CN109203456B - 一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于丝材增材制造领域，并公开了一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统及方法。该系统包括第一机器人、第二机器人、第一激光器、送丝机构、第二激光器和测量装置，第一机器人与第一激光器和送丝机构连接，并按照预设轨迹运动带动第一激光器和送丝机构运动，以此实现增材制造过程；测量装置一方面实时监测成形产品的三维结构，以此确定减材制造的位置和减材尺寸，另一方面测量成形产品的实时温度确定减材制造的时间节点；第二机器人与第二激光器连接用于对成形产品进行减材制造。通过本发明，解决FDM设备常见的喷头易堵塞、使用寿命短等问题，实现增材制造和减材制造的同时进行，提高加工效率和加工精度。

Description

一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统及方法

技术领域

本发明属于丝材增材制造领域，更具体地，涉及一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统及方法。

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)成形过程的灵活性和柔性有待提高。丝材挤出为竖直方向，通过升降台下降的方法完成产品高度方向的成形，这样的加工过程灵活性和柔性均较低，限制了产品精度的进一步提高；

此外，FDM的成形精度有待进一步提高，激光由于具有方向性好、亮度高、单色性好等特点而得到广泛应用，切削加工有利于提高产品的精度，激光作为“最快的刀”常用于激光切割，是一种优质的切削工具，但是，减材制造的时机很重要，熔融后刚刚固化的聚合物丝材温度仍较高，具有一定的粘弹性，因此不能在丝材固化后立刻进行减材制造，具体的在什么时机、什么位置进行减材制造需要精确确定。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于激光的丝材增减材一体化成形系统及方法，通过将激光增材制造和减材制造集成在一个系统中，实现了增材制造和减材制造的同时进行，同时通过采用测量装置确定了减材制造的时间节点、位置和减材尺寸，以此实现增材和减材制造的无缝衔接，提高加工效率和加工精度，另外，增材制造中将挤出和激光熔融分开进行，减少挤出喷头堵塞的风险，延长喷头使用寿命。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统，其特征在于，该系统包括第一机器人、第二机器人、第一激光器、送丝机构、第二激光器和测量装置，其中：

所述第一机器人与所述第一激光器和送丝机构连接，所述送丝机构用于将待成形丝材挤出，所述第一激光器用于发射激光将所述挤出的丝材熔融，所述第一机器人按照预设轨迹运动，带动所述第一激光器和送丝机构运动，以此实现待成形丝材的增材制造过程，其中，通过将所述第一激光器的的激光头和所述送丝机构的挤出单元一同固定在所述机器人末端的连接板上，并使得所述激光头发出的激光始终指向所述挤出的丝材，保证丝材的挤出和熔融同步进行；

所述测量装置一方面用于实时监测所述增材制造过程中成形产品的三维结构，并将其与所需产品的三维结构进行对比以确定二者之间的差异，根据该差异确定减材制造的位置和相应的减材尺寸，另一方面所述测量装置还用于测量成形产品的实时温度，根据该温度确定开始进行减材制造的时间节点；

所述第二机器人与所述第二激光器连接，所述第二激光器用于对成形产品进行减材制造，所述第二机器人用于携带所述第二激光器到达所述减材制造的位置。

进一步优选地，所述系统还包括变位器，该变位器是成形所需产品的成形平台，具备水平和竖直方向的自由度，用于调整成形产品的成形角度，以同时配合两个机器人的运动，便于加工。

进一步优选地，所述第一机器人和第二机器人结构相同，均为多轴机器人。

进一步优选地，所述第一激光器和第二激光器的激光均采用光纤传输，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，所述测量装置包括非接触式三维扫描器和温度传感器，分别用于成形产品的三维结构和温度。

进一步优选地，所述挤出单元的末端设置有牵引单元，包括牵引板和两个相对设置的定滑轮，丝材从相对所述设置的定滑轮之间挤出，所述牵引板用于连接所述牵引单元和挤出单元。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的系统的制造方法，其特征在于，该制造方法包括下列步骤：

(a)构建待成形产品的三维模型，将该三维模型进行体素切片，获得该待成形产品的多个数据点集和每个数据点的位置信息，根据根据每个点的位置信息设定所述第一机器人的运动轨迹；

(b)所述第一机器人携带所述第一激光器和送丝机构运动，以此进行成形产品的增材制造，所述测量装置实时测量所述增材制造所需产品的三维结构的空间尺寸，并与所需产品的三维模型的尺寸对比以获得差异，根据该差异确定减材制造的位置和相应的减材尺寸，同时还测量成形产品的实时温度，根据该温度确定减材制造的时间节点；

