CN115255932A - 一种跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，包括以下步骤，S1、采用模型分析软件对导入模型进行处理，获得工作数据，将工作数据导入到数控机床中；S2、当需要更换作用刀头时，数控机床控制多轴机械臂移到换刀点，使超声打印头中的作用刀头插入刀库中，并使超声打印头从刀库中更换所需径长的作用刀头；S3、数控机床控制超声打印头运动到指定位置，控制超声打印头使用更换后的作用刀头以进行二次超声打印，二次超声打印包括钻孔、焊接、切割或抛光；S4、根据工作数据判断是否更换作用刀头，且控制对应的作用刀头继续超声打印，直至打印结束，该工艺有效地提高了超声3D打印的灵活度和精确可控性。

Description

一种跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺。

背景技术

传统增材制造是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、塑料或树脂等材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前出现了超声3D打印技术进行增材制造。然而目前的超声3D打印技术仍存在不足之处：其只能进行单一的3D打印，不能进行减材制造，导致只能打印简单的零件，导致超声3D打印效率不高，并且打印精度低以及精度可控性差，其并不利于超声3D打印技术大规模推广。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，该跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺能在微米级至厘米级上对基体进行二次超声加工，有效地提高了超声3D打印的灵活度和精确可控性。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

提供一种跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，采用跨尺度变刚度超声增减材复合制造设备，所述设备设置有料槽、刀库和多轴机械臂，所述多轴机械臂上设置有超声打印头，所述超声打印头包括可拆卸连接的作用刀头，所述刀库上设置有若干作用刀头，若干作用刀头的形状各不相同，且若干所述作用刀头的径长由微米级到厘米级变化，所述制造工艺包括以下步骤，

S1、采用模型分析软件对导入模型进行处理，获得多轴机械臂与所述刀库的工作数据，将所述工作数据导入到数控机床中，使所述料槽保持足够的打印料液；

S2、所述数控机床控制所述超声打印头于料槽中进行基体打印，打印过程中，所述数控机床根据工作数据判断是否需要更换所述超声打印头中的作用刀头，当需要更换作用刀头时，所述数控机床控制所述多轴机械臂移到换刀点，使所述超声打印头中的作用刀头插入所述刀库中，并使所述超声打印头从刀库中更换所需径长级别的作用刀头；

S3、所述数控机床控制超声打印头运动到指定位置并控制所述超声打印头使用更换后的作用刀头以进行二次超声打印，其中，所述二次超声打印包括于所述基体上采用作用刀头进行超声钻孔、超声焊接、超声切割或超声抛光；

S4、所述数控机床继续根据工作数据判断是否更换所述超声打印头中的作用刀头，且控制所述超声打印头中对应的作用刀头继续进行超声打印，直至打印结束。

在一些实施方式中，所述料槽连接有料仓，所述料仓通过蠕动泵与所述料槽连接，所述数控机床根据工作数据控制所述蠕动泵对所述料槽进行补料。

在一些实施方式中，所述料槽内设置有打印基板，所述打印基板的相对两侧连接有导柱，所述打印基板沿所述导柱上升或下降。

在一些实施方式中，所述超声打印头连接有超声电源系统，所述超声电源系统设有调节按钮，所述调节按钮控制所述超声电源系统的加工功率的百分比。

在一些实施方式中，所述S4之后，采用步进电机驱动所述打印基板沿所述导轨上升至最高点，此时打印件留在所述打印基板上，多余料液则从所述打印基板中的滤孔流走，清洗所述打印基板中的打印件。

在一些实施方式中，所述超声焊接中，通过辅助工具将待焊接的外加部件夹持且将其靠近基体，使用作用刀头对所述外加部件与基体的连接处进行超声打印，使外加部件与基体焊接。

在一些实施方式中，所述辅助部件为镊子。

在一些实施方式中，所述超声钻孔中，所述作用刀头为钻头，所述钻头通过设置的超声振动频率对基体进行钻孔。

在一些实施方式中，所述超声切割中，所述作用刀头为钻头，所述钻头通过设置的超声振动频率对基体进行切除。

在一些实施方式中，所述超声抛光中，所述作用刀头包括平面，所述平面上设置有抛光凸起，所述抛光凸起通过设置的超声振动频率对基体进行抛光。

本发明一种跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺的有益效果：

本发明的跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，在超声3D打印工艺中，通过设置超声打印头可切换径长由微米级到厘米级变化的作用刀头，若干作用刀头的形状各不相同，使得在打印过程中，通过工作数据控制即可实时自动切换多种规格的作用刀头，继而能对打印基体进行二次超声打印，实现超声钻孔、超声焊接、超声切割或超声抛光，能打印出结构复杂的3D打印件，有效地提高了超声3D打印的灵活度和精确度，适合于大规模生产应用。

