CN106926447A - 一种多路送丝激光熔融沉积lfdm成型装置与方法 - Google Patents

一种多路送丝激光熔融沉积lfdm成型装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置与方法；包括由多根丝材输送管道构成的送丝嘴、激光头、二氧化碳激光器；送丝嘴与激光头通过连接件固定在一起，构成复合打印头；在连接件上安装有舵机，以增加复合打印头的自由度；激光头可发射矩形激光束，由激光头的侧向射出，并照射覆盖伸出送丝嘴外部相应丝材的端部，对其进行熔融；本装置在传统熔融沉积技术基础上，开发了激光熔融沉积技术，在解决了传统装备存在的一些问题的同时，也赋予了新型装置更多的功能，为熔融沉积成型技术提供了更多的可能与解决问题的方法与思路。同时一字型多路送丝，也提供了一种行之有效的多输送管道排布方式。

Description

一种多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置与方法
技术领域
本发明涉及增材制造3D打印设备的打印部件，尤其涉及一种多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置与方法。
背景技术
传统的非金属桌面熔融沉积FDM的工作原理是将丝状原料通过送丝部件送入热熔喷头，然后在喷头内被加热融化，在电脑控制下喷头沿着零件截面轮廓和填充轨迹运动，将半流动状态的材料送到指定位置并最终凝固，同时与周围材料粘结，选择性的逐层熔化与覆盖，最终形成成品。熔融沉积成型是上世纪八十年代末，由美国Stratasys公司发明的技术。1992年，Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者(3DModeler)”，这也标志着FDM技术步入商用阶段。国内方面，对于FDM技术的研究最早在包括清华大学、西安交大、华中科大等几所高校进行，其中清华大学下属的企业于2000年推出了基于FDM技术的商用3D打印机，近年来也涌现出北京太尔时代、杭州先临三维等多家将3D打印机技术商业化的企业。
FDM其特点具有成型材料范围较广，ABS、PLA、PC、PP等热塑性材料均可作为FDM路径的成型材料，易于取得，且成本较低。环境污染较小，在整个过程中只涉及热塑材料的熔融和凝固，且在较为封闭的3D打印室内进行，且不涉及高温、高压，没有有毒有害物质排放，因此环境友好程度较高。然而也有相对的缺陷，成型时间不易过长，由于喷头运动是机械运动，成型过程中速度受到一定的限制，因此一般成型时间较长，不适于制造大型部件。精度低，与其他3D打印路径相比，采用FDM路径的成品精度相对较低，表面有明显的纹路。需要支撑材料，在成型过程中需要加入支撑材料，在打印完成后要进行剥离，对于一些复杂构件来说，剥离存在一定的困难。打印头易堵塞，在成形过程中打印头往往容易堵塞，造成成形过程中断。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、运行可靠的多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置与方法。本发明激光能量密度集中，热影响区小的特点能在较短时间熔融耗材，因而可以加快耗材输送，从而加快成型速率。由多根丝材输送管道构成的一字型多路送丝复合打印，可以实现多色打印，混色打印，同时可输送水溶性支撑耗材解决去除支撑的难题。复合打印头可以实现单路精细打印以及多路送丝快速填充内部高效打印，从而加快了成形效率。因为无须加热喷头，节省成型时间，且丝材熔化在复合打印头外部，解决了喷头堵塞，断丝等问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置，包括由多根丝材输送管道7构成的送丝嘴1、将丝材运送至丝材输送管道7的送丝机12、激光头2、与激光头2连接的二氧化碳激光器8；
所述送丝嘴1与激光头2通过连接件固定在一起，构成复合打印头；在连接件上安装有舵机6，以增加复合打印头的自由度；所述激光头2可发射矩形激光束，由激光头2的侧向射出，并照射覆盖伸出送丝嘴1外部相应丝材的端部，对其进行熔融；
在多根丝材输送管道7同时工作时，通过控制舵机6使复合打印头转动至打印路径所需角度，避免各丝材输送管道7熔融的丝材发生重叠堆积。
