CN109130170A - 一种聚合物多材料增减材复合成形系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于丝材激光增材制造领域，并公开了一种聚合物多材料增减材复合成形系统及方法。该系统包括第一机器人、第二机器人、旋转喷头、机器人、切削刀具、激光发射单元和测量单元，旋转喷头用于挤出不同的丝材，旋转喷头与第一机器人连接，通过第一机器人携带所述旋转喷头运动，实现多材料的增材制造，激光发射单元设置在所述旋转喷头的外部，用于将挤出的丝材熔融；测量单元用于实时监测成形产品的三维结构的空间尺寸和各位置的温度，以此确定开始进行减材制造的时间节点、位置和进给量；切削刀具与第二机器人连接用于进行减材制造。通过本发明，实现增材和减材两个制造过程同时进行，相互配合，互不干扰，提高了产品的精度和成形的效率。

Description

一种聚合物多材料增减材复合成形系统及方法

技术领域

本发明属于丝材激光增材制造领域，更具体地，涉及一种聚合物多材料增减材复合成形系统及方法。

背景技术

在聚合物增材制造领域中，熔融沉积成形(FDM)技术由于其运行成本低、成形材料广泛、后处理简单等优点具有重要的地位。在FDM成形过程中，聚合物丝材由送丝机构运送至喷嘴并被加热至熔融态，挤出后在空气中固化成形。

目前，FDM技术仍存在如下不足之处：

(1)打印过程中经常出现热喷头堵塞的现象，这主要是送丝速率和丝材熔化速率不匹配造成的，未熔化的丝材深入到已熔化但尚未挤出的熔融态材料中，导致熔融态材料溢出至进料端空隙处降温固化，从而造成喷头堵塞。发明专利CN104118121A公开了一种FDM打印机的防堵打印喷头，通过加入薄型加热铝块、T型预热铝块和恒温铝块，使加热空间大为减少、丝材熔融快，在一定程度上解决了喷头堵塞问题。但是，这种防堵塞喷头加入了多个铝块和温度传感器等多个零部件导致结构复杂，难以精确加工，并且丝材性能不均匀、常含有杂质、凝固异常等因素也会导致喷头堵塞，这种情况下前文所述防堵打印喷头无法解决。

(2)打印喷头往往会残存熔融态的材料，冷却后便固化留在喷嘴处，由于打印喷嘴一般为0.4mm且为打印喷头的关键部位，导致残留的材料清理困难，清理操作不当还会损坏喷嘴，从而严重影响打印精度。

(3)若打印的零件结构复杂、尺寸较大，打印喷头将会长时间工作在较高温度(常见的ABS、PLA打印温度为200℃左右)下，这将影响打印喷头的使用寿命。

(4)目前的FDM打印机大部分为固有的单喷头模式，只能实现一种材料的成形。而随着科技的发展和国家的战略需要，多材料的成形已经成为研究的热点。发明专利CN107116220A公开了一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置及其工作方法，其针对的是金属多材料的制备；实用新型专利CN206733600U公开了一种单喷头实现多材料层级复合3DP的装置，其主要使用的是陶瓷粉末或是水凝胶作为打印材料，且使用仅限于生物医用材料成形领域；发明专利CN107263858A公开了一种异质多材料增材制造系统，采用旋转式多喷头实现多材料的增材制造，但这种装置仍采用现有的热喷头加工，无法克服喷头易堵塞的问题。

基于切削加工的减材制造技术是提高成形零部件尺寸精度的重要手段。欲实现高精度的增材制造，常将增材制造技术和切削加工相结合，这样将充分发挥两种技术各自的优势。若将增材制造的产品完全成形后再进行减材制造，这将降低成形效率，而且目前的制造方法加工柔性有待提高，加工柔性的提高意味着设备对材料的变化、产品结构的变化的适应性提高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种聚合物多材料增减材复合成形系统及方法，通过将増材制造和减材制造的相关装置和工艺结合，尤其是对关键组件测量单元的设置，实现了减材制造的时间节点、位置和进给量的确定，实现増材和减材制造的无缝衔接，且提高成形产品的成形精度和加工效率，另外，通过在増材制造过程中设置旋转喷头，实现多材料丝材的挤出，实现成形产品的多样化。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种聚合物多材料增减材复合成形系统，其特征在于，该系统包括第一机器人、第二机器人、旋转喷头、机器人、切削刀具、激光发射单元和测量单元，其中：

