CN103350498B - 一种非均质实体的制造方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非均质实体的制造方法和设备。该制造方法和设备基于多个螺杆挤出，且对各浆料挤出的速率进行实时控制，实现成型头出口处浆料的组分的实时变化，并通过逐层扫描的方式实现非均质实体的堆叠制造，具有设计巧妙，通过直接读取非均质实体的材料信息，易于成型头的扫描路线规划；通过实时控制各螺杆挤出速率实现成型头出口处各浆料比例的变化，可以实现高精度、复杂材料变化的非均质实体制造。

Description

一种非均质实体的制造方法和设备

技术领域

本发明属于先进制造技术，具体为一种非均质实体的制造方法和设备。该制造方法和设备的特点是基于多个螺杆挤出，且挤出速率实时变化。

背景技术

构件中材料成分和性能的突然变化会导致明显的应力集中，如果实体的制造过程中是采用一种材料到另一种材料的逐步过渡，会使应力集中大大减小。为了减少材料的应力集中和提高材料的性能，日本，美国和德国等许多国家都开展了这种新型的功能梯度材料(functionally graded materials),简称FGMs。这种新型材料已扩展到能源，航天航空，生物医学工程等许多领域。这种材料是一种集多种组分于一体的新型材料，含有的组分中可以包括金属，尼龙，树脂等。功能梯度材料作为一个规范化的正式概念是1984年日本科学技术厅宇航实验室提出的。1995年德国发起了一项国家协调计划，主要研究功能性梯度材料的制备。目前这种材料已经成为结构材料和功能材料领域的重要课题之一。功能梯度材料具有的主要特点是：材料组分和结构程连续的梯度变化，材料的内部没有明显的界面，材料的各种性质也呈现连续的梯度变化。

非均质功能材料的制备方法有许多，如化学气相沉积法，等离子喷涂法，粉末冶金法，激光熔覆法等等。

化学气相沉积法将两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定条件下发生化学反应，使生成的固相物质沉积在基板上。在此过程中可以通过调整合成温度，调节气流流量等方法控制材料各种组分的比例。但该工艺局限于两种物质的相态以及化学反应等条件。

等离子喷涂法采用同时熔化难熔相和金属，控制两种粉末的相对供给速率得到功能材料中的组分变化。例如在基板上喷涂单层的NiCr合金粉末，然后逐步过渡到100％的ZrO₂粉末喷涂。此技术已经用于喷气式飞机发动机和相关材料的改性中，这种梯度涂层能够明显提高材料的隔热性和耐热疲劳。

申请号为200810053855.5的中国专利介绍了一种功能性非均质构件的制造方法和设备。具体方法为，首先配制出设计要求的金属盐溶液作为打印墨水，浓度控制在其饱和度以下，并注入打印机墨盒中；然后把打印喷头与激光头组合在一起，在计算机控制下，打印喷头喷出打印墨水后，激光头对打印喷头进行同位扫描，实现当前层面上打印墨水反应固化；逐层喷墨打印，逐层反应固化，直至完成。该方法的局限性在于墨水中能够含有的干物质必须很低以保证不会出现喷头堵塞的现象，因此，激光烧结后层叠的变形会较大，不仅如此每层液态物质蒸出后的有效高度将会大大降低，制造实体过程中分层较大。

申请号为201110269706.4的中国专利也介绍了一种非均质实体的制造方法及设备。具体方法为，首先对实体进行几何分层，然后通过混合挤压成型头按比例混合浆料，最后通过层层喷涂的方法得到所述非均质实体。该方法中由于浆料是由气压控制的，当成型头打开时会出现短暂的浆料喷射现象，导致局部浆料瞬间挤压过度；另外该方法在制造过程中没有涉及扣除死体积的方法，因此得出的非均质实体构件的材料比例信息会出现滞后现象；此外，材料喷涂平台在浆料平面扫描过程中水平成型层是靠成型平台Y向运动完成水平扫描的部分功能，因此也可能造成浆料的振动和位移。

关于梯度非均质实体材料的制造方法，国内外申请的专利达上百种，但大多对材料的物理化学性质以及制造过程中工艺要求较为严格，不便于工业上使用；另外从一种材料到另一种材料的过渡方式受到成型工艺的限制，材料的梯度变化较为单一，制造精度较低，灵活性也有待提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种非均质实体的制造方法和设备。该制造方法和设备基于多个螺杆挤出，且对各浆料挤出的速率进行实时控制，实现成型头出口处浆料的组分的实时变化，并通过逐层扫描的方式实现非均质实体的堆叠制造，具有设计巧妙，通过直接读取非均质实体的材料信息，易于成型头的扫描路线规划；通过实时控制各螺杆挤出速率实现成型头出口处各浆料比例的变化，可以实现高精度、复杂材料变化的非均质实体制造。

