CN110481003A - 一种超声振动辅助3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种超声振动辅助3D打印方法，属于3D打印技术领域，涉及一种基于超声振动辅助3D打印的装置及方法。该方法采用特制的超声辅助3D打印装置，该装置由3D打印机构和超声振动结构组成。超声振动辅助3D打印方法先组装3D打印的装置，当超声振动辅助3D打印时，首先打印材料通过步进电机送入打印喷头。在喷头内部打印材料在高温作用下，由固态转变为熔融态，并经过喷嘴挤压到打印底板。此时，超声变幅杆在六自由度机械手与超声波发生器的控制下，对未完全凝固的材料进行超声振动，如此往复逐层打印后形成孔隙少，相间、线间、层间结合良好的高性能3D打印零件。此方法具有材料适应性强，应用前景广泛等优势。

Description

一种超声振动辅助3D打印方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，涉及一种基于超声振动辅助3D打印的装置及方法。
背景技术
3D打印技术，也称增材制造，是第三次工业革命的重要标志之一，与人工智能、智能机器人并称推动数字化制造发展的三大关键技术。相较于传统减材制造和等材制造工艺，3D打印技术因无模制造、快速整体成型的优势，被广泛应用于航空航天、生物医疗、交通运输等领域。
随着中国制造业的不断发展，对零件性能要求愈发苛刻，通过逐层堆加材料方式来形成实体的3D打印技术难以获得各向同性的零件，如基于挤出式的熔融沉积成型，在成型过程中，丝材经历了高温熔融态到低温凝固态的转变，其动态变化过程直接关系着丝材的粘结性能，而高温状态的短暂性使成型件相间、线间及层间的分子无法完成有效的扩散，导致成型后的零件普遍存在层间结合不理想、孔隙多、各向异性明显等缺陷，难以满足服役性能要求，极大的限制了该技术在工业领域的应用推广。
嘉兴学院所发明的“超声波3D打印装置”，专利号CN108908933A。该专利将3D打印平台的下方与超声波振动器连接。首先打印材料在底板成型，成型过程中受到来自底板下方超声变幅杆的振动，使材料快速融化及固化，进而获得均匀分布的组织结构，提高打印零件的质量。此方法中由于安装板底部配合弹簧，而弹簧会吸收大部分超声变幅杆对平台的振动。此外。底板下超声振动会沿X、Y轴方向扩散损失，Z轴振动不均，实际效果并不理想。
发明内容
本发明针对上述现有技术问题，发明了一种超声振动辅助3D打印方法，该方法考虑到超声振动装置与3D打印机喷头运动过程不发生干涉行为，提出将3D打印机与六自由度机械手操控的超声振动装置相结合的方法。超声辅助3D打印方法是利用超声振动的空化作用和声流作用对打印件产生有益影响，是使打印件的组织更加均匀细密，打印线间粘接更牢固，减少内部空隙缺陷。材料在3D打印机喷头挤出后，由于具有一定的温度，并不能立刻发生凝固。该过程通过超声振动未凝固的材料，并改变超声振动的振幅，使打印件的组织更加均匀细密，线间、层间粘接更牢固，进而减少内部的空隙缺陷，提高打印件相间、线间、层间结合强度。该方法材料适应性强、应用价值较高、适应高端领域对3D打印产品的需求。
本发明采用的技术方案是一种超声振动辅助3D打印方法，其特征是，该方法采用特制的超声辅助3D打印装置，超声振动辅助3D打印时，首先打印材料通过步进电机送入打印喷头；然后，在喷头内部打印材料在高温作用下，由固态转变为熔融态，并经过喷嘴挤压到打印底板；此时，超声变幅杆在六自由度机械手与超声波发生器的控制下，对未完全凝固的材料进行超声振动，如此往复逐层打印后形成孔隙少，相间、线间、层间结合良好的高性能3D打印零件；
超声振动辅助3D打印方法的具体步骤如下：
步骤1先组装超声辅助3D打印装置
超声辅助3D打印装置由3D打印机构和超声振动结构组成；
所述3D打印机构中，加热棒2、热电偶6嵌套在加热块1的内部沟槽中，喉管8外圈自上向下分别通过螺纹连接有散热块5、加热块1、喷头3，且喉管8、散热块5、加热块1、喷头3满足同轴度要求；其中，加热棒2的数量为单个或多个，空间均布嵌入在加热块1内部；
所述超声振动结构中，变幅杆10与挤出的打印材料(9)接触的端部为圆形或者矩形；变幅杆10与超声波换能器11通过螺纹连接或直接设计为一体，超声波换能器11与超声波发生器12通过线路连接；超声波换能器11与夹持件15采用过盈配合，并通过螺栓16和螺母17紧固；六自由度机械手13与计算机14连接，并受计算机14控制；
