CN112008976B - 增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了增材制造装置及方法，包括如下步骤：在供料器中提供原材料；将融化后的原材料喷涂于位于所述喷嘴以下的基台上并按照预定形状构成打印件；利用图像传感器捕捉所述打印件的形状；获取从所述图像传感器传输的基于所述打印件的形状图像；对比所述形状图像和预存形状，分析计算所述打印件的形状和所述预定形状的区别；控制所述滚轮基于所述打印件的形状和所述预存形状的区别对所述打印件执行补偿操作。本发明制造的产品表面质量更高，成本更低。

Description

增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术，尤其涉及增材制造装置及方法。

背景技术

旋转把手对于断路器来说是一个关键元器件，其提供了箱体门的单点封闭。其中，所述旋转把手的固定部件用聚合物制成，其他活动部件由复合材料制成，活动部件需要具有抗机械负荷的能力。其中，所述聚合物混合有短玻纤增强塑料(short glass fiberreinforcement plastic)。这样的旋转把手具有大大小小不同的尺寸，但是对于这样的旋转把手的需求量和生产量并不是很大。

通常，这样的旋转把手是由注塑工艺来制造的。利用注塑工艺来制造，每个产品系列都需要一组模具，而模具相关的费用非常高。特别是旋转把手是低量的批量生产产品，平均到每个产品的造价就更加高。同时，从制造模具开始到产品生产出来花费的时间也十分长。而且模具制造完成以后也需要额外维护工作和费用。

因此，业内需要一种更加方便、造价更低的制造方法。

发明内容

本发明第一方面提供了增材制造装置，其中，其包括：一供料器，其中容纳有原材料；一挤压筒，其中内置了一个螺旋加料器，并且在所述挤压筒外壁上设置有多个加热单元，其中，所述螺旋加料器由一个马达驱动，以使得原材料通过所述供料器进入所述挤压筒之后加热熔融并且混合；一喷嘴，其连接于挤压筒，并设置于所述挤压筒下方，将融化后的材料喷涂于位于所述喷嘴以下的基台上并逐渐按照预定形状构成打印件，其中，所述增材制造装置还包括：一图像传感器，其设置于所述基台上方，捕捉所述基台上打印件的形状；一滚轮；一控制装置，其获得所述图像传感器捕捉的所述打印件的形状，并控制所述滚轮根据形成过程中所述打印件的形状和预存形状的区别对所述基台上的打印件执行补偿操作。

进一步地，所述图像传感器为一个照相机。

进一步地，所述滚轮为一个加热滚轮。

进一步地，所述增材制造装置还包括一个驱动伺服推杆，其连接于所述滚轮。

进一步地，所述控制装置包括：一个采集装置，其获得所述图像传感器捕捉的所述打印件的形状；分析装置，其将所述打印件的形状和预存形状进行映射和对比，计算出所述打印件的形状和预存形状的区别；补偿装置，其控制所述滚轮根据形成过程中所述打印件的形状和预存形状的区别对所述基台上的打印件执行补偿操作。

本发明第二方面提供了增材制造方法，其在本发明第一方面所述的增材制造装置中执行，其中，包括如下步骤：S1，在供料器中提供原材料；S2，将融化后的原材料喷涂于位于所述喷嘴以下的基台上并按照预定形状构成打印件；S3，利用图像传感器捕捉所述打印件的形状；S4，获取从所述图像传感器传输的基于所述打印件的形状图像；S5，对比所述形状图像和预存形状，分析计算所述打印件的形状和所述预定形状的区别；S6，控制所述滚轮基于所述打印件的形状和所述预存形状的区别对所述打印件执行补偿操作。

进一步地，所述步骤S5包括如下步骤：S51，其将所述打印件的形状和预存形状进行映射和对比，并利用一个扫描窗口对映射图像执行依次扫描；S52，分析计算所述打印件的形状和所述预定形状的区别。

进一步地，所述区别包括半径差Δr、水平差距Δx和垂直差距Δy，其中，Δr＝f2(r，θ，z0)-f1(r，θ，z0)；Δx＝Δr/cosθ；Δy＝Δr/sin θ，其中，函数f1(r，θ，z0)表示打印件的形状，函数f2(r，θ，z0)表示预存形状P3’，r为半径，θ为夹角。

进一步地，所述补偿操作包括：滚轮去除基于所述打印件的形状和所述预定形状的区别的冗余部分；滚轮熔融基于所述打印件的形状和所述预定形状的区别的冗余部分，并回收所述熔融后的冗余部分。

