CN107498856A - 一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造方法及系统，该方法有机综合了光敏树脂和纤维/颗粒增强复合材料增材制造技术的优势，生成表面精度高且性能优越的复合材料零（部）件。具体是利用光固化技术成型的零（部）件表面精度高且不受其结构限制等特点；利用灵活的机构，按设计进行不同材料、不同方位、不同数量等进行增强复合材料添加。本发明可以精确控制复合材料在零（部）件中的取向、含量和位置等，从而实现表面精度高、性能优越的复合材料零（部）件快速制造。本发明不仅适用于大型增强复合材料零（部）件单一制造，也适用于小型增强复合材料零（部）件批量生产；节约了制造成本，缩短了生产周期，扩大了产品使用范围。

Description

一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造方法及系统

技术领域

本发明涉及光固化技术和增材制造技术的研究领域，尤其是一种利用增强复合材料的光固化成形技术，具体地是一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造方法及系统。

背景技术

21世纪以来，随着科学技术的发展和工业4.0时代的到来，三维制造技术越来越完善，它通常是以零（部）件的数据模型文件为基础，运用粉末状可粘合的塑料、金属等材料，利用熔融沉积（FDM）、激光烧结（DMLS）、石膏3D打印（PP）、分层实体制造（LOM）、立体平板印刷（SLA）、数字光处理（DLP）等工艺技术，经过逐层叠加的方式来实现所需零（部）件的三维制造，该技术又被称为快速成形技术或增材制造技术。

其中，光固化技术以成形的零（部）件精度高、表面光滑、制造速度快，加之自身工艺上所需能量低，易操作等特点而得到迅速发展；其成形方法一般是利用光能的热作用使液态树脂材料产生化学变化的原理，对液态树脂进行有选择的固化，从而制造所需的三维实体原型。具体的光固化是指，在光的照射或辐射下使自由流动的液体转变为固体的反应；此过程中流动的液体是一种透明、黏性的光敏材料，俗称光敏树脂，当光照射或辐射到该液体上时，曝光部分由于发生聚合反应而固化。根据不同的引发机理，光敏树脂发生的光固化反应可分为自由基引发的聚合反应和阳离子光引发的聚合反应。除此之外，常见的光照方式有遮光掩模方式（通过一个遮光掩模照射到树脂表面，使该树脂接受光的面发生聚合反应）和激光束扫描方式（用扫描头将激光束扫描到树脂表面，使之发生聚合反应）两种。当光敏树脂按需要曝光发生固化后，形成具有一定厚度的基底，而后用同样方式在该基底基础之上进行新截面轮廓的照射、固化，直到三维原型零（部）件完成。

增材制造技术具有成形快、自动化程度高、产品质量稳定和简单易操作等优势，被广泛应用于生物医疗、航空航天、汽车零部件、塑料制品、机器人、国防军事、工业工程、教育教学等领域。而复合材料增材制造技术又是该领域近几年发展较快的技术之一，如果想制造高强度零（部）件，目前，一般采用增强复合材料的打印工艺及技术，如美国Mark Forged公司开发的Mark系列3D打印机[WO2014197732]、三维印刷复合纤维制造方法[US20160009030]、用于复合纤维增强制造的三维打印机[US20150375457]、西安交通大学田小勇等人研发的连续长纤维增强复合材料打印头[CN201410325650.3]以及多级送丝打印头[CN20150633569.6]、华中科技大学闫春泽等人研发的短纤维增强固性树脂复合3D打印方法[CN201510075179.1]等，这些方法和制造的零（部）件虽然在纤维方向上有较好的力学性能，但是其余方向上的综合性能不能达到较高指标，且成形零（部）件的表面粗糙；若想制造表面光滑的零（部）件，一般采用光固化式的制造工艺，如北京金达雷科技有限公司研发的光固化3D打印机及其树脂池组件、打印方法[CN201710150209X]、深圳摩方新材料科技有限公司研发的实时监控面型的3D打印光学系统[CN2017100413050]等，虽然利用这些方法制造的零（部）件表面光滑，但是成形零（部）件的强度不够，应用范围有限。因此，有必要开发一种新型的，能够集传统复合材料制造和光固化技术工艺优势于一身的增材制造技术，以提高三维制造零（部）件的性能强度和表面光滑度，使其能够获得更广泛应用。

综上所述，现存的三维制造技术主要存在以下问题：

1）光固化技术成形的零（部）件是以液态树脂为原材料。在成形过程中，虽然通过特殊光与对应材料的聚合反应能够形成所需零（部）件，但是，它的力学性能不够好，难以应用在对强度要求较高的环境下。

