CN109159421B - 一种聚合物丝材的激光增材制造系统及其方法 - Google Patents

一种聚合物丝材的激光增材制造系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于丝材增材制造领域，并公开了一种聚合物丝材的激光增材制造系统及其方法。该系统包括升降台、送丝单元、挤出单元、机器人和激光器，升降台是丝材成形的工作台面；激光器用于熔融从挤出单元挤出的丝材，激光器设置在挤出单元外部以实现丝材的熔融从挤出单元中分离出来，则送丝和熔融分开进行，避免了挤出单元喷头的堵塞；激光头和挤出单元均一同固定在机器人末端的工作台上，使得激光在任何时候都直射丝材挤出的位置，从而保证丝材总是一经挤出就在激光的作用下熔融。机器人携带挤出单元和激光单元按照预设轨迹运动，实现单个切片层上的丝材熔融成形，通过升降台下降实现所有切片层的成形，以此获得待成形零件。通过本发明，解决了喷头易堵塞、清洁困难和使用寿命短等问题。

Description

一种聚合物丝材的激光增材制造系统及其方法
技术领域
本发明属于丝材增材制造领域，更具体地，涉及一种聚合物丝材的激光增材制造系统及其方法。
背景技术
增材制造是一种将离散材料逐层累加得到实体零件的过程，相对于传统的制造技术，增材制造技术可以实现复杂结构的无模、快速成形，适合个性化、高附加值产品的制造，具有材料利用率高、自动化程度高的特点。聚合物材料由于其密度小、成形温度低、产品性能优良成为增材制造原材料中用量最大、应用范围最广、成形方式最多的材料，主要包括适用于熔融沉积成形(FDM)技术的聚合物丝状材料、适用于激光选区烧结(SLS)技术的聚合物粉状材料、适用于光固化(SLA)技术的光敏树脂。
FDM技术采用金属热喷头将热塑性聚合物丝材熔融至熔融状态，然后经由喷头挤出并迅速固化，逐层沉积得到实体零件。目前，FDM尚存在如下不足：(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融速率不匹配造成的，未熔融的丝材深入到已熔融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。
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丝材的激光增材制造系统及其方法，通过激光使聚合物丝材熔融，使丝材挤出单元和熔融热源分离，解决了喷头易堵塞、清洁困难和使用寿命短等问题；此外，通过机器人带动挤出单元，提高了加工过程的柔性、灵活性和稳定性；通过丝材牵引机构使得丝材从喷头挤出后轨迹可控，实现聚合物丝材激光增材制造过程的高稳定性和产品的高精度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种聚合物丝材的激光增材制造系统，其特征在于，该系统包括升降台、送丝单元、挤出单元、机器人和激光器，其中：
所述升降台(4)是丝材成形的工作台面，通过所述升降台的升降实现从一个切片层到另一个切片层的转换；所述挤出单元(32)与所述送丝单元(3)连接，分别用于实现丝材的送丝和挤出；所述激光器(5)用于熔融从所述挤出单元(32)挤出的丝材，该激光器(5)设置在挤出单元(32)外部，使得丝材的熔融从所述挤出单元中分离出来，实现送丝和熔融的分开进行，避免所述挤出单元的喷头堵塞；
其中，所述激光器的激光头(6)和挤出单元(32)一同固定在机器人末端的工作台(7)上，二者相对静止，使得激光始终直射丝材从所述挤出单元挤出的位置，从而保证丝材的及时熔融，所述机器人(2)携带所述挤出单元和激光单元按照预设轨迹运动，实现单个切片层上的丝材熔融成形，通过所述升降台(4)的逐层下降，实现所有切片层的成形，以此获得所需的待成形零件。
进一步优选地，所述挤出单元中设置有牵引机构，该牵引机构包括牵引板和定滑轮，所述牵引板设置在所述挤出单元挤出头的下方，且与所述挤出头连接，该牵引板的下方设置有一组相对设置的定滑轮，所述丝材从所述挤出头挤出后，从所述相对设置的定滑轮之间被送出。
进一步优选地，所述工作台上设置有连接板和通孔，所述连接板用于连接所述挤出单元的挤出头，所述通孔用于安装所述激光头，同时保证该激光头发出的激光指向被送出的丝材。
进一步优选地，所述机器人优选采用多轴机器人，以此实现多自由度的运动。
进一步优选地，所述激光器产生的激光采用光纤传输，并且该激光器的参数可调，以适应加工不同的丝材。。
进一步优选地，所述系统中还包括控制器，其分别与升降台、送丝单元、挤出单元、机器人和激光器连接，以此实现各个部分的独立控制。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述所述的系统的增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)构建待成形零件的三维模型，并将该三维模型分层切片，得到多个切片层，由此获得每个切片层中的二维平面数据，根据该二维平面数据设定所述机器人的运动轨迹；