本发明解决所述制造方法技术问题的技术方案是，设计一种非均质实体的制造方法，该制造方法的具体工艺步骤是：

(1)获取材料分层信息

首先将含有多种材料信息的非均质实体模型按照给定的成型精度和适于堆积制造的方向进行切片分层，得到每一分层切片的几何轮廓信息及该几何轮廓内任一点的材料信息；

(2)确定成型方向、层高和堆叠层数

获取非均质实体每一分层切片的几何轮廓信息及该几何轮廓内任一点的材料信息后，根据成型的精度和实体的几何特征确定切片方向、层高和堆叠层数N；根据成型精度选择合适的成型喷头，根据所选定的成型头尺寸、层片几何轮廓和材料信息对成型头的扫描线路进行规划，规划的基本原则是材料信息变化率最小、且扫描线路没有交叉现象；

(3)扫描线路规划时，应当扣除死体积；

(4)路线扫描和材料比例的控制

根据步骤(2)得到的扫描线路，在计算机控制下，成型头在水平方向的成型平面内按所述扫描线路匀速移动，与此同时，通过实时控制多个螺杆中各螺杆的出料速度，实现在指定位置成型头所喷出的各种浆料比例符合材料信息要求，且各螺杆挤出浆料的体积之和在单位时间内为定值；

(5)换层重复扫描，直至完成非均质实体的制造

完成一层扫描后，计算机控制成型头的工作平面垂直降低一个分层的高度，然后重复步骤(4)，依次类推，直至完成最后一层扫描，如此层层堆叠，直至完成整个非均质实体的制造。

与现有技术相比，本发明方法因为采取了基于实时控制多个螺杆挤出浆料的速度和层层堆叠的方法，因而可以灵活控制实体中任意几何位置的材料组成比例，从一种材料到另一种材料的过渡方式不受成型工艺的限制，材料的梯度变化可以由设计者任意控制，且成型过程不必受限于浆料的化学性质。

附图说明

图1为本发明非均质实体制造方法一种实施例的成型流程图；

图2为本发明非均质实体制造设备一种实施例的总体结构示意图；

图3为本发明非均质实体制造设备一种实施例的挤出螺杆及储料腔剖面结构示意图；其中，图3a为储料腔和浆料挤出螺杆的外观形状示意图；图3b为储料腔和浆料挤出螺杆的剖面结构图；图3c为浆料挤出螺杆剖面结构的局部放大示意图。

图4为本发明非均质实体制造设备一种实施例的动态浆料混合器剖面结构示意图；

图5为本发明非均质实体制造方法所述死时间(死体积)的扣除方法示意图；

图6为本发明非均质实体制造设备一种实施例的成型头剖面结构示意图。其中，图6a为成型头口径为2mm的剖面结构示意图；图6b为成型头口径为1.0mm的剖面结构示意图；图6c为成型头口径为0.5mm的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明做进一步的阐述。

本发明设计的非均质实体制造方法(简称制造方法，参见图1)，其设计思路为：首先根据制造精度，将非均质实体按易于制造的方向分层，可获得的每个二维层片的几何和材料信息，然后根据材料变化率最小、且扫描线路没有交叉的原则对每一层进行成型头扫描线路规划；当成型头在成型平面按既定线路扫描时，通过实时控制多个螺杆挤出不同材料的速率，实现成型头在不同几何位置挤出材料比例的变化；层层堆叠，直至完成整个非均质实体的堆叠成型，最后通过光固化或高温烧结的方法等完成非均质实体的制造。

本发明制造方法的具体工艺步骤是：

(1)获取材料分层信息

首先将含有两种以上材料信息的非均质实体模型按照设计的成型精度和适于堆积制造的方向进行切片分层，得到的每一切片分层的几何轮廓及该几何轮廓内任一点的材料信息；

二维层片内任一点的材料信息由(x,y,M)表示，其中x，y表示几何位置，M用来表示材料组成，为一个一维数组，其元素的个数同于非均质实体中含有的材料种类数目；当实体为均质实体，数组M中元素只有一个，且其值恒为1；当实体为非均质实体且仅含两种材料，数组M中元素有两个，且两元素的和恒为1；以此类推，多种材料的非均质实体层片内材料信息表达方式为(x,y,M(m₁,m₂…,m_n)),

(2)确定成型方向、层高和堆叠层数

根据成型的精度和实体的几何特征确定切片方向、层高以及堆叠层数N。根据成型精度选择合适的成型喷头，根据所选定的成型头尺寸、层片几何轮廓和材料信息对成型头的扫描线路进行规划，尽量避免材料信息的急剧变化，且没有线路交叉。

(3)扫描线路规划时，死体积和死时间的扣除

由于浆料混合位置与成型头之间设有动态浆料混合器(用于浆料的混合)和浆料传输管路，均有一定的容积，称之为死体积，即各螺杆挤出浆料混合后需一定时间才能传递到成型头，死时间即为如图5的Δt所示。进行线路规划时，必须扣除死体积。具体操作时可以测定出死体积的大小，并根据材料挤出速率之和得到浆料从混合位置到达成型头处所需的时间Δt，称之为死时间。扫描线路规划时需将该段死时间扣除，即螺杆开始工作并达到死时间Δt后，成型头处的材料比例才与所需值相同。

