[發(fā)明專利]一種聚合物多材料多激光柔性增材制造系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810850206.1
• 申請日: 2018-07-28
• 公開（公告）號: CN109130171B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 閆春澤;伍宏志;史玉升;文世峰;張李超
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學
• 主分類號: B29C64/118
• 分類號: B29C64/118;B29C64/20;B29C64/268;B29C64/321;B29C64/386;B33Y30/00;B33Y40/00;B33Y50/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 梁鵬;曹葆青

本發(fā)明屬于絲材激光增材制造領(lǐng)域，并公開了一種聚合物多材料多激光柔性增材制造系統(tǒng)及方法。系統(tǒng)包括多個模塊，每個模塊對應成形單個切片層中不同的區(qū)域，每個模塊包括激光發(fā)射單元、多個機器人以及與每個機器人配套設(shè)置的供絲單元和擠出單元，激光發(fā)射單元與擠出單元分開設(shè)置，使得擠出和熔融分開進行避免擠出單元噴頭的堵塞；擠出單元設(shè)置在機器人的末端，機器人攜帶擠出單元到達預設(shè)的位置實現(xiàn)絲材的輸送，每個機器人輸送一種絲材，多個機器人按照預設(shè)的軌跡和順序進行送絲，送出的絲材在激光發(fā)射單元的作用下熔融，以實現(xiàn)每個切片層多材料的成形。通過本發(fā)明，解決噴頭易堵塞的問題，提高制造系統(tǒng)的柔性，實現(xiàn)大尺寸產(chǎn)品的成形。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于絲材激光增材制造領(lǐng)域，更具體地，涉及一種聚合物多材料多激光柔性增材制造系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

熔融沉積成形(FDM)作為一種重要的聚合物增材制造技術(shù)，它具備了增材制造技術(shù)的諸多優(yōu)點，如可制造不受幾何形狀限制的零部件、縮短產(chǎn)品的開發(fā)制造周期、節(jié)省材料等。在FDM成形過程中，聚合物絲材由送絲機構(gòu)運送至噴嘴并被加熱至熔融態(tài)，擠出后在空氣中固化成形。

目前，F(xiàn)DM技術(shù)盡管有運行成本低、成形材料廣泛、后處理簡單等優(yōu)點，但作為一種重要的聚合物增材制造方法，其仍存在以下不足之處：(1)打印過程中經(jīng)常出現(xiàn)熱噴頭堵塞的現(xiàn)象，這主要是送絲速率和絲材熔化速率不匹配造成的，未熔化的絲材深入到已熔化但尚未擠出的熔融態(tài)材料中，導致熔融態(tài)材料溢出至進料端空隙處降溫固化，從而造成噴頭堵塞；(2)打印噴頭往往會殘存熔融態(tài)的材料，冷卻后便固化留在噴嘴處，由于打印噴嘴一般為0.4mm且為打印噴頭的關(guān)鍵部位，導致殘留的材料清理困難，清理操作不當還會損壞噴嘴，從而嚴重影響打印精度；(3)若打印的零件結(jié)構(gòu)復雜、尺寸較大，打印噴頭將會長時間工作在較高溫度(常見的ABS、PLA打印溫度為200℃左右)下，這將影響打印噴頭的使用壽命；(4)FDM成形由于需要把熔融態(tài)的材料從噴頭擠出，因此成形速度較慢，不太適合制造大型的制件；(5)絲材擠出為豎直方向，通過重力的作用熔融態(tài)的絲材逐點、逐線、逐面沉積，而且通過升降臺下降的方法完成產(chǎn)品高度方向的成形，F(xiàn)DM打印噴頭；(6)目前的FDM打印機大部分為固有的單噴頭模式，只能實現(xiàn)一種材料的成形。而隨著科技的發(fā)展和國家的戰(zhàn)略需要，多材料的成形已經(jīng)成為研究的熱點。

CN107116220A公開了一種電場驅(qū)動熔融金屬噴射沉積3D打印裝置及其工作方法，其針對的是金屬多材料的制備；CN206733600U公開了一種單噴頭實現(xiàn)多材料層級復合3DP的裝置，其主要使用的是陶瓷粉末或是水凝膠作為打印材料，且使用僅限于生物醫(yī)用材料成形領(lǐng)域，由此可見聚合物多材料的增材制造研究較少，處于相對空白狀態(tài)；CN104118121A公開了一種FDM打印機的防堵打印噴頭，通過加入薄型加熱鋁塊、T型預熱鋁塊和恒溫鋁塊，使加熱空間大為減少、絲材熔融快，在一定程度上解決了噴頭堵塞問題，但是，這種防堵塞噴頭加入了多個鋁塊和溫度傳感器等多個零部件導致結(jié)構(gòu)復雜，難以精確加工，并且絲材性能不均勻、常含有雜質(zhì)、凝固異常等因素也會導致噴頭堵塞，這種情況是防堵打印噴頭無法解決的；另外，在FDM技術(shù)乃至整個增材制造領(lǐng)域，大尺寸產(chǎn)品的整體成形一直是亟待解決的問題，這主要是由于激光器產(chǎn)生的激光能夠作用的范圍有限。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種聚合物多材料多激光柔性增材制造系統(tǒng)及方法，通過對熔融沉積過程中的制造系統(tǒng)及其制造方法進行改進，其中通過將成形中劃分的切片層劃分為多個區(qū)域?qū)崿F(xiàn)分區(qū)成形，同時對每個成形區(qū)對應的成形單元和加工順序進行設(shè)定，并采用擠出單元和激光發(fā)射單元分開設(shè)置的方式，使聚合物絲材送出和熔融相分離，解決了FDM設(shè)備常見的噴頭易堵塞、清洗困難、使用壽命短等問題；通過多個機器人帶動送絲裝置運送不同種類的絲材，不僅提高了加工過程的靈活性、準確性和穩(wěn)定性，而且實現(xiàn)了多材料的成形以及大尺寸產(chǎn)品成形難的問題，并且大幅度提高了制造系統(tǒng)的柔性。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種聚合物多材料多激光柔性增材制造系統(tǒng)，其特征在于，