(b)送丝单元送丝至所述挤出单元并开始送丝，同时所述激光头发射激光熔融被送出的丝材，以此方式相互配合进行从点到线的成形，即所述激光头照射“下一点”时，“上一点”迅速固化，与此同时“下一点”与“上一点”熔合在一起，如此循环下去，从而实现从点成线，所述机器人按照所述运动轨迹带动所述挤出单元和激光头运动，以此成形实现单个切片层的成形；
(c)所述升降台下降一个切片层的厚度，重复步骤(b)，直至完成所有切片层的成形，以此获得待成形零件。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、本发明中丝材从喷头处挤出，但喷头不提供热量使其熔融，而是采用激光将挤出的丝材熔融，使得挤出和熔融分开进行，避免丝材一边熔融一边挤出导致的熔融不充分和喷头容易堵塞，使得喷头中不存在残留的丝材，从而使得喷头清洗容易，进而提高喷头的使用寿命低；
2、本发明中采用光纤传输的激光使丝材熔融，具有高柔性、高稳定性、易维护的优点，使加工稳定性得到提高，同时，激光的能量集中，耐高温的高性能聚合物(如PEEK材料)亦能轻易熔融，极大地改善了耐高温高性能聚合物成形难的问题，扩大了聚合物材料在增材制造中的应用范围；
3、本发明中在丝材传送单元中设置牵引板和定滑轮，能够对丝材挤出起到约束的作用，使丝材从喷嘴挤出后不会随意运动，而是平稳地被引导至待成形处，这保证了加工过程的稳定性，有利于提高产品的尺寸精度和形状精度；
4、本发明中机器人、送丝单元、Z轴升降台均与控制器连接，形成集成化、模块化的控制器，实现三者的一体化控制，能够保证三者协同配合工作，使产品加工顺利进行。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的聚合物丝材激光制造系统的装置的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的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送丝单元的结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的丝材牵引机构的结构示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的工作台的结构示意图。
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-控制器 2-机器人 3-送丝单元 31-丝材供给机构 32-挤出单元33-牵引机构331-定滑轮 332-牵引板 4-升降台 5-激光器 6-激光头 7-工作台 71-连接板 72-通孔73-连接接头 74-螺栓
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。
以下结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明的具体实施方式。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的聚合物丝材激光制造系统的装置的结构示意图，如图1所示，该系统包括集成控制器1、六轴机器人2、送丝单元3、Z轴升降台4、激光器5、激光头6、机器人工作台7，本实施例中六轴机器人2、送丝单元3、Z轴升降台4这三者均与控制器1连接，实现这三者的协调工作：控制机器人2手臂的运动，从而控制丝材的运动轨迹；控制丝材的供给量、供给速率；控制Z轴升降台下降的高度，这三者的协同工作保证加工过程的顺利进行。
图2是按照本发明的优选实施例所构建的机器人的结构示意图，如图2所示，该机器人2拥有六个可以转动的轴，这表明机器人手臂具有六个自由度。图2中的六个箭头分别表示这六个轴转动的方向，通过六个轴的转动，能保证机器人手臂能够完成几乎任意角度和轨迹的运动，可以满足实际成形的需要，该六轴机器人还可以自由编程，实现全自动化的工作，具有可控制的错误率。
图3是按照本发明的优选实施例所构建的送丝单元的结构示意图，如图3所示，其由丝材供给机构31、丝材挤出单元32、牵引机构33组成。丝材料盘放在供给机构31处，丝材从挤出单元32挤出，图4是按照本发明的优选实施例所构建的丝材牵引机构的结构示意图，如图4所示，两个定滑轮331相对设置，“架住”丝材，保证丝材的运动轨迹可控；定滑轮331与丝材之间为较小的滑动摩擦，保证丝材能够顺畅且不受损地被引导至待成形处，这两个定滑轮均通过螺栓固定在牵引板332上，丝材挤出单元通过螺栓固定在连接板71上。
