CN106965430B - 一种层间复合可控梯度式复杂零件的制备方法和专用设备 - Google Patents

Abstract

一种层间复合可控梯度式复杂零件的制备方法和专用设备，属于多材料复合成型技术领域。所述设备包铺料系统、光固化成型系统和控制单元；其方法首先将零件的三维实体模型利用分层软件进行切片分层，然后按照设定的程序，控制多料盒铺料系统实现单层浆料的铺送，再通过成型台的上下移动和光源的照射实现浆料在成型台上的单层固化成型，之后将成型台抬升使固化层与薄膜分离；重复上述操作实现层层堆积，最终完成多种光固化材料的层间复合。本发明采用了薄膜传送带和多个料盒的铺料系统，施加的光敏材料种类、数量不限，能够实现连续多层打印和多种材料的层间复合；薄膜选择种类多、价格低廉；铺料系统结构简单，可以实现模块化生产，便于推广和应用。

Description

一种层间复合可控梯度式复杂零件的制备方法和专用设备

技术领域

本发明涉及一种层间复合可控梯度式复杂零件的制备方法和专用设备，属于多材料复合成型技术领域。

背景技术

光固化快速成型技术是増材制造技术中成型精度最高的方法之一。光固化快速成型技术使用光敏树脂作为原料，在对应波长的光源照射下材料由液态变为固态，结合快速成型硬件和软件配合，实现零件成型。该方法精度高，工艺灵活性强。目前光固化快速成型方式主要应用于单种材料的光敏树脂，性能单一，功能局限，并未有效利用增材制造工艺对多材料成型的相容性和光固化成型的高精度。

陶瓷材料的光固化快速成型是近两年来针对复杂陶瓷零件成型的新工艺，具有精度高、速度快、材料兼容度高、能够成型大尺寸陶瓷零件的特点，目前主要针对的是单种材料的成型，对于多材料复合的成型工艺及专用设备尚未开发。但陶瓷材料光固化快速成型技术的出现，为高精度复合陶瓷零件的制备创造了可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用薄膜滚动与多料盒添料结合实现光固化成型的层间复合的方法，使多种不同的光敏材料能够进行层间复合，且具有设备简单，工艺灵活度高等特点。

为达到以上技术目的，本发明的技术方案如下：

一种制备层间复合可控梯度式复杂零件的专用设备，其特征在于：所述设备包括机架、铺料系统、光固化成型系统和控制单元；铺料系统包括多个底部开口的料盒、主动滚筒、从动滚筒和薄膜传送带；在薄膜传送带的两侧分别设置密封板；密封板上表面要高于薄膜上表面，其高度等于光固化材料的铺层厚度；每个料盒对应一条料盒导轨，料盒导轨通过滑块与料盒顶部连接，料盒导轨沿垂直于薄膜传送带的运动方向布置，料盒底部与密封板紧密接触；所述料盒导轨、水平底板和密封板均安装在机架上；所述光固化成型系统设置在铺料系统的下游，包括光源、透明基板、成型台和z轴运动机构；光源安装于透明基板下方，成型台安装于z轴运动机构上；薄膜传送带在成型台和透明基板之间沿水平方向做间歇运动；所述控制单元分别通过控制线路与铺料系统和光固化成型系统连接，用于控制铺料系统中滚筒的间歇运动和料盒的直线运动，以及光固化成型系统中成型台升降和光源曝光的时间。

本发明另一技术特征是：所述铺料系统还包括水平底板，该水平底板设置在两侧密封板之间且固定在机架上，并沿薄膜运动方向紧贴薄膜传送带下表面布置。

本发明的又一技术特征在于：所述设备还包括材料回收装置，该材料回收装置安装于主动滚筒的一侧，包括回收盒和刮刀，刮刀与薄膜传送带呈30°-45°角紧密接触，并与回料盒通过转动副连接。

优选地，所述刮刀采用橡胶、尼龙或聚四氟乙烯。

优选地，所述料盒为矩形，料盒底部四周为内倒角，料盒上盖设有加料孔和排气孔。

优选地，所述薄膜传送带采用PE流延膜、PET流延膜、PVC流延膜、PP流延膜、CPP流延膜、EVA流延膜、CPET流延薄膜或PVB玻璃夹层薄膜，薄膜厚度为20-500μm。

本发明提供的一种层间复合可控梯度式复杂零件的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)用三维造型软件在控制单元中生成零件的三维实体模型，将数据转化为STL文件，并对打印模型的每层厚度进行设计，然后用分层软件将其分成多个薄层；

