阅读说明：本技术 曲面压电陶瓷电流体喷射打印成型装置 (Curved surface piezoelectric ceramic electrical fluid injection printing shaping device ) 是由 王大志 赵奎鹏 姜重阳 周鹏 梁军生 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明属于先进制造技术领域,提供一种曲面压电陶瓷电流体喷射打印成型装置,包括电喷射压电陶瓷模块和曲面基底六轴联动模块两部分。所述的电喷射压电陶瓷模块实现陶瓷浆料微纳米级精细射流稳定形成,并实时监控射流状况；所述的曲面基底六轴联动模块实现基底的曲面轨迹运动和喷针的高度调整以及定位移动。本发明的有益效果为能够实现不同种曲面陶瓷的按需打印制造,避免了传统制造工艺精度低、粘贴难度大等问题以及压电陶瓷和基体的粘接胶蠕变、结合强度弱等问题,提高复杂曲面传感和驱动器件的灵敏性和可靠性,并具有适应范围广、操作简单、成本低的优势。(The invention belongs to advanced manufacturing technology fields, provide a kind of curved surface piezoelectric ceramic electrical fluid injection printing shaping device, including electrojet piezoelectric ceramics module and curved substrate six-axis linkage module two parts.The electrojet piezoelectric ceramics module realizes that the fine jet stability of ceramic slurry micro/nano level is formed, and monitors jet stream situation in real time；The curved substrate six-axis linkage module realizes the curved surface track movement of substrate and the height adjustment of nozzle needle and positioning movement.Beneficial effects of the present invention are that can be realized the print on demand manufacture of different kinds of curve ceramics, avoid the bonded adhesives creep that conventional fabrication processes precision is low, pastes the problems such as difficulty is big and piezoelectric ceramics and matrix, the problems such as bond strength is weak, the sensitivity and reliability of complex-curved sensing and driving element are improved, and there is wide adaptation range, advantage easy to operate, at low cost.)

曲面压电陶瓷电流体喷射打印成型装置

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，提供一种曲面压电陶瓷电流体喷射打印成型装置。

背景技术

近年来，智能装备不断向微型化、集成化、智能化方向发展，这一现状对机电系统也提出了更高的要求，需要实现空间全方位信息采集和曲面驱动变形等功能。在传感和驱动领域，压电陶瓷作为敏感传感和驱动元件，因具有响应快、结构简单、灵敏度高等优势，被广泛应用。

目前，航空航天领域的变形翼飞行器，需要在弯曲翼面上集成数百个压电微驱动器以实现协同变形。航海工程领域的潜航器，需要捕捉空间多方向信号以实现航行器准确的导航控制；海洋预警声纳系统的水听器，需要感知水域中不同方向的信息以实现对各方位不明物体的准确识别。然而，压电传感和驱动敏感元件一般为平面结构，当对于空间曲面结构进行传感和驱动时，通常将压电陶瓷块材加工成薄片，以拼接、粘贴等方式安装到曲面基底上，这种方式存在精度低、粘贴难度大等问题，限制了复杂曲面传感和驱动的灵敏性和可靠性。此外，该方式还存在压电陶瓷和基体的粘接胶蠕变、结合强度弱等问题，严重影响了器件性能。

发明内容

本发明为了解决现有技术的难题，发明了一种曲面压电陶瓷电流体喷射打印成型装置。采用压电陶瓷浆料，利用“电流体动力学”效应，浆料在电场力作用下形成微纳米级精细射流，结合曲面基底六轴联动系统和精细射流按需打印系统的协同控制，直接打印制造微纳米级曲面压电陶瓷图案。该装置免除了传统曲面压电陶瓷的拼接、转移、粘贴等工艺，简化了工艺流程，将提高压电陶瓷形位精度和结合强度，并提高压电器件的电学、力学等性能。该装置解决了曲面压电陶瓷的制造难题，实现了曲面压电陶瓷的高精度和高性能制造。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种曲面压电陶瓷电流体喷射打印成型装置，包括电喷射压电陶瓷模块和曲面基底六轴联动模块。

所述的电喷射压电陶瓷模块包括PC工控机1、CCD观察相机2、微量注射泵4、精密注射器5、软管6、喷针7和高压电源8；所述的精密注射器5固定在微量注射泵4上，通过软管6和喷针7相连，且喷针7固定在三维移动装置10的Z轴滑块上，位于三维旋转装置9的上方；所述的高压电源8，其正极输出端与喷针7相连接，其负极输出端与三维旋转装置9中的可换夹具19相连接；陶瓷浆料作为原材料墨汁，储存在精密注射器5中；所述的微量注射泵4供电后，控制精密注射器5以稳定的流量将原材料墨汁经过软管6后从喷针7口喷出，实现电喷射打印；所述的CCD观察相机2、微量注射泵4和高压电源8，均与PC工控机1连接，通过CCD观察相机2观察打印过程中射流的稳定性，通过PC工控机1控制微量注射泵4的注射以及高压电源8通电情况。

