CN111037924A - 一种用于增材制造的非平面热床及其应用 - Google Patents

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杨杰
吴文杰
于宁
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张代军
刘基权
丁继锋
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Abstract

本发明具体公开了一种用于增材制造的非平面热床及其应用，属于增材制造领域。该非平面热床由非平面基板、加热单元、支撑单元和旋转驱动单元构成。本热床控温范围广，适用于不同材料、不同长度、不同截面形状、不同截面尺寸的杆梁管体结构的增材制造，可有效减少增材制造成形过程中，不均匀温度变化产生的残余应力所导致的制品翘曲、弯曲、开裂等问题。

Description

一种用于增材制造的非平面热床及其应用
技术领域
本发明涉及增材制造(3D打印)技术领域，具体涉及一种用于增材制造的非平面热床及其应用。
背景技术
增材制造技术(即3D打印)是基于离散-堆积原理，结合数控与软件系统，通过逐层堆积方式，将数字化模型转化为实体物品的制造技术，包括熔融沉积技术、选区激光烧结技术、选择性激光熔化技术、立体光固化成形法和分层实体制造法等。以典型的熔融沉积技术(FDM-fused deposition modeling)为例，FDM技术的打印过程是利用加热的打印喷头熔融固相材料，打印喷头根据成形模型的打印路径运动，将熔融体涂覆在平面工作台上，实现层状堆积，最终形成产品。对于已增材制造成形的熔融层积部位，表层冷却速度过快，与新的熔融成形面的层间温差大，粘性下降，造成打印制品的翘曲、弯曲、开裂等问题。
现有增材制造设备是以平面热床为工作台面，在制备大尺寸杆梁结构的管体器件时，在较低高度的制备过程中，平面热床与熔融层积层面的热传导顺畅，不容易产生翘曲、弯曲、开裂等现象；但随着制备过程延续，管体高度的增加，熔融层积层面与热床的距离加大，翘曲、弯曲、开裂等问题将尤为突出，导致增材制造管体器件的成品率低。以发明人团队自行设计的FDM设备为例，如果采用平面热床的方式，在制备聚醚醚酮材料的管件时，管体从平面往上不断的随着熔融层积层面的增加，当高度达到6～10厘米时，管体由于热应力，就容易出现弯曲现象。
针对上述技术缺陷，现有解决方式包括提高平面热床温度，构建立体结构的保温腔体，在喷头设计温度场辅热、增材制造样件热加工后处理等。例如，由若干加热模块构建大面积的工业级大型增材制造设备的热床(中国专利CN 108859106 A，属于平面结构热床，其加热平面大小可调整)，摇篮式五轴热床(中国专利CN 208853704 U，属于平面结构热床，通过运动机构实现垂直于热床平面法线方向的旋转运动和摇摆运动)，非标准热床(中国专利CN 104149341 A，属于平面热床改进型，热床平面固定不动，改变普通3D打印机热床的形状，其余保持原有设计，以减少底面支撑材料消耗)等。
据前期资料查阅与文献报道，急需一种简便、经济的非平面热床技术，实现对增材制造成形区域温度的有效控制，避免管体打印制品(尤其是管体高度较高时)的翘曲、弯曲、开裂等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：突破传统的平面热床、保温腔体的约束，利用管腔非平面热床，为增材制造设备提供一种避免制品翘曲、弯曲、开裂的非平面工作面和温控装置。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于增材制造的非平面热床，具体技术方案如下。
本发明中，所述一种用于增材制造的非平面热床，包括非平面基板、加热单元、支撑单元和旋转驱动单元；所述加热单元安装于非平面基板中，支撑单元定位非平面基板位置，非平面基板同旋转驱动单元连接，配合增材制造喷头以设定的旋转方式运动，通过加热单元实现温度有效控制，完成不同形状、不同尺寸管体结构的增材制造。
本发明中，所述非平面基板的外形特征包括圆柱形管体，棱柱形管体，斜棱柱形管体，圆台形管体，棱台形管体，斜棱台形管体，圆柱葫芦形管体，棱柱葫芦形管体，斜棱柱葫芦形管体，圆台葫芦形管体，棱台葫芦形管体，斜棱台葫芦形管体中的一种或者几种。
本发明中，所述非平面热床加热单元的加热方式包括接触式和非接触式两类，包含但不限于热电偶、热风、热辐射、激光、电子束、红外、电磁感应、工质导热中的一种或几种。
本发明中，所述非平面热床的旋转驱动单元动作方式包括顺时针旋转，逆时针旋转，匀速旋转，变速旋转中的一种或者几种。
本发明中的非平面热床的增材制造成形所使用到的方法，具体包括以下步骤：
打印头与热床加热处理，热床开始旋转运动；
设置拼接式或连续式打印参数，在第一工位开始打印杆系结构单元；
如果打印方式为拼接打印式，则打印完杆系结构单元后，从热床脱离杆系结构单元，并移动至第二工位，拼接杆系结构单元；如果打印方式为连续式打印，则打印完杆系结构单元后，移动杆系结构单元至第二工位，后续杆系结构单元在拼接工位连续打印；
重复前两步骤，直至所有杆系结构单元打印完毕，完成设置数量杆系结构单元打印。本发明中，所述非平面热床加热单元的控温区间包括单一温区、多元温区中的一种或者几种。
本发明中，所述的平面热床适用于金属材料、非金属材料、或复合材料的杆梁管体结构的增材制造成形。
