CN113478814B - 一种基材二次加热实时控温的开放式熔融沉积方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于熔融沉积相关技术领域，并公开了一种基材二次加热实时温控的开放式熔融沉积方法及装置。该方法包括：S1在成形台面上按照预设轨迹成形第一层的切片层，以此在成形台面上获得固化的第一层基体；S2对于第i个切片层，按照预设轨迹熔融沉积丝材，实现第i个切片层的成形；其中，在丝材熔融的同时，加热成形台面上已经固化的基体的熔融前沿区，使得该熔融前沿区的温度上升至玻璃化温度，丝材熔融后与该熔融前沿区的基体紧密结合；S3重复步骤S2，直至完成所有切片层的加工，以此获得待成型零件。通过本发明，同时解决熔融沉积中切片层间结合力不足，成形零件中残余应力大易发生翘曲变形以及成形环境封闭无法成形大型零件的问题。

Description

一种基材二次加热实时控温的开放式熔融沉积方法及装置

技术领域

本发明属于熔融沉积相关技术领域，更具体地，涉及一种基材二次加热实时温控的开放式熔融沉积方法及装置。

背景技术

熔融沉积成形耗材是聚合物丝材，主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)和聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)、聚醚醚酮(PEEK)等。FDM成形技术采用沉积单元中的加热模块将聚合物丝材熔化至熔融状态，再由金属喷头挤出至沉积平台或基材上快速固化，逐层沉积并与已固化的基材进行界面结合得到最终实体。

目前，FDM成形仍存在如下不足：(1)打印过程中层间材料结合强度不足，这是因为逐层沉积的熔融材料与已成形的基材界面结合时，界面温度梯度大，界面结合的原理是界面接触处的聚合物高分子相互扩散并缠结，扩散与缠结程度决定界面的结合强度，而沉积到基材上的熔融聚合物冷却固化时，其高分子扩散和缠结能力强，但已沉积固化的聚合物基材已经冷却，高分子扩散度低，界面结合时高分子相互缠结度低，结合强度差，目前的FDM采用热床基板方式提高基材温度，但效果有限、可控性差，随着沉积层数和结构复杂度的增加，效果也越差；

(2)熔融沉积成形后的零件易出现翘曲变形，由于高温的熔融聚合物被挤出至已冷却的基材上在环境温度中快速冷却固化，沉积层不完全收缩，层间内应力聚集，最终导致原型的翘曲变形，目前，有相应研究者从材料方面和成形工艺中的打印温度和托板温度方面进行研究和改善，但难度大、效果不理想，可控性较差，更换打印线材之后需要重新探索工艺参数，无法较为理想地解决该问题。发明专利CN201910781574.X公开了一种防止FDM打印中3D打印模型翘曲的方法，通过在热床平台上均匀涂抹防翘胶水解决3D打印件的翘曲变形，在一定程度上解决了翘曲问题，但是，这种方式属于强制反变形，没有从本质上降低或者消除应力，甚至可能加剧应力聚集，导致零件更容易出现缺陷进而破坏失效；

(3)目前的FDM成型通常在半封闭或全封闭的恒温环境氛围中进行，导致成形空间无法成形大型零件，成形过程抗干扰能力差，易受外界环境温度变化而受影响，成形的稳定性不足，无法实现在开放环境下的稳定打印。因此，急需一种熔融沉积装置解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基材二次加热实时温控的开放式熔融沉积方法及装置，同时解决熔融沉积中切片层间结合力不足，成形零件中残余应力大易发生翘曲变形以及成形环境封闭无法成形大型零件的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基材固化后再次加热的熔融沉积方法，该方法包括下列步骤：

S1对于待成型零件三维模型进行切片，获得多个切片层，在成形台面上按照预设轨迹成形第一层的切片层，以此在所述成形台面上获得固化的第一层基体；

S2对于第i个切片层，按照预设轨迹熔融沉积丝材，实现第i个切片层的成形；其中，在丝材熔融的同时，加热成形台面上已经固化的基体的熔融沉积前沿区，使得该熔融沉积前沿区的温度上升至玻璃化温度，丝材熔融后与该熔融沉积前沿区的基体紧密结合，i为大于1的整数；

S3重复步骤S2，直至完成所有切片层的加工，以此获得待成型零件。

进一步优选地，在步骤S2中，加热已经固化的基体的熔融沉积前沿区时，实时测量并反馈该熔融沉积前沿区的温度，当其温度达到玻璃化温度后并维持，开始送丝并挤出熔融的丝材，持续沉积成形。