进一步地，所述原材料为热塑性材料。

本发明提供的增材制造技术特别适用于生产量不大的热塑性材料高强度复合结构件(high strength composite structural part)制造，而不需要模具，因此能够减少成本。虽然本发明需要的原材料和注塑工艺的原材料相似，但是本发明并不需要额外对于复合丝材料预处理的工艺，因此能够进一步降低成本。本发明提供的增材制造技术还提供了一个控制装置，其能够更加精确地按照预定形状生产打印件，并且其表面质量更好。

附图说明

图1是根据本发明一个具体实施例的增材制造装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个具体实施例的增材制造方法的捕捉所述打印件的形状的示意图；

图3是根据本发明一个具体实施例的增材制造方法的打印件的形状和所述形状的区别的补偿示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

增材制造工艺(Additive Manufacturing)如今是世界上发展迅速的先进制造技术之一，其显示出了宽广的应用前景。选择性激光熔化(Selected Laser Melting，SLM)工艺是增材制造(Additive manufacturing)技术的一种，其通过激光选区融化的方式可快速地将与CAD模型相同的零部件制造出来。目前选择性激光熔化工艺得到了广泛的应用。和传统材料去除机制不同，增材制造是基于完全相反的材料增加制造原理(materialsincremental manufacturing philosophy)，其中，选择性激光熔化利用高功率激光熔化金属粉末，并通过3D CAD输入来一层一层地建立部件/元件，这样可以成功制造出具有复杂内部沟道的元件。增材制造技术能够提供一种任意制造复杂结构元件的独特潜力，这样的复杂元件通常不能轻易由传统制程来制造。

本发明第一方面提供了增材制造装置，如图1所示，所述增材制造装置100集合了注塑装置和熔融沉淀成型增材制造装置(FDM，fused deposition modeling)，其主要包括供料元件、加热元件和闭环控制子系统。其中，供料单元用于提供挤压丝原料102，挤压丝原料102通过闭环控制子系统控制系统加热融化然后在基台101上按照预定模型的形状制造形成打印件P。

其中，本发明提供的增材制造装置100包括一个供料器109、一个挤压筒106和一个喷嘴103。其中，一供料器109，其中容纳有原材料。特别地，所述供料器109为预混合供料器，当所述原材料为多种时，多种原材料按照预定比例混合并设置于供料器109中。挤压筒106中内置了一个螺旋加料器110，并且在所述挤压筒106外壁上设置有多个加热单元107，其中，所述螺旋加料器由一个马达108驱动，以使得原材料通过所述供料器109进入所述挤压筒106之后加热熔融并且混合。喷嘴103连接于挤压筒106，并设置于所述挤压筒106下方，将融化后的材料喷涂于位于所述喷嘴以下的基台101上并逐渐按照预定形状构成打印件P。

具体地，多个原材料按照比例混合并设置于供料器109。然后，预混合的原材料送入挤压筒106中。接着，在螺旋加料器110和加热单元107的作用下，原材料会被充分混合并熔融。其中，螺旋加料器110进一步混合原材料，同时，加热单元107对原材料进行加热。此外，马达108用于驱动螺旋加料器110来确保原材料不断地流入喷嘴103。最后，融化后的原材料混合物被挤压出喷嘴103并沉积在基台101上并按照预定形状逐渐打印成打印件P的形状和结构。

其中，所述增材制造装置100还包括一个图像传感器104、一个滚轮112和一个控制装置113。其中，图像传感器104设置于所述基台101上方，捕捉所述基台101上打印件的形状。控制装置113获得所述图像传感器104捕捉的所述打印件的形状，并控制所述滚轮112根据形成过程中所述打印件的形状对所述基台101上的打印件执行补偿操作。

此外，为了控制孔隙度和表面材料质量，本发明提供了一个闭环控制子系统，所述闭环控制子系统包括控制装置113、闭环控制子系统包括视觉传感器104、热控制单元105、驱动伺服推杆110和热滚轮112。

在本实施例中，原材料优选地为热塑性材料和短纤材料，热塑性材料包括ABS，短纤材料包括短纤玻璃。

特别地，所述图像传感器114为一个照相机。

特别地，所述滚轮112为一个加热滚轮。其中，热滚轮可以通过滚压力作用能够有效地把产品打印过程中出现的层间或道间的界面弱结合予以强化(压实)，同时由于热滚轮的热作用又可以实现结合处树脂材料的重熔，从而达到提高性能的好处。