步骤2超声振动辅助3D打印过程
打印材料9为树脂丝、金属丝或碳纤维预浸丝，沿着喉管8内部的铁氟龙管7内壁进入打印喷头3；与喷头3连接的加热块1被加热棒2加热、并被热电偶6测温；打印材料9在喷头3内部由固态转变为熔融态并被挤出至打印底板4，挤出至打印底板4表面的熔融态的打印材料9并不会立即凝固，熔融态的打印材料9在表面温度逐渐降低过程中，会保持熔融态一段时间，该时间段主要发生相间、线间及层间的结合。
步骤3在线超声振动过程
计算机14对六自由度机械手13发起指令，使六自由度机械手13端部通过夹持件15连接的超声波换能器11运动，与超声波换能器11通过螺纹连接或设计为一体的变幅杆10紧随打印喷头3的运动轨迹移动，并振动式地作用于刚从喷头3挤出的打印材料；计算机14通过控制六自由度机械手13的运动，来控制变幅杆10施加至打印材料9的压力；
超声波发生器12将电能转换为与超声波换能器11相匹配的高频交流电信号，并驱动超声波换能器11将电信号转化为机械振动，同时提高与超声波换能器11相连接的变幅杆10机械振动的振幅，超声频率取20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz、80KHz，超声振动振幅取5-50μm；
挤出至打印底板4表面的熔融态的打印材料9被变幅杆10垂直振动，超声波的空化作用和声流作用会使打印材料9的内部均匀致密、细化分布，震碎打印材料内部的孔隙，减小缺陷的生长，同时提高相间、线间及层间结合强度。
本发明的有益效果是超声辅助3D打印方法是利用超声振动的空化作用和声流作用对打印件产生有益影响，是使打印件的组织更加均匀细密，打印线间粘接更牢固，减少内部空隙缺陷，提高打印件相间、线间及层间结合强度的一种新方法。此方法具有材料适应性强，应用前景广泛等优势。
附图说明
图1为超声辅助3D打印装置结构简图，图2为超声波换能器与六自由度机械手末端连接简图，图中：1-加热块，2-加热棒，3-喷头，4-打印底板，5-散热块，6-热电偶，7-铁氟龙管，8-喉管，9-打印材料，10-变幅杆，11-超声波换能器，12-超声波发生器，13-六自由度机械手，14-计算机，15-夹持件，16-螺栓，17-螺母。
图3为纤维预浸丝被超声振动作用的简图，图4为纤维预浸丝被超声振动作用的层间结合过程简图。其中，18-纤维，19-树脂基体，20-树脂大分子链。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例的超声辅助3D打印装置包括3D打印机构和超声振动结构。打印参数选取为：打印速度200-350mm/min；打印温度200-210℃；打印层高0.15-0.35mm；打印线间距0.5-1mm；喷头出口直径1-2mm；打印材料9为碳纤维预浸丝。
超声振动辅助3D打印方法的具体步骤如下：
步骤1组装超声辅助3D打印装置
超声辅助3D打印装置由3D打印机构和超声振动结构组成，超声辅助3D打印装置中，喉管8外圈自上向下分别通过螺纹连接有散热块5、加热块1、喷头3，喉管8、散热块5、加热块1、喷头3满足同轴度要求。加热棒2的数量为单个嵌入在加热块1内部，如图1所示。
所述超声振动结构中，变幅杆10与挤出的打印材料(9)接触的端部为圆形；变幅杆10与超声波换能器11通过螺纹连接，超声波换能器11与超声波发生器12通过线路连接；超声波换能器11与夹持件15采用过盈配合，并通过螺栓16和螺母17紧固；六自由度机械手13与计算机14连接，并受计算机14控制；而变幅杆10与打印材料的接触压力直接受六自由度机械手13控制，如图1、图2所示。
步骤2超声振动辅助3D打印过程
打印材料9为碳纤维预浸丝，沿着喉管8内部的铁氟龙管7内壁进入打印喷头3；与喷头3连接的加热块1被加热棒2加热、并被热电偶6测温反馈；打印材料9在喷头3内部由固态转变为熔融态并被挤出至打印底板4。
挤出至打印底板4表面的碳纤维预浸丝9，并不会立即固化，碳纤维预浸丝9的树脂基体19在表面温度逐渐降低过程中，会保持熔融态一段时间，该时间段主要发生相邻打印层间结合及熔融树脂基体19对碳纤18浸渍过程，如图3所示。
步骤3在线超声振动过程
计算机14对六自由度机械手13发起指令，使六自由度机械手13端部通过夹持件15连接的超声波换能器11运动，与超声波换能器11通过螺纹连接或设计为一体的变幅杆10移动至指定位置，同时计算机14通过控制六自由度机械手13的运动。