每个层片的扫描路线确定后，都存储在计算中；为了方便制造，上一层的扫描终点位置设定为下一层扫描的起点，这样可以不用重新扣除死体积。

(4)路线扫描和材料比例的控制

根据步骤2得到的扫描线路，计算机将几何信息，材料信息以及混合器步进电机信息预先通过系统信息总线传递给系统控制模块。其中，几何信息控制总线将扫描路线传递给负责X方向步进电机和负责Y方向的步进电机。当成型喷头在水平成型平台扫描时，材料信息控制总线实时控制各浆料挤出螺杆的转速，可以实现在指定几何位置成型头所喷出的各种浆料比例符合规定的材料信息。

(5)换层重复扫描，直至完成非均质实体的堆叠成型

完成一层扫描后，由几何信息控制总线操控垂直于成型平面方向Z向的步进电机将成型平面降低一个层面的高度，重复步骤(4)，直至完成最后一层扫描。在层面更换过程中，例如当第n层扫描结束后，成型头的位置并不归零，而是将当前位置定义为第n+1层成型头的起始位置，这样得到每一层中，沿扫描的路线，各个材料的比例是连续变化的，且扫描每一层面时不需重新扣除死体积，如此层层堆叠成型完成后，得到的整个实体中，每一点的材料比例均能由各螺杆的挤出速度不同而得到实现。

最后通过光固化或高温烧结的方法等完成非均质实体的制造。

获得固化后的非均质实体，可根据精度或表面光洁度要求再进行后期处理。

本发明制造方法的进一步特征在于，当非均质实体制造成型工艺中，需要添加支撑材料或制造具有悬垂结构的非均质实体时，设计一个螺杆仅挤出或喷涂支撑材料，而其他螺杆按各材料的比例挤出成型材料，且喷涂支撑材料的成型头与挤出成型材料的成型头为间歇交替工作模式，即在同一时刻只有一个成型头工作；在一个成型头工作结束后，另一个成型头再开始工作。

在制造设备中，设计一个螺杆单独与一个成型头相连，且按固定速率挤出支撑材料，其他螺杆则挤出成型浆料，两者混合后，到达另一个成型头进行扫描。设备要控制喷涂支撑材料的成型头与挤出成型材料的成型头为间歇交替工作模式，在扫描每一层面时，喷涂支撑材料的成型头工作完成后，挤出成型材料的成型头才开始扫描。

与现在较为流行的3D打印技术相比，本发明方法能够实现实体内材料组分的梯度变化和较为粘稠浆料的挤出成型，并且每一分层成型的厚度可以远大于3D打印方法。具体制造实体时可针对不同的成型精度，采用不同口径的成型喷头，这样既可以精确控制非均质实体的成型精度又能提高成型效率。对于要求精度较高的非均质实体成型，采用成型头口径较小的喷头；对于较大的或成型精度要求不高的实体，可选成型头口径较大的喷头。本发明方法成型速度快，而且挤出浆料中干物质成分远高于3D打印技术，因此所得实体在成型后以及后期加工时具有不易变形的特点。

本发明方法采用扣除死时间的方法扣除因管路和混合腔内的死体积，可以使扫描线路的规划容易实现。在制造具有悬垂结构的实体时，采用成型喷头之一逐层喷涂支撑材料，能够实时逐层添加支撑材料，这样便于具有复杂几何结构且在制造时需要添加支撑之实体的堆叠制造，解决了具有镂空实体内部或表面变形及塌陷问题。

本发明制造方法的创新点之一是基于多个螺杆挤出浆料、且挤出速率实时控制并采用层层堆叠的方式制造非均质实体。多螺杆浆料挤出系统中，各螺杆挤出浆料速度的变化能够实现成型头扫描过程中不同几何位置各浆料比例不同，因而可以灵活控制实体中任意几何位置的材料组成比例，从一种材料到另一种材料的过渡方式不受成型工艺的限制，材料的梯度变化可以由设计者任意控制，且成型过程不必局限于浆料的化学性质。与现在较为流行的3D打印技术相比，该方法能够实现实体内材料组分的梯度变化和较为粘稠浆料的挤出成型。该方法成型速度快，而且挤出浆料中干物质成分远高于3D打印技术，因此所得实体在成型后以及后期加工时具有不易形变的特点。

本发明制造方法的创新点之二是，采用扣除死时间的方法扣除因材料梯度延迟产生的死体积。因为动态浆料混合器与成型头之间具有一定的容积，称之为死体积。即浆料混合后并不能立刻到达成型头，所以成型头处的浆料比例变化要比浆料混合点延迟一定的时间。因此成型头扫描过程中首先要扣除死体积，本发明采用首先测定死体积的值(硬件系统确定后，死体积是固定的，不会因成型材料的不同而发生变化)，然后根据各浆料挤出的速度之和计算出浆料比例变化延迟的时间，在规划扫描线线路时扣除该死时间，具体扣除方法如图5所示。通过扣除死时间的方法，可以使得规划扫描线线路容易实现。

本发明同时设计了实现上述制造方法的非均质实体制造设备(简称设备，参见图2，3，4，6)，其特征在于该设备适用于本发明所述的非均质实体制造方法，主要模块包括：计算机1、总线控制系统2、Y方向传动机构3、X方向传动机构5、浆料传输线6、控制模块8、储料腔10、螺杆控制电机11、动态浆料混合器12、成型整体框架13、成型喷头14、成型平台15、Z向传动机构支撑平台16、垂直于成型平台15的Z向传动机构17和Z向传动丝杠18。具体说，