2）复合材料的增材制造技术是以不同密度复合材料为基础，实现了对强度要求较高环境下的零（部）件制造，但是，表面粗糙是此类零（部）件的一大缺陷。

发明内容

结合以上背景技术，针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造方法及系统，能够实现表面精度高、力学等性能好、结构复杂零（部）件的快速制造。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

1）制备或选取适用于光固化技术的光敏树脂和需要制造零（部）件的增强复合材料，所述的光敏树脂和增强复合材料可根据不同需求进行制备或选择。

2）根据设计的零（部）件，采用光固化增材制造技术成形零（部）件的基底面与/或支撑面。

3）采用灵活的机构，根据设计添加增强复合材料。

4）根据设计，调整增材制造工作平台的位姿。

5）再次对添加增强复合材料后的光敏树脂表面继续进行光固化增材制造处理，形成光敏树脂基增强复合材料结构。

6）若零（部）件加工制造未完成，则转至步骤3），否则结束制造，得到成品零（部）件。

优选的，所述光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造系统包括数据模型文件、智能控制系统、光源系统、光敏树脂、复合材料添加机构、增强复合材料、增材制造工作平台和成形零（部）件。

优选的，所述步骤1）中光敏树脂采用环氧树脂、硫醇/烯、丙烯酸酯、不饱和聚酯、聚乙烯肉桂酸酯体系、重铬酸体系、石油脑-苯醌体系和叠氮化合物体系等，其中的一种或其组合，包含但不限于所列举。

优选的，所述步骤2）中光固化增材制造技术可以在任意不影响光敏树脂固化的环境中进行。

优选的，所述步骤3）中的增强复合材料可以是碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、塑料空管甚至粉末或颗粒等，其中的一种或其组合；可以是连续纤维、短纤维、或颗粒纤维等，其中的一种或其组合；包含但不限于所列举。

优选的，所述步骤3）中的增强复合材料的取向可以是单向、多向、甚至任意方向的一种或其组合，包含但不限于所列举。

优选的，所述步骤3）中的增强复合材料的添加方式采用线性、非线性或其他方式中的一种或其组合，包含但不限于所列举。

优选的，所述数据模型文件采用.STL、.CAD、.obj、.gcode、.data或其它可接受格式文件中的一种，包含但不限于所列举。

优选的，所述智能控制系统可以根据数据模型文件，对光源系统、复合材料添加机构和增材制造工作平台等子系统进行单独控制，也可以对整个系统进行统一控制。

优选的，所述光源系统可以根据需要，按照光源的类型、波长和能量大小等参数产生不同光源；这些光源可以是紫外光、红外光和激光等，其中的一种或其组合，包含但不限于所列举。

优选的，所述光源系统采用遮光掩模、激光束扫描或其他工作方式的一种或其组合，包含但不限于所列举。

优选的，所述复合材料添加机构，采用加载有三维智能喷嘴的关节式机械手、龙门式机械手或其它类似灵活机构中的一种或多种，包含但不限于所列举。

优选的，所述复合材料添加机构，能够对增材制造工作平台进行无死角全方位覆盖。

优选的，所述增材制造工作平台可采用水平方向、垂直方向、甚至任意方向平移或旋转的运动，包含但不限于所列举。

利用本发明的制造方法，成形后的零（部）件，具有产品质量性能稳定、可根据需要增强零（部）件性能以及零（部）件表面精度高等优势，利用灵活机构添加增强复合材料，进而可以以任意角度、任意运动轨迹和力学性能进行增强复合材料的添加，附带的三维智能喷嘴，既能够添加短纤维，也可以添加整体或部分连续长纤维，从而实现不同增强复合材料成形零（部）件的制造。由于本发明的系统装置并不限制添加材料的辅助机构、光源系统以及增材制造工作平台等结构设计和使用，只要能够相互配合完成所需零（部）件加工制造即可，因此，可以更大范围地进行材料、复合材料添加机构、光源系统等选择和配置，生产出设计所需零（部）件；同时，该过程无需预先对复合材料进行处理或模具定制，减少了成形复合材料零（部）件的生产周期，大大提高了成形复合材料零（部）件性能（特别是表面精度）和产品质量性能（特别是力学性能）的稳定性。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的系统结构装置示意图。

