CN108145962A - 一种多层谐振型超材料吸波体增材制造设备及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多层谐振型超材料吸波体增材制造设备及制造方法，通过紫外光固化成形光敏树脂的方式成形介质层，并打印出嵌槽，然后通过机械臂将导电箔片移动到嵌槽内，或者通过直写式挤出头将纳米银浆打印到嵌槽内，并固化；光固化成形堆积，循环上述程序，最终完成多层谐振型超材料吸波体。本发明能够一次成型吸波体制品，设计灵活，共形性好，在武器隐身领域具有重要用途。

Description

一种多层谐振型超材料吸波体增材制造设备及制造方法
技术领域
本发明涉及一种多层谐振型超材料吸波体增材制造设备及制造方法，属于多种材料混合增材制造技术领域。
背景技术
超材料吸波体在电磁屏蔽，装备隐身方面均有重大应用，随着武器装备造型日趋复杂，如何提高隐身能力成为重要研究内容，超材料吸波体通过谐振效应使电磁波通过时产生震荡损耗，从而起到某波段的屏蔽作用，这项功能在武器雷达隐身方面具有重要应用价值。武器表面一体化和共形化是重要解决方案。因此，一体化制备超材料吸波体在解决武器雷达隐身方面研究意义重大。
谐振型超材料吸波体由导电层和介质层组成，传统工艺常采用光刻的方法，在均一介质上刻出空气层，然后层层粘接，制备出多层吸波体。用此种方法制备吸波体，首先只能在同一材料内刻出空气层的方式实现介电常数的变化，缺乏设计柔性，第二，通过层层粘接的方式制备多层吸波体结构，易出现粘接空隙，并存在光刻单元对心误差较大的问题。而采用增材制造的方式制备吸波体，可以通过多种材料逐层堆积的方式制备出吸波体，设计柔性大，且一次性成型精度高。
但目前增材制造技术的几类加工工艺，如fdm工艺，成形精度不够，sla和sls工艺，只能同时制备，对于像谐振型吸波体类的多材料复合制品，制备能力有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多层谐振型超材料吸波体增材制造设备，能够一次成型吸波体制品，设计灵活，共形性好，在武器隐身领域具有重要用途。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种多层谐振型超材料吸波体增材制造设备，包括介质层成形单元、导电层成形单元、残料清除单元和控制单元(16)，其中，介质层成形单元包括液槽(1)、打印平台(3)、竖直导轨(4)、紫外线发生器(5)；液槽(1)顶部敞开口，竖直导轨(4)竖直固定设置于液槽(1)的外部，电驱装置活动设于竖直导轨(4)上，打印平台(3)水平位于液槽(1)中，且打印平台(3)通过连接杆与电驱装置相连接，打印平台(3)随电驱装置在竖直导轨(4)上的上下移动，而在液槽(1)中上下移动，紫外线发生器(5)位于液槽(1)的正上方，且紫外线发生器(5)上的照射端竖直向下指向打印平台(3)；导电层成形单元包括直写式喷头(7)、空压机(8)、以及直写式喷头所对应的气管(10)、电控机械臂(15)；直写式喷头(7)的注入端与其对应气管(10)的其中一端相连接，气管(10)的另一端连接空压机(8)的出气端，直写式喷头所对应电控机械臂(15)的其中一端位置固定，且该电控机械臂(15)以其该固定端为支点转动，该电控机械臂(15)的另一端与直写式喷头(7)的侧面相连接，直写式喷头(7)在其对应电控机械臂(15)运动控制下而移动；残料清除单元包括树脂残料吸盘(12)、残料分离泵(13)、残料池(14)，以及树脂残料吸盘(12)所对应的气管(10)、电控机械臂(15)，残料分离泵(13)上气流通道的其中一端与空压机(8)的进气端相连接，残料分离泵(13)上气流通道的另一端经其对应的气管(10)与树脂残料吸盘(12)顶部相连通，残料分离泵(13)的分离端经导管对接残料池(14)，树脂残料吸盘(12)所对应电控机械臂(15)的其中一端位置固定，且该电控机械臂(15)以其该固定端为支点转动，该电控机械臂(15)的另一端与树脂残料吸盘(12)的侧面相连接，树脂残料吸盘(12)在其对应电控机械臂(15)运动控制下而移动；紫外线发生器(5)、竖直导轨(4)上的电驱装置、空压机(8)、直写式喷头所对应的电控机械臂(15)、树脂残料吸盘(12)所对应的电控机械臂(15)、残料分离泵(13)分别与控制单元(16)相连接。