进一步优选地，在步骤S2中，所述熔融沉积前沿区为金属喷头对应的正下方的已经固化的基材前方的区域。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的熔融沉积方法的装置，其特征在于，该装置包括打印基板，送丝模块、沉积头模块和加热模块，其中，

所述打印基板作为成形台面；

所述送丝模块与所述沉积头模块连接，用于将丝材输送给所述沉积头模块，所述沉积头模块用于熔融丝材并将熔融的丝材挤出；

所述加热模块用于加热成形台面上已经固化的基体，使其温度上升至玻璃化温度。

进一步优选地，该装置还包括温度实时检测模块，该温度实时检测模块用于实时检测成形台面上已经固化的基体的温度。

进一步优选地，所述装置还包括控制器，该控制器同时与所述加热模块和温度实时检测模块连接，所述温度实时检测模块实时检测成形台面上已经固化的基体的温度后反馈给所述控制器，所述控制器实时调节所述加热模块的温度，以此实现对成形台面上已经固化的基体温度的闭环控制。

进一步优选地，所述加热模块采用红外加热灯管，保证加热范围，且输出功率可调，保证能量输入时的可调和可控性。

进一步优选地，所述成形基板采用开放式的结构，成形台面无需在封闭或半封闭环境中。

进一步优选地，所述温度实时检测模块采用温度测量探针，该探针的直径小于等于2mm，测量温度上限根据所打印材料的玻璃化温度确定，测量精度在±1℃以内。

进一步优选地，所述加热模块固定在所述沉积头上，用于固定该加热模块的固定板能够上下移动调节所述加热模块的高度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明在熔融沉积过程中，一边熔融丝材，一边加热已经成形固化的基体的熔融前沿区，并使得固化基体的温度上升至玻璃化转化温度，降低熔融的丝材与固化基体之间的温度梯度，提升固化后基体中高分子的扩散能力，使得熔融的丝材落在成形处时与加热至玻璃化温度的固化后的基体之间紧密融合，提高熔融丝材与固化基体之间的结合力，提升相邻切片层之间的结合力，减少成形零件中的残余应力，减少翘曲变形；

2.本发明中通过实时测量固化基体的温度，形成对固化基体表面温度的闭环控制，实现将固化基体表面温度的精确控制在玻璃化转化温度，避免固化基体温度过高熔融改变切片层的形态和成形精度，也避免加热温度不够固化基体和熔融丝材之间结合强度不够，产生较大的残余应力；

3.本发明中的加热模块采用红外灯管加热，相比与现有的激光加热局部加热，其加热范围大，能一次快速地加热熔融前沿区域，并且通过快速的大面积加热熔融前沿区域，通过热量的辐射，整个固化的基体温度也整体升高，固化基体整体温度的上升有利于其本身残余应力的释放；

4.本发明中整体的熔融沉积设备采用开放式的形式，成形过程中温度的控制有专门的加热模块和实时检测模块，外界温度对成形过程影响小，抗干扰能力强，因此对成形环境没有特殊的要求，无需在封闭或半封闭的环境中进行，故可以用于成形大型尺寸的零件。

附图说明

图1是按照本发明的优选实例所构建的基材固化后再次加热的熔融沉积装置的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实例所构建的沉积头模块的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实例所构建的温度实时检测模块的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实例所构建的加热模块的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1—控制器，2—沉积头模块，2-1—固定板，2-2—送丝机构，2-3—冷却风扇，2-4—加热块，2-5—金属喷头，3—温度实时检测模块，3-1—探针固定板，3-2—探针，3-3—固定螺钉，4—加热模块，4-1—红外加热灯管固定板，4-2—灯罩，4-3—灯管，4-4灯光座，5—L形侧板，6—开放式打印基板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基材固化后再次加热的熔融沉积方法及装置，在聚合物熔融沉积过程中，通过加热模块对基材表面进行预热加热，并配置有温度实时检测模块和控制器，使基材表面沉积前沿的聚合物温度加热至玻璃化转变温度Tg，沉积层再与加热至目标温度的基材界面黏结结合，解决了沉积层与基材间界面聚合物高分子扩散缠结度低、层间界面结合强度不足的问题；同时加热模块对基材的预热，材料升温软化，聚合物高分子可以运动，降低或消除了已冷却固化沉积层的应力，减少沉积过程中的应力累积，解决了零件翘曲变形的问题；采用温度实时检测模块和控制器控制目标加热区域的温度，使得基材沉积前沿的红外加热温度实时、精确可控；熔融沉积过程保持动态的加热能量输入，可在开放环境下打印，不受环境条件限制，实现聚合物熔融沉积的稳定成形和打印零件的高强度性能。