图3是本发明的零（部）件构造结构示意图。

图4是本发明的方法系统工作流程图。

附图标记：2.1、系统装置台；2.2、光敏树脂液槽；2.3、增材制造工作平台；2.4、光敏树脂；2.5、零（部）件；2.6、复合材料添加机构；2.7、智能控制系统；2.8、光源系统；3.1、光敏树脂；3.2、增强复合材料；3.3、包覆增强复合材料的光敏树脂。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点能够更加清晰明了，以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参照图1和图2，本发明所有的系统装置均搭载在系统装置台2.1上且所有工作均在增材制造工作平台2.3上完成。

参照图1和图2，数据模型文件可以是智能控制系统2.7和其它控制器或计算机能够识别的任意文件格式。作为实施例之一，该驱动可以是CAD文件、STL文件、.gcode格式、.data格式或者是其它驱动文件；数据文件可以通过WIFI、以太网等网络方式无线传送，也可以通过USB数据线、连接网线等方式有线传送，还可以通过U盘、SD卡等方式直接读取；并不局限于此，只要能够驱动智能控制系统2.7即可。

参照图1和图2，系统进行工作时，智能控制系统2.7既可以对整个系统进行统一控制，也可以对整个系统的不同子系统进行单独控制，如光源系统、增强复合材料子系统等；既可以进行自动控制，也可以手动控制，还可以将两者相结合。

参照图1和图2，复合材料添加机构2.6灵活，可以对增材制造工作平台2.3进行全方位无死角覆盖，同时能够顺利完成增强复合材料的添加过程。作为实施例之一，该机构可以是龙门式机械手、关节式机械手或其它类似灵活机构中的一种或多种；并不局限于此，只要能够满足对增材制造工作平台2.3的全方位无死角覆盖且能够完成增强复合材料的添加过程即可。

参照图1和图2，增强复合材料是增强复合材料子系统的重要组成部分。作为实施例之一，它可以是碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、塑料空管甚至粉末或颗粒等，其中的一种或其组合；可以是连续纤维、短纤维、或颗粒纤维等，其中的一种或其组合；其添加方式的实施例之一可以是线性、非线性或其它方式的一种或其组合形式，特别地，增强复合材料的取向可以是单向、多向、甚至任意方向的一种或其组合形式；并不局限于此，只要能够达到零（部）件性能要求或需求即可。

参照图1和图2，光源系统2.8可以根据需要，按照光源的类型、波长和能量大小等参数，针对不同光敏树脂，产生不同光源，如紫外光、红外光和激光等。作为实施例之一，该系统可以是遮光掩模、激光束扫描或其它曝光方式中的一种或其组合形式；特别地，激光束扫描方式可以是连续、间断或其它形式的一种或其组合形式；光源可以单向沿X或Y轴运动、可以在XOY水平面上运动、也可以以任意角度运动；固化层高度既可以通过手动控制调节，也可以通过智能控制系统自动控制调节，还可以将两者相结合进行多模式调节；并不局限于此，只要能够对光敏树脂2.4进行固化，达到零（部）件性能要求或需求即可。

参照图1和图2，光敏树脂2.4是光固化子系统的重要组成部分。作为实施例之一，它可以采用环氧树脂、硫醇/烯、丙烯酸酯、不饱和聚酯、聚乙烯肉桂酸酯体系、重铬酸体系、石油脑-苯醌体系和叠氮化合物体系等，其中的一种或其组合；并不局限于此，只要能够达到零（部）件性能要求或制造需求即可。

参照图2，整个系统的工作均在增材制造工作平台2.3上完成。作为实施例之一，增材制造工作平台2.3可以采用水平方向、垂直方向甚至任意方向的平移或旋转等调节方式；并不局限于此，只要能够满足零（部）件加工要求或需求即可。

参照图3，光敏树脂基增强复合材料结构是成形零（部）件的主要构造形式，它由光敏树脂和增强复合材料所组成。作为实施例之一，光敏树脂基增强复合材料结构的形式可以是光敏树脂与增强复合材料的交替排布或其它任意排布方式的一种或几种；并不局限于此，只要能够满足零（部）件加工要求或需求即可。

参照图1和图2，本发明的方法系统最终成形的零（部）件2.5具有表面精度高、力学性能好适用范围广等诸多优点。

参照图1和图3，根据需要制备或选取合适的光敏树脂和增强复合材料。这些材料并不限于本发明已经提及的范围和形式。

作为实施例之一，在上述基础之上，参照图4，首先做好零（部）件制作的准备工作，一般包括光敏树脂和增强复合材料的选取、设备或装置的调试、对零（部）件性能和需求的了解等。