本发明中，所述非平面热床适用于增材制造的类型包括：熔融沉积成形(FMD)、激光烧结成形(SLM)、电子束成形(EBM)、等离子熔积成形(PDM)、立体光固化成形法(SLA)、和分层实体制造法(LOM)中的一种或几种。
有益效果在于：
本发明适用于增材制造领域，采用的非平面热床不同于传统的增材制造热床，变平面为曲面，通过多个功能控制模块的协同与联动，有以下作用：
(1)可实现非平面热床温度的精确控制，依据增材制造的层积物料需求量，选择适合的增材制造工作温度，以解决管体结构的翘曲、弯曲、开裂等问题。
(2)非平面热床可以增加热交换接触面积，采用增材制造方式制备大型管件时，有利于热的传递和管控，消除增材制造成形过程中不均匀温度变化产生的残余应力。
(3)非平面热床增材制造成形方法可实现不同形状、不同尺寸管体结构的拼接制备或连续制备。
(4)非平面热床增材制造成形方法可实现金属材料、非金属材料或者复合材料的杆梁管体结构的增材制造。
附图说明
图1所示为本发明管形热床的系统结构剖视图；
图2所示为本发明管形非平面热床的等轴侧示意图；
图3所示为本发明对应制备的部分管体样件外形结构示意图；
图4所示为基于非平面圆台形热床制备的圆台形管体样件实物图；
附图各部件标记如下：
非平面基板(1)，加热单元(2)，支撑单元(3)，旋转驱动单元(4)，管体样件(5)，圆柱形管体样件(6)，圆台形管体样件(7)、棱柱形管体样件(8)。
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将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的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如附图1所示为本发明一种用于增材制造的非平面热床中的一种实施例，圆台形热床的系统结构剖视图；如附图2所示为圆台形热床的等轴侧示意图；本实例所述圆台形热床包括非平面基板1、加热单元2、支撑单元3和旋转驱动单元4；非平面基板1为圆台形管体，形貌表现为外侧圆台形，内侧中空；加热系统2安装于非平面基板1的内部，支撑单元3定位非平面基板1位置，非平面基板1同旋转驱动单元4连接，配合打印头旋转运动，通过加热单元2实现温度有效控制，完成圆台形管体样件7的增材制造。
如附图3所示为本发明对应制备的部分管体样件外形结构示意图；其中圆柱形管体样件6在外形特征为圆柱形的基板上成形，圆台形管体样件7在外形特征为圆台形的基板上成形，棱柱形管体样件8在外形特征为棱柱形的基板上成形；以此类推，不同的样件对应不同的基板。
如附图4所示为基于圆台形热床制备的圆台形管体样件实物图，样件原材料为聚乳酸(PLA)丝材；非平面热床配合增材制造装备中的储料单元、送丝单元、多轴运动单元、熔融挤出头、温控单元等机构，实现不同长度的圆台形管体样件的制备；非平面热床的轴对称结构结合有效的温控策略，在样件的制备过程中形成均匀稳定温度场，相较传统增材制备的平面热床方式，极大减少管形样件沿轴线方向的变形，提高制造精度。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种用于增材制造的非平面热床，其特征在于：包括非平面基板(1)、加热单元(2)、支撑单元(3)和旋转驱动单元(4)；所述加热单元(2)被安装于所述非平面基板(1)中，所述支撑单元(3)定位所述非平面基板(1)的位置，所述非平面基板(1)同所述旋转驱动单元(4)连接，配合增材制造喷头以旋转方式运动，并通过所述加热单元(2)实现非平面热床的温度控制，以完成管体样件(5)的增材制造。
2.根据权利要求1所述用于增材制造的非平面热床，其特征在于：所述非平面基板(1)的外形特征包括圆柱形管体，棱柱形管体，斜棱柱形管体，圆台形管体，棱台形管体，斜棱台形管体，圆柱葫芦形管体，棱柱葫芦形管体，斜棱柱葫芦形管体，圆台葫芦形管体，棱台葫芦形管体，斜棱台葫芦形管体中的一种或者几种。
3.根据权利要求1所述用于增材制造的非平面热床，其特征在于：所述加热单元(2)的加热方式包括接触式和非接触式两类。
4.根据权利要求1所述用于增材制造的非平面热床，其特征在于：所述加热单元(2)的加热方式包括电阻丝、热电偶、热风、热辐射、激光、电子束、红外、电磁感应、工质导热中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述用于增材制造的非平面热床，其特征在于：所述旋转驱动单元(4)通过非平面热床的增材制造成形方法实现对其旋转动作方式的控制，所述旋转动作方式包括顺时针匀速旋转，顺时针变速旋转，逆时针匀速旋转，逆时针变速旋转，顺/逆时针混合方向匀速旋转，顺/逆时针混合方向变速旋转中的一种或者几种。
6.根据权利要求1所述用于增材制造的非平面热床，其特征在于：所述加热单元(2)的控温区间为单一温区和/或多元温区中的一种或者几种。
7.如权利要求1～6任一项所述的非平面热床用于金属材料、非金属材料、或复合材料的增材制造成形。
8.如权利要求1～6任一项所述的非平面热床适用于增材制造的熔融沉积成形、激光烧结成形、电子束成形、等离子熔积成形、立体光固化成形法、分层实体制造法中的一种或几种技术组合。
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