特别地，所述增材制造装置100还包括一个驱动伺服推杆111，其连接于所述滚轮112。

进一步地，所述控制装置113包括一个采集装置、一个分析装置和一个补偿装置。其中，采集装置获得所述图像传感器捕捉的所述打印件的形状。分析装置将所述打印件的形状和预存形状进行映射和对比，计算出所述打印件的形状和预存形状的区别。补偿装置控制所述滚轮根据形成过程中所述打印件的形状和预存形状的区别对所述基台上的打印件执行补偿操作。

本发明第二方面提供了增材制造方法，其在根据本发明第一方面所述的增材制造装置中执行。根据本发明一个优选实施例，本发明方法在如图1所示的增材制造装置中执行。

首先执行步骤S1，在增材制造装置100的供料器109中提供原材料。当所述原材料为多种时，多种原材料按照预定比例混合并设置于供料器109中。在本实施例中，原材料优选地为热塑性材料和短纤材料，热塑性材料包括ABS，短纤材料包括短纤玻璃。

然后执行步骤S2，将融化后的原材料喷涂于位于所述喷嘴103以下的基台101上并按照预定形状构成打印件。其中，热塑性材料和短纤材料在挤压筒106中混合并加热熔融，上述材料在供料器109中时是固体形态，而通过在挤压筒106中混合并加热熔融得到软化能够被挤压出喷嘴103，并且其形体在之后能够被构成任何预定形状的打印件P。上述混合材料102在挤压出喷头103以后遇到冷空气质地又发生变化，又转化为固体，从而最终逐渐形成预定形状的打印件P。温度控制装置105用于控制加热温度。

接着执行步骤S3，利用图像传感器104捕捉所述打印件的形状。其中，按照本发明一个具体实施例，打印件P是自下而上垂直地打印形成的。图像传感器104特别地为一个照相机，其设置于放置打印件P的基台101正上方，因此能够在任何时间捕捉其形成过程中的打印件P的任何俯视图像。

具体地，如图2所示，打印件P的形成方向为自下而上垂直方向z。例如在任意一个时间t＝t1时，打印件P尚未制造完毕，其已经形成了其中第一部分P1，尚未形成另一部分P2。此时，图像传感器104自下而上捕捉到了打印件P的形状P3，其是在垂直方向z的坐标z＝0处的水平面方向。特别地，形状P3为打印件P的任意横截面，形状P可以为任何不规则形状，但是其轮廓上的任意点都可以通过其内径r和该点与水平方向x的夹角θ表示。具体地，本发明利用了一种二维的损耗定义(two-dimensional definition of shrinkage)，基于中心点已经定义的前提条件下，任意二维形状的边界能够用一个函数f(r，c)来表示，函数f(r，θ)指示着在角度θ处的半径。例如，图2中的形状P3就可以用以下函数来表不：

f(r，θ)＝r(1+sin θ·cosθ)

然后执行步骤S4，控制装置113获取从所述图像传感器114传输的基于所述打印件的形状图像。

接着执行步骤S5，控制装置113对比所述形状图像和预存的预定形状，分析计算所述打印件的形状和所述预定形状的区别。其中，所述步骤S5包括如下步骤：S51，其将所述打印件的形状P3和预存形状P3’进行映射和对比，并利用一个扫描窗口S对映射图像执行依次扫描；S52，分析计算所述打印件的形状P3和所述预定形状P3’的区别。

具体地，在本实施例中，如图3所示，形状P3为正在形成的打印件P中俯视形状，控制装置113中预存的此刻理想形状应当是预定形状P3’。示例性地，将形状P3和预定形状P3’相互映射，扫描窗口沿着打印件的映射图像从左到右自上而下地扫描，并且分析每个扫描窗口中的映射图像S。

其中，隐射图像S中具有形状P3和预定形状P3’的一部分轮廓，它们的中心点为o，中心点o和x轴方向的夹角为θ。由于形状P3用函数f₁(r，e，z₀)表示，预定形状P3’用函数f₂(r，θ，z₀)表示，因此，如图3所示，形状P3和预定形状P3’的区别包括半径差Δr、水平差距Δx和垂直差距Δy：

Δr＝f₂(r，θ，Z₀)-f₁(r，θ，Z₀)

Δx＝Δ/cos θ

Δy＝Δr/sin θ

最后执行步骤S6，控制所述滚轮112基于所述打印件的形状P3和所述预定形状P3’的区别对所述打印件执行补偿操作。

示例性地，在本实施例中，所述补偿操作包括：滚轮去除基于所述打印件的形状P3和所述预定形状P3’的区别的冗余部分。滚轮熔融基于所述打印件的形状P3和所述预定形状P3’的区别的冗余部分，并回收所述熔融后的冗余部分。