总线控制系统2有三种控制线缆：材料信息控制总线9，几何信息控制总线4和混合器控制线7；材料信息控制总线9用来控制所有螺杆的浆料挤出速率；几何信息控制总线4用来控制成型平面内X、Y方向步进电机转速和Z方向的下降步距；混合器控制线7用来控制动态浆料混合器12的搅拌速率；

(1)计算机1负责成型过程中扫描路线规划、实施以及各螺杆挤出浆料的速率和浆料的混合，所有信息通过总线控制系统2传递给控制模块8，采用10/100M以太网卡进行数据传输；控制模块8将模型的扫描路线传递到几何信息控制总线4，同时将模型的浆料比例信息传递到材料信息控制总线9以及混合器控制线7。

(2)几何信息控制总线4将几何信息分别传递到X、Y和Z三个方向的传动机构5、3和17；其中X、Y两个方向的传动机构5、3控制成型头14在成型平台15上的扫描路线，每层水平层片扫描结束后Z方向的传动机构17控制水平成型平台的下降距离。当成型头进行水平扫描的同时，控制模块8根据成型头所在的几何位置将材料信息(已扣除死体积)传递给材料信息控制总线9，该总线9控制螺杆的步进电机11等，使得各螺杆挤出浆料的速度实时改变，实现不同几何位置所对应的浆料比例变化。控制螺杆转速的步进电机有4个(与步进电机11功能相同的共有4个,参见图2)，控制几何信息的步进电机有3个(分别为传动机构3、5和17的电机)和控制浆料混合的步进电机有1个。所有步进电机的步进驱动器均置于控制模块8中，各步进驱动器按照上位机(计算机1)给定的脉冲/方向指令对相应步进电机的线圈电流进行控制，从而控制步进电机11的转动方向和速度。控制模块8设置的步进电机驱动器为16个，每个驱动器与步进电机相连接的驱动电缆含8根导线，实施例中实际使用4根(其余4根备用)，其中两根控制转动方向，另外两根控制转速。实施例的设备总共使用了控制模块8中的8个步进电机驱动器，其余8个为备用。

(3)本发明中用于浆料存储、挤出和传输的设备主要包括：螺杆27(参见图3c所示)，储料腔10(实施例有4个储料腔，参见图2)，动态浆料混合器12，混合器控制线7，混合电机21(参见图4)，浆料传输线6和成型头14。上述各单元的功能如下：螺杆27(参见图3c)旋转使得储料腔10等(图2中有4个储料腔)中浆料挤出并到达动态浆料混合器12，混合器控制线7控制浆料电机20(参见图4)，并带动混合杆19(参见图4)旋转，使得进入混合腔的各浆料混合均匀。浆料混合过程中，后续进入的浆料推动混合均匀的浆料通过浆料传输线6到达成型喷头14。成型喷头14挤出浆料的同时按照规定的线路和恒定的速度在成型平台15内进行扫描。当第n层扫描完成后，Z向传动机构17驱动成型平台15沿与Z向传动丝杠18平行方向下降一个层高的高度，成型头开始进行第n+1层的扫描。

(4)储料腔10和螺杆27的结构(参见图3)：储料腔10和螺杆27统称为浆料挤出机构。为了避免浆料粘度较大造成的粘滞现象设置预压力模块24，该滑块的径向截面与储料腔10内壁的径向截面形状相同，具有一定厚度，与料腔内壁采用间隙配合，且该模块的重量可以采用增加具有一定重量的增重块25个数方式逐步增加。设置预压力模块的原则是，既能够解决浆料挂壁和螺杆吸空问题，又能够保证当螺杆停止工作后，没有浆料挤出现象。

(5)动态浆料混合器12在系统中的位置、功能和内部结构(参见图4)：该混合器是一个具有多个浆料入口的浆料混合装置。该装置的入口数量根据浆料的种类数量确定，并不局限于实施例中所示的4个入口(参见图4)。其位置在浆料挤出机构至扫描成型头之间。混合器内搅拌杆的轴向与浆料的传输方向相同。搅拌轴由可控转速的步进电机20根据浆料粘度及混合难易调整其转速。动态混合器将各浆料混合均匀后通过浆料传输线6输送到成型喷头14。

(6)成型喷头14的功能和互换性：针对不同的成型精度，制备不同口径的成型喷头。各种不同口径的成型头与浆料传输线6的连接方式相同，具有互换性。成型头喷口的直径决定了层高和成型精度。需要说明的是，浆料离开成型头到达成型平面后，其厚度小于成型头喷口的内径，其所能填充的面积也会由于浆料的特性而增大，因此进行扫描路线规划和设计层高前需测定浆料喷涂后的形变。成型喷头内径越大形变就越明显，在设计层高时应该予以考虑。实施例的各种不同喷口尺寸的成型喷头均为不锈钢制成，喷头与浆料传输线连接的螺纹为密封螺纹(参见图6)。这样可以根据不同的成型精度要求，方便地更换成型喷头。

