CN115847807B - 一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法，包括：成型腔，用于承载打印基质和预制骨架；进料模块，用于盛放预制骨架和打印基质；出料模块，用于收集打印件产品；投影模块，用于投放模型切片信息的图案光到成型腔；监测模块，用于监测打印件成型度；运动模块，带动投影模块和监测模块转动；辅助模块，用于调整成型腔的成型环境；控制模块，与投影模块、成型腔、运动模块、进料模块、出料模块、监测模块及辅助模块电性连接。本发明采用上述基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法，能够解决现有的复合材料增材制造设备昂贵、生产速度和效率低，难以对已成型实体进行修复和包覆的问题。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统及方法。
背景技术
复合材料因具有高比强度、高比模量及可设计性强等优势，已被广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通和风力发电等领域。增材制造技术是一种以数字模型数据为基础，通过材料堆积的方式实现三维实体制造的技术。将增材制造工艺应用于复合材料的成形是一种新兴的制造方法，相比传统的复合材料成形工艺，如手糊法、模压法、缠绕成形法等，复合材料增材制造工艺具有材料利用率高、快速成型等优点。
目前常用的复合材料增材制造工艺根据实现方法不同，主要分为材料挤出法、光固化法、粉末烧结法和分层实体制造法等，这些方法通过重复制造低维单元来实现材料堆积进而成形三维实体，普遍存在成形设备昂贵、自动化水平较低、预浸料制备复杂、生产速度和效率有待提升，难以对已成形实体进行修复和包覆等问题。
体积打印技术是一种新型的增材制造技术，它能够提供更快的打印速度，并克服基于分层原理的传统光固化式增材制造技术的几何和表面精度的限制。该方法类似于反向执行CT扫描，通过投影包含打印模型切片信息的图案光在打印基质内部断层重建三维光场，从而自内向外快速聚合打印基体，实现打印件的快速成形。该技术非常适合复杂构件的快速包覆成形，但目前尚未有复合材料制备领域的应用方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统，解决现有的复合材料增材制造设备昂贵、生产速度和效率低，难以对已成型实体进行修复和包覆的问题。本发明的另一个目的是提供一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统，包括：
成型腔，用于承载打印基质和预制骨架；
进料模块，用于盛放预制骨架和打印基质，并将预制骨架和打印基质送入打印腔，进料模块位于成型腔的正下方；
出料模块，用于收集打印件产品，出料模块位于成型腔的正上方；
投影模块，用于投放模型切片信息的图案光到成型腔，为打印基质的固化成型提供能量和信息；
监测模块，用于监测打印件成型度；
运动模块，投影模块和监测模块安装在运动模块的转台上，带动投影模块和监测模块转动；
辅助模块，用于调整成型腔的成型环境；
控制模块，与投影模块、成型腔、运动模块、进料模块、出料模块、监测模块及辅助模块电性连接。
优选的，所述成型腔为等曲率或变曲率的柱状透光容器，成型腔在投影模块的投影光波长段具有不低于90%的透光率。
优选的，所述投影模块的投影光束水平入射进入成型腔的打印基质。
优选的，所述监测模块包括上位机、监测相机、辅助光源、滤光片、光学透镜和数据传输线路，辅助光源的照明波长不处于打印基质的光聚合波段。
优选的，所述辅助模块包括温度调节器、压力调节器、光强调节器、氧气含量调节器。
上述基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的增材制造方法，包括以下步骤：
S1、建立打印件待打印部分的虚拟模型文件，基于中心切片定理沿所建立模型的轴线对模型进行径向切片；
S2、基于断层成像技术，对模型切片数据进行优化处理并整理为图像序列，并载入到控制模块；
S3、根据打印件的材质，将光敏基质与添加相均匀混合制备成打印基质，并灌注进料模块中待用；制备预制骨架并装载至进料模块中待用；
S4、进料模块沿自下至上方向，对成型腔进行预制骨架和打印基质的给料；
S5、开启辅助模块，调整成型腔温度、压力、光照条件、气氛环境；
S6、开启运动模块，转台带动固定在转台上的投影模块、监测模块旋转；
S7、开启投影模块和监测模块；投影模块将S2中图像序列投射入成型腔，使成型腔内体积打印区域的打印基质受到辐照量逐渐积累引发体积式固化成形；监测模块监测打印件成形度，若成形度不达标，则投影模块继续投影；若成形度达标，则进行下一步；
S8、停止投影模块的投影，完成本段材料的打印；控制模块判断是否继续打印，若是，则重复S4-S8，出料模块对成型的打印件进行收集；若否，则进行下一步；
S9、终止打印，从出料模块上取出打印件并进行后处理。
优选的，所述S3中，光敏基质为可被光引发聚合的水凝胶或高分子聚合物；所述添加相为短切纤维、药物粉末或溶液、声学响应材料、磁性响应材料、热力学响应材料、染色材料中的一种或几种；所述预制骨架为金属材质预制体、聚合物材质预制体、陶瓷材质预制体、纤维材质预制体中的一种或几种。
优选的，所述S3中，进料模块的出料方式为间歇式定量出料。
优选的，所述S5中，成型腔温度为-78℃-200℃。