2)将配置好的不同的光固化材料分别置于各个料盒中，控制单元对每个薄层所用材料进行选择设定；

3)开始打印，控制单元根据材料设定调用该层所需材料对应的料盒，并控制该料盒沿料盒导轨从一侧的密封板上运动到另一侧的密封板上，从而在薄膜传送带上表面铺上一层光固化材料；

4)启动主动滚筒并顺时针转动，使光固化材料铺层运动到成型台的下方；开启z轴运动机构使成型台下降，待成型零件底部与铺好的光固化材料铺层接触时停止下降；

5)打开光源，使光透过透明基板和薄膜传送带，对步骤4)中所述光固化材料铺层进行单层固化成型；然后将成型台抬升使固化层与薄膜分离；

6)重复步骤3)、4)和5)的操作，完成多种光固化材料的层间复合。

本发明方法中，步骤1)中所述分层厚度为10-200μm。步骤2)中所述的光固化材料为纯光敏树脂、添加纤维或晶须的光敏树脂、添加纳米填料的光敏树脂、光敏陶瓷浆料或光敏金属浆料。

优选地，步骤6)中所述成型台抬升距离为1-20cm。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明采用了薄膜传送带和多个料盒的铺料系统，施加的光敏材料种类、数量不限，因此能够实现连续多层打印和多种材料的层间复合；②每层打印都可根据材料性能和最终成形需求改变层厚，对不同材料兼容性强；③薄膜选择种类多、价格低廉；④铺料系统结构简单，可以实现模块化生产，便于推广和应用。

附图说明

图1为本发明提供的专用设备的结构原理图。

图2为料盒沿导轨从密封板的一侧运动到另一侧的原理示意图。

图3为料盒结构示意图，示出料盒底部四周采用内倒角。

图4为控制单元的控制程序流程框图。

图5为本发明提供的制备方法的工艺流程框图。

图6铺料过程示意。

图7是本发明层间复合零件平行于分层方向的剖面示意图。

图中：1-回收盒；2-刮刀；3-主动滚筒；4-薄膜传送带；5-z轴运动机构；6-成型台；7-料盒；8-料盒导轨；9-从动滚筒；10-水平底板；11-密封板；12-透明基板；13-光源。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施实例对本发明的结构、原理和工作过程做进一步说明。

图1为本发明提供的一种制备层间复合可控梯度式复杂零件专用设备的结构原理示意图，该设备包括机架、铺料系统、光固化成型系统和控制单元。

铺料系统包括多个底部开口的料盒7、主动滚筒3、从动滚筒9和薄膜传送带4；在薄膜传送带的两侧分别设置密封板11；密封板上表面要高于薄膜上表面，其高度应等于光固化材料的铺层厚度；每个料盒对应一条料盒导轨8，料盒导轨通过滑块与料盒顶部连接，料盒可沿料盒导轨8做直线往复运动，料盒导轨沿垂直于薄膜传送带的运动方向布置；滑块与导轨的连接可以采用丝杠螺母机构、齿轮齿条机构等直线运动机构。

密封板11上表面与料盒7底面接触，对料盒7的底端开口起到密封作用，料盒7可在控制单元控制下在料盒导轨8上做往复运动；料盒沿料盒导轨从密封板的一侧运动到另一侧，就会在薄膜传送带4上刮涂一层光固化材料。

料盒底部与密封板11之间紧密接触,以免材料泄漏。料盒的形状优选为矩形，料盒上盖设有加料孔和排气孔；为便于料盒在密封板上滑动，料盒底部四周呈内倒角(参见3图)。

所述料盒导轨、水平底板和密封板均安装在机架上；主动滚筒3可采用电机作为动力源，通过皮带轮传动、齿轮传动或链传动机构带动其转动。薄膜传送带4可采用PE流延膜、PET流延膜、PVC流延膜、PP流延膜(CPP)、EVA流延膜、CPET流延薄膜或PVB玻璃夹层薄膜，薄膜厚度为20-500μm。

为了使薄膜传送带4保持水平移动，所述铺料系统还包括水平底板10，该水平底板固定在机架上，位于两侧密封板之间，紧贴薄膜传送带下表面并沿薄膜运动方向布置。

所述设备还包括材料回收装置，便于多余材料的回收及循环使用。该材料回收装置安装于主动滚筒3的一侧，包括回收盒1和刮刀2，刮刀与薄膜传送带呈30°-45°角紧密接触，并与回收盒通过转动副连接。刮刀采用橡胶、尼龙或聚四氟乙烯等软质材料，以免划伤薄膜传送带。