(7)浆料传输线6：动态混合器到成型喷头之间以及其他需要建立浆料传输的管线均为螺旋状可伸缩的软管，该管线为不锈钢材质，径向应当没有弹性。该管线的最大伸缩长度应能适合该设备的大小，尤其是动态混合器到成型喷头之间的管线长度能够大于等于水平成型平面的成型尺寸。

(8)成型整体框架13为多层平台结构，对整个系统起支撑作用，设备零部件的安装位置和连接方式如下(参见图2)：

浆料挤出装置包括储料腔10和螺杆控制电机11等，安装在成型整体框架13的最上端第一层平台上(参见图2、图3中的放大图)。储料腔10中的浆料受预压力模块24的挤压通过储料腔底部的传输通道进入螺杆27所在的腔体内(参见图3中的放大图)，当螺杆按逆时针方向转动时，浆料会从螺杆腔中连续挤压而出。

浆料被挤出后通过管路到达动态浆料混合器12，该设备安装在固定于整体框架13的第二层平台上。动态浆料混合器12有多个浆料入口，一个浆料出口(参见图4中的放大图，图4中所示的22为浆料入口之一)，动态浆料混合器的每一个入口和一个浆料挤出装置的出口相连接，动态浆料混合器12的出口通过管路与成型喷头相连。上述所有涉及管路连接的部分，具体连接方式均采用可拆卸的不锈钢管路连接，管路两端接口均为密封螺纹，方便拆卸和清洗。

第三层平台为成型扫描平台，该平台中包含X、Y两个方向的运动单元，成型头14安装在控制X方向的传动机构5上；成型平面X、Y两方向上的运动采用齿轮齿条传动方式(参见图2)。

第四层平台为水平扫描平台下方的成型平台15，从成型头喷出的浆料按照设定的扫描路线层层堆叠在水平的成型平台15上。该成型平台的上升和下降通过Z向传动机构17控制，当传动机构17中步进电机驱动齿轮转动时，该齿轮在Z向传动丝杠18上滚动，并带动成型平台15上下移动。传动机构17固定在Z向传动机构支撑平台16(即第五层平台)上。

本发明制造设备的进一步特征是，在储料腔10内设置预压力滑块24和一系列增重块25，该预压力滑块24的截面与储料腔10的内壁径向截面形状相同，且与储料腔10的内壁采用间隙配合。该设计可避免浆料挂壁和吸空的现象。如果不采用该装置，当挤压浆料的螺杆27(图3所示)按挤出浆料的方向转动时，浆料因具有一定粘度，不会像水一样流动，螺杆转动一定的时间后，螺杆周围会出现空隙，且螺杆转动不会将距离其有一定距离的浆料挤压出去；储料腔上部的浆料随着下方浆料的挤出而下降时，由于浆料具有一定的粘性，浆料会粘在储料腔的内壁上。为了解决该问题，可在浆料上部设置一个能够对浆料产生一定压力的滑块(即预压力滑块24)。该滑块24与储料腔10的内壁采用间隙配合，这样浆料不会出现挂壁和吸空现象，不仅节约材料，且可保证堆积制造过程的顺利进行。对于不同粘度的浆料，预压力滑块24的重量是不同的。为了方便实际操作，所述储料腔内单独设置有或者与预压力模块24配合设置有一个系列增重块25。增重块25为具有相同或不同重量的一个系列。添加增重块25可调节预压力滑块24的重量。添加增重块25数量的原则是，不能使浆料出现吸空和挂壁现象(该现象是由于预压力太小造成的)，也不能出现螺杆未转动时，浆料就从螺杆装置内自动流出的现象(该现象是由于预压力太大造成的)。

本发明制造设备采用了搅拌杆的轴向与浆料的传输方向相同的动态浆料混合器12(参见图4)，搅拌杆19的轴向与浆料的传输方向平行。数股浆料自混合器的上端进入混合器，先进入混合器的数股浆料被后续浆料推动向下移，浆料向下移动的同时随着搅拌杆的转动混合均匀，这样先进入混合器的浆料不会和后进入混合器的浆料发生混合，因此具有混合效果好的特点，保证了各浆料比例的准确度。如果设置浆料搅拌杆的轴向与浆料传输方向垂直，则会出现后进入混合腔的浆料和先进入混合腔的浆料发生互混和现象，不能实现浆料梯度变化的准确性。相比静态混合器，动态浆料混合器12设置了驱动搅拌杆的步进电机，所以搅拌杆的转速可以根据浆料混合的难易做出调整。

本发明制造设备的进一步特征在于，所述动态浆料混合器12的内腔为椭圆形内腔。椭圆形内腔的动态浆料混合器12能使浆料的混合更加均匀，不容易产生死角，且可以混合粘度较大的浆料。另外，动态浆料混合器较静态浆料混合器容易清洗。

本发明制造设备因采用多螺杆挤出成型的设计，某一螺杆可不参与成型浆料的喷涂，而单独喷涂支撑材料。因此，当制造具有悬垂结构的实体时，系统中可设置一个螺杆单独与一个成型喷头相连(不经过混合器)且按固定速率逐层喷涂支撑材料，其他螺杆按各浆料的比例挤出成型浆料混合后到达成型头进行喷涂扫描。采用这种逐层且与成型材料同层喷涂的方式能够实现复杂非均质实体的成型。由于只有一套扫描装置，喷涂支撑材料的喷头与喷涂成型材料的喷头不能同时工作。在同一扫描层中，后者的运行应在前者扫描结束后进行。

