CN110370620A - 一种超声波辅助增强fdm增材制造层间粘合力的装置及方法 - Google Patents

一种超声波辅助增强fdm增材制造层间粘合力的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，公开了一种超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置及方法，包括超声波发生装置、加热装置、喷嘴、丝材、基板、运动机构和送丝机构；丝材一端连接送丝机构，另一端连接位于加热装置内部的喷嘴，基板位于喷嘴下方，超声波发生装置与加热装置连接，用于产生超声波并发射；喷嘴、基板和基板上的已成形层均位于超声波发射范围内；运动机构与加热装置连接，用于带动加热装置在预设路径下移动。通过超声波加速丝材熔化速度，保持丝材熔体温度以及增加丝材熔体蠕变；使丝材熔体与已成形层产生更好的界面粘合，增强FDM增材制造的层间粘合力，从而加工出可能具有各向同性机械性能的部零件。

Description

一种超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置及方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置及方法。
背景技术
自18世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法。由于超声波具有方向性强、能量集中、可传递很强的能量、能在各种不同媒质中传播、易于携带有关传声媒质状态的信息诊断或对传声媒质产生效用及治疗等特点，利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。
增材制造技术于18世纪70年代后期被提出，国内于18世纪80年代开始进行相关研究。其中熔融沉积(FDM)增材制造技术，将原材料(多为丝材10)加热熔化进行层层堆积实现三维模型的打印，是目前最常见的一种增材制造技术，易于实现桌面化。
但是FDM技术垂直于成形方向的强度较差，喷头容易发生堵塞不利于维护等问题，限制了FDM技术的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置，包括超声波发生装置、加热装置、喷嘴、丝材、基板、运动机构和送丝机构；丝材一端连接送丝机构，另一端连接位于加热装置内部的喷嘴，基板位于喷嘴下方，超声波发生装置与加热装置连接，用于产生超声波并发射；加热装置、喷嘴和基板上的已成形层均位于超声波发射范围内；运动机构与加热装置连接，用于带动加热装置在预设路径下移动。
本发明装置进一步的改进在于：
超声波发生装置包括超声波发生器和超声波换能器；超声波发生器依次连接超声波换能器和加热装置；超声波发生器用于将市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号并输送至超声波换能器；超声波换能器用于根据高频交流电信号生成超声波并发射。
还包括连接件；连接件一端连接超声波换能器，另一端连接加热装置上表面；连接件连接加热装置的一侧上开设丝材能够穿过的通道。
连接件与加热装置上表面螺栓连接或胶接连接。
述连接件材质为塑料或合金。
超声波发生器为压电式且频率可调的超声波发生器。
超声波换能器为压电式超声波换能器。
还包括计算机；计算机与超声波发生器和运动机构连接，用于控制超声波发生器产生预设频率的高频交流电信号，控制运动机构带动喷嘴以及超声波换能器以预设的加工路径运动。
还包括恒温外壳；加热装置、喷嘴和基板均设置在恒温外壳内部，丝材和运动机构一端均伸入恒温外壳内并与加热装置连接。
本发明另一方面，一种超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的方法，包括以下步骤：
S1：通过超声波发生装置产生超声波并作用于喷嘴、基板和基板上的已成形层；
S2：丝材通过送丝机构输送至加热装置内部的喷嘴内；
S3：通过加热装置加热喷嘴内的丝材至丝材熔融，得到丝材熔体；
S4：通过运动机构带动加热装置在预设路径下移动，通过喷嘴将丝材熔体挤压在基板或已成形层上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过将超声波发生装置与加热装置连接，在加热装置进行加热熔融丝材的同时，通过超声波发生装置产生超声波并作用于喷嘴、基板和基板上的已成形层，通过超声波振动的作用使得丝材介质分散化，从而加快丝材熔化速度的同时提高线材熔化程度；丝材熔体通过喷嘴挤压在基板或基板上的已成形层上，超声波在丝材熔体介质中传播时会引起质点振动和粒子摩擦，部分超声波能量被粒子吸收转变为热能，从而丝材熔体经过喷嘴微流道时温度不会降低，有利于丝材熔体流经喷嘴微流道时保持良好的流动性，不易堵塞喷头；同时，在超声波振动的作用，使得丝材熔体蠕变增加，丝材熔体在接触到已成形层时产生松弛和扩散，从而产生更好的界面粘合，增强FDM增材制造的层间粘合力，从而加工出可能具有各向同性机械性能的部零件。本发明装置结构简单，便于实施应用，极大的推进了FDM技术的发展。