所述光固化成型系统设置在铺料系统的下游，包括光源13、透明基板12、成型台6和z轴运动机构5；光源13安装于透明基板12下方，成型台6安装于z轴运动机构5上；透明基板12上表面紧贴薄膜4的下表面，薄膜传送带4在成型台6和透明基板12之间沿水平方向做间歇顺时针运动。所述光源13采用DLP数字化光处理投影系统或SLA激光扫描式光源系统。

图4为控制单元的控制程序流程框图，所述控制单元分别通过控制线路与铺料系统和光固化成型系统连接，用于控制铺料过程中滚筒的间歇运动和料盒的直线运动，以及光固化成型系统中z轴运动机构带动成型台的升降以及光源的开开闭和曝光时间。

图5为本发明提供的制备方法的工艺流程框图，所述方法具体包括如下步骤：

1)用三维造型软件在控制单元中生成零件的三维实体模型，将数据转化为STL文件，并对打印模型的每层厚度进行设计，用分层软件将其分成多个薄层，所述分层中每一层都对应相应的材料，所述分层厚度根据根据对应的材料性能进行设定，分层厚度优选为10-200μm；

2)将配制好的不同的光固化材料分别置于各个料盒中，控制单元对每个薄层所用材料进行选择设定；所述的光固化材料为纯光敏树脂、添加纤维或晶须的光敏树脂、添加纳米填料的光敏树脂、光敏陶瓷浆料或光敏金属浆料；

3)开始打印，控制单元根据材料设定调用该层所需材料对应的料盒，并控制该料盒沿料盒导轨从一侧的密封板上运动到另一侧的密封板上，使薄膜传送带上表面铺上一层光固化材料；

4)启动主动滚筒并顺时针转动，使光固化材料铺层运动到成型台的下方；开启z轴运动机构使成型台下降，待成型零件底部与薄膜间距等于步骤1)中的分层厚度时停止下降；

5)打开光源，使光透过透明基板和薄膜传送带，对步骤4)中所述光固化材料铺层进行单层固化成型；然后将成型台抬升使固化层与薄膜分离，成型台抬升距离一般为1-20cm；

6)重复步骤3)、4)和5)的操作，即可完成多种光固化材料可控梯度式复杂零件的层间复合。

实施例：用三维造型软件在计算机中生成零件(图7)的三维实体模型，三维造型软件可选择Pro/E或Solidworks，并将数据转化为STL文件；用分层软件将其分层，分层厚度可取10-500μm，得到每层结构形状，将每层要调用的材料对应的料盒编号输入计算机。如图6所示，料盒7从左至右编号为a、b、c，a料盒内为纯光敏树脂，b料盒内为添加玻璃纤维的光敏树脂，c为添加纳米填料的光敏树脂，三种材料分别对应的切片薄层厚度分别问100μm、50μm和80μm。首先调用料盒a控制其从薄膜4一侧运动到另一侧进行铺料，在薄膜传送带4上形成一层200μm的纯光敏树脂涂层14。铺料后由主动滚筒3顺时针带动薄膜将铺好的纯光敏树脂涂层移动到成型台下方。随后将成型台6下降使零件底部与薄膜传送带形成100μm的间隙，打开光源13进行单层的光固化打印。光源打开同时调用b料盒控制其从薄膜4一侧运动到另一侧进行铺料，在薄膜传送带4上形成一层200μm的添加玻璃纤维的光敏树脂涂层。a料盒中的光固化材料实现单层固化后将成型台抬升5mm。随后主动滚筒3顺时针带动薄膜将铺好的添加玻璃纤维的光敏树脂涂层移动到成型台下方。上一层纯光敏树脂涂层剩余的材料随刮刀2回收至回收盒1。随后将成型台6下降使零件底部与薄膜传送带形成50μm的间隙，打开光源13进行单层的光固化打印。光源打开同时调用c料盒控制其从薄膜4一侧运动到另一侧进行铺料，在薄膜传送带4上形成一层200μm的添加纳米填料的光敏树脂涂层。b料盒中的光固化材料实现单层固化后将成型台抬升5mm。随后主动滚筒3顺时针带动薄膜将铺好的添加纳米填料的光敏树脂涂层移动到成型台下方。上一层添加玻璃纤维的光敏树脂涂层剩余的材料随刮刀2回收至回收盒1。随后将成型台6下降使零件底部与薄膜传送带形成80μm的间隙，打开光源13进行单层的光固化打印。根据上述步骤反复调用a、b、c料盒，便可实现纯光敏树脂、添加玻璃纤维的光敏树脂、添加纳米填料的光敏树脂三种材料的的复合成型(如图7所示)。此种梯度材料具有很好的强度和韧性。