本发明制造设备的创新点之一是基于多螺杆挤出浆料速率实时控制的非均质实体制造设备(参见图2)。多螺杆在挤出浆料时，各螺杆挤出浆料的速度受控于成型头扫描过程中几何位置的连续变化，因而可以灵活实现成型喷头14出口处各浆料的组成比例。与现在较为流行的3D打印设备相比，本发明设备优点是能够实现实体内材料组分的梯度变化，适应较为粘稠浆料的挤出成型，并且每一层成型的厚度可以远大于3D打印设备；具有成型速度快，而且挤出浆料中干物质成分远高于3D打印设备，因此所得实体在成型后以及后期加工时具有不易变形等特点。

本发明制造设备的创新点之二是在储料腔内设置预压力滑块和一系列增重块，可有效避免浆料挂壁和吸空现象。为了减少浆料挂壁以及避免螺杆挤出浆料过程中出现空吸现象，本发明实施例设计的预压力滑块(参见图3)由两部分组成，分别为主滑块24和具有固定重量的一系列增重块25。主滑块24具有一定的厚度，其与储料腔10的内腔为间隙配合，在料腔中没有浆料时，该主滑块24能够在储料腔10内自由滑动。当浆料被螺杆旋转挤出时，储料腔10内的浆料逐渐减少，预压力滑块24沿储料腔轴向方向下滑。由于滑模块具有一定重量且其与储料腔10为间隙配合，浆料就不会出现挂壁和吸空现象，不仅节约材料，且可保证堆积制造过程的顺利进行，适于工业化应用。

本发明制造设备的创新点之三是动态浆料混合器12(参见图4)的内部设计结构。该混合器是一个具有多个浆料入口的浆料混合装置，且混合器内搅拌杆的轴向与浆料的传输方向相同。相比静态混合器，动态浆料混合器使得浆料的混合更加均匀，可以混合粘度更大的浆料，并且该设备较静态混合器容易清洗；混合器内搅拌杆的轴向与浆料的传输方向相同的优点在于：一是先进入混合器的浆料在被后进入混合器的浆料推动前进的同时，浆料得以混匀，二是先进入混合器的浆料不会和后进入混合器的浆料发生混合，保证了各浆料比例的实际准确度。

本发明制造设备的创新点之四是浆料挤出螺杆中某一螺杆可仅喷涂支撑材料而其他螺杆喷涂成型材料。当制造具有悬垂结构的实体时，系统中有一个螺杆单独与一个成型喷头相连(不经过混合器)且按固定速率逐层喷涂支撑材料。采用这种逐层喷涂支撑材料的方法能够实现复杂非均质实体的成型。

本发明未述及之处适用于现有技术。

以下给出本发明的具体实施例。本申请的权利要求并不受限于具体的实施例。例如在实施例中所用的树脂、可烧制陶瓷的粘土等材料均为运用本发明方法的一种实施方法，本申请的权利要求中所述的浆料等并不受限于具体实施例所述的材料。

实施例1

采用本发明所述基于多个螺杆挤出浆料速率实时变化的制造方法及设备逐层堆叠成型长400mm的人体胫骨模型，制造精度为0.5mm。

本实施例采用材料为两种液态状的半粘稠树脂，其中一种树脂A经光固化后为超硬树脂，韧性较差，主要成型胫骨模型的外层，另一种树脂B经光固化后为韧性较好的材料，主要成型胫骨模型的内层。该模型从内到外逐渐由100％的A材料过度到100％的B材料，为线性关系。但由于模型的表面为曲面，因此层层堆叠制造过程中两种材料的比例需实时变化。具体步骤是：

(1)获取材料分层信息

首先运用三维软件设计出人体胫骨的几何模型，并在模型中按照规定的材料过度模式添加材料信息。

将含有两种材料信息的非均质胫骨模型按照给定的成型精度和适于堆积制造的方向进行切片分层，每层为0.5mm。可以得到每一切片分层的几何轮廓及该几何轮廓内任一点的材料信息；二维层片任一点的材料信息由(x,y,M)表示，其中M为一维数组，其元素的个数为2(该实施例中不考虑浆料喷涂后的形变，如考虑浆料喷涂后的形变，需根据形变的比率增加扫描的层数)。

(2)确定成型方向、层高和堆叠层数

首先确定成型平面的法线方向平行于胫骨的轴向方向，可得堆叠层数800层(不考虑浆料喷涂后的形变)。根据成型精度选择合适的成型喷头为0.5mm。

(3)死时间和死体积的扣除

死时间的扣除采用具体实施方式中的步骤3完成。由于该套设备在确定成型头的型号后，其死体积是固定的。无需每次都根据实验的方法获取。

(4)各储料腔浆料的加载及浆料状态初始化

将两种浆料态的树脂材料加至储料腔中，添加过程中需注意不能产生气泡。添加完毕后，通过计算机控制单独启动每个螺杆，挤压浆料至每一浆料通道充满螺杆腔和浆料传输线。加载预压力模块，停止螺杆转动，观察浆料是否泄漏，逐步增加增重块的个数，不使浆料有从成型喷头及预压力模块与储料腔壁之间泄漏的现象。之后使系统单独运行材料A，至设备初始化完成。由于混合器入口的个数为4个，本次制造过程只使用两个，其他不使用的入口使用封堵封住。