进一步的，设置连接件，连接件一端连接超声波换能器，另一端连接加热装置上表面，连接件连接加热装置的一侧上开设丝材能够穿过的通道；超声波换能器设置于喷嘴上方，节省空间的同时又可以与喷嘴保持随动状态，得到更好的超声波辅助效果。
进一步的，连接件材质为塑料或合金，以便足以提供连接超声波换能器与加热块的能力，减轻装置重量。
进一步的，设置恒温外壳，加热装置、喷嘴和基板均设置在恒温外壳内部，给熔融丝体成型过程提供一个恒温环境，熔融丝体挤出成型后如果骤然受到冷却，容易造成翘曲和开裂，恒温环境可最大限度地减小这种造型缺陷，提高成型质量和精度。
本发明方法，通过在加热装置、喷嘴和基板上的已成形层上施加超声波的步骤，进而加快丝材的熔融速度和程度，同时保证丝材熔体在流经喷嘴是维持一定温度，保证其流动性，不易堵塞喷头；在超声波振动的作用，使得丝材熔体蠕变增加，接触到已成形层时产生松弛和扩散，从而产生更好的界面粘合，增强FDM增材制造的层间粘合力，从而加工出可能具有各向同性机械性能的部零件。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明的超声波换能器和加热装置连接的主视图；
图3为本发明的超声波换能器和加热装置连接的立体图；
图4为本发明的连接件主视图；
图5为本发明的连接件侧视图；
图6为本发明的连接件立视图。
其中：1-计算机；2-超声波发生器；3-超声波换能器；4-连接件；5-加热装置；6-丝材熔体；7-已成形层；8-基板；9-喷嘴；10-丝材。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1至6，本发明超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置，包括超声波发生装置、连接件4、加热装置5、喷嘴9、丝材10、基板8、恒温外壳、运动机构和送丝机构；超声波发生装置包括超声波发生器2和超声波换能器3；超声波发生器2依次连接超声波换能器3和加热装置5。
丝材10一端连接送丝机构，另一端连接位于加热装置5内部的喷嘴9，基板8位于喷嘴9下方，超声波发生装置与加热装置5连接，用于产生超声波并发射；加热装置5、喷嘴9和基板8上的已成形层7均位于超声波发射范围内；加热装置5、喷嘴9和基板8均设置在恒温外壳内部；运动机构与加热装置5连接，用于带动加热装置5在预设路径下移动，连接件4一端连接超声波换能器3，另一端连接加热装置5上表面，超声波发生器2与加热装置5通过连接件4保持联动；连接件4连接加热装置5的一侧上开设丝材10能够穿过的通道，超声波换能器3与加热装置5通过连接件4进行连接，连接方式可以为螺栓连接、胶接等连接方式。连接件4的材质可为拥有一定强度的塑料或者轻质合金材料，以便足以提供连接超声波换能器3与加热块的能力。超声波换能器3底部距加热装置5顶端的距离在保证连接能力的前提下足以方便丝材10进出即可。
超声波发生器2用于将市电转换成与超声波换能器3相匹配的高频交流电信号并输送至超声波换能器3；超声波换能器3用于将高频交流电信号转换为高频机械振动，从而产生超声波并发射。超声波发生器2为压电式且频率可调的超声波发生器，例如ARS-QXDY-600W-3000W，超声波换能器3为压电式超声波换能器，例如钛威DW-2545-4D、KMD-40-60。
本发明另一方面，一种超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的方法，包括以下步骤：
S1：通过超声波发生装置产生超声波并作用于喷嘴9、基板8和基板8上的已成形层7；
S2：丝材10通过送丝机构输送至加热装置5内部的喷嘴9内；
S3：通过加热装置5加热喷嘴9内的丝材10至丝材10熔融，得到丝材熔体6；
S4：通过运动机构带动加热装置5在预设路径下移动，通过喷嘴9将丝材熔体6挤压在基板8或已成形层7上。
下面详细说明本发明的原理：
目前的FDM增材制造方法：将低熔点丝料通过加热装置5的挤压头熔化成液体丝材熔体6，使丝材熔体6通过喷头挤出，在运动机构的带动下，喷头沿待制造零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的丝材熔体6沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在1/10s内迅速凝固，每完成一层成型，基板8便下降一层高度，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。
参考上述现有方法，本发明中的超声波发生器2在计算机1的作用下，驱动内部电路将市电转换为高频电信号；超声波换能器3可以将超声波发生器2生成的高频电信号转换为高频机械振动，从而产生超声波，作用于喷嘴9、丝材熔体6以及已成形层7；连接件4上设置有供丝材10经过的通道；超声波换能器3位于喷嘴9的上方，同时通过连接件4与加热块相连，节省空间的同时又可以保证在整个FDM增材制造过程中，超声波换能器3始终与喷嘴9保持随动。