系统起动工作后，根据需要，利用光源系统2.8产生光源，对光敏树脂液槽2.2中的光敏树脂2.4进行光固化成型处理，形成一定厚度的基底于增材制造工作平台2.3上。

其次，利用复合材料添加机构2.6将已备的增强复合材料按需添加在上层零（部）件表面上，此过程均在增材制造工作平台2.3上完成。

然后，完成增强复合材料添加后，对增材制造工作平台2.3进行实际位姿调整，此时光源系统2.8再次对增材制造工作平台2.3上的光敏树脂2.4进行光固化处理。

最后，智能控制系统2.7根据数据模型文件的读取情况，进行下一步加工制造，直到整个零（部）件的制造完成。

当制造的零（部）件和构建室冷却后，即可取出所需制造零（部）件。

由此可见，本发明利用先进的光固化技术和增材制造技术实现了两者优势的有效结合，能够较好的实现性能好、表面精度高、结构复杂零（部）件的快速制造；能够根据不同需求实现增强复合材料以任意方式、任意取向、任意含量或任意位置的性能增强零（部）件；能够在生产过程中大大减少制造成本、缩短零（部）件生产周期、扩大零（部）件使用范围；能够适用大型复合材料零（部）件单独制造，同时也能够适用小型复合材料零（部）件批量生产。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何改动、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1）选择或制备用于所设计零（部）件的光敏树脂和增强复合材料，所述的光敏树脂和增强复合材料可根据不同需求进行制备或选择；

2）根据设计的零（部）件，采用光固化增材制造技术成形零（部）件支撑面与/或基底面；

3）采用灵活的机构，根据设计添加增强复合材料；

4）根据设计，调整增材制造工作平台的位姿；

5）再次对添加增强复合材料后的光敏树脂表面继续进行光固化增材制造处理，形成光敏树脂基增强复合材料结构；

6）若零（部）件未加工制造完成，则转至步骤3），否则结束制造，得到成品零（部）件。

2.根据权利要求1所述的一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造方法，其特征在于：步骤1）中所述的光敏树脂采用环氧树脂、硫醇/烯、丙烯酸酯、不饱和聚酯、聚乙烯肉桂酸酯体系、重铬酸体系、石油脑-苯醌体系和叠氮化合物体系等，其中的一种或多种；所述的增强复合材料既可以是碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、尼龙纤维等长纤维或短纤维复合材料，也可以是陶瓷粉末或碳化硅颗粒甚至塑料空管等增强复合材料中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造方法，其特征在于：步骤2）中所述的光固化增材制造技术可以在任意不影响光敏树脂固化的环境中进行。

4.根据权利要求1所述的一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造方法，其特征在于：步骤3）中所述的增强复合材料的取向可以是单向、双向甚至任意方向的一种或其组合；增强复合材料的添加铺设方式可以是线性、非线性或其他形式的一种或其组合；增强复合材料的添加方式可以是整体连续的，也可以是非连续的。

5.一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造系统，其特征在于：智能控制系统接收数据模型文件数据，控制光源系统对光敏树脂固化和增强复合材料添加系统对增强复合材料的添加以及增材制造工作平台的调整，最终形成所需制造零（部）件。

6.根据权利要求5所述的一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造系统，其特征在于：所述的数据模型文件采用.STL、.OBJ或其它可接受格式文件的一种。

7.根据权利要求5所述的一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造系统，其特征在于：所述的智能控制系统可以根据需要对数据模型文件、光源系统、复合材料添加机构和增材制造工作平台等子系统进行单独控制，也可以对整个系统进行统一控制。

8.根据权利要求5所述的一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造系统，其特征在于：所述的光源系统可以根据需要，按照光敏树脂固化时所需光源的类型、波长或能量大小等参数，选择不同光源系统；所述的光源系统可采用遮光掩模、激光束扫描或其它工作方式的一种或多种。

9.根据权利要求5所述的一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造系统，其特征在于：所述的复合材料添加机构，采用加载有智能喷嘴的龙门式机械手、关节式机械手或其它灵活机构中的一种或多种；所述的复合材料添加机构，能够对增材制造工作平台进行无死角全方位覆盖。

10.根据权利要求5所述的一种光固化树脂基复合材料零（部）件的增材制造系统，其特征在于：所述的增材制造工作平台可以进行水平方向、垂直方向或其它任意方向的平移或旋转运动。