作为本发明的一种优选技术方案：所述导电层成形单元还包括箔片吸盘(9)、气泵(11)，以及箔片吸盘(9)所对应的气管(10)、电控机械臂(15)；所述空压机(8)经气泵(11)与箔片吸盘(9)所对应气管(10)的其中一端相连接，该气管(10)的另一端与箔片吸盘(9)顶部相连通，箔片吸盘(9)所对应电控机械臂(15)的其中一端位置固定，且该电控机械臂(15)以其该固定端为支点转动，该电控机械臂(15)的另一端与箔片吸盘(9)的侧面相连接，箔片吸盘(9)在其对应电控机械臂(15)运动控制下而移动；箔片吸盘(9)所对应的电控机械臂(15)、气泵(11)分别与所述控制单元(16)相连接。
与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种多层谐振型超材料吸波体增材制造设备的制造方法，能够一次成型吸波体制品，设计灵活，共形性好，在武器隐身领域具有重要用途。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种多层谐振型超材料吸波体增材制造设备的制造方法，用于实现多层谐振型超材料吸波体的制造，包括如下步骤：
步骤A.液槽(1)中填充光敏树脂，控制单元(16)控制电驱装置在竖直导轨(4)移动，带动打印平台(3)在液槽(1)逐层下移，同时，控制单元(16)控制紫外线发生器(5)工作，照射位于打印平台(3)上表面的光敏树脂，使之在打印平台(3)上固化成形，即伴随打印平台(3)在液槽(1)逐层下移，位于打印平台(3)上的光敏树脂逐层堆积固化成形，如此，控制单元(16)依据吸波体基本结构，控制紫外线发生器(5)与电驱装置协同工作，使得光敏树脂形成嵌槽，然后进入步骤B；
步骤B.控制单元(16)控制树脂残料吸盘(12)所对应的电控机械臂(15)工作，使得树脂残料吸盘(12)移动至嵌槽上方，接着控制单元(16)控制残料分离泵(13)工作，由残料分离泵(13)嵌槽内未固化的光敏树脂吸走，并输送到残料池(14)中储存，然后进入步骤C；
步骤C.由控制单元(16)控制导电层成形单元工作，针对嵌槽完成导电层的制备；
步骤D.循环上述步骤A至步骤C操作，最终完成多层谐振型超材料吸波体。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C如下：
控制单元(16)控制直写式喷头(7)所对应的电控机械臂(15)工作，使得直写式喷头(7)移动至嵌槽上方，接着控制单元(16)控制空压机(8)工作，由空压机(8)产生压力，将内置于直写式喷头(7)中的纳米银浆挤出，并注入到嵌槽内，完成导电层的制备。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C如下：
控制单元(16)控制气泵(11)工作，由气泵(11)驱动箔片吸盘(9)产生负压，吸附一片导电箔片，接着控制单元(16)控制箔片吸盘(9)所对应的电控机械臂(15)工作，使得箔片吸盘(9)移动至嵌槽上方，将所吸附的导电箔片嵌入到嵌槽内，完成导电层的制备。
本发明所述一种多层谐振型超材料吸波体增材制造设备及制造方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：多层谐振型超材料吸波体增材制造设备满足各种多层超材料吸波体的制备需求，通过吸波体结构设计，满足多频段热射波的吸收要求。此外，本发明可以满足其他多材料混合制品的制备需求，拓展增材制造技术的制备能力。