(c)所述第二机器人携带所述第二激光器运动至所述述减材制造的位置，并根据确定的减材制造的位置、尺寸和时间节点采用激光对成形产品进行减材制造；由此实现增材和减材制造的一体化成形。

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，由能够取得下列有益效果：

1、本发明采用两个机器人和两个激光器，实现增材制造和减材的同时进行，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、相互配合，显著提高加工效率；

2、本发明中通过采用两个机器人分别连接旋转喷头和激光器，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、本发明中通过采用测量装置，实时测量增材制造成形产品三维结构的空间尺寸和温度，以此确定减材制造的位置，尺寸和时间节点，为减材制造的进行提供依据，进一步提高了待成形产品的精度；

4、本发明中通过采用变位器作为工作台面，其中工作台面能在水平和竖直方向旋转，实现产品逐点成体的成形过程，另外，在成形产品的某个角落位置时，通过调整所述变位器的角度，使得挤出模块挤出丝材时的更易挤出，由此使得当成形精细、复杂的结构或送丝遇到阻碍时，降低成形难度，提高成形中的灵活性和准确性。

5、本发明中通过采用两个机器人、变位器、光纤传输的激光等装置极大地提高了制造系统的加工柔性，有利于成形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基于激光技术的丝材增减材一体化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采用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采用的变位器的结构示意图；

图4是按照本发明提供的制造方法所构建的测量装置的结构示意图。

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-变位器 31-水平旋转轴 32-竖直旋转轴 33-水平工作台 4-测量装置 41-非接触式三维扫描仪 42-温度传感器 43-固定支架 5-第一激光器 6-第一激光头 7-第二激光器8-第二激光头 9-送丝机构 10-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基于激光的丝材增减材一体化成形系统的结构示意图，如图1所示，该系统由第一机器人1、第二机器人2、变位器3、测量装置4、第一激光器5、第一激光头6、第二激光器7、第二激光头8，送丝机构9和控制器10组成。本实施例中第一机器人1带动送丝机构9完成送丝，第一激光器5和第一激光头6相连接，由第一激光器5产生的激光经光纤传输，由第一激光头6发出，作为丝材熔融的热源，第二机器人2带动第二激光头8发出的激光使成形的零部件减材制造，控制器10一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，能够实现“一站式”控制。

图2是按照本发明的优选实施例所采用的第一机器人的结构示意图，如图2所示，本发明采用的第一机器人和第二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，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自由编程，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采用的变位器的结构示意图，如图3所示，该变位器主要由水平旋转轴31、竖直旋转轴32、工作台33这三部分组成。工作台33即为产品的成形基面，水平旋转轴31和竖直旋转轴32使该变位器具备了两个自由度，使整个加工设备在拥有了两个机器人而具备较高柔性的基础上其柔性进一步提高。当成形某些精细、复杂的结构时，仅仅依靠六轴机器人的带动送丝尽管能够成形，但是成形的形状精度和尺寸精度得不到保证，这时候配合以变位器，在适当的时候，工作台通过旋转适当的角度以配合机器人的送丝，加工柔性得到极大地提高，非常有利于提高送丝的灵活性和准确性。

图4是按照本发明提供的制造方法所构建的测量装置的结构示意图，如图4所示，测量装置用于实时测量和监测，包括对成形产品的成形轮廓的实时监测和对成形温度的实时监测，分别由两个高分辨率三维扫描仪41，温度测量传感器42，固定支架43组成。

进一步优选地，第一和第二激光器发射的激光均由光纤传输，并且聚合物材料对其具有较高的吸收率。

进一步优选地，变位器具备1～2个自由度，能够通过1～2个轴的旋转运动。

进一步优选地，送丝机构由丝材供给单元、丝材挤出单元和丝材牵引单元组成，丝材供给单元包括丝材的线轮，用于丝材的供给，挤出单元设置在机器人末端的连接板上，用于挤出丝材，丝材牵引单元设置在挤出单元末端，包括牵引板和两个相对设置的定滑轮，丝材从相对设置的定滑轮之间挤出，

进一步优选地，本发明的在线三维测量系统含有高分辨率三维扫描器，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。

进一步优选地，本发明的温度实时反馈系统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，本发明中两个机器人、变位器、两个激光器、在线三维测量系统、温度实时反馈系统、丝材传送装置均和计算机连接，形成一个集成化、一体化的控制系统，能够实现对成形全过程的“一站式”控制。

进一步优选地，本发明中的控制系统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。并且本发明中增材加工和减材制造之间也互不干扰。

以上是根据本发明提供的一种基于激光技术的聚合物柔性增减材一体化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10中，对该模型进行切片，并生成第一机器人1、第二机器人2加工指令以及变位器3工作指令；