所述的曲面基底六轴联动模块包括PC工控机1、定位相机3、三维旋转装置9和三维移动装置10；所述的三维旋转装置9包括导电滑环11、周向旋转架12、Y向旋转步进电机13、Y向旋转架14、X向旋转架16、调平配重17、可换夹具19、X向旋转步进电机20、周向旋转电机22、X向旋转限位传感器18、Y向旋转限位传感器15和Z向旋转限位传感器21；所述的Y向旋转架14和X向旋转架16为框架结构，二者分别由Y向旋转步进电机13和X向旋转步进电机20控制并提供Y向和X向的旋转力矩；可换夹具19固定安装在X向旋转架16上，X向旋转架16通过安装轴安装在Y向旋转架14，X向旋转架16绕轴旋转；所述的Y向旋转架14通过安装轴安装在周向旋转架12上，Y向旋转架14绕轴旋转；所述的周向旋转架12通过周向旋转电机22提供周向的旋转力矩并保证打印的均匀性，使周向旋转架12绕底座周向旋转；从而通过电机和旋转架的配合带动可换夹具19做曲面运动；所述的X向旋转步进电机20和调平配重17均安装在Y向旋转架14上，且二者的安装位置相对称，通过调平配重17平衡X向旋转步进电机20的重量；所述的X向旋转限位传感器18、Y向旋转限位传感器15和Z向旋转限位传感器21分别安装在X向旋转架16、Y向旋转架14和周向旋转架12上，并与PC工控机1相连接，为模块的旋转运动提供基准原点和限位点，并通过PC工控机1反馈限位和回零；所述的导电滑环11安装在周向旋转架12的下方，解决周向电机22的旋转导致Y向旋转步进电机13和X向旋转步进电机20以及X向旋转限位传感器18、Y向旋转限位传感器15和Z向旋转限位传感器21的控制线发生绕线问题；所述的曲面基底23固定在可换夹具19上，并通过紧定螺钉26进行紧固；所述的三维旋转装置9安装在三维移动装置10的X/Y二维移动平台上，三维移动装置10实现三维旋转装置9的X和Y轴平移运动，通过调节三维移动装置10的Z轴滑块的位置以调整喷针7与曲面基底23之间的距离；三维旋转装置9和三维移动装置10均与PC工控机1相连接，PC工控机1协同控制三维旋转装置9和三维移动装置10实现六轴联动运动，实现曲面基底23的X、Y轴旋转运动以及周向旋转运动，从而实现复杂压电陶瓷曲面轨迹的运动；所述的定位相机3固定在三维移动装置10的Z轴滑块上，位于三维旋转装置9的上方，且与PC工控机1连接，通过定位相机3和三维移动装置10的共同配合实现曲面基底23轨迹的精确重复定位。

所述的微量注射泵4由220V交流电压供电，可实现100nL/min级溶液流量；所述的高压电源8输出的电压范围为0-5kV。

所述的X向旋转限位传感器18、Y向旋转限位传感器15和Z向旋转限位传感器21为霍尔传感器。

所述的Y向旋转步进电机13、X向旋转步进电机20和周向旋转电机22的转速为0-2000r/min。

所述的曲面基底23可为不同尺寸的半球面、半柱面、锥面等曲面结构。

所述的可换夹具19可根据曲面基底23的形状和尺寸更换为不同夹具，以实现不同需求。

本发明的有益效果为：本发明的装置实现了复杂曲面压电陶瓷打印成型。本发明避免了传统制造工艺精度低、粘贴难度大等问题以及压电陶瓷和基体的粘接胶蠕变、结合强度弱等问题，提高了复杂曲面传感和驱动器件的灵敏性和可靠性，并具有适应范围广、操作简单、成本低的优势。

附图说明

图1为本发明的曲面压电陶瓷电流体喷射打印成型装置的三维示意图；

图2为三维旋转装置的三维示意图；

图3为电喷射打印压电陶瓷示意图。

图中：1PC工控机；2CCD观察相机；3定位相机；4微量注射泵；5精密注射器；6软管；7喷针；8高压电源；9三维旋转装置；10三维移动装置；11导电滑环；12周向旋转架；13Y向旋转步进电机；14Y向旋转架；15Y向旋转限位传感器；16X向旋转架；17调平配重；18X向旋转限位传感器；19可换夹具；20X向旋转步进电机；21Z向旋转限位传感器；22周向旋转电机；23曲面基底；24泰勒锥；25打印轨迹线；26紧定螺钉。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图对本发明进一步说明，实施例的电喷印设备主要包括电喷射压电陶瓷模块和曲面基底六轴联动模块两部分。

