn)動(dòng)的套筒，在套筒中插裝入有一個(gè)可沿平直面做橫向往返定位運(yùn)動(dòng)的橫向平直工作臂(2-3)，在橫向平直工作臂(2-3)的位于工作臺(tái)(8)上方的端部固定安裝有一個(gè)噴嘴架(5)，在噴嘴架(5)上固定安裝有多個(gè)噴嘴(6)； 所述的控制器包括一個(gè)用于對(duì)待加工人工光合作用反應(yīng)器(9)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析并確定加工參數(shù)的反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元(3)、一個(gè)與反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元(3)連接的用于驅(qū)動(dòng)噴嘴架(5)做三維向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制單元(4)，以及一個(gè)與反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元(3)連接的用于控制噴嘴架(5)上各噴嘴(6)啟閉的噴嘴控制單元(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置，其特征在于:在立桿工作臂(2-1)上部設(shè)置有一根可在升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)下做上下定位運(yùn)動(dòng)的縱向平直工作臂(2-2)，在縱向平直工作臂(2-2)的長(zhǎng)槽孔內(nèi)裝入有一個(gè)可由縱向電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沿平直面做縱向進(jìn)退定位運(yùn)動(dòng)的套筒，在套筒中插裝入有一個(gè)可在橫向電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿平直面橫向往返定位運(yùn)動(dòng)的橫向平直工作臂(2-3)，各電機(jī)的輸入端均與運(yùn)動(dòng)控制單元(4)的輸出端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置，其特征在于:在噴嘴架(5)上固定安裝的噴嘴(6)數(shù)為4~600個(gè)，其中一個(gè)為支撐材料噴嘴，其余的為成型材料噴嘴。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的 基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置，其特征在于:由各成型材料噴嘴噴出的成型材料分別為導(dǎo)電材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料和粘結(jié)材料的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置，其特征在于:由成型材料噴嘴噴出的成型材料為殼聚糖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的裝置，其特征在于:所述噴嘴(6)的噴口直徑為微米級(jí)或納米級(jí)。
7.一種基于快速成型技術(shù)制備人工光合作用反應(yīng)器的方法，其特征在于包括下述的步驟: 1)在反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元(3)內(nèi)設(shè)計(jì)出需要成型的人工光合作用反應(yīng)器的幾何模型，并通過(guò)反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元(3)將設(shè)計(jì)好的人工光合作用反應(yīng)器的幾何模型離散成多層水平層片，確定加工參數(shù)，確定每個(gè)層片中所需材料的種類(lèi)信息和每種材料的位置信息； 2)將水平工作臺(tái)(8)的上表面調(diào)整為水平狀態(tài)，對(duì)需要送入各噴嘴(6)內(nèi)的成型材料進(jìn)行預(yù)加熱； 3)通過(guò)反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元(3)將確定好的材料種類(lèi)信息傳輸給噴嘴控制單元(7)，并將確定好的材料位置信息傳輸給運(yùn)動(dòng)控制單元(4)，在運(yùn)動(dòng)控制單元(4)和噴嘴控制單元(7)的控制下，調(diào)用人工光合作用反應(yīng)器制備裝置上分別裝有不同成型材料的噴嘴，根據(jù)人工光合作用反應(yīng)器水平層片的信息在工作臺(tái)上有選擇地噴出一層截面，然后在快速降溫裝置的作用下降低已成型截面的溫度，從而形成一個(gè)實(shí)體固化層； 4)用過(guò)反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析單元(3)和運(yùn)動(dòng)控制單元(4)使噴嘴架(5)上升一個(gè)層厚的距離，重復(fù)步驟3)，在固化好的實(shí)體層上再?lài)姵鲆粚咏孛?，形成一個(gè)新的成型層，該新成型層在凝結(jié)過(guò)程中與已固化層相粘結(jié)； 5)重復(fù)步驟3)~步驟4)，使各固化層逐層累加，直到整個(gè)人工光合作用反應(yīng)器模型完全完成； 6)對(duì)模型進(jìn)行整體固·化處理，即得到需求的人工光合作用反應(yīng)器。
【文檔編號(hào)】B22F7/02GK103522548SQ201310485741
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】楊來(lái)俠, 任秀彬, 高揚(yáng), 李滌塵, 陳龍 申請(qǐng)人:西安科技大學(xué)