所述激光头2的内部自身而下依次设置有移动镜组5，聚焦镜片4、平面镜3；通过调节移动镜组5和聚焦镜片4之间的距离，可调节激光束光斑的大小，平面镜3使激光束发生反射后从激光头2的侧向射出，照射覆盖在露出送丝嘴1外部相应丝材上，对其进行熔融。
所述多根丝材输送管道7呈一字型排列。
所述复合打印头由驱动机构携带其在XY轴方向移动；复合打印头下方的热床10由丝杆机构驱动其在Z轴方向移动。
所述送丝机12采用远程送丝的方式，并根据输送丝材的路数使用相应数量。
所述多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置的运行方法如下：
丝材运送步骤：送丝机12将相应的丝材按照指令输送至送丝嘴1；
复合打印头运动步骤：复合打印头由驱动机构携带、并按照规划路径在XY轴方向移动，以对工件9逐层进行成型；
激光头2的工作步骤：二氧化碳激光器8作为丝材的加热源；通过调节移动镜组5和聚焦镜片4之间的距离，可调节激光束光斑的大小，平面镜3使激光束发生反射后从激光头2的侧向射出，照射覆盖在露出送丝嘴1外部相应丝材上，对其进行熔融；
成型结束步骤：热床10回归原点，从热床10上取下工件9，进行去除水溶性支撑，表面处理等后期处理，完成成型工作。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1.成型方法上的创新：传统的熔融沉积(FDM)成型设备，使用加热喷头的方式使耗材熔融沉积，使用前需要等待喷头加热；因为丝材在打印头内部加热融化，打印过程中容易出现喷头堵塞，磨损和更换麻烦的问题，耗材容易出现拉丝，断丝的问题。本发明送丝嘴采用一字型排列的多根丝材输送管道构成，将多个耗材输送管道按照并列排布的方式整合到一起，并整合了能发射矩形激光光束的二氧化碳激光头。通过二氧化碳激光器取代传统电加热热源，平顶均匀能量密度的矩形激光束通过负调焦方式调整光束大小，最后反射对应的不同的送丝路数。打印时根据需要，可控制一路或多路耗材在激光热源下熔化堆积，实现高效打印。
2.成型效率上的进步：与普通的单喷头熔融沉积成型设备相比，本发明使用的打印头带有多个一字型排布输送管道，可以实现多路送丝快速填充内部高效打印，从而加快了成形效率；同时激光能量密度集中，热影响区小的特点能在较短时间熔融耗材，因而可以加快耗材输送，从而加快成型速率。
3.成型技术上的进步：一字型多路送丝，不仅高效，也具有多喷嘴打印头特有的优点。在可以实现单路精细打印的同时，可以实现多色打印，混色打印的方案，同时可输送水溶性支撑耗材解决去除支撑的难题。
4.发展了激光熔融沉积(LFDM)技术：本发明在传统熔融沉积技术基础上，开发了激光熔融沉积技术，在解决了传统装备存在的一些问题的同时，也赋予了新型装置更多的功能，为熔融沉积成型技术提供了更多的可能与解决问题的方法与思路。同时一字型多路送丝，也提供了一种行之有效的多输送管道排布方式。
附图说明
图1为本发明多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置结构示意图。
图2为复合打印头主视图。
图3为复合打印头右视图。
图4为复合打印头仰视图。
图5为复合打印头等轴视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至5所示。本发明公开了一种多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置，包括由多根丝材输送管道7构成的送丝嘴1、将丝材运送至丝材输送管道7的送丝机12、激光头2、与激光头2连接的二氧化碳激光器8；
所述送丝嘴1与激光头2通过连接件固定在一起，构成复合打印头；在连接件上安装有舵机6，以增加复合打印头的自由度；所述激光头2可发射矩形激光束，由激光头2的侧向射出，并照射覆盖伸出送丝嘴1外部相应丝材11(耗材)的端部，对其进行熔融；
在多根丝材输送管道7同时工作时，通过控制舵机6使复合打印头转动至打印路径所需角度，避免各丝材输送管道7熔融的丝材发生重叠堆积。
所述激光头2的内部自身而下依次设置有移动镜组5，聚焦镜片4、平面镜3；通过调节移动镜组5和聚焦镜片4之间的距离，可调节激光束光斑的大小，平面镜3使激光束发生反射后从激光头2的侧向射出，照射覆盖在露出送丝嘴1外部相应丝材上，对其进行熔融。
所述多根丝材输送管道7呈一字型排列。可根据实际需要输送多种不同颜色，不同数量，不同种类的丝材11。