附图说明

图1是实施例1的跨尺度变刚度超声增减材复合制造设备的结构示意图。

图2是实施例1的不同作用刀头的结构示意图。

图3是实施例2打印‘树木’的流程示意图。

图4是实施例3打印件的效果图。

附图标记

料槽1；刀库2；多轴机械臂3；超声打印头4；作用刀头5；打印基板6；导柱7；镊子8；气动夹持机构9；刀盘10。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“该”旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

传统增材制造是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、塑料或树脂等材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前出现了超声3D打印技术进行增材制造。然而目前的超声3D打印技术仍存在不足之处：其只能进行单一的3D打印，不能进行减材制造，导致只能打印简单的零件，导致超声3D打印效率不高，并且打印精度也低，其并不利于超声3D打印技术大规模推广。

本实施例公开的跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，采用图1所示的跨尺度变刚度超声增减材复合制造设备，所述设备设置有料槽1、刀库2和多轴机械臂3，所述多轴机械臂3上设置有超声打印头4，所述超声打印头4包括可拆卸连接的作用刀头5，所述刀库2上设置有图2所示的若干作用刀头5，若干作用刀头5的形状各不相同，且若干所述作用刀头5的径长由微米级到厘米级变化，并且通过更换不同轮廓形状的作用刀头，实现增材制造结构件的二次超声加工，所述制造工艺包括以下步骤，

S1、采用模型分析软件对导入模型进行处理，获得多轴机械臂3与所述刀库2的工作数据，将所述工作数据导入到数控机床中，使所述料槽1保持足够的打印料液；

S2、所述数控机床控制所述超声打印头4于料槽1中进行基体打印，打印过程中，所述数控机床根据工作数据判断是否需要更换所述超声打印头4中的作用刀头5，当需要更换作用刀头5时，所述数控机床控制所述多轴机械臂3移到换刀点，使所述超声打印头4中的作用刀头5插入所述刀库2中，并使所述超声打印头4从刀库2中更换所需径长级别的作用刀头5。

超声打印头4具体切换刀库2中的作用刀头5的方式是：多轴机械臂3运动至换刀点，将当前的作用刀头5插入刀库2对应位置，多轴机械臂3的末端设置有气动夹持机构9，该气动夹持机构9连接有真空机和设置有安装槽，作用刀头5则设置有与安装槽适配的安装块，气动夹持机构9内也设置有夹持爪，真空机放气，松开当前作用刀头5后提升并退出，刀库2中的刀盘10伺服电机通过数控机床驱动刀盘10开始旋转，将所需作用刀头5旋转至换刀点，多轴机械臂前进并下降，利用气动夹持机构9夹紧作用刀头5将作用刀头5拔出，并恢复至初始位置；如果无需更换作用刀头5则多轴机械臂无需移动。

S3、所述数控机床控制超声打印头4运动到指定位置并控制所述超声打印头4使用更换后的作用刀头5以进行二次超声打印，其中，所述二次超声打印包括于所述基体上采用作用刀头5进行超声钻孔、超声焊接、超声切割或超声抛光；

S4、所述数控机床继续根据工作数据判断是否更换所述超声打印头4中的作用刀头5，且控制所述超声打印头4中对应的作用刀头5继续进行超声打印，直至打印结束。

上述制造工艺实现微米到厘米级跨尺度且刚度可变的的连续“无层化”增材制造，通过“无层化”立体成型方式打印的零件具有无支撑结构、各向力学性能优异等优势，实现构件的二次加工，例如超声钻孔、超声切割、超声抛光、超声焊接等。

上述跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，在超声3D打印工艺中，通过设置超声打印头4可切换径长由微米级到厘米级变化的作用刀头5，若干作用刀头5的形状各不相同，使得在打印过程中，通过工作数据控制即可实时自动切换多种规格的作用刀头5，继而能对打印基体进行二次超声打印，实现超声钻孔、超声焊接、超声切割或超声抛光，能打印出结构复杂的3D打印件，有效地提高了超声3D打印的灵活度和精确度，适合于大规模生产应用。

本实施例中，所述料槽1连接有料仓，所述料仓通过蠕动泵与所述料槽1连接，所述数控机床根据工作数据控制所述蠕动泵对所述料槽1进行补料。

所述数控机床根据工作数据控制所述蠕动泵对所述料槽1进行补料，能保证料槽1打印料液的量，保持打印效果。

所述料槽1内设置有打印基板6，所述打印基板6的相对两侧连接有导柱7，所述打印基板6沿所述导柱7上升或下降。

通过设置打印基板6，以及使打印基板6能沿导柱7上升或下降，使得只需升起打印基板6即可使得打印件脱离打印料液，便于获取打印件。导柱7则增加了移动打印基板6的稳定性。