(5)规划扫描路线和浆料堆叠

首先获取扫描路线。由于胫骨表面为自然曲面，其分层后每一层的几何轮廓也为自然曲线,，其材料信息由内到外均匀过度，因此扫描线路按从外圈到内圈的扫描方式，而不采取直线Z字扫描方式。在每一圈的扫描过程中材料比例是不变的，从外到内扫描过程按线性关系逐步减少材料A的百分含量，到最内的一圈中材料B的含量为100％，一层扫描结束后，成型头如果停在外轮廓上，则下一层扫描方式为从外到内；成型头如果停在内轮廓上，则下一层扫描方式为从内到外。模块8控制成型头14在水平方向的成型平台15内按既定扫描线路匀速率移动。由于浆料挤出的总速率是固定的，所以成型喷头14的扫描速率也为定值。在此过程中系统控制模块8通过材料信息控制总线9实时控制各螺杆挤出浆料的速度，可以实现在指定位置成型头14所挤出的树脂A和树脂B的比例符合规定的材料信息。

(6)逐层扫描完成整个非均质实体模型

完成一层扫描后，由系统控制模块8控制垂直于成型平面方向的Z向传动机构17将成型平台15降低0.5mm高度，重复步骤5，直至完成最后一层扫描。在层面更换过程中，步骤5中的成型头采用不归零的方式扫描每一层面时，不需重新扣除死体积，大大提高了成型精度，且节省了浆料和成型时间。

按照设定比例挤出的两种树脂材料混合均匀后从成型头14挤出，由于挤出的浆料粘度较大、层高较低，当下一层浆料挤出后即与上一层紧密粘接在一起。这样通过层层堆叠，即可完成非均质实体的堆叠制造。

所得堆叠成型的人体胫骨模型可通过紫外光照进行光固化。

运用该方法制造所得的人体胫骨模型有两种不同硬度和韧性的两种树脂材料，且两种材料由内到外均匀变化，所得模型具有很高的韧性和硬度，且没有应力集中现象，很接近人体真实胫骨的性能。

实施例2

该实施例与实施例1类似，不同的是该实施例的成型平面的法线方向垂直胫骨的轴向。根据本实施例采用的成型方向，可以减少成型层数，并且制得的胫骨模型的扫描线方向多平行于胫骨的轴向。根据胫骨模型的几何尺寸可得，成型层数为80层，大大小于实施例1的扫描层数，减弱了因管路及混合器所产生的死体积对材料比例的影响，并且由于扫描线的方向多平行与胫骨的轴向方向，因此可以增加产品模型的韧性。

实施例3

该实施例与实施例1，2类似，不同的是该实施例中增加一个支撑材料成型头建立成型支撑面。

由于所成型的胫骨模型属于自由曲面，不使用支撑直接喷涂需要依赖成型材料本身的硬度，或者在按实施例2的成型方向先成型两个半体，然后采用粘接的方法实现整体。如果在成型工艺中添加支撑材料，某一螺杆仅喷涂支撑材料而其他螺杆喷涂成型材料，在制造这种具有悬垂结构的实体时，系统中有一个螺杆单独与一个成型喷头相连，且按固定速率喷涂支撑材料，当下层的支撑材料喷涂完毕，其他螺杆按各材料的比例挤出成型材料混合后到达成型头进行喷涂扫描，喷涂上面一层的成型材料，喷涂成型材料与实施例1,2没有区别。

从上述3个实施例可以看出，运用添加支撑的方法制造具有悬垂结构的实体时，该设备对挤出材料的强度并无要求，并且通过添加支撑，可以保证成型过程中没有因材料悬垂造成的几何形变。

Claims (7)

1.一种非均质实体的制造方法，该制造方法的具体步骤是：

(1)获取材料分层信息

首先将含有两种以上材料信息的非均质实体模型按照设计的成型精度和适于堆积制造的方向进行切片分层，得到每一分层切片的几何轮廓信息及该几何轮廓内任一点的材料信息；

(2)确定成型方向、层高和堆叠层数

获取非均质实体每一分层切片的几何轮廓信息及该几何轮廓内任一点的材料信息后，根据成型的精度和实体的几何特征确定切片方向、层高和堆叠层数N；根据成型精度选择合适的成型喷头，根据所选定的成型头尺寸、层片几何轮廓和材料信息对成型头的扫描线路进行规划，规划的基本原则是材料信息变化率最小、且扫描线路没有交叉现象；

(3)扫描线路规划时，应当扣除死体积；

(4)路线扫描和材料比例的控制

根据步骤(2)得到的扫描线路，在计算机控制下，成型头在水平方向的成型平面内按所述扫描线路匀速移动，与此同时，通过实时控制多个螺杆中各螺杆的出料速度，实现在指定位置成型头所喷出的各种浆料比例符合材料信息要求，且各螺杆挤出浆料的体积之和在单位时间内为定值；