附图说明
图1是本发明多层谐振型超材料吸波体增材制造设备的整体示意图；
图2是本发明应用生产多层谐振型超材料吸波体结构的侧视图；
图3是本发明应用生产多层谐振型超材料吸波体结构的俯视图。
其中，1.液槽，2.光敏树脂，3.打印平台，4.竖直导轨，5.紫外线发生器，6.紫外线，7.直写式喷头，8.空压机，9.箔片吸盘，10.气管，11.气泵，12.树脂残料吸盘，13.残料分离泵，14.残料池，15.机械臂，16.控制单元，17.导电层，18.介质层。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明设计了一种多层谐振型超材料吸波体增材制造设备，实际应用当中，包括介质层成形单元、导电层成形单元、残料清除单元和控制单元(16)，其中，介质层成形单元包括液槽(1)、打印平台(3)、竖直导轨(4)、紫外线发生器(5)；液槽(1)顶部敞开口，竖直导轨(4)竖直固定设置于液槽(1)的外部，电驱装置活动设于竖直导轨(4)上，打印平台(3)水平位于液槽(1)中，且打印平台(3)通过连接杆与电驱装置相连接，打印平台(3)随电驱装置在竖直导轨(4)上的上下移动，而在液槽(1)中上下移动，紫外线发生器(5)位于液槽(1)的正上方，且紫外线发生器(5)上的照射端竖直向下指向打印平台(3)；在本发明所设计的多层谐振型超材料吸波体增材制造设备中，针对导电层成形单元，同时设计包括含两套结构，第一套包括直写式喷头(7)、空压机(8)、以及直写式喷头所对应的气管(10)、电控机械臂(15)；直写式喷头(7)的注入端与其对应气管(10)的其中一端相连接，气管(10)的另一端连接空压机(8)的出气端，直写式喷头所对应电控机械臂(15)的其中一端位置固定，且该电控机械臂(15)以其该固定端为支点转动，该电控机械臂(15)的另一端与直写式喷头(7)的侧面相连接，直写式喷头(7)在其对应电控机械臂(15)运动控制下而移动；第二套包括箔片吸盘(9)、气泵(11)，以及箔片吸盘(9)所对应的气管(10)、电控机械臂(15)；所述空压机(8)经气泵(11)与箔片吸盘(9)所对应气管(10)的其中一端相连接，该气管(10)的另一端与箔片吸盘(9)顶部相连通，箔片吸盘(9)所对应电控机械臂(15)的其中一端位置固定，且该电控机械臂(15)以其该固定端为支点转动，该电控机械臂(15)的另一端与箔片吸盘(9)的侧面相连接，箔片吸盘(9)在其对应电控机械臂(15)运动控制下而移动；箔片吸盘(9)所对应的电控机械臂(15)、气泵(11)分别与所述控制单元(16)相连接；残料清除单元包括树脂残料吸盘(12)、残料分离泵(13)、残料池(14)，以及树脂残料吸盘(12)所对应的气管(10)、电控机械臂(15)，残料分离泵(13)上气流通道的其中一端与空压机(8)的进气端相连接，残料分离泵(13)上气流通道的另一端经其对应的气管(10)与树脂残料吸盘(12)顶部相连通，残料分离泵(13)的分离端经导管对接残料池(14)，树脂残料吸盘(12)所对应电控机械臂(15)的其中一端位置固定，且该电控机械臂(15)以其该固定端为支点转动，该电控机械臂(15)的另一端与树脂残料吸盘(12)的侧面相连接，树脂残料吸盘(12)在其对应电控机械臂(15)运动控制下而移动；紫外线发生器(5)、竖直导轨(4)上的电驱装置、空压机(8)、直写式喷头所对应的电控机械臂(15)、树脂残料吸盘(12)所对应的电控机械臂(15)、残料分离泵(13)分别与控制单元(16)相连接。
基于上述所设计多层谐振型超材料吸波体增材制造设备，本发明进一步设计了制造方法，用于实现多层谐振型超材料吸波体的制造，实际应用中，具体包括如下步骤：
