CN109177149A - 一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于丝材增材制造领域，并公开了一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法。该系统包括第一机器人手臂、第二机器人手臂、变位器、旋转喷头和激光器，旋转喷头中设置有多个挤出模块，每个挤出模块用于挤出一种丝材，旋转喷头与第一机器人连接，第一机器人按照预设轨迹运动带动旋转喷头运动；激光器与第二机器人连接，激光器发射的激光用于熔融从喷头中挤出的丝材，通过第一机器人和第二机器人的配合运动，使得丝材的挤出和熔融的同步进行；变位器作为成形台面，通过该变位器的旋转同时配合两个机器人的运动。通过本发明解决了FDM成形中的喷头易堵塞和使用寿命短等问题，保证了制造系统的高柔性，实现了多材料的丝材挤出成形。

Description

一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法

技术领域

本发明属于丝材增材制造领域，更具体地，涉及一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法。

背景技术

在聚合物增材制造领域中，熔融沉积成形(Fused Deposition Modeling，FDM)技术由于其运行成本低、成形材料广泛、后处理简单等优点具有重要的地位。在FDM成形过程中，聚合物丝材由送丝机构运送至喷嘴并被加热至熔融态，挤出后在空气中固化成形。

目前，FDM技术仍存在如下不足之处：(1)打印过程中经常出现热喷头堵塞的现象，这主要是送丝速率和丝材熔化速率不匹配造成的，未熔化的丝材深入到已熔化但尚未挤出的熔融态材料中，导致熔融态材料溢出至进料端空隙处降温固化，从而造成喷头堵塞。发明专利CN104118121A公开了一种FDM打印机的防堵打印喷头，通过加入薄型加热铝块、T型预热铝块和恒温铝块，使加热空间大为减少、丝材熔融快，在一定程度上解决了喷头堵塞问题。但是，这种防堵塞喷头加入了多个铝块和温度传感器等多个零部件导致结构复杂，难以精确加工，并且丝材性能不均匀、常含有杂质、凝固异常等因素也会导致喷头堵塞，这种情况下前文所述防堵打印喷头无法解决；(2)打印喷头往往会残存熔融态的材料，冷却后便固化留在喷嘴处，由于打印喷嘴一般为0.4mm且为打印喷头的关键部位，导致残留的材料清理困难，清理操作不当还会损坏喷嘴，从而严重影响打印精度；(3)若打印的零件结构复杂、尺寸较大，打印喷头将会长时间工作在较高温度(常见的ABS、PLA打印温度为200℃左右)下，这将影响打印喷头的使用寿命；(4)成形过程的灵活性和柔性有待提高，丝材挤出为竖直方向，通过升降台下降的方法完成产品高度方向的成形，这样的加工过程灵活性和柔性均较低，限制了产品精度的进一步提高；(5)目前的FDM打印机大部分为固有的单喷头模式，只能实现一种材料的成形，而随着科技的发展和国家的战略需要，多材料的成形已经成为研究的热点。

发明专利CN107116220A公开了一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置及其工作方法，其针对的是金属多材料的制备；实用新型专利CN206733600U公开了一种单喷头实现多材料层级复合3DP的装置，其主要使用的是陶瓷粉末或是水凝胶作为打印材料，且使用仅限于生物医用材料成形领域；发明专利CN107263858A公开了一种异质多材料增材制造系统，采用旋转式多喷头实现多材料的增材制造，但这种装置仍采用现有的热喷头加工，无法克服喷头易堵塞的问题，而且加工柔性还需要进一步提高。由此可见聚合物多材料的高柔性增材制造研究较少，处于相对空白状态。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法，通过对成形装置和成形方法的设置，使得成形过程采用逐点成体的方式，其中，通过变位器的设置，使得工作台面的灵活可调，尤其适用于结构复杂的的产品的成形，另外通过将丝材熔融过程设置在挤出单元外部，使得挤出和熔融分开进行，大大降低了挤出过程中喷头的堵塞，延长了喷头使用寿命。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统，其特征在于，该系统包括第一机器人手臂、第二机器人手臂、变位器、旋转喷头和激光器，其中：

