[發明專利]一種等離子協同超聲輔助增材制造裝置及方法

在審

• 申請號: 202310026944.5
• 申請日: 2023-01-09
• 公開（公告）號: CN116160680A
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 范聰澤;單忠德;丁學軍;宋文哲;鄭菁樺;陳意偉;王靖軒;朱許君;崔世超
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學;南京長江工業技術研究院有限公司
• 主分類號: B29C64/20
• 分類號: B29C64/20;B29C64/209;B29C64/241;B33Y30/00;B29C64/307;B33Y40/00
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 薛雨妍

本發明公開了一種等離子協同超聲輔助增材制造裝置及方法，該裝置包括超聲裝置、自動旋轉裝置、打印噴頭、等離子裝置和固定裝置。本發明中的自動旋轉裝置可以根據打印路徑實時旋轉，控制等離子裝置始終位于打印路徑方向前側，超聲裝置始終位于打印路徑方向后側，實現等離子處理打印過程的上一層，超聲處理打印層，等離子處理實現對層間的活化效果，超聲處理減少層間孔隙，二者協同作用綜合改善復合材料的層間結合效果，提高層間力學性能。

技術領域

本發明涉及增材制造領域，特別是涉及一種等離子協同超聲輔助增材制造裝置及方法。

背景技術

纖維增強樹脂基復合材料因為其比強度高、比模量高等特點而在各個領域應用都較為廣泛。由于傳統的制造方式工藝較為復雜且成本高，近年來，增材制造因其成本低且易成型復雜零部件等優點而發展越來越迅速。

增材制造逐層堆疊的成形方式使得成形下一層時，上一層已經緩慢冷卻凝固，導致層間粘結效果較差，因為樹脂在熔融狀態下才有較好的粘結效果。因為打印噴頭為圓形，擠出材料時為圓柱體，因此會產生孔隙。如圖3所示。

由于增材制造成型的復合材料普遍存在著層間存在孔隙、層間粘結效果較差等問題，導致成型的復合材料層間性能較差，從而制約其應用。

發明內容

為解決上述問題，本發明公開了一種等離子協同超聲輔助增材制造裝置及方法；通過實時、及時地對打印上一層進行等離子處理，提高表面活性，增強層間粘附效果，對打印層進行超聲處理，減少層間孔隙，綜合改善復合材料的層間結合效果，提高層間力學性能。

一種等離子協同超聲輔助增材制造裝置，包括超聲裝置、自動旋轉裝置、打印噴頭、等離子裝置和固定裝置，自動旋轉裝置包括電機和齒輪，其中電機端部連接有齒輪，固定裝置有三個環形開孔，從左至右依次為超聲裝置固定環、打印噴頭固定環和等離子裝置固定環；打印噴頭固定環外側裝有與所述齒輪嚙合的齒圈；固定裝置中間端裝有與所述齒輪相互嚙合的內齒輪。

進一步的，所述齒輪分別與打印噴頭固定環外的齒圈嚙合且與內齒輪內嚙合，通過打印路徑程序輸入控制電機轉動，打印噴頭固定裝環固定不動，外部連接固定超聲裝置和等離子裝置跟隨轉動，實現等離子裝置始終位于打印路徑方向前側，超聲裝置始終位于打印路徑方向后側。

進一步的，所述固定裝置中的超聲裝置固定裝置和等離子裝置固定裝置均可調整固定位置，分別控制超聲噴頭和等離子噴頭與打印層的距離。

進一步的，超聲裝置和等離子裝置的參數可以根據不同的打印材料和打印參數進行調整進一步改進，所述固定裝置中的超聲裝置固定裝置和等離子裝置固定裝置均可調整固定位置，分別控制超聲噴頭和等離子噴頭與打印層的距離。

一種等離子協同超聲輔助增材制造方法，包括如下步驟：

（a）調整固定位置，包括超聲噴頭和等離子噴頭與打印基板的距離，分別為0-10mm，5-15mm；

（b）開啟等離子裝置，調整功率為100-1000W，開啟超聲裝置，調整頻率為20-60kHz；

（c）開始打印，根據打印路徑方向，實時自動旋轉，始終保持等離子處理打印上一層，超聲處理打印層；

（d）打印完成后，等待樣品冷卻，取樣。

進一步，打印所用絲材包括短纖維和連續纖維增強樹脂基復合材料絲材。

進一步，打印所用纖維包括碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等等，所用樹脂為聚乳酸、聚醚醚酮等熱塑性樹脂。

進一步，超聲裝置和等離子裝置的參數可以根據不同的打印材料和打印參數進行調整。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：

打印過程中，通過實時、及時地對打印上一層進行等離子處理，提高表面活性，增強層間粘附效果，對打印層進行超聲處理，減少層間孔隙，綜合改善復合材料的層間結合效果，提高層間力學性能。