所述旋转喷头中设置有多个挤出模块，分别用于挤出不同的丝材，通过旋转喷头实现不同丝材之间的切换，所述旋转喷头与所述第一机器人连接，通过所述第一机器人携带所述旋转喷头运动，实现在不同位置丝材的挤出，所述激光发射单元设置在所述旋转喷头的外部，用于将挤出的丝材熔融，以此实现每个切片层的増材制造；

所述测量单元用于实时监测成形产品的三维结构和温度，其中，通过将成形产品的三维结构与所需产品的三维结构进行对比，根据对比的结构确定减材制造的位置和进给量，同时通过实时监测成形产品的温度，以此确定开始进行减材制造的时间节点；

所述切削刀具与所述第二机器人连接，用于根据所述减材制造的时间节点、位置和进给量进行切削，以此实现减材制造。

进一步优选地，所述旋转喷头包括旋转板、连接板和多个挤出模块，其中，所述连接板与所述旋转板连接，所述多个挤出模块设置在所述连接板中，所述旋转板带动所述连接板转动，进而带动实现挤出模块的转换。

进一步优选地，所述挤出模块包括滚轮、驱动电机和喷头，所述滚轮用于放置丝材的线轮，所述驱动电机用于驱动丝材的挤出。

进一步优选地，所述切削刀具材料优选采用钨系高速钢或高碳高速钢。

进一步优选地，所述第一机器人与第二机器人结构相同，均采用多轴机器人。

进一步优选地，所述测量单元包括非接触式三维扫描仪和温度传感器，分别用于测量成形产品的三维结构和温度。

进一步优选地，所述激光发射单元产生的激光采用光纤传输，并且该激光发射单元的参数实时可调，当材料种类变化时，激光器的参数实时调节以适应不同丝材的需要。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述所述的系统的成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)构建待成形产品的三维模型，将该三维模型分层切片获得多个切片层，再对每层切片层进行体素切片，得到每层切片层的数据点集，根据每个切片层中的数据点集设定所述第一机器人的运动轨迹、旋转喷头的旋转顺序；

(b)所述第一机器人按照所述设定的运动轨迹携带所述旋转喷头运动，同时所述旋转喷头按照所述设定的旋转顺序旋转；所述测量单元实时监测成形切片层的三维结构，并与所需产品的相应位置对比，以此确定减材制造的位置和进给量，与此同时温度传感器测量成形切片层的温度，并以此确定开始减材制造的时间节点，所述第二机器人根据所述减材制造的时间节点、位置和进给量携带所述切削刀具运动，以此实现减材制造，由此完成单个切片层的増材和减材制造；

(c)重复步骤(b)，直至完成所有切片层的加工，从而获得所需产品。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明中通过采用测量单元，实时测量増材制造成形产品的三维结构和温度，以此确定减材制造的位置，进给量和进给时间节点，由此实现増材制造和减材制造的无缝衔接，方便快捷，并且对成形产品三维结构的监测使得最终成形产品精度高，成形效率高；

2、本发明中通过采用旋转喷头和激光发射单元分开设置，使得丝材的熔融从挤出模块中分离出来，进而使得挤出和熔融分开，避免二者同时进行时堵塞喷头，减少喷头清洗的难度，延长喷头使用寿命；

3、本发明中通过采用旋转喷头，通过旋转喷头切换挤出模块，实现挤出丝材的转换，从而实现多材料的激光熔融成形，另外旋转喷头结构简单，成形方便，并且容易改装，能够根据产品材料种类的需要改变喷头的数量；

4、本发明采用两个机器人分别带动旋转喷头和切削刀具，实现增材制造和减材制造的同时进行，即增减材的一体化制造，提高了成形件的形状精度和尺寸精度，在整个成形的过程中，增材加工和减材制造是同时进行的，两者相对独立，显著提高加工效率。