所述旋转喷头用于挤出丝材，该喷头中设置有多个挤出模块，每个挤出模块用于挤出一种丝材，通过旋转所述喷头调整挤出模块的位置实现挤出丝材种类的转换，另外，该旋转喷头与所述第一机器人连接，该第一机器人按照预设轨迹运动，从而带动所述旋转喷头运动，以此实现丝材挤出位置的变换；

所述激光器与所述第二机器人连接，所述激光器发射的激光用于熔融从所述喷头中挤出的丝材，并且当丝材切换时，激光器的参数可以实施调整以适应不同材料的成形，通过所述第一机器人和第二机器人的配合运动，使得丝材的挤出和熔融的同步进行；

所述变位器作为成形台面，通过该变位器的旋转调整成形的角度以同时配合两个机器人的运动，且所述变位器、第一机器人和第二机器人的运动轨迹相互配合，互不干涉。

进一步优选地，其特征在于，所述变位器包括水平工作台、水平旋转轴和竖直旋转轴，所述水平工作台绕所述水平和竖直旋转轴旋转，实现所述成形角度的调整。

进一步优选地，所述旋转喷头包括旋转板、固定板和多个所述挤出模块，其中，所述多个挤出模块设置在所述固定板中，所述固定板与所述旋转板连接，该旋转板转动从而带动所述固定板转动，进而带动所述挤出模块转动。

进一步优选地，所述第一机器人和第二机器人结构相同，均采用多轴机器人。

进一步优选地，所述激光器产生的激光采用光纤传输，并且该激光器的参数实时可调，当材料种类变化时，激光器的参数实时调节以适应不同丝材的需要。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述所述的系统的增材制造方法，该方法包括下列步骤:

(a)构建待成形产品的三维模型，将该三维模型进行进行体素切片，获得整个待成形产品的全部数据点集；

(b)根据所述待成形产品的数据点集设定所述第一机器人和第二机器人的运动轨迹，所述旋转喷头的旋转顺序，以及所述变位器的运动轨迹

(c)根据所述旋转喷头的旋转顺序依次挤出不同的丝材，同时所述第一机器人携带所述旋转喷头按照所述运动轨迹运动，所述激光器在所述第二机器人的带动下，实时熔融挤出的丝材，其中，变位器根据其运动轨迹相应的调整其角度以适应所述第一机器人和第二机器人的运动，以此方式实现所述全部数据点集中的所有点的挤出熔融成形，即实现逐点成形的过程，由此获得所述待成形产品。

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，能够取得下列有益效果：

1、本发明中采用双机器人，一个带动旋转喷头，另一个带动激光头，其中，通过旋转喷头中设置的多个挤出模块，实现挤出丝材种类的多样化，通过两个机器人之间的相互配合，使得挤出和熔融的同步进行，实现多材料丝材的激光熔融成形；

2、本发明中通过采用两个机器人分别连接旋转喷头和激光头，使得丝材的熔融从挤出模块中分离出来，进而使得挤出和熔融分开，避免二者均在挤出单元中进行时堵塞喷头，减少喷头清洗的难度，延长喷头使用寿命；

3、本发明中通过采用变位器作为工作台面，其中工作台面能在水平和竖直方向旋转，实现产品的逐点成体成形过程，另外，在成形产品的某个角落位置时，通过调整所述变位器的角度，使得挤出模块挤出丝材时的更易挤出，由此使得当成形精细、复杂的结构或送丝遇到阻碍时，降低成形难度，提高成形中的灵活性和准确性；

4、本发明中通过用激光使丝材熔化，能量集中，耐高温的高性能聚合物(如PEEK材料)亦能轻易熔融，极大地改善了耐高温高性能聚合物成形难的问题，另外，激光由柔性的光纤传输，再配合变位器的运动，这些装置显著提高了本发明所提供的制造方法的柔性，非常有利于产品性能的提高。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的一种聚合物多材料高柔性激光增材制造方法设备结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的的六轴机器人的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的变位器的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的旋转喷头的结构示意图。

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-第一机器人 2-第二机器人 3-变位器 31-水平旋转轴 32-竖直旋转轴 33-水平工作台 4-激光器 5-激光头 6-旋转喷头 61-旋转板 62-固定板 63-挤出模块 631-滚轮 632-驱动电机 633-喷头 7-控制器 8-机器人工作台