其中，所述原材料为热塑性材料。

对于玻璃纤维材料形成的产品，现有技术通常通过注塑装置或者熔融沉淀成型增材制造装置，两者各有缺点。利用传统注塑装置制造产品，工艺复杂，费用高，性价比低。而利用典型的熔融沉淀成型增材制造装置能够节省模具费用，但是典型的熔融沉淀成型增材制造装置的原材料通常为复合丝(composite filament)造价很贵。另一方面，熔融沉淀成型增材制造装置制造的产品不可避免地具有气孔，其制造的产品最终性能填充度和融合度都不够高，另外，产品表面质量也有待改善。

本发明提供的增材制造技术特别适用于生产量不大的热塑性材料高强度复合结构件(high strength composite structural part)制造，而不需要模具，因此能够减少成本。虽然本发明需要的原材料和注塑工艺的原材料相似，但是本发明并不需要额外对于复合丝材料预处理的工艺，因此能够进一步降低成本。本发明提供的增材制造技术还提供了一个控制装置，其能够更加精确地按照预定形状生产打印件，并且其表面质量更好。其中，热滚轮可以通过滚压力作用能够有效地把产品打印过程中出现的层间或道间的界面弱结合予以强化(压实)，同时由于热滚轮的热作用又可以实现结合处树脂材料的重熔，从而达到提高性能的好处。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (8)

1.增材制造装置，其中，其包括：

一供料器，其中容纳有原材料；所述原材料包括热塑性材料和短纤材料；

一挤压筒，其中内置了一个螺旋加料器，并且在所述挤压筒外壁上设置有多个加热单元，其中，所述螺旋加料器由一个马达驱动，以使得原材料通过所述供料器进入所述挤压筒之后加热熔融并且混合；

一喷嘴，其连接于挤压筒，并设置于所述挤压筒下方，将融化后的材料喷涂于位于所述喷嘴以下的基台上并逐渐按照预定形状构成打印件，

其中，所述增材制造装置还包括：

一图像传感器，其设置于所述基台上方，捕捉所述基台上打印件的形状；

一加热滚轮；

一控制装置，其获得所述图像传感器捕捉的所述打印件的形状，并控制所述加热滚轮根据形成过程中所述打印件的形状和预存形状的区别对所述基台上的打印件执行补偿操作。

2.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述图像传感器为一个照相机。

3.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述增材制造装置还包括一个驱动伺服推杆，其连接于所述加热滚轮。

4.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述控制装置包括：

一个采集装置，其获得所述图像传感器捕捉的所述打印件的形状；

分析装置，其将所述打印件的形状和预存形状进行映射和对比，计算出所述打印件的形状和预存形状的区别；

补偿装置，其控制所述加热滚轮根据形成过程中所述打印件的形状和预存形状的区别对所述基台上的打印件执行补偿操作。

5.增材制造方法，其在如权利要求1至4任一项所述的增材制造装置中执行，其中，包括如下步骤：

S1，在供料器中提供原材料；所述原材料包括热塑性材料和短纤材料；

S2，将融化后的原材料喷涂于位于所述喷嘴以下的基台上并按照预定形状构成打印件；

S3，利用图像传感器捕捉所述打印件的形状；

S4，获取从所述图像传感器传输的基于所述打印件的形状图像；

S5，对比所述形状图像和预存形状，分析计算所述打印件的形状和所述预定形状的区别；

S6，控制加热滚轮基于所述打印件的形状和所述预存形状的区别对所述打印件执行补偿操作。

6.根据权利要求5所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤S5包括如下步骤：

S51，其将所述打印件的形状和预存形状进行映射和对比，并利用一个扫描窗口对映射图像执行依次扫描；

S52，分析计算所述打印件的形状和所述预定形状的区别。

7.根据权利要求6所述的增材制造方法，其特征在于，所述区别包括半径差△r、水平差距△x和垂直差距△y，其中，

△r＝f₂(r,θ,z₀)-f₁(r,θ,z₀)；

△x＝△r/cosθ；

△y＝△r/sinθ，

其中，函数f₁(r,θ,z₀)表示打印件的形状，函数f₂(r,θ,z₀)表示预存形状P3’，r为半径，θ为夹角。

8.根据权利要求5所述的增材制造方法，其特征在于，所述补偿操作包括：

-所述加热滚轮去除基于所述打印件的形状和所述预定形状的区别的冗余部分；

-所述加热滚轮熔融基于所述打印件的形状和所述预定形状的区别的冗余部分，并回收所述熔融后的冗余部分。

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