所述超声打印头4连接有超声电源系统，所述超声电源系统设有调节按钮，所述调节按钮控制所述超声电源系统的加工功率的百分比。通过调节按钮能控制超声打印头4的加工功率，从而达到临时调整加工节奏。

所述S4之后，采用步进电机驱动所述打印基板6沿所述导轨上升至最高点，此时打印件留在所述打印基板6上，多余料液则从所述打印基板6中的滤孔流走，清洗所述打印基板6中的打印件。

本实施例中，所述超声焊接中，通过辅助工具将待焊接的外加部件夹持且将其靠近基体，使用作用刀头5对所述外加部件与基体的连接处进行超声打印，使外加部件与基体焊接。

这样就实现了超声焊接的作用，有效地提高结构精确度和复杂度。

所述辅助部件为镊子8。使用镊子8夹持外加部件，能稳定地固定外加部件。

所述超声钻孔中，所述作用刀头5为钻头，所述钻头通过设置的超声振动频率对基体进行钻孔。超声钻孔实现减材目的，提高打印件的多样性。

所述超声切割中，所述作用刀头5为钻头，所述钻头通过设置的超声振动频率对基体进行切除。超声切割实现减材目的，提高打印件的多样性。

所述超声抛光中，所述作用刀头5包括平面，所述平面上设置有抛光凸起，所述抛光凸起通过设置的超声振动频率对基体进行抛光。超声抛光使得打印件的表面效果更光滑，更符合工艺要求。

实施例2

为便于理解，本实施例以打印‘树木’为例来阐述本发明的跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺。实际应用中，还可以打印其他构件。

其中增材部分：

步骤1：在计算机上通过模型分析软件对导入模型进行处理，得出超声打印头、打印基板、六轴机械臂、刀库及蠕动泵的工作数据，并将其导入到数控机床中，添加足够的打印料液至料槽和料仓中。

步骤2：根据工作数据，判断目前作用刀头是否为图3中a显示的作用刀头，如果不是，则需要更换作用刀头，如果是，则开始按照该作用刀头的固化深度范围为层厚进行打印，直至完成该基体的打印；在基体成型完成后对工艺参数进行适当改变，可对基体表面进行抛光处理。步骤3：六轴机械臂运动至换刀点，将图3中a显示的作用刀头插入刀库对应位置，气动夹持机构放气，松开当前作用刀头后提升并退出，伺服电机驱动刀盘开始旋转，将图3中b显示的作用刀头旋转至换刀点，六轴机械臂前进并下降，利用气动夹持机构夹紧作用刀头将其拔出，并通过图中箭头所指方向进行运动，‘主树杆’部分随之成型。

步骤4：六轴机械臂运动至换刀点，将图3中b显示的作用刀头插入刀库对应位置，气动夹持机构放气，松开当前作用刀头后提升并退出，刀盘伺服电机驱动刀盘开始旋转，将图3中c显示的作用刀头旋转至换刀点，六轴机械臂前进并下降，利用气动夹持机构夹紧作用刀头将其拔出，并通过图中箭头所指方向进行运动，‘大树枝’部分随之成型。

步骤5：六轴机械臂运动至换刀点，将图3中c显示的作用刀头插入刀库对应位置，气动夹持机构放气，松开当前作用刀头后提升并退出，刀盘伺服电机驱动刀盘开始旋转，将图3中d显示的作用刀头旋转至换刀点，六轴机械臂前进并下降，利用气动夹持机构夹紧作用刀头将其拔出，并通过图中箭头所指方向进行曲线运动，在运动过程中，可通过改变移动速度控制材料的固化程度，进而实现刚度控制，获得两种刚度不同的‘小树枝’。

之后，进行特殊增材部分：

步骤6：特别地：对于图3中c显示的截面面积存在变化的部分，采用固化范围小于等于最小截面面积的换能器，通过机械臂的往复运动完成该部分的打印。

步骤7：特别地，如图3中f所示，使用特定形状的换能器对特定图形进行打印，可以大大提高生产效率，基于此，本发明可用于零件的批量生产。

接着，进行减材加工：

步骤8：六轴机械臂运动至换刀点，将图3中f显示的作用刀头插入刀库对应位置，气动夹持机构放气，松开当前作用刀头后提升并退出，刀盘伺服电机驱动刀盘开始旋转，将图3中g显示的作用刀头所示超声焊接头旋转至换刀点，六轴机械臂前进并下降，利用气动夹持机构夹紧超声焊接头，完成换刀工序。借助镊子固定需要焊接的‘叶片’，利用换能器对‘叶片’和‘小树干’的连接处进行作用，将其连为一体，实现超声焊接。