5、两个机器人的运用在一定程度上提高了整个加工系统的柔性，有利于加工过程稳定性的提高和最终产品精度的提高。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的一种聚合物多材料增减材复合成形系统的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的第一机器人的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的激光发射单元的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的测量单元的结构示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的旋转喷头的结构示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的切削刀具的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一机器人 2-第二机器人 3-激光发射单元 31-激光器 32-透镜 33-X轴振镜电机 34-X轴振镜 35-Y轴振镜电机 36-Y轴振镜4-测量单元 41-非接触式三维扫描仪 42-温度传感器 43-固定支架5-Z轴升降台 6-旋转喷头 61-旋转板 62-连接板 63-挤出模块631-滚轮 632-驱动电机 633-喷头 7-切削刀具 8-控制器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的一种聚合物多材料增减材复合成形系统的结构示意图，如图1所示，该设备由第一机器人1、第二机器人2、激光发射单元3、测量单元4、Z轴升降台5、旋转喷头6、切削刀具7、控制器8组成。本实施例中第一机器人1带动旋转喷头6完成多材料送丝，第二机器人2带动切削刀具7完成零件的减材制造，控制器8一体化控制该设备其他各组成部分，具有集成化、模块化的特点。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的第一机器人的结构示意图，如图2所示，本发明采用两个机器人，一个带动旋转喷头，另一个带动切削刀具，这两个机器人具有相同的六轴结构和工作原理。就第一机器人1而言，具有六个自由度，保证机器人能够适应几乎任意角度和轨迹的加工，可以满足实际成形的需要。该六轴机器人还可以实现全自动化的工作，具有可控的错误率。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的激光发射单元的结构示意图，如图3所示，采用的激光发射单元3，由激光器31、光路系统32、X轴振镜电机33、X轴振镜34、Y轴振镜电机35、Y轴振镜36这六个部分组成。激光发射单元是激光增材制造的核心部件，具有快速、精确扫描的特点。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的测量单元的结构示意图，如图4所示，测量装置由两个高分辨率非接触式三维扫描器41，温度实时反馈系统42，固定支架43组成，该装置具有实时测量和监测的功能。

图5是按照本发明的优选实施例所构建的旋转喷头的结构示意图，如图5所示，旋转喷头6由旋转板61、连接板62、挤出模块63组成。旋转板61带动连接板62，本实施例中，送丝系统中含有三个挤出模块63，用于传送不同种类的丝材从而实现多材料成形。其中挤出模块63主要组成有滚轮631，驱动电机632，喷头633，滚轮放置丝材料盘，经过驱动电机快速从喷头挤出，同时在激光的照射下熔融。

图6是按照本发明的优选实施例所构建的切削刀具的结构示意图，如图6所示，切削刀具7材料优选为具备高硬度、良好耐磨性的钨系高速钢、高碳高速钢等材料。

在本发明中带动旋转喷头和切削刀具的机器人均具有高自由度，优选为六轴机器人。

进一步优选地，旋转喷头可以根据实际产品材料种类进行快速改装，喷头的数量即为材料的种类数量。

进一步优选地，测量装置是一种非接触式的光学三维坐标测量系统，能够跟踪加工的全过程。其中，温度传感器能够准确测量成形过程中零件各个位置的温度。

进一步优选地，第一和第二机器人、激光发射单元、旋转喷头、Z轴升降台均与控制器8连接，并形成集成化、模块化的控制器，只需要控制该控制器即可实现各组成部分的一体化控制，整个成形过程可以实现“一站式”操作。

进一步优选地，控制器中装有联动控制程序，保证两个机器人和变位器之间能够协调配合、互不干涉。

以上是根据本发明提供的一种聚合物多材料增减材复合柔性制造方法所构建的设备的结构方面的详细描述，其具体的制造方法与步骤叙述如下：

(1)将产品的CAD模型导入控制器8中，先对该CAD模型进行分层切片以决定每一层的成形高度；再对每一层进行体素切片，得到每一层的数据点和其位置信息，根据产品需要，在对应的数据点设置相应的材料，得到材料信息，根据位置信息和材料信息设定第一、第二机器人以及旋转喷头的运动轨迹；；

(2)对于(1)确定的空间数据点集，操作控制器8，根据产品需要在不同的点设置不同的材料(本实施例可设置三种材料)，此处的设置可以批量处理，但是材料信息以单元点为单位存储。在得到了产品模型的空间数据信息和材料信息后，由软件生成机器人能够识别的加工代码。