所述的电喷射压电陶瓷模块由PC工控机1、CCD观察相机2、微量注射泵4、精密注射器5、软管6、喷针7和高压电源8组成。所述精密注射器5安装在微量注射泵4上，内部装有“ZnO浆料”。喷针7通过软管6与精密注射器5相连接，喷针7固定在三维移动装置10的Z轴滑块上，能够在竖直方向移动。所述高压电源8输出电压1200V，正极输出端与喷针7相连，负极与三维旋转装置9中的可换夹具19相连接。

所述的曲面基底六轴联动模块由PC工控机1、定位相机3、三维旋转装置9和三维移动装置10组成。所述的定位相机3固定在三维移动装置10的Z轴滑块上，和喷针7保持相对静止以实现精确重复定位。需要打印的曲面基底23(本实施例中采用球面的基底)放置并固定在可换夹具19内，三维移动装置10的X/Y轴位移台可以带动三维旋转装置9整体做平移运动，可使其平移至喷针7的延长线通过球面球心的位置。所述的三维旋转装置9可以实现绕曲面基底23球心的球面运动；通过PC工控机1控制三维旋转装置9的联动旋转配合，实现喷针7相对与曲面基底23的球面螺旋线运动，达到球面轨迹无交叉喷印，保证制备的陶瓷厚膜的均匀性。PC工控机1和CCD观察相机2通过USB数据线相连，实时监控打印区域内的泰勒锥24的稳定性以及球面内的轨迹运动情况。

实施例的具体实施步骤如下：

1)电喷射压电陶瓷浆料

高压电源8正极输出端和负极输出端分别与喷针7和可换夹具19连接，高压电源8施加1200V电压，选用ZnO悬浮液作为“陶瓷浆料”，ZnO悬浮液在微量注射泵4的缓慢推动下，以0.5μL/min的流量从精密注射器5通过导管6流至喷针7出口，在电场、重力场等作用下在喷针7口处形成稳定的泰勒锥24，喷射沉积在球面的曲面基底23上形成沉积层。曲面基底23放置在可调夹具19内并通过紧定螺钉26固定，三维移动装置10的Z轴调节喷针7和曲面基底23之间的高度约600μm，沉积层每层厚度约1μm。在PC工控机1屏幕中可监测CCD相机2视野内锥射流的打印情况。

2)曲面压电陶瓷的电喷射打印成型

打印前，先通过步骤1)移动喷针7至合适的高度，通过定位相机3设定喷针7的初始点和打印点，并保证打印点处喷针7通过打印球面的球心，然后PC工控机1通过定位相机3和三维移动装置10带动三维旋转装置9定位至预定打印点，锁定X、Y和Z轴平移，通过PC工控机1和三个限位传感器(X向旋转限位传感器18、Y向旋转限位传感器15和Z向旋转限位传感器21)反馈调整三维旋转装置9起始姿态，然后PC工控机1按照既定的程序控制三维旋转装置9的步进电机(Y向旋转步进电机13和X向旋转步进电机20)联动，通过Y向旋转架14和X向旋转架16的旋转，使曲面基底23做绕其自身球心的球面旋转运动，并且形成的打印轨迹线25为球面螺旋线，PC工控机1控制电机启动同时控制微量注射泵4和高压电源8工作，打印完成后同时即时关闭；打印过程中，周向旋转电机22带动周向旋转架12实时旋转以保证打印曲面的均匀；周向旋转架12的下方设有导电滑环11，解决周向电机22的旋转导致Y向旋转步进电机13和X向旋转步进电机20以及X向旋转限位传感器18、Y向旋转限位传感器15和Z向旋转限位传感器21的控制线发生绕线问题；打印完成后，锁定三维旋转装置9并解除三维移动装置10的锁定，移出曲面基底23进行加热处理。重复上述步骤进行第二层打印，重复上述步骤直至满足规定的打印厚度，然后烧结成型即可得到所需的半球面陶瓷结构。

本发明提出的一种曲面压电陶瓷电流体喷射打印成型的装置，利用“陶瓷浆料”在电场力、重力、表面张力、粘滞力等共同作用下，喷射出微纳米级的精细射流，并利用三维移动装置10、三维旋转装置9、微量注射泵4和高压电源8的协同控制，实现了半球面、半柱面和复杂曲面陶瓷的按需打印制造，保证了打印射流的稳定性和打印曲面的均匀一致性。本发明避免了传统的压电陶瓷复杂曲面制作过程中粘贴、拼接工艺，消除了传统器件对空间信号叠加拟合处理造成的信号延时和失真等问题，提高了复杂曲面传感和驱动微器件的灵敏性和可靠性。