步骤9：六轴机械臂运动至换刀点，将图3中g显示的作用刀头插入刀库对应位置，气动夹持机构放气，松开当前作用刀头后提升并退出，刀盘伺服电机驱动刀盘开始旋转，将图3中h显示的所示超声钻头旋转至换刀点，六轴机械臂前进并下降，利用气动夹持机构夹紧超声钻头，并通过图中箭头所指方向进行运动，对‘大树枝’进行切除，实现超声切割。

步骤10：六轴机械臂运动至换刀点，将图3中h显示的作用刀头插入刀库对应位置，气动夹持机构放气，松开当前作用刀头后提升并退出，刀盘伺服电机驱动刀盘开始旋转，将图3中i显示的作用刀头所示超声钻头旋转至换刀点，六轴机械臂前进并下降，利用气动夹持机构夹紧超声钻头，并通过图中箭头所指方向进行钻孔，去除树干上多余的材料，“树洞”部分随之成型，实现超声钻孔。

步骤11：在打印结束后，六轴机械臂返回初始位置，工作平台步进电机工作，使工作平台向上运动至最高点，开始后续清理工作。

实施例3

为便于理解，本实施例在实验室进行了3D打印，如图4所示，于打印料液中进行打印，打印料液中出现了白色固体构型，该白色固体构型为超声3D打印构件，将器皿中的打印料液去除即获得对应的构件。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，其特征是：采用跨尺度变刚度超声增减材复合制造设备，所述设备设置有料槽、刀库和多轴机械臂，所述多轴机械臂上设置有超声打印头，所述超声打印头包括可拆卸连接的作用刀头，所述刀库上设置有若干作用刀头，若干作用刀头的形状各不相同，且若干所述作用刀头的径长由微米级到厘米级变化，所述制造工艺包括以下步骤，

S1、采用模型分析软件对导入模型进行处理，获得多轴机械臂与所述刀库的工作数据，将所述工作数据导入到数控机床中，使所述料槽保持足够的打印料液；

S2、所述数控机床控制所述超声打印头于料槽中进行基体打印，打印过程中，所述数控机床根据工作数据判断是否需要更换所述超声打印头中的作用刀头，当需要更换作用刀头时，所述数控机床控制所述多轴机械臂移到换刀点，并使所述超声打印头中的作用刀头插入所述刀库中，然后使所述超声打印头从所述刀库中更换所需径长级别的作用刀头；

S3、所述数控机床控制超声打印头运动到指定位置并控制所述超声打印头使用更换后的作用刀头以进行二次超声打印，其中，所述二次超声打印包括于所述基体上采用作用刀头进行超声钻孔、超声焊接、超声切割或超声抛光；

S4、所述数控机床继续根据工作数据判断是否更换所述超声打印头中的作用刀头，且控制所述超声打印头中对应的作用刀头继续进行超声打印，直至打印结束。

2.根据权利要求1所述的跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，其特征是：所述料槽连接有料仓，所述料仓通过蠕动泵与所述料槽连接，所述数控机床根据工作数据控制所述蠕动泵对所述料槽进行补料。

3.根据权利要求1所述的跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，其特征是：所述料槽内设置有打印基板，所述打印基板的相对两侧连接有导柱，所述打印基板沿所述导柱上升或下降。

4.根据权利要求1所述的跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，其特征是：所述超声打印头连接有超声电源系统，所述超声电源系统设有调节按钮，所述调节按钮控制所述超声电源系统的加工功率的百分比。

5.根据权利要求3所述的跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，其特征是：所述S4之后，采用步进电机驱动所述打印基板沿所述导轨上升至最高点，此时打印件留在所述打印基板上，多余料液则从所述打印基板中的滤孔流走，清洗所述打印基板中的打印件。

6.根据权利要求1所述的跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，其特征是：所述超声焊接中，通过辅助工具将待焊接的外加部件夹持且将其靠近基体，使用作用刀头对所述外加部件与基体的连接处进行超声打印，使外加部件与基体焊接。

7.根据权利要求6所述的跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，其特征是：所述辅助部件为镊子。

8.根据权利要求1所述的跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，其特征是：所述超声钻孔中，所述作用刀头为钻头，所述钻头通过设置的超声振动频率对基体进行钻孔。

9.根据权利要求1所述的跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，其特征是：所述超声切割中，所述作用刀头为钻头，所述钻头通过设置的超声振动频率对基体进行切除。

10.根据权利要求1所述的跨尺度变刚度超声增减材复合制造工艺，其特征是：所述超声抛光中，所述作用刀头包括平面，所述平面上设置有抛光凸起，所述抛光凸起通过设置的超声振动频率对基体进行抛光。

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