如图1所示，在本实施例中，上述熔融沉积装置包括控制器、L形侧板、开放式打印基板6、沉积头模块2、加热模块4、温度实时检测模块3，其中：

开放式打印基板6是熔融沉积成形的工作台面，该台面可以加热，熔融的聚合物逐层沉积到该基板热台面上成形；L形侧板5用于将该装置固定连接于运动执行机构上；本实施例中沉积头模块2、温度实时检测模块3和加热模块4均通过相应的固定板连接在L形侧板上，L形侧板用于与运动机构相连接；沉积头模块2、温度实时检测模块3、加热模块4三者与控制器1相连，将所有单元的参数集成，控制三者在正确的顺序下协同工作。加热模块4设置在金属喷头的前方，单独连接电源，用于实时、动态加热沉前沿区域的基材表面；温度实时检测模块3设置在加热模块下方，金属喷头的前方，避免位置产生干涉，用于实时、动态测量与反馈熔融沉积前沿区的温度。

熔融沉积前沿区为金属喷头所正对的基材的前方一定范围的窄小区域，也即熔融聚合物与基材界面结合处的前方一定范围的窄小区域，其大小没有严格的定义，与喷头直径、挤出丝宽等因素有关。

如图2所示，沉积头模块2包括由固定板2-1、送丝机构2-2、冷却风扇2-3、加热块2-4、金属喷头2-5组成，送丝机构2-2与冷却风扇2-3一同装配固定在固定板上，丝材由电机转动带动齿轮旋转将其送入金属喷头顶部的进丝口，由加热块2-4加热熔融，最终由金属喷头2-5喷嘴挤出，冷却风扇2-3用于加热块上端金属流道的冷却散热；送丝机构2-2、加热块2-4、金属喷头2-5，分别用于和实现丝材的送丝、熔融和挤出。

沉积头模块侧边设置有固定板和通孔，用于连接安装送丝机构、冷却风扇、金属喷头，并将沉积头安装固定在L形侧板上。

如图3所示，本实施例中，温度实时检测模块采用温度测量探针，探针固定板3-1将测量探针模块固定在L形侧板5上，可通过固定板上设置的环形通孔调节位置高度，固定螺钉3-3将探针3-2固定在探针固定板3-1上，并且可以通过螺母小幅度调节探针的旋转角度，实现一定角度范围内的可调性，保证测量探针的灵活性与准确性。

温度实时检测模块采用温度测量探针，其直径小于等于2mm，测量温度根据所打印材料的玻璃化温度确定，测量精度在±1℃以内。温度测量探针固定板设置有环形通孔，用于旋转调节探针的姿态和角度，以满足不同角度和距离的测量。

如图4所示，加热模块采用红外加热管，本实施例中，加热模块被红外加热灯管固定板4-1通过通孔滑槽以可调式的方式固定在L形侧板5上，可滑动调节加热模块的高度，满足不同情况下的成形需求，本实施例中，加热模块采用红外加热灯管，灯管4-3固定在灯管座4-4中，灯罩4-2将红外灯管辐射的能量反射，减少能量损失，这保证了能量的集中性和有效利用，红外灯管的能量直射熔融沉积前沿区的基材表面，沉积过程中始终保持加热保证连续性，通过红外灯管输出功率的调节来稳定控制熔融沉积前沿区的加热温度，保持成形过程的稳定性。加热模块固定板设置有通孔滑槽，用于调节红外加热灯管的高度位置，以适应不同的打印需求。

加热模块4和温度实时检测模块3一同跟随金属喷头运动，相对静止，加热模块4的光线和温度检测模块3始终指向相同的熔融沉积前沿区，沉积的同时对预沉积的基材表面进行加热，实现熔融沉积前沿区温度准确的实时测量与快速的响应控制，每层熔融沉积成形过程中按照预设轨迹运动时始终保持实时的加热-测量-反馈-控制状态，直至单层打印完成，沉积头模块上升单层高度，逐层打印最终获得所需的成形零件。

控制器1同时还与沉积头模块2、加热模块4、温度实时检测模块3相连，将各单元的信号参数集成，实现各单元的统一、协同控制。

上述熔融沉积方法包括下列步骤：

(1)建立目标成形零件的三维模型并获取STL模型文件，采用切片软件对模型进行切片，并对每个二维切片层进行路径规划，获取所述沉积头的成形运动轨迹数据；

(2)沉积头开始按照预定轨迹运动前，沉积头模块的熔融加热模块预热，温度测量探头测量熔融沉积前沿区域的温度并将参数传送至控制器，红外加热灯管持续加热，当温度达到预设的值时，控制器发送信号至送丝机构，送丝电机转动开始送丝，金属喷头挤出熔融丝材，开始按照预定轨迹沉积当前切片层；

