CN109177151A - 一种适时添加材料的光固化设备及其成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种适时添加材料的光固化设备及成形方法，通过液面监测系统实时向控制系统反馈成形仓内的液面信息，随后控制系统借助液面信息指导供料系统的液压传动系统实时按需将供料仓内的物料输送至成形仓，从而不需要成形前将大量的材料加入成形仓内，减少了材料准备与回收的工作量，节约人力、物力，并能在一定程度上减小因材料被长时间装入成形仓而产生的污染、变性等风险。成形仓无需装入大量的材料，降低了设备的运行成本。

Description

一种适时添加材料的光固化设备及其成形方法
技术领域
本发明属于增材制造设备领域，涉及一种适时添加材料的光固化设备及其成形方法。
背景技术
光固化技术作为最早被实用化的增材制造技术之一，在历经三十多年的发展后，在装机量及市场营收等方面均处于增材制造技术前列，为推动增材制造技术的工业化应用进程做出了突出贡献。现有光固化技术成形过程为：在成形仓内预先装入一定量的成形材料，控制系统按照制件的截面信息控制紫外灯，以线或面的曝光方式对成形仓内的成形材料进行按需扫描，从而引发固化；当一层固化完成后，成形平台下降或上升一个分层距离，成形仓内的材料覆盖已成形层，形成下一个待固化层，直至层层固化出所需的制件。
由于现有光固化技术需要预先将一定量的成形材料装入成形仓，因此会存在以下问题：(1)无论成形零件的体积大或小，都需要预先在成形仓内装入大量的材料，增大了材料准备与回收的工作量；(2)设备需要在成形仓内装入大量的材料后才能运行，增加了设备运行成本；(3)大量的材料都被装入成形仓，增加了材料污染、变性等方面的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适时添加材料的光固化设备，能够适时按需供给待成形液态材料，降低设备运行成本，减少材料污染、变性。
本发明的另一目的在于提供一种适时添加材料的光固化设备的成形方法。
本发明所采用的一个技术方案是：一种适时添加材料的光固化设备，包括呈中空的系统机架，系统机架上依次设置有供料系统和料槽，供料系统通过供料导管与料槽连接，还包括光路系统，光路系统在料槽中形成成形面，供料系统和料槽均连接有控制系统，控制系统用于控制供料系统向料槽提供的液态材料用量。
本发明的特点还在于，
还包括液面监测系统，液面监测系统与控制系统连接，成形面上液态材料的铺平信息通过检测系统进行检测，并将该铺平信息反馈至控制系统。
料槽包括设置于系统机架内的成形仓，成形仓内水平设置有零件托板，光路系统在零件托板上方形成成形面。
系统机架内还设有Z轴运动系统，Z轴运动系统与成形仓的底部固定连接，Z轴运动系统与控制系统连接。
料槽内还包括设置于系统机架内的液面粗调系统和液面细调系统；液面粗调系统位于成形仓一侧，且液面粗调系统的上部与成形仓连通；液面细调节系统位于成形仓另一侧，且液面细调节系统的上部与成形仓连通；液面粗调系统和液面细调节系统均于控制系统连接。
料槽的上部对称设有导轨，每个导轨内嵌入有刮刀的一端，且刮刀在成形仓的上方运动；且控制系统通过驱动装置驱动该刮刀在成形仓的上方运动。
成形仓采用折叠式成形仓。
供料系统包括设置在系统机架上部的供料仓和液压传动系统，供料仓通过供料导管与料槽连接，液压传动系统与控制系统连接。
本发明所采用的另一技术方案是：一种适时添加材料的光固化设备的成形方法，包括呈中空的系统机架，系统机架上依次设置有供料系统和料槽，供料系统通过供料导管与料槽连接，还包括光路系统，光路系统在料槽中形成成形面，供料系统和料槽均连接有控制系统，控制系统用于控制供料系统向料槽提供的液态材料用量；
还包括液面监测系统，液面监测系统与控制系统连接，成形面上液态材料的铺平信息通过检测系统进行检测，并将该铺平信息反馈至控制系统；
