[發明專利]復合材料超聲沉積增材制造裝置及方法

在審

• 申請號: 201710248056.2
• 申請日: 2017-04-16
• 公開（公告）號: CN106985385A
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 吳文征;李桂偉;蔣吉利;蔣浩;劉巍;曲興田;趙繼;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B29C64/141
• 分類號: B29C64/141;B29C64/307;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司22100
• 代理人: 魏征驥

1.一種復合材料超聲沉積增材制造裝置，其特征在于：包括機架、三軸運動系統、超聲沉積打印頭、導絲管、料輥、送絲裝置和切絲裝置，所述的三軸運動系統固定在機架內并位于其底板的上方，所述的超聲沉積打印頭位于三軸運動系統的上方并固定在支撐板上，所述的導絲管位于超聲沉積打印頭與送絲裝置之間并與兩者相連，所述的切絲裝置位于超聲沉積打印頭的上方并固定在機架頂部的十字梁上，所述的送絲裝置位于機架內并固定在其頂部的十字梁上，所述的料輥位于機架外部，并固定在其頂部的十字梁上，所述的料輥的數目與打印材料的種類數目相同，用來裝載不同的打印材料。

2.根據權利要求1所述的一種復合材料超聲沉積增材制造裝置，其特征在于：所述的機架由底板、支撐柱、支撐板和頂部十字梁之間通過固定連接組成，所述的底板用于連接三軸運動系統，所述的支撐柱用于連接支撐機架，所述的支撐板用于連接超聲沉積打印頭，所述的頂部十字梁用于固定連接料輥、送絲裝置和切絲裝置。

3.根據權利要求1所述的一種復合材料超聲沉積增材制造裝置，其特征在于：所述的三軸運動系統由Z軸支座、Z軸直線軸承導軌、Z軸滾珠絲杠機構、Z軸臺面、X軸底板、X軸軸承、X軸線性滑軌、X軸軸承座、X軸滾珠絲杠、Y軸運動系統、基板、X軸臺面、X軸電機座、X軸步進電機和Z軸步進電機組成，Z軸支座固定在機架上，Z軸直線軸承導軌對Z軸臺面進行導向，保證運行平穩，Z軸步進電機安裝在Z軸支座上，帶動Z軸滾珠絲杠機構轉動進而帶動Z軸臺面在Z軸方向運動，X軸底板通過螺栓連接固定在Z軸臺面上，X軸線性滑軌、X軸軸承座和X軸電機座均固定在X軸底板上，X軸軸承通過過盈配合安裝在X軸軸承座上，X軸臺面固定在X軸線性滑軌上，X軸滾珠絲杠中的螺母通過螺栓固定在X軸臺面上，X軸步進電機固定在X軸電機座上，同時通過彈性聯軸器與X軸滾珠絲杠連接，通過計算機控制X軸步進電機轉動，帶動X軸滾珠絲杠的轉動，從而調節X軸臺面在X軸方向的運動；Y軸運動系統與X軸運動系統的組成相同，基板固定在Y軸臺面上，同時Y軸底板固定在X軸臺面上。

4.根據權利要求1所述的一種復合材料超聲沉積增材制造裝置，其特征在于：所述的超聲沉積打印頭由支座、壓電陶瓷換能器、變幅桿和超聲焊頭組成，支座通過螺栓固定連接在機架的支撐板上，壓電陶瓷換能器與支座和變幅桿通過螺紋連接，變幅桿和超聲焊頭通過螺紋連接。

5.根據權利要求4所述的一種復合材料超聲沉積增材制造裝置，其特征在于：所述的超聲焊頭有一通孔，用于通過沉積絲材，超聲焊頭的通孔底部倒圓角，便于沉積絲材與打印基板結合。

6.根據權利要求1所述的一種復合材料超聲沉積增材制造裝置，其特征在于：所述的導料管由主導料管和分導料管連接組成，分導料管可以有多個，數目與打印材料種類數目相同，用于導入不同的材料，主導料管將分導料管導入的材料引入超聲焊頭。

7.根據權利要求1所述的一種復合材料超聲沉積增材制造裝置，其特征在于：所述的切絲裝置由下導向塊、上導向塊、導向塊支架、切割刀具、絲杠導軌移動平臺支座及絲杠導軌移動平臺組成，下導向塊和上導向塊通過螺栓連接并固定在導向塊支架上，導向塊支架通過螺栓固定在機架的頂部十字梁上，切割刀具固定在絲杠導軌移動平臺上，絲杠導軌移動平臺通過絲杠導軌移動平臺支座固定在機架的頂部十字梁上。

8.采用如權利要求1所述的一種復合材料超聲沉積增材制造裝置的增材制造方法，其特征在于，包括下列步驟：

(1)采用所述的復合材料超聲沉積增材制造裝置，在打印過程中，計算機根據所要超聲沉積成形的絲材種類控制送絲裝置導入相應的絲材，經導管導入超聲焊頭至超聲焊頭與基板結合處；

(2)在超聲沉積成形過程中，計算機根據超聲沉積成形材料的性質，控制超聲焊頭的驅動頻率及振幅，通過調節超聲焊頭與成形基板之間的相對距離，對沉積絲材施加超聲焊接靜壓力，根據沉積材料所需要沉積的位置，控制三軸運動系統的X-Y二維運動，沉積成形完一層，成形平臺下降一個層厚的高度，計算機根據相應的截面輪廓信息，再超聲沉積成形新一層截面輪廓；

(3)在進行多材混合打印時，如需更換材料，計算機控制切絲裝置切斷實時沉積打印絲材，控制送絲裝置導入新的絲材，并調節超聲焊頭的驅動頻率和振幅以及焊頭與成形層之間的距離，完成異種材料間的超聲沉積成形，如此疊加成形，直至最終成形出所需三維實體零件。

9.根據權利要求8所述的一種復合材料超聲沉積增材制造方法，其特征在于：用于超聲沉積成形的材料為金屬、非金屬和塑料絲材，能實現異種金屬、異種塑料、金屬與塑料以及金屬與陶瓷之間的混合成形，沉積絲材直徑范圍為1-2000μm。