由于超声波振动的作用会使得固体介质分散化，从而加快丝材10熔化速度的同时可以提高丝材10熔化程度；热超声波在丝材熔体6介质中传播时会引起质点振动和粒子摩擦，部分超声波能量被粒子吸收转变为热能，从而丝材熔体6经过喷嘴9微流道时温度不会降低，有利于熔体流经喷嘴9微流道时保持良好的流动性，不易堵塞喷头；通过超声波振动的作用，使得丝材熔体6蠕变增加，接触到已成形层7时产生松弛和扩散，从而产生更好的界面粘合。这种层间粘合强度的增加归因于聚合物蠕变的增加，这是由于超声波振动的作用，引起聚合物链在界面区域的二次相互作用中松弛，使聚合物发生松弛和扩散从而产生更好的界面粘合，加工出可能具有各向同性机械性能的部件，30～40kHz频率的超声波，就可以使大多数丝材10例如：ABS、PLA、TPU等界面粘合力增强。
因此，采用本发明超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置及方法，可以产生更好的界面粘合，增强FDM增材制造的层间粘合力，从而加工出可能具有各向同性机械性能的部零件，在FDM打印ABS零件的过程中使用34.4kHz的超声波振动，结果表明与常规FDM工艺相比，ABS层粘合力增加了10％。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置，其特征在于，包括超声波发生装置、加热装置(5)、喷嘴(9)、丝材(10)、基板(8)、运动机构和送丝机构；
丝材(10)一端连接送丝机构，另一端连接位于加热装置(5)内部的喷嘴(9)，基板(8)位于喷嘴(9)下方，超声波发生装置与加热装置(5)连接，用于产生超声波并发射；加热装置(5)、喷嘴(9)和基板(8)上的已成形层(7)均位于超声波发射范围内；
运动机构与加热装置(5)连接，用于带动加热装置(5)在预设路径下移动。
2.根据权利要求1所述的超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置，其特征在于，所述超声波发生装置包括超声波发生器(2)和超声波换能器(3)；超声波发生器(2)依次连接超声波换能器(3)和加热装置(5)；
超声波发生器(2)用于将市电转换成与超声波换能器(3)相匹配的高频交流电信号并输送至超声波换能器(3)；
超声波换能器(3)用于根据高频交流电信号生成超声波并发射。
3.根据权利要求2所述的超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置，其特征在于，还包括连接件(4)；
连接件(4)一端连接超声波换能器(3)，另一端连接加热装置(5)上表面；连接件(4)连接加热装置(5)的一侧上开设丝材(10)能够穿过的通道。
4.根据权利要求3所述的超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置，其特征在于，所述连接件(4)与加热装置(5)上表面螺栓连接或胶接连接。
5.根据权利要求3所述的超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置，其特征在于，所述连接件(4)材质为塑料或合金。
6.根据权利要求2所述的超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置，其特征在于，所述超声波发生器(2)为压电式且频率可调的超声波发生器。
7.根据权利要求2所述的超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置，其特征在于，所述超声波换能器(3)为压电式超声波换能器。
8.根据权利要求2所述的超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置，其特征在于，还包括计算机(1)；
计算机(1)与超声波发生器(2)和运动机构连接，用于控制超声波发生器(2)产生预设频率的高频交流电信号，控制运动机构带动喷嘴(9)以及超声波换能器(3)以预设的加工路径运动。
9.根据权利要求1所述的超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的装置，其特征在于，还包括恒温外壳；加热装置(5)、喷嘴(9)和基板(8)均设置在恒温外壳内部，丝材(10)和运动机构一端均伸入恒温外壳内并与加热装置(5)连接。
10.一种基于权利要求1所述装置的超声波辅助增强FDM增材制造层间粘合力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过超声波发生装置产生超声波并作用于喷嘴(9)、基板(8)和基板(8)上的已成形层(7)；
S2：丝材(10)通过送丝机构输送至加热装置(5)内部的喷嘴(9)内；
S3：通过加热装置(5)加热喷嘴(9)内的丝材(10)至丝材(10)熔融，得到丝材熔体(6)；
S4：通过运动机构带动加热装置(5)在预设路径下移动，通过喷嘴(9)将丝材熔体(6)挤压在基板(8)或已成形层(7)上。
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