(3)如图1和图5所示的旋转喷头，分别用于挤出三种丝材a，b，c，根据产品的需要，当需要材料a的时候，控制器7旋转喷头使材料a从喷头挤出；当丝材a从喷头挤出的同时，激光发射单元3产生的激光使丝材a熔融沉积，实现增材制造。同理，当需要材料b(或c)的时候，控制器便控旋转旋转喷头挤出丝材b或c，当材料切换的时候，激光发射单元3能够实时切换参数，使产生的激光能够与丝材b(或c)相适应。机器人1、机器人2在控制器中的联动程序控制下协调工作，既相互配合又不互相干涉。

(4)在成形的过程中，测量单元测量成形零件的三维尺寸，并和导入的CAD模型尺寸作对比，以确定减材制造的具体参数。与此同时，温度传感器对产品的温度进行监测，以确定减材制造的时机。当温度满足减材制造的要求时，另一个机器人带动切削刀具使正在成形的零件减材制造。对产品的某一部位，是“先增材后减材”，而在整个成形过程中，“增材”和“减材”同时进行，两个过程相互配合、互不干扰。

(5)按照步骤(3)、步骤(4)逐点成形得到一个面，每一个面成形完毕后，Z轴升降台5下降一个与分层切片的厚度相等的高度，继续完成下一层的成形，如此循环下去便得到整个零件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种聚合物多材料增减材复合成形系统，其特征在于，该系统包括第一机器人(1)、第二机器人(2)、旋转喷头(6)、切削刀具(7)、激光发射单元(3)和测量单元(4)，其中：

所述旋转喷头(6)中设置有多个挤出模块(63)，分别用于挤出不同的丝材，通过旋转喷头实现不同丝材之间的切换，所述旋转喷头与所述第一机器人(1)连接，通过所述第一机器人携带所述旋转喷头运动，实现多材料的增材制造，所述激光发射单元(3)设置在所述旋转喷头的外部，用于将挤出的丝材熔融，以此实现每个切片层的増材制造；

所述测量单元(4)用于实时监测成形产品的三维结构的空间尺寸和各个位置的温度，其中，通过将成形产品的三维结构与所需产品的三维结构进行对比，根据对比的结果确定减材制造的位置和进给量，同时通过实时监测成形产品的温度，以此确定开始进行减材制造的时间节点；

所述切削刀具(7)与所述第二机器人(2)连接，用于根据所述减材制造的时间节点、位置和进给量进行切削，以此实现减材制造。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旋转喷头(6)包括旋转板(61)、连接板(62)和多个挤出模块(63)，其中，所述连接板与所述旋转板连接，所述多个挤出模块设置在所述连接板中，所述旋转板带动所述连接板转动，进而带动实现挤出模块的转换。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述挤出模块包括滚轮(631)、驱动电机(632)和喷头(633)，所述滚轮用于放置丝材的线轮，所述驱动电机用于驱动丝材的挤出。

4.如权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述切削刀具(7)材料优选采用钨系高速钢或高碳高速钢。

5.如权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述第一机器人(1)与第二机器人(2)结构相同，均采用多轴机器人。

6.如权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述测量单元(4)包括非接触式三维扫描仪和温度传感器，分别用于测量成形产品的三维结构和温度。

7.如权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，所述激光发射单元(3)产生的激光采用光纤传输，并且该激光发射单元的参数实时可调，当材料种类变化时，激光器的参数实时调节以适应不同丝材的需要。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述的系统的成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)构建待成形产品的三维模型，将该三维模型分层切片获得多个切片层，再对每层切片层进行体素切片，得到每层切片层的数据点集，根据每个切片层中的数据点集设定所述第一机器人的运动轨迹、旋转喷头的旋转顺序；

(b)所述第一机器人按照所述设定的运动轨迹携带所述旋转喷头运动，同时所述旋转喷头按照所述设定的旋转顺序旋转；所述测量单元实时监测成形切片层的三维结构，并与所需产品的相应位置对比，以此确定减材制造的位置和进给量，与此同时温度传感器测量成形切片层的温度，并以此确定开始减材制造的时间节点，所述第二机器人根据所述减材制造的时间节点、位置和进给量携带所述切削刀具运动，以此实现减材制造，由此完成单个切片层的増材和减材制造；

(c)重复步骤(b)，直至完成所有切片层的加工，从而获得所需产品。