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。

图1是根据本发明提供的一种聚合物多材料高柔性激光增材制造方法所构建的加工设备，该系统由第一机器人1、第二机器人2、变位器3、激光器4、激光头5、旋转喷头6、控制器7、机器人工作台8组成。第一机器人1带动旋转喷头6完成多材料送丝，第二机器人2带动激光头5发出激光使丝材熔融，控制器控制一体化控制该设备其他各组成部分，具有集成化、模块化的特点。

图2是根据本发明提供的一种聚合物多材料高柔性激光增材制造方法所选用的六轴机器人。本发明采用第一机器人和第二两个机器人，一个带动旋转喷头，另一个带动激光头。这两个机器人具有相同的六轴结构和工作原理。第一机器人1具有六个自由度，图2中的六个箭头分别表示这六个轴转动的方向，能保证机器人手臂能够适应几乎任意角度和轨迹的加工，可以满足实际成形的需要，该六轴机器人可以实现全自动化的工作，具有可控制的错误率，更关键的是，这两个机器人并非相互孤立的，而是密切协作的，第一机器人1、第二机器人2和变位器3同时受到控制器7中的联动程序控制，三者工作既相互配合又互不干涉。控制器具有集成化、模块化的特点，所有组成部分均在该系统“一站式”控制之下协调工作，使得该制造方法功能强大并且可操作性强。

图3是根据本发明提供的一种聚合物多材料高柔性激光增材制造方法所选用的变位器。该变位器主要由水平旋转轴31、竖直旋转轴32、成形工作台33这三部分组成。成形工作台33即为产品的成形基面，水平旋转轴31和竖直旋转轴32使该变位器具备了两个自由度，使整个加工设备在拥有了两个机器人而具备高柔性的基础上其柔性进一步提高。当成形某些精细、复杂的结构时，仅靠六轴机器人的带动送丝尽管能够成形，但是成形的形状精度和尺寸精度得不到保证，这时候配合以变位器，在适当的时候，成形工作台通过旋转以配合机器人的送丝，加工柔性得到极大地提高，非常有利于提高送丝的灵活性和准确性。

图4是根据本发明提供的一种聚合物多材料高柔性激光增材制造方法所选用的旋转喷头。该旋转喷头6由实时旋转板61、固定板62、丝材传送模块63组成。实时旋转板61带动固定板62，本实施例中，送丝系统中含有三个丝材传送模块63，用于传送不同种类的丝材从而实现多材料成形。其中丝材传送模块63主要组成有丝材供给滚轮631，驱动电机632，喷头633。丝材供给滚轮用于处放置丝材，丝材从喷头中挤出，同时在激光的照射下熔融。

进一步优选地，带动旋转喷头和激光头的机器人均具有高自由度，优选为六轴机器人。

进一步优选地，旋转喷头可以根据实际产品材料种类进行快速改装，喷头的数量即为材料的种类数量。

进一步优选地，激光由光纤传输，并且聚合物材料对其具有较高的吸收率。

进一步优选地，变位器具备2个自由度，进一步提高成形过程的柔性。

进一步优选地，机器人、激光器、旋转式多喷头装置、变位器均与计算机连接，形成集成化、模块化的控制系统，只需要控制该控制系统即可实现各组成部分的“一站式”控制。

进一步优选地，控制器中装有联动控制系统，保证两个机器人和变位器之间能够协调配合、互不干涉。

以上是根据本发明提供的一种聚合物多材料高柔性激光增材制造方法所构建的设备的结构方面的详细描述，其具体的制造方法与步骤叙述如下：

(1)将产品的三维模型导入控制器7中，先对该模型进行进行体素切片，得到多个数据点集以及每个数据点的位置信息，体素切片的结果就得到了产品的空间数据点集；

(2)对于(1)确定的空间数据点集，根据产品需要在不同的点设置不同的材料(本实施例可设置三种材料)，此处的设置可以批量处理，但是材料信息以单元点为单位存储，在得到了产品模型的空间数据信息和材料信息后，生成机器人的运动轨迹和变位器的运动轨迹，变位器的运动轨迹包括变位器角度变换的时间节点和变换的角度；