(3)成形过程中，温度测量探针持续实时检测、反馈沉积前沿位置的温度，红外加热灯管依据温度反馈，动态、实时调节输出功率，稳定控制沉积前沿的温度维持在预设值，熔融线材沉积与基材表面结合，同时对预沉积区域进行加热，熔融线材继续沉积结合，直至完成一个切片层的沉积成形；

(4)所述的沉积头模块上升一切片层厚度的高度，重复上述(3)步骤的过程，直至完成所有切片层的沉积成形，最后红外加热灯管关闭，停止送丝，完成零件的成形。

本发明中已沉积的基材通过红外加热灯管预热加热，使基材再次升温软化，能够降低和消除基材中的应力，避免应力累积，使得成形后的零件原型应力大大降低，从而降低和避免零件的翘曲变形，改善和提高零件的质量。

本发明中红外加热灯管跟随沉积头运动，对沉积前沿区域按照预设的温度实时加热，降低沉积时熔融聚合物和基材之间的温度梯度，从而增加界面处的高分子扩散和缠结程度，使得层间界面结合强度大幅增加，解决层间结合强度不足的难题，提高最终成形零件的机械性能。

本发明中在熔融沉积时设置温度测量传感器实时测量和反馈沉积前沿区域的温度，温度不足或温度过高时，实时调节红外加热灯管输出功率，进而控制温度在预设的温度值，具有闭环性、高柔性、高稳定性、易控制的优点，使得成形过程的稳定性可控性得到极大的提高。

本发明中红外加热灯管提供外部能量输入，不受成形环境的影响，抗外界干扰能力强，可以在开放式的环境下进行打印，成形零件尺寸不受限制。

本发明中设置控制器与沉积头模块、红外加热灯管、温度测量探针相连接，将所有单元参数集成化形成模块，形成所有单元的一体化、协同化控制，保证所有单元协同配合，按照成形工艺过程的逻辑和顺序稳定运行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基材二次加热实时控温的开放式熔融沉积方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1对于待成型零件三维模型进行切片，获得多个切片层，在成形台面上按照预设轨迹成形第一层的切片层，以此在所述成形台面上获得固化的第一层基体；

S2对于第i个切片层，按照预设轨迹熔融沉积丝材，实现第i个切片层的成形；其中，在丝材熔融的同时，加热成形台面上已经固化的基体的熔融沉积前沿区，使得该熔融沉积前沿区的温度上升至玻璃化温度，丝材熔融后与该熔融沉积前沿区的基体紧密结合；

S3重复步骤S2，直至完成所有切片层的加工，以此获得待成型零件；

在步骤S2中，所述熔融前沿区为金属喷头对应的正下方已经固化的基材前方的区域。

2.如权利要求1所述的一种基材二次加热实时控温的开放式熔融沉积方法，其特征在于，在步骤S2中，加热已经固化的基体的熔融沉积前沿区时，实时测量并反馈该熔融沉积前沿区的温度，当其温度达到玻璃化温度后并维持该温度，开始送丝并挤出熔融的丝材，持续沉积成形。

3.一种进行权利要求1-2任一项所述的熔融沉积方法的装置，其特征在于，该装置包括打印基板，送丝模块、沉积头模块和加热模块，其中，

所述打印基板作为成形台面；

所述送丝模块与所述沉积头模块连接，用于将丝材输送给所述沉积头模块，所述沉积头模块用于熔融丝材并将熔融的丝材挤出；

所述加热模块用于加热成形台面上已经固化的基体，使其温度上升至玻璃化温度。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，该装置还包括温度实时检测模块，该温度实时检测模块用于实时检测成形台面上已经固化的基体的温度。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括控制器，该控制器同时与所述加热模块和温度实时检测模块连接，所述温度实时检测模块实时检测成形台面上已经固化的基体的温度后反馈给所述控制器，所述控制器实时调节所述加热模块的温度，以此实现对成形台面上已经固化的基体温度的闭环控制。

6.如权利要求3或5所述的装置，其特征在于，所述加热模块采用红外加热灯管，保证加热范围。

7.如权利要求3或5所述的装置，其特征在于，所述打印基板采用开放式的结构，成形台面无需在封闭或半封闭环境中。

8.如权利要求3或5所述的装置，其特征在于，所述温度实时检测模块采用温度测量探针，该探针的直径小于等于2mm，测量温度上限根据所打印材料的玻璃化温度确定，测量精度在±1℃以内。

9.如权利要求3或5所述的装置，其特征在于，所述加热模块固定在所述沉积头上，用于固定该加热模块的固定板能够上下移动调节所述加热模块的高度。

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