优选的，所述S6中，投影模块的旋转速度为。
本发明所述的一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法的优点和积极效果是：
1、本发明在成型腔的上方和下方设置进料模块和出料模块，进料模块用于从下方向成型腔内部灌入预制骨架和打印基质，出料模块用于收集完成后的打印件，通过预制骨架将各打印件连接在一起，可以实现打印件的连续化生产，提高生产效率。
2、本发明通过投影模块对打印基质进行固化，通过监测模块进行监测，可以实现复杂工件的生产，设备简单。
3、本发明还可以对已成型的实体进行修复和包覆，拓宽了增材制造技术的应用，拓宽了复合材料的加工制备手段。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法实施例的增材制造系统结构示意图；
图2为本发明一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法实施例的打印件结构示意图；
图3为本发明一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法实施例的增材制造方法流程图。
附图标记
1、体积打印区域；2、预制骨架；3、控制模块；4、打印基质；5、进料模块；6、出料模块；7、成型腔；8、辅助模块；9、运动模块；10、投影模块；11、监测模块。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
图1为本发明一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法实施例的增材制造系统结构示意图，图2为本发明一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法实施例的打印件结构示意图。如图所示，一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统，包括：
成型腔，用于承载打印基质和预制骨架；成型腔为等曲率或变曲率的柱状透光容器，成型腔在投影模块的投影光波长段具有不低于90%的透光率；保证成型腔的透光率有利于提高打印的效率。
进料模块，用于盛放预制骨架和打印基质，并将预制骨架和打印基质送入打印腔，进料模块位于成型腔的正下方。
出料模块，用于收集打印件产品，出料模块位于成型腔的正上方。
进料模块包括挤出机构、称量机构、出料机构和开卷机构，用于预制骨架和打印基质的送料。出料模块设置有收卷机构，用于对成型后的打印件进行收集。进料模块和出料模块设置在成型腔的两端，便于实现打印件的连续化生产。挤出机构、称量机构、出料机构、开卷机构、收卷机构可以根据需要采用现有的结构设置。
投影模块，用于投放模型切片信息的图案光到成型腔，为打印基质的固化成型提供能量和信息。投影模块的投影光束水平入射进入成型腔的打印基质。
监测模块，用于监测打印件成型度。监测模块包括上位机、监测相机、辅助光源、滤光片、光学透镜和数据传输线路。监测相机用于实时的监测体积打印区域的打印情况；辅助光源的照明波长不处于打印基质的光聚合波段；滤光片、光学透镜配合监测相机使用。监测相机将拍摄的影响通过数据传输线路传输给上位机，通过上位机观察打印件的打印情况。监测模块上上位机、监测相机、辅助光源、滤光片、光学透镜和数据传输线路根据需要采用现有的技术进行连接设置。
运动模块，投影模块和监测模块固定安装在运动模块的转台上，带动投影模块和监测模块转动。投影模块和监测模块位于成型腔的外围。转台上设置有带动转台转动的电机，电机带动转台转动，从而带动投影模块和监测模块围绕着打印腔转动，对打印腔内体积打印区域的打印基质进行固化成型。
辅助模块，用于调整成型腔的成型环境。辅助模块包括温度调节器、压力调节器、光强调节器、氧气含量调节器。在成型腔的内部设置温度传感器、加热元件、压力传感器、加压元件、光强传感器、光强元件、氧气监测器、增氧元件；用于对成型腔的环境进行调整，使得成型腔的环境适于成型。温度调节器、压力调节器、光强调节器、氧气含量调节器、温度传感器、加热元件、压力传感器、加压元件、光强传感器、光强元件、氧气监测器、增氧元件可以根据实际的需要选用现有的结构和现有的连接方式。
控制模块，与投影模块、成型腔、运动模块、进料模块、出料模块、监测模块及辅助模块根据需要采用现有的技术进行电性连接。控制模块用于控制整个系统的自动化运行。
图3为本发明一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法实施例的增材制造方法流程图。如图所示，基于上述体积打印原理的复合材料增材制造系统的增材制造方法，包括以下步骤：
S1、建立打印件待打印部分的虚拟模型文件，基于中心切片定理沿所建立模型的轴线对模型进行径向切片。
S2、基于断层成像技术，对模型切片数据进行优化处理并整理为图像序列，并载入到控制模块。
S3、根据打印件的材质，将光敏基质与添加相均匀混合制备成打印基质，并灌注进料模块中待用；制备预制骨架并装载至进料模块中待用。光敏基质为可被光引发聚合的水凝胶或高分子聚合物。添加相为短切纤维、药物粉末或溶液、声学响应材料、磁性响应材料、热力学响应材料、染色材料中的一种或几种。预制骨架为金属材质预制体、聚合物材质预制体、陶瓷材质预制体、纤维材质预制体中的一种或几种。进料模块的出料方式为间歇式定量出料。