步骤A.液槽(1)中填充光敏树脂，其介电常数应在3-4之间，并可通过添加氧化铝陶瓷粉的方式调节介电常数；控制单元(16)控制电驱装置在竖直导轨(4)移动，带动打印平台(3)在液槽(1)逐层下移，同时，控制单元(16)控制紫外线发生器(5)工作，照射位于打印平台(3)上表面的光敏树脂，使之在打印平台(3)上固化成形，即伴随打印平台(3)在液槽(1)逐层下移，位于打印平台(3)上的光敏树脂逐层堆积固化成形，如此，控制单元(16)依据吸波体基本结构，控制紫外线发生器(5)与电驱装置协同工作，如图2和图3所示，使得光敏树脂形成嵌槽，当光敏树脂固化到一定厚度后，紫外线发生器可暂停，便于导电层的嵌入，然后进入步骤B。
步骤B.控制单元(16)控制树脂残料吸盘(12)所对应的电控机械臂(15)工作，使得树脂残料吸盘(12)移动至嵌槽上方，接着控制单元(16)控制残料分离泵(13)工作，由残料分离泵(13)嵌槽内未固化的光敏树脂吸走，并输送到残料池(14)中储存，然后进入步骤C。
步骤C.由控制单元(16)控制导电层成形单元工作，针对嵌槽完成导电层的制备。
这里基于针对导电层成形单元的含两套设计结构，分别采用不同设计结构均可实现步骤C的操作，其中，若采用第一套设计结构，则具体实施如下：
控制单元(16)控制直写式喷头(7)所对应的电控机械臂(15)工作，使得直写式喷头(7)移动至嵌槽上方，接着控制单元(16)控制空压机(8)工作，由空压机(8)产生压力，将内置于直写式喷头(7)中的纳米银浆挤出，并注入到嵌槽内，完成导电层的制备。
若采用第二套设计结构，则具体实施如下：
控制单元(16)控制气泵(11)工作，由气泵(11)驱动箔片吸盘(9)产生负压，吸附一片导电箔片，接着控制单元(16)控制箔片吸盘(9)所对应的电控机械臂(15)工作，使得箔片吸盘(9)移动至嵌槽上方，将所吸附的导电箔片嵌入到嵌槽内，完成导电层的制备。这里，导电箔片包括铜箔、铝箔等金属箔片和导电塑料箔片，根据超材料吸波体的设计选择不同电导率的箔片，通过箔片吸盘进行传递。
步骤D.循环上述步骤A至步骤C操作，最终完成多层谐振型超材料吸波体。
本专利所设计多层谐振型超材料吸波体增材制造设备及制造方法，采用绝对坐标系，各执行单元的运动精度应保证0.1mm，满足吸波体的制备精度需求。其模型格式可采用stl格式，按照双材料模式进行组装，并划分网格。并将三维数据转化为光固化设备运动数据和机械臂的运动数据。相关执行单元按照运动代码进行运动。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变动。

Claims (5)

1.一种多层谐振型超材料吸波体增材制造设备，其特征在于：包括介质层成形单元、导电层成形单元、残料清除单元和控制单元(16)，其中，介质层成形单元包括液槽(1)、打印平台(3)、竖直导轨(4)、紫外线发生器(5)；液槽(1)顶部敞开口，竖直导轨(4)竖直固定设置于液槽(1)的外部，电驱装置活动设于竖直导轨(4)上，打印平台(3)水平位于液槽(1)中，且打印平台(3)通过连接杆与电驱装置相连接，打印平台(3)随电驱装置在竖直导轨(4)上的上下移动，而在液槽(1)中上下移动，紫外线发生器(5)位于液槽(1)的正上方，且紫外线发生器(5)上的照射端竖直向下指向打印平台(3)；导电层成形单元包括直写式喷头(7)、空压机(8)、以及直写式喷头所对应的气管(10)、电控机械臂(15)；直写式喷头(7)的注入端与其对应气管(10)的其中一端相连接，气管(10)的另一端连接空压机(8)的出气端，直写式喷头所对应电控机械臂(15)的其中一端位置固定，且该电控机械臂(15)以其该固定端为支点转动，该电控机械臂(15)的另一端与直写式喷头(7)的侧面相连接，直写式喷头(7)在其对应电控机械臂(15)运动控制下而移动；残料清除单元包括树脂残料吸盘(