料槽包括设置于系统机架内的成形仓，成形仓内水平设置有零件托板，光路系统在零件托板上方形成成形面；
系统机架内还设有Z轴运动系统，Z轴运动系统与成形仓的底部固定连接，Z轴运动系统与控制系统连接；
料槽内还包括设置于系统机架内的液面粗调系统和液面细调系统；液面粗调系统位于成形仓一侧，且液面粗调系统的上部与成形仓连通；液面细调节系统位于成形仓另一侧，且液面细调节系统的上部与成形仓连通；液面粗调系统和液面细调节系统均于控制系统连接；
料槽的上部对称设有导轨，每个导轨内嵌入有刮刀的一端，且刮刀在成形仓的上方运动；且控制系统通过驱动装置驱动该刮刀在成形仓的上方运动；
供料系统包括设置在系统机架上部的供料仓和液压传动系统，供料仓通过供料导管与料槽连接，液压传动系统与控制系统连接；
具体按照如下步骤实施：
步骤1、取待成形液态材料装入供料仓及供料导管内；将控制系统根据零件的分层高度设置好相应的液态材料供给模式，控制系统控制Z轴运动系统驱动零件托板移动，使零件的待沉积面位于成形面的下一个层厚的位置；
步骤2、供料系统根据控制系统反馈的成形面的液面信息，控制成形仓内保持适量的材料；
步骤3、打开液面粗调系统和液面细调系统，液面监测系统将检测的液面信息反馈至控制系统，控制系统根据反馈的液面信息控制液面粗调系统或液面细调系统进行相应的调整，将零件的待沉积面位于与成形面重合；控制系统控制刮刀运动，保证成型面的液态材料液面保持均匀、水平；
步骤4、打开光路系统，对成形面处的液态材料按照零件的截面信息以线或面的方式进行扫描曝光，对一定厚度的液态材料进行固化；
步骤5、一层液态材料固化完成后，控制系统控制Z轴运动系统带动零件托板下移一个层厚的距离，并重复步骤2～步骤5，直至完成整个零件的成形。
本发明的有益效果是：本发明的一种适时添加材料的光固化设备，通过内部植入零件模型剖分数据识别软件的控制系统，能够实时得出成形仓中零件托板应该处于的位置，并通过Z轴运动系统带动零件托板进行上下移动，同时结合零件托板当前高度实时计算出当前所需液态材料添加量，使得供料系统能够根据成形零件的具体情况适时添加物料，节约人力物力，并能够降低材料污染及变性的风险；折叠式成形仓的可伸缩性实现依据零件成形高度调整成形仓体容积，提高设备对成形件尺寸的适应性；采用粗液面调节系统大幅度高效率调整液面、细液面调节系统小幅度高精度调整液面相结合的双液面调节系统；
本发明的适时添加材料的光固化设备的成形方法，是基于光固化技术的成形方法，通过液面监测系统实时向控制系统反馈成形仓内的液面信息，控制系统借助液面信息指导供料系统的液压传动系统实时按需将供料系统内的物料输送至成形仓，实现按需添加材料的供给方式，减少了材料准备与回收的工作量，节约人力、物力，并能因材料被长时间装入成形仓而产生的污染、变性等风险。
附图说明
图1是本发明一种适时添加材料的光固化设备的结构示意图；
图2是本发明一种适时添加材料的光固化设备的成形仓结构示意图。
图中，1.系统机架，2.供料系统，2-1.供料仓，2-2.液压传动系统，2-3.供料导管，3.料槽，3-1.导轨，4.液面粗调系统，4-1.液面粗调室，5.成形仓，6.零件托板，7.Z轴运动系统，8.光路系统，9.液面监测系统，10.液面细调系统，10-1.液面细调室，11.刮刀，12.控制系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种适时添加材料的光固化设备，如图1所示，包括呈中空的系统机架1，系统机架1上依次设置有供料系统2和料槽3，供料系统2通过供料导管2-3与料槽3连接，还包括光路系统8，光路系统8在料槽3中形成成形面，供料系统2和料槽3均连接有控制系统12，控制系统12用于控制供料系统2向料槽3提供的液态材料用量。
