CN110722791A - 一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计 - Google Patents

一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增材制造的技术领域，尤其是涉及一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计，包括工作台、设置在所述工作台上的基板、打印喷头、以及设置在工作台上的三维运动机构；三维运动机构可驱动基板沿Y轴运动，驱动打印喷头沿X轴和Z轴运动，打印喷头的一侧设有非接触式的径向冲击紧实装置，且于基板上方设有加热装置。本发明首先通过预热装置对已打印成形的复合材料加热，使之呈现熔融状态，其次通过打印喷头打印一层复合材料，接着通过冲击紧实装置对复合材料层间施加径向作用力。通过非接触的方式对复合材料进行全方位的冲击和压实，解决了现有的压辊装置工程化应用中的粘层和转向难问题，提高增材制造打印成形精度。

Description

一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计
技术领域
本发明涉及增材制造的技术领域，尤其是涉及一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计。
背景技术
增材制造(又称3D打印)是以数字模型为基础，通过三维运动机构带动喷头在X、Y、Z方向运动，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，该技术具有高度的成本集约性和工艺简便性，加工工序少，能够满足小批量、个性化、复杂结构零件一体化成形的生产要求，具有较强的推广应用价值。熔融沉积成形技术是增材制造研究的热点和重点，它是将丝状的热塑性材料从加热的喷头挤出，按照预定的轨迹和速率进行熔体逐层沉积，从而实现复合材料立体成形。相比于其他3D打印技术，FDM技术具有打印材料种类丰富、加工成型速度快、加工成本低、打印机结构简单、便于操作等优势。然而，通过熔融沉积技术制备的复合材料，在X/Y方向力学性能较好，但是，Z向层间力学性能较差，在受到冲击载荷作用时，容易出现分层现象，这严重限制了该技术的发展和成形产品的市场化应用。
目前，现有提高层间性能的方式通常在层间施加压实处理，以实现层间的有效粘结，但是目前大多层间压实处理的方式多为压辊接触式，该辊压装置通过辊轮对层叠堆积物实现辊压，在压力的作用下使得层叠堆积物产生塑性变形，消除了材料在增材制造过程中产生的疏松和质地不均匀等缺陷，使加工零件的内部组织更加紧密坚实，提高了零件的机械性能和产品质量。
但是这种辊压接触式压实方式存在以下缺点：
1、复合材料在压辊碾压过程中，表面熔融的树脂会附着在压辊表面，影响加工质量和打印成形精度；
2、压辊在使用的过程中，受压辊机械结构的限制，只能实现一维轧制且存在转向困难等弊端。
发明内容
本发明的目的是研制出一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计，其优点是通过非接触的方式对复合材料进行全方位的冲击和压实，不受空间的限制，很好的解决了现有的压辊装置工程化应用中的粘层和转向难问题。
本发明通过以下技术方案得以实现的：包括工作台、设置在所述工作台上的基板、悬挂安装在所述基板上方的打印喷头、以及设置在工作台上的三维运动机构，所述三维运动机构可驱动基板沿Y轴运动，可驱动打印喷头沿X轴和Z轴运动，所述打印喷头的一侧设有非接触式径向冲击紧实装置。
通过上述技术方案，打印喷头在三维运动机构的控制下实现三维运动，并将复合材料一层层的打印成形在基板上，通过非接触紧实装置对复合材料施加径向冲击，达到增强层间性能的效果。
本发明进一步设置为：所述紧实装置设置为超声冲击组件，所述超声冲击组件包括安装在所述打印喷头一侧的超声冲击发生器、设置在所述超声冲击发生器内部的换能器、连接在所述换能器输出端的导流管、以及固接在所述导流管端口处的超声喷头。