S4、进料模块沿自下至上方向，对成型腔进行预制骨架和打印基质的给料。
S5、开启辅助模块，调整成型腔温度、压力、光照条件、气氛环境至要求的状态。成型腔温度调整范围为-78℃-200℃。
S6、开启运动模块，转台带动固定在转台上的投影模块、监测模块旋转。投影模块的旋转速度为。
S7、开启投影模块和监测模块；投影模块将S2中图像序列投射入成型腔，使成型腔内体积打印区域的打印基质受到辐照量逐渐积累引发体积式固化成形；监测模块监测打印件成形度，若成形度不达标，则投影模块继续投影；若成形度达标，则进行下一步。
S8、停止投影模块的投影，完成本段材料的打印；控制模块判断是否继续打印，若是，则重复S4-S8，出料模块对完成后的打印件进行收集；若否，则进行下一步。
S9、终止打印，从出料模块上取出打印件并进行后处理。
因此，本发明采用上述基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法，能够解决现有的复合材料增材制造设备昂贵、生产速度和效率低，难以对已成型实体进行修复和包覆的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立打印件待打印部分的虚拟模型文件，基于中心切片定理沿所建立模型的轴线对模型进行径向切片；
S2、基于断层成像技术，对模型切片数据进行优化处理并整理为图像序列，并载入到控制模块；
S3、根据打印件的材质，将光敏基质与添加相均匀混合制备成打印基质，并灌注进料模块中待用；制备预制骨架并装载至进料模块中待用；
S4、进料模块沿自下至上方向，对成型腔进行预制骨架和打印基质的给料；
S5、开启辅助模块，调整成型腔温度、压力、光照条件、气氛环境；
S6、开启运动模块，转台带动固定在转台上的投影模块、监测模块旋转；
S7、开启投影模块和监测模块；投影模块将S2中图像序列投射入成型腔，使成型腔内体积打印区域的打印基质受到辐照量逐渐积累引发体积式固化成形；监测模块监测打印件成形度，若成形度不达标，则投影模块继续投影；若成形度达标，则进行下一步；
S8、停止投影模块的投影，完成本段材料的打印；控制模块判断是否继续打印，若是，则重复S4-S8，出料模块对成型的打印件进行收集；若否，则进行下一步；
S9、终止打印，从出料模块上取出打印件并进行后处理；
上述基于体积打印原理的复合材料增材制造系统，包括：
成型腔，用于承载打印基质和预制骨架；
进料模块，用于盛放预制骨架和打印基质，并将预制骨架和打印基质送入打印腔，进料模块位于成型腔的正下方；
出料模块，用于收集打印件产品，出料模块位于成型腔的正上方；
投影模块，用于投放模型切片信息的图案光到成型腔，为打印基质的固化成型提供能量和信息；
监测模块，用于监测打印件成型度；
运动模块，投影模块和监测模块安装在运动模块的转台上，带动投影模块和监测模块转动；
辅助模块，用于调整成型腔的成型环境；
控制模块，与投影模块、成型腔、运动模块、进料模块、出料模块、监测模块及辅助模块电性连接；
进料模块包括挤出机构、称量机构、出料机构和开卷机构，用于预制骨架和打印基质的送料；出料模块设置有收卷机构，用于对成型后的打印件进行收集；进料模块和出料模块设置在成型腔的两端。
2.根据权利要求1所述的一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法，其特征在于：所述成型腔为等曲率或变曲率的柱状透光容器，成型腔在投影模块的投影光波长段具有不低于90%的透光率。
3.根据权利要求1所述的一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法，其特征在于：所述投影模块的投影光束水平入射进入成型腔的打印基质。
4.根据权利要求1所述的一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法，其特征在于：所述监测模块包括上位机、监测相机、辅助光源、滤光片、光学透镜和数据传输线路，辅助光源的照明波长不处于打印基质的光聚合波段。
5.根据权利要求1所述的一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法，其特征在于：所述辅助模块包括温度调节器、压力调节器、光强调节器、氧气含量调节器。
6.根据权利要求1所述的一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法，其特征在于：所述S3中，光敏基质为可被光引发聚合的水凝胶或高分子聚合物；所述添加相为短切纤维、药物粉末或溶液、声学响应材料、磁性响应材料、热力学响应材料、染色材料中的一种或几种；所述预制骨架为金属材质预制体、聚合物材质预制体、陶瓷材质预制体、纤维材质预制体中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法，其特征在于：所述S3中，进料模块的出料方式为间歇式定量出料。
8.根据权利要求1所述的一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法，其特征在于：所述S5中，成型腔温度为-78℃-200℃。
9.根据权利要求1所述的一种基于体积打印原理的复合材料增材制造系统的方法，其特征在于：所述S6中，投影模块的旋转速度为。
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