(2)由机器人1带动送丝机构和使丝材熔融的激光头6，第二机器人2带动使成形零件减材制造的激光头8，这两个机器人根据上一步得到的加工指令进行运动；

(3)第一机器人带动送丝机构按照工作指令确定的轨迹运动，丝材从挤出单元中挤出，同时第一激光器发出激光使其熔融并迅速固化。在成形的过程中，测量装置中实时测量成形零件的三维结构的空间尺寸，并和导入的三维模型尺寸作对比，以确定减材制造的具体参数，与此同时，测量装置实时测量产品的温度，以确定减材制造的时间节点；

(4)根据步骤(3)确定的减材制造的具体参数和时机，在适当的时候，第二机器人带动的第二激光头发出激光使正在成形的零件减材制造。对于某一特定的部位，是先增材制造后减材制造，但是对于加工的全过程，增材制造和减材制造同时并存，两个过程互不干涉，相互独立。当成形精细、复杂的结构，送丝机构准确送丝遇到阻碍时，变位器3通过水平旋转轴31、竖直旋转轴32的旋转找到一个最佳的位置以配合机器人1和机器人2的工作，极大地提高加工过程的灵活性和准确性，机器人1、机器人2、变位器3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。

(5)重复步骤(2)～(4)，即实现产品的空间逐点成形，最终得到实体的产品。相比于现有的FDM技术，本发明提供的制造方法更加灵活，不再是“逐点成面、逐面成体”的模式，不再依赖于成形台面的下降实现产品高度方向的成形，而是让产品以最佳的方式从成形台面上“生长出来”。

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 (4)

1.一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统，其特征在于，该系统包括第一机器人（1）、第二机器人（2）、第一激光器（5）、送丝机构（9）、第二激光器（7）和测量装置（4），其中：

所述第一机器人（1）与所述第一激光器（5）和送丝机构（9）连接，所述送丝机构（9）用于将待成形丝材挤出，所述第一激光器（5）用于发射激光将所述挤出的丝材熔融，所述第一机器人（1）按照预设轨迹运动，带动所述第一激光器（5）和送丝机构（9）运动，以此实现待成形丝材的增材制造过程，其中，通过将所述第一激光器（5）的激光头（6）和所述送丝机构（9）的挤出单元一同固定在所述第一机器人末端的连接板上，并使得所述激光头发出的激光始终指向所述挤出的丝材，保证丝材的挤出和熔融同步进行；

所述测量装置（4）一方面用于实时监测所述增材制造过程中成形产品的空间尺寸，并将其与所需产品的三维模型的尺寸进行对比以确定二者之间的差异，根据该差异确定减材制造的位置和相应的减材尺寸，另一方面所述测量装置还用于测量成形产品的实时温度，根据该温度确定开始进行减材制造的时间节点；

所述第二机器人（2）与所述第二激光器（7）连接，所述第二激光器用于对成形产品进行减材制造，所述第二机器人用于携带所述第二激光器到达所述减材制造的位置；

所述第一机器人（1）和第二机器人（2）结构相同，均为六轴机器人，所述第一激光器（5）和第二激光器（7）的激光均采用光纤传输，并且该激光器的参数可调，以适应加工不同的丝材，所述挤出单元的末端设置有牵引单元，包括牵引板和两个相对设置的定滑轮，丝材从所述相对设置的定滑轮之间挤出，所述牵引板用于连接所述牵引单元和挤出单元。

2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括变位器（3），该变位器是成形所需产品的成形平台，具备水平和竖直方向的自由度，用于调整成形产品的成形角度以同时配合两个机器人的运动，便于加工。

3.如权利要求1或2所述系统，其特征在于，所述测量装置（4）包括非接触式三维扫描器（41）和温度传感器（42），分别用于监测成形产品的三维结构和温度。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的系统的制造方法，其特征在于，该制造方法包括下列步骤：

（a）构建待成形产品的三维模型，将该三维模型进行体素切片，获得该待成形产品的多个数据点集和每个数据点的位置信息，根据每个点的位置信息设定所述第一机器人的运动轨迹；

（b）所述第一机器人携带所述第一激光器和送丝机构运动，以此进行成形产品的增材制造，所述测量装置实时测量所述增材制造所需产品的三维结构的空间尺寸，并与所需产品的三维模型对比获得差异，根据该差异确定减材制造的位置和相应的减材尺寸，同时还测量成形产品的实时温度，根据该温度确定减材制造的时间节点；

（c）所述第二机器人携带所述第二激光器运动至所述减材制造的位置，并根据确定的减材制造的位置、尺寸和时间节点采用激光对成形产品进行减材制造；由此实现增材和减材制造的一体化成形。

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