12)、残料分离泵(13)、残料池(14)，以及树脂残料吸盘(12)所对应的气管(10)、电控机械臂(15)，残料分离泵(13)上气流通道的其中一端与空压机(8)的进气端相连接，残料分离泵(13)上气流通道的另一端经其对应的气管(10)与树脂残料吸盘(12)顶部相连通，残料分离泵(13)的分离端经导管对接残料池(14)，树脂残料吸盘(12)所对应电控机械臂(15)的其中一端位置固定，且该电控机械臂(15)以其该固定端为支点转动，该电控机械臂(15)的另一端与树脂残料吸盘(12)的侧面相连接，树脂残料吸盘(12)在其对应电控机械臂(15)运动控制下而移动；紫外线发生器(5)、竖直导轨(4)上的电驱装置、空压机(8)、直写式喷头所对应的电控机械臂(15)、树脂残料吸盘(12)所对应的电控机械臂(15)、残料分离泵(13)分别与控制单元(16)相连接。
2.根据权利要求1所述的多层谐振型超材料吸波体增材制造设备，其特征在于：所述导电层成形单元还包括箔片吸盘(9)、气泵(11)，以及箔片吸盘(9)所对应的气管(10)、电控机械臂(15)；所述空压机(8)经气泵(11)与箔片吸盘(9)所对应气管(10)的其中一端相连接，该气管(10)的另一端与箔片吸盘(9)顶部相连通，箔片吸盘(9)所对应电控机械臂(15)的其中一端位置固定，且该电控机械臂(15)以其该固定端为支点转动，该电控机械臂(15)的另一端与箔片吸盘(9)的侧面相连接，箔片吸盘(9)在其对应电控机械臂(15)运动控制下而移动；箔片吸盘(9)所对应的电控机械臂(15)、气泵(11)分别与所述控制单元(16)相连接。
3.一种基于权利要求2所述的多层谐振型超材料吸波体增材制造设备的制造方法，用于实现多层谐振型超材料吸波体的制造，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A.液槽(1)中填充光敏树脂，控制单元(16)控制电驱装置在竖直导轨(4)移动，带动打印平台(3)在液槽(1)逐层下移，同时，控制单元(16)控制紫外线发生器(5)工作，照射位于打印平台(3)上表面的光敏树脂，使之在打印平台(3)上固化成形，即伴随打印平台(3)在液槽(1)逐层下移，位于打印平台(3)上的光敏树脂逐层堆积固化成形，如此，控制单元(16)依据吸波体基本结构，控制紫外线发生器(5)与电驱装置协同工作，使得光敏树脂形成嵌槽，然后进入步骤B；
步骤B.控制单元(16)控制树脂残料吸盘(12)所对应的电控机械臂(15)工作，使得树脂残料吸盘(12)移动至嵌槽上方，接着控制单元(16)控制残料分离泵(13)工作，由残料分离泵(13)嵌槽内未固化的光敏树脂吸走，并输送到残料池(14)中储存，然后进入步骤C；
步骤C.由控制单元(16)控制导电层成形单元工作，针对嵌槽完成导电层的制备；
步骤D.循环上述步骤A至步骤C操作，最终完成多层谐振型超材料吸波体。
4.根据权利要求3所述的多层谐振型超材料吸波体增材制造设备的制造方法，其特征在于，所述步骤C如下：
控制单元(16)控制直写式喷头(7)所对应的电控机械臂(15)工作，使得直写式喷头(7)移动至嵌槽上方，接着控制单元(16)控制空压机(8)工作，由空压机(8)产生压力，将内置于直写式喷头(7)中的纳米银浆挤出，并注入到嵌槽内，完成导电层的制备。
5.根据权利要求3所述的多层谐振型超材料吸波体增材制造设备的制造方法，其特征在于，所述步骤C如下：
控制单元(16)控制气泵(11)工作，由气泵(11)驱动箔片吸盘(9)产生负压，吸附一片导电箔片，接着控制单元(16)控制箔片吸盘(9)所对应的电控机械臂(15)工作，使得箔片吸盘(9)移动至嵌槽上方，将所吸附的导电箔片嵌入到嵌槽内，完成导电层的制备。
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