(5)换层重复扫描，直至完成非均质实体的堆叠成型

完成一层扫描后，计算机控制成型头的工作平面垂直降低一个分层的高度，然后重复步骤(4)，依次类推，直至完成最后一层扫描，如此层层堆叠，直至完成整个非均质实体的堆叠成型；最后通过光固化或高温烧结的方法完成非均质实体的制造。

2.根据权利要求1所述非均质实体的制造方法，其特征在于当非均质实体制造工艺中，需要添加支撑材料或制造具有悬垂结构的非均质实体时，设计一个螺杆仅挤出或喷涂支撑材料，而其他螺杆按各材料的比例挤出成型材料，且喷涂支撑材料的成型头与挤出成型材料的成型头为间歇交替工作模式，即在同一时刻只有一个成型头工作，在一个成型头工作结束后，另一个成型头再开始工作。

3.一种非均质实体的制造设备，该制造设备基于权利要求1所述非均质实体的制造方法，主要模块包括：计算机、总线控制系统、X方向传动机构、Y方向传动机构、浆料传输线、控制模块、储料腔、螺杆控制电机、动态浆料混合器、成型整体框架、成型喷头、成型平台、垂直于成型平台的Z向传动机构、Z向传动机构支撑平台和Z向传动丝杠；

总线控制系统有三种控制线缆：材料信息控制总线，几何信息控制总线和混合器控制线；材料信息控制总线用来控制所有螺杆的浆料挤出速率；几何信息控制总线用来控制成型平面内X、Y方向步进电机转速和Z方向的下降步距；混合器控制线用来控制动态浆料混合器的搅拌速率；

计算机负责成型过程中扫描路线规划、实施以及各螺杆挤出浆料的速率和浆料的混合，所有信息通过总线控制系统传递给控制模块，该模块将模型的扫描路线传递到几何信息控制总线，将模型的浆料比例信息传递到材料信息控制总线以及混合器控制线；

几何信息控制总线将几何信息分别传递到X、Y和Z三个方向的传动机构；其中X、Y两个方向的传动机构控制成型头在二维扫描平台上的扫描路线，每层水平层片扫描结束后，Z方向的传动机构控制水平成型平面的下降距离；在成型头水平扫描的过程中，控制模块根据成型头所在的几何位置将已扣除死体积的材料信息传递给材料信息控制总线，该总线控制螺杆电机的转速使得各螺杆挤出浆料的速度实时改变，实现不同几何位置所对应的浆料比例变化；

螺杆旋转使得储料腔中的浆料挤出，并到达动态浆料混合器，混合器控制线控制浆料电机带动混合杆旋转，使得进入混合腔的各浆料混合均匀；浆料混合过程中，后续进入的浆料推动混合均匀的浆料通过浆料传输线到达成型头；

动态浆料混合器是一个具有多个浆料入口的浆料混合装置，其位置在螺杆挤出浆料混合点至扫描成型头之间，且混合器内搅拌杆的轴向与浆料的传输方向相同；搅拌轴由可控转速的步进电机根据浆料粘度及混合难易调整其转速，动态浆料混合器将各浆料混合均匀后通过浆料传输线输送到成型喷头；

成型喷头依据成型精度要求设计，不同尺寸成型喷头与浆料输送连线的连接方式相同，且具有互换性；

动态浆料混合器到成型喷头之间需要建立浆料传输连接管线；

所述成型整体框架为多层平台结构，对整个系统起支撑作用；浆料挤出装置安装在成型整体框架的最上端第一层平台上；动态浆料混合器安装在成型整体框架的第二层平台上；第三层平台为成型扫描平台，该平台中包含X、Y两个方向的运动单元，成型头安装在控制X方向的传动机构上；成型平面X、Y两方向上的运动采用齿轮齿条传动方式；

第四层平台为水平扫描平台下方的成型平台，从成型头喷出的浆料按照设定的扫描路线层层堆叠在该水平的成型平台上；该成型平台的上升和下降通过Z向传动机构控制，当传动机构中步进电机驱动齿轮转动时，该齿轮在Z向传动丝杠上滚动，并带动成型平台上下移动；传动机构固定在Z向传动机构支撑平台上。

4.根据权利要求3所述非均质实体的制造设备，其特征在于在所述储料腔内设置有预压力滑块；该预压力滑块的截面与储料腔内壁的径向截面形状相同，且与储料腔内壁采用间隙配合。

5.根据权利要求4所述非均质实体的制造设备，其特征在于在所述储料腔内单独设置有或者与预压力模块配合设置有一个系列的增重块。

6.根据权利要求3所述非均质实体的制造设备，其特征在于所述动态浆料混合器的内腔为椭圆形内腔。

7.根据权利要求3所述非均质实体的制造设备，其特征在于所述动态浆料混合器到成型喷头之间的浆料传输连接管线为螺旋状可伸缩的软管，且径向没有弹性，最大伸缩长度大于等于水平成型平面的成型尺寸。