通过上述技术方案，打印成形过程中，超声冲击组件随打印喷头一同运动，并且对复合材料施加径向冲击，借助超声冲击能量使超声能场在界面发生扩散作用，进而改变复合材料层间内部组织，消除层间残余应力，促使界面融合，起到压实的功效，从而提高复合材料整体性能的目的。
本发明进一步设置为：所述超声喷头可根据打印路径和成形形状设置为扩口或收口。
通过上述技术方案，扩口可增加超声冲击的作用面积，提高工作效率，收口可起到聚波聚能的作用，增强压实效果。
本发明进一步设置为：所述紧实装置设置为高压气源组件，所述高压气源组件包括安装在所述工作台上的高压气泵、安装在所述打印喷头一侧且竖直设置的高压喷头、以及连接在所述高压气泵与所述高压气流喷头之间的输气管、以及安装在所述输气管上的电磁阀。
通过上述技术方案，打印喷头打印过程中，高压气流喷头随打印喷头一同运动，并且通过高压气流对复合材料施加径向冲击，实现非接触式的压实效果。
本发明进一步设置为：所述三维运动机构包括用于驱动基板(2)沿Y轴运动的驱动组件(4)、以及驱动打印喷头(3)沿X轴和Z轴运动的驱动装置(5)。
本发明进一步设置为：所述驱动组件包括第一丝杆、第一导向杆和第一电机；所述基板与所述第一丝杆螺纹连接，所述基板与第一导向杆滑动连接，所述第一电机驱动第一丝杆转动时，基板沿第一导向杆运动；
所述驱动装置包括对称设置且与工作台转动连接的第二丝杆、用于驱动第二丝杆转动的第二电机，两根所述第二丝杆上分别螺纹连接有两升降板，打印喷头通过第三导向杆与两所述升降板连接，打印喷头能够沿第三导向杆滑动；所述工作台上固接有第二导向杆，所述第二导向杆穿过升降板二者形成滑动连接；所述打印喷头上螺纹连接有与所述第三导向杆平行的第三丝杆，所述第三丝杆的两端分别与所述升降板转动连接且通过第三电机驱动其转动。
通过上述技术方案，当第二电机启动时，其通过第二丝杠带动升降板沿Z轴竖直运动；当第三电机启动时，其通过第三丝杆带动打印喷头随移动块沿X轴水平运动。
本发明进一步设置为：所述基板上方设有加热装置。
通过上述技术方案，加热装置对以成形的树脂进行预热处理，使复合材料表面呈现熔融状态，实现预打印复合材料与预热熔融复合材料更好粘结。
本发明进一步设置为：所述加热装置可设置为红外加热管或者激光加热器。
本发明进一步设置为：所述基板上方设有沿X轴方向延伸的铺粉盒，其两端通过支脚固定在所述工作台，所述铺粉盒的底面安装有振动电机，所述振动电机与调速器连接，所述加热装置安装于铺粉盒的一侧。
通过上述技术方案，调速器控制振动电机振动频率，从而将铺粉盒内的粉料定量、均匀地埋入复合材料层内，从而实现第三相结构材料的桥联粘结作用。
综上所述，本发明的有益技术效果为：
1、工作时，打印喷头在三维运动机构的控制下实现三维运动，并将复合材料一层层的打印成形在基板上，非接触紧实装置对复合材料施加径向冲击，使层与层之间能够更好的结合，相比压辊装置，本申请中非接触的方式对复合材料进行全方位的冲击和压实，避免了压辊工程化应用中粘辊、转向难以及打印精度低的弊端；
2、借助超声冲击能量使超声能场在界面发生扩散作用，进而改变复合材料层间内部组织，消除层间残余应力，促使界面融合，起到压实的功效，从而提高复合材料整体性能的目的；
3、加热装置的设置，用于对复合材料进行预热，以便于复合材料各层之间能够更好的结合，保证打印成形层间粘结性能。
附图说明
图1是本发明中实施例1的整体结构示意图；
图2是体现超声冲击组件的结构示意图；
图3是体现第一丝杆、第一导向杆与滑块之间位置关系的结构示意图；
图4是本发明中实施例2的整体结构示意图。
图中，1、工作台；11、支撑板；2、基板；21、滑块；3、打印喷头；4、驱动组件；41、第一丝杆；42、第一导向杆；43、第一电机；5、驱动装置；51、第二丝杆；52、第二电机；53、升降板；54、第二导向杆；55、第三导向杆；56、移动块；57、第三丝杆；58、第三电机；6、紧实装置；61、超声冲击发生器；62、超声喷头；63、高压气泵；64、高压喷头；65、输气管；66、电磁阀；67、换能器；68、导流管；7、铺粉盒；8、加热装置。
具体实施方式
实施例1：