还包括液面监测系统9，液面监测系统9与控制系统12连接，成形面上液态材料的液面水平信息通过液面监测系统9进行检测，并将该液面水平信息反馈至控制系统12。液面监测系统9由信号发生源、信号收集器、信号处理器及信号传输原件部件构成；控制系统12即为工控机；液面监测系统9能够监测成形面的液面信息，并能将液面信息进行收集、处理及时反馈给控制系统12。
料槽3包括设置于系统机架1内的成形仓5，成形仓5内水平设置有零件托板6，光路系统8在零件托板6上方形成成形面。光路系统8使用的光源为可产生紫外波段光的光源，利用紫外光激发零件托板6上液面液态材料发生固化，进而实现零件的成形。
系统机架1内还设有Z轴运动系统7，Z轴运动系统7与成形仓5的底部固定连接，Z轴运动系统7与控制系统12连接。控制系统12内部植入有零件模型剖分数据识别软件，能够实时根据零件的成形信息得出零件托板6应该处于的位置，然后生成运动指令，控制系统12控制Z轴运动系统7运动，带动零件托板6随着成形仓5上下移动。
料槽3内还包括设置于系统机架1内的液面粗调系统4和液面细调系统10；液面粗调系统4位于成形仓5一侧，且液面粗调系统4的上部与成形仓5连通；液面细调节系统10位于成形仓5另一侧，且液面细调节系统10的上部与成形仓5连通；液面粗调系统4和液面细调节系统10均与控制系统12连接。
液面粗调系统4包括设置于系统机架1内部设有液面粗调室4-1，液面粗调室4-1的底部连接有液面粗调运动系统，液面粗调室4-1的上部与成形仓5连通；当液面监测系统9检测到液面距离成形面较远时，控制系统12启用液面粗调节系统4的液面粗调运动系统，通过液面粗调运动系统运动，挤压液面粗调室的液面材料快速回到成形面附近。液面粗调运动系统通过丝杠丝母、液压或气动等传动系统的运动调整液面粗调室4-1底板的位置，从而调节液面粗调室4-1的大小，起到调整成形仓5液面的作用。
液面细调系统10系统机架1内部设有液面细调室10-1，液面细调室10-1的底部连接有液面细调运动系统，液面细调室10-1的上部与成形仓5连通；当液面监测系统9检测到液面在成形面附近时，启用液面细调节系统10，通过液面细调节系统10的运动使液面精确地到达成形面，二者相结合，提高了调节精度与效率。液面细调运动系统通过丝杠丝母、液压或气动等传动系统的运动调整液面细调室10-1底板的位置，从而调节液面细调室10-1的大小，起到调整成形仓5液面的作用。
料槽3的上部对称设有导轨3-1，刮刀11的一端嵌入在一个导轨3-1内，且控制系统12通过驱动装置驱动该刮刀11在成形仓5的上方运动；当液态材料的液面信息与成形面已经重合，液面监测系统9检测到液面信息不水平时，控制系统12控制刮刀11将液态材料的液面刮平，确保整个液面水平且完整。
成形仓5采用折叠式成形仓。可根据零件尺寸适时调整成形仓5大小，与按需加料的材料供给方式相结合实现由零件尺寸控制材料添加量的功能，提高设备对成形件尺寸的适应性。
供料系统2包括设置在系统机架1上部的供料仓2-1和液压传动系统2-2，供料仓2-1通过供料导管2-3与料槽3连接，液压传动系统2-2与控制系统12连接。供料系统2内的液压传动系统2-2提供可控的外部压力控制液态材料在供料仓2-1与成形仓5内的进出；在成形仓5内缺少材料时，液压传动系统2-2挤压供料仓2-1，使材料由供料仓2-1进入成形仓5；在成形仓5内富余材料时，液压传动系统2-2拉伸供料仓2-1使材料由成形仓5回到供料仓2-1；根据实际需求实现供料系统2与料槽3内材料间的交换，并能在成形完成后自动将未使用的材料回收至供料系统，实现材料与外界的隔绝存储，提高材料输送的可控性。
本发明一种适时添加材料的光固化设备的工作原理：
供料系统2在控制系统12的调节下，利用液面监测系统9实时将液面信息反馈给控制系统12后生成的运动指令，指导供料系统2的液压传动系统2-2调整供料仓2-1内部压力，进而实时按需将供料系统2内的物料输送至成形仓5；液面监测系统9通过信号发生源实时向液面发出信号，然后再由信号收集器收集液面反射回的信号，最后由信号处理器对比得出液面高度信息。