图5是按照本发明的优选实施例所构建的工作台的结构示意图，如图5所示，激光头6固定在通孔72处，从激光头中发出的激光容易被聚合物材料吸收，激光直接照射在丝材经过两个定滑轮后的出口处，使丝材熔融。激光头6和丝材挤出单元32、丝材牵引机构33一同固定在机器人工作台7上，两者为“相对静止”状态，无论机器人带动丝材传送装置运动至何处，激光的光线总是直射同一个位置，这保证了丝材对激光吸收的持续性，有利于加工过程的稳定性。通过调节激光的功率等相关参数来调节加工温度，从而保证该设备适用于不同聚合物丝材的加工。
所述机器人2优选为具有高自由度多轴机器人，可以适用于几乎任何轨迹的或角度的加工，本发明中喷头只在一个平面内运动，四轴、五轴、六轴机器人等均可满足要求。由于轴数越高则自由度越大，六轴机器人更能保证送丝的灵活性和准确性。
所述送丝单元3包括丝材供给机构，用于放置丝材料盘；牵引机构33优选为由两个定滑轮331和牵引板332组成，牵引板332在机器人2成形工作台上。
所述激光器5产生的激光由光纤传输，柔性化程度高、电光转换效率高，并具有超高的稳定性；并且聚合物材料对该激光应当有较高的吸收率，而且可以调节激光器的参数以适应不同聚合物丝材的加工温度。
所述Z轴升降台4能够在竖直方向精确运动，实现产品高度方向的成形，更具体地：Z轴升降台能够在该设备完成每一层的成形后下降与切片厚度相等的高度；
所述机器人2、送丝单元3、Z轴升降台4均与控制器1连接，形成三者的集成化、模块化控制系统，该系统能够一体化控制三者的协调运动，使这三部分协同配合工作。
以上是整个设备结构方面的详细描述，其具体的加工步骤叙述如下：
(1)将产品三维模型导入控制器1中进行分层切片，得到产品每一层的截面数据，根据该截面数据即可确定机器人手臂带动丝材传送装置运动的精确轨迹；
(2)控制器1控制送丝单元，使丝材顺利从挤出单元32挤出并经丝材牵引机构33引导至待成形位置，激光头6发出的激光使丝材熔融。机器人手臂带动丝材挤出单元32依据步骤(1)确定的轨迹运动，激光照射“下一点”时，“上一点”迅速固化，与此同时“下一点”与“上一点”熔合在一起，如此循环下去，由点成线，当机器人手臂在X-Y平面的运动完成后，即完成了产品一个面的成形；
(3)每成形完一层后，Z轴升降台4根据步骤(1)的切片厚度，下降与之相等的高度，继续下一层的成形，重复以上过程即可得到整个产品。
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 (2)

1.一种聚合物丝材的激光增材制造系统，其特征在于，该系统包括升降台(4)、送丝单元(3)、挤出单元(32)、机器人(2)和激光器(5)，其中：
所述升降台(4)是丝材成形的工作台面，通过所述升降台的升降实现从一个切片层到另一个切片层的转换；所述挤出单元(32)与所述送丝单元(3)连接，分别用于实现丝材的挤出和送丝；所述激光器(5)用于熔融从所述挤出单元(32)挤出的丝材，该激光器(5)设置在挤出单元(32)外部，使得丝材的熔融从所述挤出单元中分离出来，实现送丝和熔融的分开进行，避免所述挤出单元的挤出头堵塞；
其中，所述激光器的激光头(6)和挤出单元(32)一同固定在机器人末端的工作台(7)上，二者相对静止，使得激光始终直射丝材从所述挤出单元挤出的位置，从而保证丝材的及时熔融，所述机器人(2)携带所述挤出单元和激光器按照预设轨迹运动，实现单个切片层上的丝材熔融成形，通过所述升降台(4)的逐层下降，实现所有切片层的成形，以此获得所需的待成形零件；
所述挤出单元(32)中设置有牵引机构(33)，该牵引机构包括牵引板(332)和定滑轮(331)，所述牵引板(332)设置在所述挤出单元挤出头的下方，且与所述挤出头连接，该牵引板的下方设置有一组相对设置的定滑轮(331)，所述丝材从所述挤出头挤出后，从所述相对设置的定滑轮之间被送出；
所述工作台(7)上设置有连接板(71)和通孔(72)，所述连接板(71)用于连接所述挤出单元的挤出头，所述通孔(72)用于安装所述激光头，同时保证该激光头发出的激光指向被送出的丝材；
所述机器人(2)采用多轴机器人，以实现多自由度的运动；
所述激光器(5)产生的激光采用光纤传输，并且该激光器的参数可调，以适应加工不同的丝材；
所述系统中还包括控制器(1)，其分别与升降台、送丝单元、挤出单元、机器人和激光器连接，以此实现各个部分的独立控制。
2.一种如权利要求1所述的系统的增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)构建待成形零件的三维模型，并将该三维模型分层切片，得到多个切片层，由此获得每个切片层中的二维平面数据，根据该二维平面数据设定所述机器人的运动轨迹；
(b)送丝单元送丝至所述挤出单元并开始挤出，同时所述激光头发射激光熔融被送出的丝材，以此方式相互配合进行从点到线的成形，所述机器人按照所述运动轨迹带动所述挤出单元和激光头运动，以此实现单个切片层的成形；
(c)所述升降台下降一个切片层的厚度，重复步骤(b)，直至完成所有切片层的成形，以此获得待成形零件。
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