变幅杆10在六自由度机械手13操控下紧随喷头3的运动，变幅杆10与挤出的碳纤维预浸丝9垂直接触振动时，超声波的空化作用和声流作用会震碎碳纤维预浸丝9内部的孔隙，减小缺陷的生长。同时，促进树脂大分子链20在层间的扩散，提高相间、层间的结合程度，如图4所示。
超声波发生器12将电能转换为与超声波换能器11相匹配的高频交流电信号，并驱动超声波换能器11将电信号转化为机械振动。同时提高与超声波换能器11相连接的变幅杆10机械振动的振幅，超声频率取20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz、80KHz，超声振动振幅取50μm。
实施中，若打印材料9为树脂丝，超声波的空化作用和声流作用会促进聚合物在层间的扩散；若打印材料9为金属丝，超声波的空化作用和声流作用会使金属晶格变得细小致密、均匀分布。
本发明的一种超声辅助3D打印方法是利用超声振动的空化作用和声流作用对打印件产生有益影响，使打印件的组织更加均匀细密、打印线间粘接更牢固，减少内部空隙缺陷、提高打印件相间、线间及层间结合强度的一种新方法。此方法具有材料适应性强，应用前景高等优势。

Claims (1)

1.一种超声振动辅助3D打印方法，其特征在于，该方法采用特制的超声辅助3D打印装置，当超声振动辅助3D打印时，首先打印材料通过步进电机送入打印喷头；在喷头内部打印材料在高温作用下，由固态转变为熔融态，并经过喷嘴挤压到打印底板；此时，超声变幅杆在六自由度机械手与超声波发生器的控制下，对未完全凝固的材料进行超声振动，如此往复逐层打印后形成孔隙少，相间、线间、层间结合良好的高性能3D打印零件；打印方法的具体步骤如下：
步骤1先组装超声辅助3D打印装置
超声辅助3D打印装置由3D打印机构和超声振动结构组成；
所述3D打印机构中，加热棒(2)、热电偶(6)嵌套在加热块(1)的内部沟槽中，喉管(8)外圈自上向下分别通过螺纹依次连接有散热块(5)、加热块(1)、喷头(3)；同时，喉管(8)、散热块(5)、加热块(1)、喷头(3)满足同轴度要求；其中，加热棒(2)的数量为单个或多个，空间均布嵌入在加热块(1)的内部；
所述超声振动结构中，变幅杆(10)与挤出的打印材料(9)接触的端部为圆形或者矩形；变幅杆(10)与超声波换能器(11)通过螺纹连接或者直接设计为一体；超声波换能器(11)与超声波发生器(12)通过线路连接，超声波换能器(11)被六自由度机械手(13)端部的夹持件(15)握持，超声波换能器(11)与夹持件(15)采用过盈配合，并通过螺栓(16)和螺母(17)紧固；变幅杆(10)与打印材料的接触压力直接受六自由度机械手(13)控制，六自由度机械手(13)受计算机(14)控制；
步骤2超声振动辅助3D打印过程
打印材料(9)为树脂丝、金属丝或碳纤维预浸丝，打印材料(9)沿着喉管(8)内部的铁氟龙管(7)内壁进入打印喷头(3)；与喷头(3)连接的加热块(1)被加热棒(2)加热、并被热电偶(6)测温；打印材料(9)在喷头(3)内部由固态转变为熔融态并被挤出至打印底板(4)；挤出至打印底板(4)表面的熔融态的打印材料(9)并不会立即凝固，熔融态的打印材料(9)在表面温度逐渐降低过程中，会保持熔融态一段时间，该时间段主要发生相间、线间及层间的结合；
步骤3在线超声振动过程
计算机(14)对六自由度机械手(13)发起指令，使六自由度机械手(13)端部通过夹持件(15)连接的超声波换能器(11)运动，与超声波换能器(11)通过螺纹连接或设计为一体的变幅杆(10)紧随打印喷头(3)的运动轨迹移动，并振动式地作用于刚从喷头(3)挤出的打印材料；计算机(14)通过控制六自由度机械手(13)的运动，来控制变幅杆(10)施加至打印材料(9)的压力；
超声波发生器(12)将电能转换为与超声波换能器(11)相匹配的高频交流电信号，并驱动超声波换能器(11)将电信号转化为机械振动，同时提高与超声波换能器(11)相连接的变幅杆(10)机械振动的振幅，超声频率取20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz、80KHz，超声振动振幅取5-50μm；
挤出至打印底板(4)表面的熔融态的打印材料(9)被变幅杆(10)垂直振动，超声波的空化作用和声流作用会使打印材料(9)的内部均匀致密、细化分布，震碎打印材料内部的孔隙，减小缺陷的生长，同时提高相间、线间及层间结合强度。
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