参照图1，为本发明公开的一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计，包括工作台1、设置在工作台1上的基板2、以及悬挂安装在基板2上方的打印喷头3，工作台1上设有三维运动机构，其包括用于驱动基板2沿Y轴运动的驱动组件4、以及用于驱动打印喷头3沿X轴和Z轴运动的驱动装置5，两者结合，实现打印喷头3的三维运动，此处需要说明的是，X轴为左右方向；Y轴为前后方向；Z轴为上下方向。
参照图1，基板2的上方设有沿X轴方向延伸的铺粉盒7，其两端通过支脚固定在工作台1上，铺粉盒7呈矩形槽状，能够用于盛放第三相材料。铺粉盒7的底面安装有振动电机，其通过调速器进行振动频率控制，铺粉盒7的底面为筛孔，允许第三相材料通过。当基板2从铺粉盒7的下方通过时，调速器控制振动电机频率，从而控制铺粉盒不断振动，将第三相材料定量、均匀地埋入复合材料内，从而实现第三相结构材料的桥联粘结作用，起到协同增强层间性能的作用。
铺粉盒7的一侧安装有加热装置8，加热装置8位于基板2的上方，加热装置8可设置为红外加热管或者激光加热器，通过热辐射能量对复合材料进行预热，以便复合材料与复合材料各层之间能够更好的结合，改善了复合材料层间粘结性能。
打印喷头3的一侧设有紧实装置6，紧实装置6设置为超声冲击组件，超声冲击组件包括安装在打印喷头3一侧的超声冲击发生器61、设置在所述超声冲击发生器61内部的换能器67、连接在所述换能器67输出端的导流管68、以及固接在所述导流管68的发射口处的超声喷头62。换能器67输入端与超声冲击发生器61的输出端相连，超声冲击发生器61发出的超声冲击能够通过换能器67和导流管68，传导至超声喷头62处并实现对复合材料的超声冲击。超声喷头62远离超声冲击发生器61的一端可设置为扩口或收口，扩口可增加超声冲击的覆盖面积，提高工作效率，收口可起到聚波聚能的作用，增强压实效果。由于超声冲击组件借用超声冲击能量的冲击作用实现对复合材料的径向压实，没有空间的限制，能够实现全方位冲击压实，很好的解决了压辊工程化应用中的难题。
打印喷头3在打印过程中，超声冲击组件随打印喷头3一同运动，并对打印喷头3打印于基板2上的复合材料层间施加非接触径向冲击，消除层间残余应力，促使界面融合，起到压实的功效，从而提高复合材料整体性能的目的。
参照图1和图3，驱动组件4包括第一丝杆41、第一导向杆42和第一电机43，基板2下表面的中间位置一体连接有沿X轴方向延伸的滑块21，第一丝杆41沿Y轴方向延伸并且与滑块21螺纹连接，工作台1上位于第一丝杆41两端的位置分别固接有支撑板11，第一丝杆41穿过两支撑板11且与其转动连接；第一电机43安装在工作台1上，其输出轴与第一丝杆41的端部固定连接，第一导向杆42为一对，其分别位于第一丝杆41的两侧，并且穿过滑块21，第一导向杆42的两端固定在工作台1上，电机启动时，其带动螺杆转动，此时，基板2可沿Y轴水平运动。
参照图1，驱动装置5包括分别竖直设置在基板2沿X轴方向两侧的第二丝杆51，第二丝杆51的一端穿过工作台1并且与工作台1转动连接，工作台1下表面对应第二丝杆51穿过工作台1的一端分别安装有第二电机52，其输出轴与第二丝杆51固定连接，两根第二丝杆51上分别螺纹连接有升降板53，工作台1上位于第二丝杆51一侧的位置固接有竖直设置的第二导向杆54，其穿过升降板53，当第二电机52启动时，其通过第二丝杠带动升降板53沿Z轴竖直运动。
两升降板53之间固接有沿X轴方向延伸的第三导向杆55，第三导向杆55上设有移动块56，其可沿第三导向杆55自由滑动，移动块56上螺纹有与第三导向杆55平行的第三丝杆57，其两端分别与升降板53转动连接，在其中一升降板53远离移动块56的一侧安装有第三电机58，其输出轴与第三丝杆57的一端固定连接，打印喷头3固定安装在移动块56上，当第三电机58启动时，其通过第三丝杆57带动打印喷头3随移动块56沿X轴水平运动。
参照图1，工作过程：
(1)红外加热管或者激光加热器对基板上的复合材料进行预热，使之呈现熔融状态；
(2)打印出熔融态的树脂基复合材料与底层已预热熔融态的树脂基复合材料叠加成形，或者，铺粉盒经过振动作用，使盒内粉料定量、均匀的落粉于复合材料层间并与预热的树脂形成良好的浸润与融合，并再打印一层复合材料与之形成叠层；