可根据以下不同情况输送多种不同颜色，不同数量，不同种类的耗材，选择设备运行时丝材输送管道的数量和耗材种类：在打印薄壁以及精细结构时，能从单个丝材输送管道输送耗材；在打印大面积填充时，可通过多根丝材输送管道同时输送直径较大的耗材，加快打印速度；根据打印件颜色的需要，可以输送不同颜色的耗材；在打印支撑时，切换材料使喷头输送水溶性支撑耗材，方便后期处理去除支撑。
所述复合打印头由驱动机构携带其在XY轴方向移动；复合打印头下方的热床10由丝杆机构驱动其在Z轴方向移动。
所述送丝机12采用远程送丝的方式，并根据输送丝材的路数使用相应数量。
在实际的激光熔融沉积成型过程中，打印开始前，先在相应的切片软件中导入模型文件进行切片编程，并将编好的程序导入成型设备控制系统。根据实际成型零件的需要，安装好相应颜色种类的耗材，调整好坐标值，调平热床10并进行加热，无须加热打印头，准备打印。
送丝机12将相应的丝材按照指令输送至送丝嘴1；
复合打印头由驱动机构携带、并按照规划路径在XY轴方向移动，以对工件9逐层进行成型；
二氧化碳激光器8作为丝材的加热源；通过调节移动镜组5和聚焦镜片4之间的距离，可调节激光束光斑的大小，平面镜3使激光束发生反射后从激光头2的侧向射出，照射覆盖在露出送丝嘴1外部相应丝材上，对其进行熔融；
成型结束，热床10回归原点，从热床10上取下工件9，进行去除水溶性支撑，表面处理等后期处理，完成成型工作。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置，其特征在于：包括由多根丝材输送管道(7)构成的送丝嘴(1)、将丝材运送至丝材输送管道(7)的送丝机(12)、激光头(2)、与激光头(2)连接的二氧化碳激光器(8)；
所述送丝嘴(1)与激光头(2)通过连接件固定在一起，构成复合打印头；在连接件上安装有舵机(6)，以增加复合打印头的自由度；所述激光头(2)可发射矩形激光束，由激光头(2)的侧向射出，并照射覆盖伸出送丝嘴(1)外部相应丝材的端部，对其进行熔融；
在多根丝材输送管道(7)同时工作时，通过控制舵机(6)使复合打印头转动至打印路径所需角度，避免各丝材输送管道(7)熔融的丝材发生重叠堆积。
2.根据权利要求1所述多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置，其特征在于：所述激光头(2)的内部自身而下依次设置有移动镜组(5)，聚焦镜片(4)、平面镜(3)；通过调节移动镜组(5)和聚焦镜片(4)之间的距离，可调节激光束光斑的大小，平面镜(3)使激光束发生反射后从激光头(2)的侧向射出，照射覆盖在露出送丝嘴(1)外部相应丝材上，对其进行熔融。
3.根据权利要求1所述多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置，其特征在于：所述多根丝材输送管道(7)呈一字型排列。
4.根据权利要求1至3中任一项所述多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置，其特征在于：所述复合打印头由驱动机构携带其在XY轴方向移动；复合打印头下方的热床(10)由丝杆机构驱动其在Z轴方向移动。
5.根据权利要求4所述多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置，其特征在于：所述送丝机(12)采用远程送丝的方式，并根据输送丝材的路数使用相应数量。
6.权利要求5中所述多路送丝激光熔融沉积LFDM成型装置的运行方法，其特征在于包括如下步骤：
丝材运送步骤：送丝机(12)将相应的丝材按照指令输送至送丝嘴(1)；
复合打印头运动步骤：复合打印头由驱动机构携带、并按照规划路径在XY轴方向移动，以对工件(9)逐层进行成型；
激光头(2)的工作步骤：二氧化碳激光器(8)作为丝材的加热源；通过调节移动镜组(5)和聚焦镜片(4)之间的距离，可调节激光束光斑的大小，平面镜(3)使激光束发生反射后从激光头(2)的侧向射出，照射覆盖在露出送丝嘴(1)外部相应丝材上，对其进行熔融；
成型结束步骤：热床(10)回归原点，从热床(10)上取下工件(9)，进行去除水溶性支撑，表面处理等后期处理，完成成型工作。
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