(3)如图1和图4所示的旋转喷头，用于运送丝材a、b和c，根据产品的需要，当需要材料a的时候，控制器7控制旋转喷头旋转，使材料a从喷头挤出；机器人2带动的激光头5射出与丝材a相适应的激光使丝材a熔融。同理，当需要材料b或c的时候，控制旋转喷头旋转，使材料b或c从喷头挤出，激光器4能够实时切换参数，使产生的激光能够与丝材相适应。当成形精细、复杂的结构，送丝装置准确送丝遇到阻碍时，变位器3通过水平旋转轴31、竖直旋转轴32的旋转找到一个最佳的位置以配合机器人1的工作，极大地提高送丝的灵活性和准确性。机器人1、机器人2、变位器3在控制器中的联动程序控制下协调工作，既相互配合又不互相干涉；

(4)从成形的角度讲，产品的基本组成单元是空间上的“单元点”，每一个单元点对应一种材料。按照步骤(3)的反复循环进行，即实现产品的空间逐点成形，最终得到实体的产品。相比于现有的FDM技术，本发明提供的制造方法更加灵活，不再是“逐点成面、逐面成体”的模式，不再依赖于成形台面的下降实现产品高度方向的成形；

空间的逐点成形使得本发明提供的制造方法不再依赖传统的工作台下降，而是使产品在变位器工作台面上“生长出来”。由于机器人和变位器的引入，加工柔性大幅度提高。

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 (6)

1.一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统，其特征在于，该系统包括第一机器人(1)、第二机器人(2)、变位器(3)、旋转喷头(6)和激光器(4)，其中：

所述旋转喷头(6)用于挤出丝材，该喷头中设置有多个挤出模块，每个挤出模块用于挤出一种丝材，通过旋转所述旋转喷头调整挤出模块的位置实现挤出丝材种类的转换，另外，该旋转喷头(6)与所述第一机器人(1)连接，该第一机器人按照预设轨迹运动，从而带动所述旋转喷头运动，以此实现丝材挤出位置的变换；

所述激光器(4)与所述第二机器人(2)连接，所述激光器发射的激光用于熔融从所述喷头中挤出的丝材，通过所述第一机器人(1)和第二机器人(2)的配合运动，使得丝材的挤出和熔融的同步进行；

所述变位器(3)作为成形台面，通过该变位器的旋转调整成形的角度以同时配合两个机器人的运动，且所述变位器、第一机器人和第二机器人的运动轨迹相互配合，互不干涉。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变位器(3)包括水平工作台、水平旋转轴和竖直旋转轴，所述水平工作台绕所述水平和竖直旋转轴旋转，实现所述成形角度的调整。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述旋转喷头(6)包括旋转板(61)、固定板(62)和多个所述挤出模块(63)，其中，所述多个挤出模块(63)设置在所述固定板(62)中，所述固定板(62)与所述旋转板(61)连接，该旋转板转动从而带动所述固定板转动，进而带动所述挤出模块转动。

4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一机器人(1)和第二机器人(2)结构相同，均采用多轴机器人。

5.如权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述激光器(4)产生的激光采用光纤传输，并且该激光器的参数实时可调，当材料种类变化时，激光器的参数实时调节以适应不同丝材的需要。

6.一种利用权利要求1-5所述的系统的增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤:

(a)构建待成形产品的三维模型，将该三维模型进行进行体素切片，获得整个待成形产品的全部数据点集；

(b)根据所述待成形产品的数据点集设定所述第一机器人和第二机器人的运动轨迹，所述旋转喷头的旋转顺序，以及所述变位器的运动轨迹

(c)根据所述旋转喷头的旋转顺序依次挤出不同的丝材，同时所述第一机器人携带所述旋转喷头按照所述运动轨迹运动，所述激光器在所述第二机器人的带动下，实时熔融挤出的丝材，其中，变位器根据其运动轨迹相应的调整其角度以适应所述第一机器人和第二机器人的运动，以此方式实现所述全部数据点集中的所有点的挤出熔融成形，即实现逐点成形的过程，由此获得所述待成形产品。