(3)通过超声冲击对复合材料层间施加非接触式冲击，实现复合材料层间压实效果。不断重复上述过程直至完成零件的打印。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
实施例2：
参照图4，为本发明公开的一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计，与实施例1的不同之处在于紧实装置6，其设置为高压气源组件，高压气源组件包括安装在工作台1上的高压气泵63、安装在打印喷头3一侧且竖直设置的高压喷头64、以及连接在高压气泵63与高压喷头64之间的输气管65，输气管65上安装有电磁阀66，用于控制气流的大小。
打印喷头3在喷料的过程中，高压喷头64随打印喷头3一同运动，并且通过高压气流对复合材料各层施加径向冲击，实现非接触式的压实效果。
工作过程：
(1)红外加热管或者激光加热器对基板上的复合材料进行预热，使之呈现熔融状态；
(2)打印出熔融态的树脂基复合材料与底层已预热熔融态的树脂基复合材料叠加成形，或者，铺粉盒经过振动作用，使盒内粉料定量、均匀的落粉于复合材料层间并与预热的树脂形成良好的浸润与融合，并再打印一层复合材料与之形成叠层；
(3)通过高压气源组件对复合材料层间施加非接触式冲击，实现复合材料层间压实效果。不断重复上述过程直至完成零件的打印。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计，其特征在于：包括工作台(1)、设置在所述工作台(1)上的基板(2)、打印喷头(3)、以及设置在工作台(1)上的三维运动机构，所述三维运动机构可驱动基板(2)沿Y轴运动，可驱动打印喷头(3)沿X轴和Z轴运动，所述打印喷头(3)的一侧设有非接触式径向冲击紧实装置(6)。
2.根据权利要求1所述的一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计，其特征在于：所述紧实装置(6)设置为超声冲击组件，所述超声冲击组件包括安装在所述打印喷头(3)一侧的超声冲击发生器(61)、设置在所述超声冲击发生器(61)内部的换能器(67)、连接在所述换能器(67)输出端的导流管(68)、以及固接在所述导流管(68)的端口处的超声喷头(62)。
3.根据权利要求2所述的一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计，其特征在于：所述超声喷头(62)根据打印路径和成形形状可设置为扩口或收口。
4.根据权利要求1所述的一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计，其特征在于：所述紧实装置(6)设置为高压气源组件，所述高压气源组件包括安装在所述工作台(1)上的高压气泵(63)、安装在所述打印喷头(3)一侧的高压喷头(64)、连接在所述高压气泵(63)与所述高压喷头(64)之间的输气管(65)、以及安装在所述输气管(65)上的电磁阀(66)。
5.根据权利要求1所述的一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计，其特征在于：所述三维运动机构包括用于驱动基板(2)沿Y轴运动的驱动组件(4)、以及驱动打印喷头(3)沿X轴和Z轴运动的驱动装置(5)。
6.根据权利要求1所述的一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计，其特征在于：所述基板(2)上方设有加热装置(8)。
7.根据权利要求6所述的一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计，其特征在于：所述加热装置(8)可设置为红外加热管或者激光加热器。
8.根据权利要求7所述的一种提高熔融沉积增材制造层间紧实性能的装置及结构设计，其特征在于：所述基板(2)上方设有铺粉盒(7)，其两端固定在所述工作台(1)，所述铺粉盒(7)的底面安装有振动电机，所述振动电机与调速器电连接，所述加热装置(8)安装于铺粉盒(7)的一侧。
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