Claims (5)

1.一种制备层间复合可控梯度式复杂零件的专用设备，所述设备包括机架铺料系统、光固化成型系统和控制单元；铺料系统包括多个底部开口的料盒(7)、主动滚筒(3)、从动滚筒(9)和薄膜传送带(4)；

所述光固化成型系统设置在铺料系统的下游，包括光源(13)、透明基板(12)、成型台(6)和z轴运动机构(5)；光源(13)安装于透明基板(12)下方，成型台(6)安装于z轴运动机构(5)上；透明基板(12)上表面紧贴薄膜传送带(4)的下表面，薄膜传送带(4)在成型台(6)和透明基板(12)之间沿水平方向做间歇运动；

所述控制单元分别通过控制线路与铺料系统和光固化成型系统连接，用于控制铺料系统中滚筒的间歇运动以及光固化成型系统中成型台升降和光源曝光的时间；

其特征在于：在薄膜传送带的两侧分别设置密封板(11)，密封板上表面要高于薄膜上表面，其高出距离等于光固化材料的铺层厚度；在两侧密封板之间设置水平底板(10)，该水平底板沿薄膜运动方向紧贴薄膜传送带下表面布置；每个料盒对应一条料盒导轨(8)，料盒导轨通过滑块与料盒顶部连接，料盒导轨沿垂直于薄膜传送带的运动方向布置，控制单元控制料盒沿料盒导轨做直线运动；料盒底部与密封板(11)紧密接触，料盒四周为内倒角，料盒上盖设有加料孔和排气孔；所述料盒导轨(8)、水平底板(10)和密封板(11)均安装在机架上。

2.根据权利要求1所述的一种制备层间复合可控梯度式复杂零件的专用设备，其特征在于：所述设备还包括材料回收装置，该材料回收装置安装于主动滚筒(3)的一侧，包括回收盒(1)和刮刀(2)，刮刀与薄膜传送带呈30°-45°角紧密接触，并与回料盒通过转动副连接；所述刮刀采用橡胶、尼龙或聚四氟乙烯。

3.如权利要求1或2所述的一种制备层间复合可控梯度式复杂零件的专用设备，其特征在于：所述料盒为矩形。

4.按照权利要求3所述的一种制备层间复合可控梯度式复杂零件的专用设备，其特征在于，所述薄膜传送带采用PE流延膜、PET流延膜、PVC流延膜、PP流延膜、CPP流延膜、EVA流延膜、CPET流延薄膜或PVB玻璃夹层薄膜，薄膜厚度为20-1000μm。

5.采用如权利要求1所述专用设备的一种层间复合可控梯度式复杂零件的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)用三维造型软件在控制单元中生成零件的三维实体模型，将数据转化为STL文件，并对打印模型的每层厚度进行设计，然后用分层软件将其分成多个薄层；分层中每一层都对应相应的材料，每层厚度为10-500μm；

2)将配制好的不同的光敏材料分别置于各个料盒中，控制单元对每个薄层所用材料进行选择设定；步骤2)中所述的光固化材料为纯光敏树脂、添加纤维或晶须的光敏树脂、添加纳米填料的光敏树脂、光敏陶瓷浆料或光敏金属浆料；

3)开始铺料，控制单元根据该层材料设定调用该层所需材料对应的料盒，并控制该料盒沿料盒导轨从一侧的密封板上运动到另一侧的密封板上，使薄膜传送带上表面铺上一层光固化材料；所述的光固化材料为纯光敏树脂、添加纤维或晶须的光敏树脂、添加纳米填料的光敏树脂、光敏陶瓷浆料或光敏金属浆料；

4)开始打印，启动主动滚筒并顺时针转动，使光固化材料铺层运动到成型台的下方；开启z轴运动机构使成型台下降，待成型零件底部与薄膜间距等于步骤1)中的分层厚度时停止下降；

5)打开光源，使光透过透明基板和薄膜传送带，对步骤4)中所述光固化材料铺层进行单层固化成型；然后将成型台抬升使固化层与薄膜分离；所述成型台抬升距离为1-20cm；

6)重复步骤3)、4)和5)的操作，完成多种光固化材料的层间复合。