本发明一种适时添加材料的光固化设备成形方法为：
步骤1、取待成形液态材料装入供料仓2-1及供料导管2-3内；将控制系统12根据零件的分层高度设置好相应的液态材料供给模式，控制系统12控制Z轴运动系统7驱动零件托板6移动，使零件的待沉积面位于与成形面以下一个层厚的位置；
步骤2、供料系统2根据控制系统12反馈的成形面的液面信息，控制成形仓5内保持适量的材料；
步骤3、打开液面粗调系统4和液面细调系统10，液面监测系统9将检测的液面信息反馈至控制系统12，控制系统12根据反馈的液面信息控制液面粗调系统4或液面细调系统10进行相应的调整，将零件的待沉积面位于与成形面重合；
当零件的待沉积面与成形面重合后，液面监测系统9检测到的液态材料液面信息不平时，控制系统12根据反馈的信息控制刮刀11工作，将液态材料液面多余的液态材料刮除，保证液态材料液面处于水平状态；
步骤4、打开光路系统8，对成形面处的液态材料按照零件的截面信息以线或面的方式进行扫描曝光，对一定厚度的液态材料进行固化；
步骤5、一层液态材料固化完成后，控制系统12控制Z轴运动系统7带动零件托板6下移一个层厚的距离，并重复步骤2～步骤5，直至完成整个零件的成形。
通过上述方式，本发明一种适时添加材料的光固化设备及成形方法，实现了材料的按需添加，利用液面监测系统9实时向控制系统12反馈成形仓5内的液面信息，随后控制系统13借助液面信息指导供料系统2的液压传动系统2-2实时按需将供料仓2-1内的物料输送至成形仓5，从而不需要成形前将大量的材料加入成形仓5内，减少了材料准备与回收的工作量，节约人力、物力，并能在一定程度上减小因材料被长时间装入成形仓而产生的污染、变性等风险。成形仓5无需装入大量的材料，降低了设备的运行成本。

Claims (9)

1.一种适时添加材料的光固化设备，其特征在于，包括呈中空的系统机架(1)，所述系统机架(1)上依次设置有供料系统(2)和料槽(3)，所述供料系统(2)通过供料导管(2-3)与所述料槽(3)连接，还包括光路系统(8)，所述光路系统(8)在所述料槽(3)中形成成形面，所述供料系统(2)和所述料槽(3)均连接有控制系统(12)，所述控制系统(12)用于控制所述供料系统(2)向所述料槽(3)提供的液态材料用量。
2.如权利要求1所述的一种适时添加材料的光固化设备，其特征在于，还包括液面监测系统(9)，所述液面监测系统(9)与所述控制系统(12)连接，所述成形面上液态材料的铺平信息通过检测系统(9)进行检测，并将该铺平信息反馈至控制系统(12)。
3.如权利要求1所述的一种适时添加材料的光固化设备，其特征在于，所述料槽(3)包括设置于系统机架(1)内的成形仓(5)，所述成形仓(5)内水平设置有零件托板(6)，所述光路系统(8)在所述零件托板(6)上方形成所述成形面。
4.如权利要求3所述的一种适时添加材料的光固化设备，其特征在于，所述系统机架(1)内还设有Z轴运动系统(7)，所述Z轴运动系统(7)与所述成形仓(5)的底部固定连接，所述Z轴运动系统(7)与所述控制系统(12)连接。
5.如权利要求3所述的一种适时添加材料的光固化设备，其特征在于，所述料槽(3)内还包括设置于系统机架(1)内的液面粗调系统(4)和液面细调系统(10)，所述液面粗调系统(4)位于所述成形仓(5)一侧，且所述液面粗调系统(4)的上部与所述成形仓(5)连通；所述液面细调节系统(10)位于所述成形仓(5)另一侧，所述液面细调节系统(10)与所述成形仓(5)连通；所述液面粗调系统(4)和所述液面细调节系统(10)均于所述控制系统(12)连接。
6.如权利要求3所述的一种适时添加材料的光固化设备，其特征在于，所述料槽(3)的上部对称设有导轨(3-1)，每个所述导轨(3-1)内嵌有刮刀(11)的一端，且控制系统(12)通过驱动装置驱动该刮刀(11)在所述成形仓(5)的上方运动。
7.如权利要求3～6任一项所述的一种适时添加材料的光固化设备，其特征在于，所述成形仓(5)采用折叠式成形仓。
8.如权利要求1所述的一种适时添加材料的光固化设备，其特征在于，所述供料系统(2)包括设置在系统机架(1)上部的供料仓(2-1)和液压传动系统(2-2)，所述供料仓(2-1)通过供料导管(2-3)与所述料槽(3)连接，所述液压传动系统(2-2)与所述控制系统(12)连接。
9.一种适时添加材料的光固化设备的成形方法，其特征在于，该方法采用一种适时添加材料的光固化设备，包括呈中空的系统机架(1)，所述系统机架(1)上依次设置有供料系统(2)和料槽(3)，所述供料系统(2)通过供料导管(2-3)与所述料槽(3)连接，还包括光路系统(8)，所述光路系统(8)在所述料槽(3)中形成成形面，所述供料系统(2)和所述料槽(3)均连接有控制系统(12)，所述控制系统(12)用于控制所述供料系统(2)向所述料槽(3)提供的液态材料用量；
还包括液面监测系统(9)，所述液面监测系统(9)与所述控制系统(12)连接，所述成形面上液态材料的铺平信息通过检测系统(9)进行检测，并将该铺平信息反馈至控制系统(12)；
所述料槽(3)包括设置于系统机架(1)内的成形仓(5)，所述成形仓(5)内水平设置有零件托板(6)，所述光路系统(8)在所述零件托板(6)上方形成所述成形面；
所述系统机架(1)内还设有Z轴运动系统(7)，所述Z轴运动系统(7)与所述成形仓(5)的底部固定连接，所述Z轴运动系统(7)与所述控制系统(12)连接；
所述料槽(3)内还包括设置于系统机架(1)内的液面粗调系统(4)和液面细调系统(10)，所述液面粗调系统(4)位于所述成形仓(5)一侧，且所述液面粗调系统(4)的上部与所述成形仓(5)连通；所述液面细调节系统(10)位于所述成形仓(5)另一侧，所述液面细调节系统(10)与所述成形仓(5)连通；所述液面粗调系统(4)和所述液面细调节系统(10)均于所述控制系统(12)连接；
所述料槽(3)的上部对称设有导轨(3-1)，每个所述导轨(3-1)内嵌有刮刀(11)的一端，且控制系统(12)通过驱动装置驱动该刮刀(11)在所述成形仓(5)的上方运动；
所述供料系统(2)包括设置在系统机架(1)上部的供料仓(2-1)和液压传动系统(2-2)，所述供料仓(2-1)通过供料导管(2-3)与所述料槽(3)连接，所述液压传动系统(2-2)与所述控制系统(12)连接；
具体按照如下步骤实施：
步骤1、取待成形液态材装入供料仓(2-1)及供料导管(2-3)内；将控制系统(12)根据零件的分层高度设置好相应的液态材料供给模式，控制系统(12)控制Z轴运动系统(7)驱动零件托板(6)移动，使零件的待沉积面位于成形面的下一个层厚的位置；
步骤2、供料系统(2)根据控制系统(12)反馈的成形面的液面信息，控制成形仓(5)内保持适量的材料；
步骤3、打开液面粗调系统(4)和液面细调系统(10)，液面监测系统(9)将检测的液面信息反馈至控制系统(12)，控制系统(12)根据反馈的液面信息控制液面粗调系统(4)或液面细调系统(10)进行相应的调整，将零件的待沉积面位于与成形面重合；控制系统(12)控制刮刀(11)运动，保证成形面的液态材料液面均匀、水平；
步骤4、打开光路系统(8)，对成形面处的液态材料按照零件的截面信息以线或面的方式进行扫描曝光，对一定厚度的液态材料进行固化；
步骤5、一层液态材料固化完成后，控制系统(12)控制Z轴运动系统(7)带动零件托板(6)下移一个层厚的距离，并重复步骤2～步骤5，直至完成整个零件的成形。
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