多功能打印头和结构电路一体化增减材设备及应用方法

本发明属于增材制造，具体涉及多功能打印头，以及包括多功能打印头的结构电路一体化增减材设备及应用方法。

背景技术：

1、航空航天等领域的多功能部件需要兼具承载结构、导线与电功能图形集成，对制造设备提出了更高要求，结构电路一体化制造为实现这一目标提供了新途径。然而，目前仍缺乏一种能够同时完成承载结构、三维导线及电功能图形打印，并满足高精度、高表面质量要求的多功能集成制造设备。公告号为cn111940732b的发明专利公开了一种均匀微滴/聚合物空间电路联合打印装置及方法，高分子聚合物打印组件、均匀金属微滴喷射组件和激光器均通过悬臂梁固定在手套箱内舱顶部，激光器接收到控制信号后将已沉积凝固到热床上的金属线路重熔。然而其仅能实现导电线路的制造，无法满足结构电路一体化制造。公告号为cn220146695u公开了一种增减材一体式制造设备，可以增、减材两种加工能在一台设备上完成的功能，但依赖更换工具完成工艺切换，无法实现承载结构、三维导线及电功能图形的连续协同制造，且存在加工效率低、定位精度差等缺陷。

2、增减材复合制造设备常采用机械臂进行制造，受限于机械臂自身刚度低、控制精度差等固有缺陷，导致制造精度不高，难以满足高精度零件的制造需求。公告号为cn111827683a的发明专利公开了一种用于混凝土建筑的多头3d打印设备，六轴机器人通过更换末端执行器实现混凝土与钢筋的逐层添加，其仅能分时打印单一材料，且依赖外部测量系统，导致控制精度不足，难以达到航空航天领域对制造精度的要求。因此，本发明提供一种多功能打印头，以及包括该多功能打印头的结构电路一体化增减材设备及应用方法，为结构电路一体化制造提供先进解决方案。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的问题，提供多功能打印头，以及包括多功能打印头的结构电路一体化增减材设备及应用方法，以解决现有技术存在的操作复杂、精度差、制造功能单一等问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、（一）本发明提供多功能打印头，包括连接件和设置在连接件不同安装面上的结构打印模块、三维导线打印模块和电功能图形打印模块；所述结构打印模块用于打印承载结构，三维导线打印模块用于打印三维导线，电功能图形打印模块用于打印电功能图形。

4、进一步的，所述结构打印模块包括至少一组打印件；所述打印件包括背板、水冷装置、喷嘴和送丝轮；所述水冷装置安装在背板上，送丝轮转动安装在水冷装置靠近连接件的一侧，喷嘴设置在水冷装置远离连接件的一侧；所述送丝轮转动时，其表面缠绕的丝材能够穿过水冷装置的贯穿通道进入喷嘴进行丝材打印。

5、进一步的，还设置有张紧组件，所述张紧组件包括滑杆、弹簧和l形件；所述滑杆与水冷装置近连接件的一端固定连接，所述弹簧套接在滑杆上；所述l形件转动安装在背板上，l形件的一端设置有通孔，所述滑杆穿过通孔，且弹簧分布在l形件与水冷装置之间；所述l形件的另一端转动安装有张紧轮，所述张紧轮能够随着送丝轮旋转。

6、进一步的，所述三维导线打印模块包括高粘度喷射装置、储料针管、直写打印装置和热气流辅助激光烧结装置；所述直写打印装置用于低粘度导电材料的挤出成型；所述高粘度喷射装置与储料针管的出料端连接，用于将高粘度导电材料喷射成型点状图案；所述热气流辅助激光烧结装置包括加热管和激光镜头，用于打印后线路及图案的固化，所述加热管的喷嘴与激光镜头的焦点之间的距离可调。

7、进一步的，所述电功能图形打印模块包括压电喷墨打印装置和固化装置；所述压电喷墨打印装置包括墨水存储瓶和打印头，墨水存储瓶能够旋转，墨水存储瓶通过管路与打印头连接；所述固化装置包括第二激光镜头和/或近红外面光源。

8、（二）本发明提供了一种结构电路一体化增减材设备，包括减材机构、打印平台和 技术实现要素： （一）所述的多功能打印头；所述打印平台用于承载待打印件，分布在多功能打印头和减材机构的下方；所述打印平台与多功能打印头/减材机构（44）之间的间距和角度可调。

9、进一步的，所述打印平台能够沿着x轴、y轴直线移动，且能够绕着y轴、z轴旋转；所述多功能打印头和减材机构能够沿着z轴直线移动，且能够绕着y轴旋转。

10、进一步的，所述打印平台通过第一驱动机构实现直线移动和转动；所述第一驱动机构包括x轴运动模组、y轴运动模组、b3轴驱动模组和c轴驱动模组；所述y轴运动模组设置在x轴运动模组的移动面上，b3轴驱动模组设置在y轴运动模组的移动面上，c轴驱动模组设置在b3轴驱动模组的旋转面上；所述打印平台设置在c轴驱动模组的旋转面上；所述多功能打印头通过第二驱动机构实现直线移动和转动；所述第二驱动机构包括z1轴运动模组和b1轴驱动模组；所述b1轴驱动模组设置在z1轴运动模组的移动面上，所述多功能打印头设置在b1轴驱动模组的旋转面上；所述减材机构通过第三驱动机构实现直线移动和转动；所述第三驱动机构包括z2轴运动模组和b2轴驱动模组；所述b2轴驱动模组设置在z2轴运动模组的移动面上，所述减材机构设置在b2轴驱动模组的旋转面上。

11、进一步的，还设置有低温辅助加工装置；所述低温辅助加工装置包括低温气瓶、低温辅助表架和低温气体管道；所述低温气瓶的供气口与低温气体管道连接，低温气体管道夹持在低温辅助表架上，所述低温气体管道的出气口与打印平台位置对应。

12、进一步的，还设置有吸尘装置和观测装置；所述吸尘装置包括吸尘仓、吸尘表架和吸尘管道；所述吸尘仓入口与吸尘管道连接，吸尘管道夹持在吸尘表架上，吸尘管道的入口与打印平台位置对应；所述观测装置夹持在观测装置表架上。

13、（三）本发明提供了结构电路一体化增减材设备的应用方法，包括：

14、s1、通过结构打印模块在打印平台上形成初始承载结构，由减材机构对初始承载结构进行加工，形成槽结构，再通过三维导线打印模块的喷射装置在槽结构中打印水平导线，并由激光烧结成形；

15、s2、通过结构打印模块继续构建上层承载结构，减材机构在上层承载结构中加工出贯通孔，由三维导线打印模块的喷射装置于孔内打印垂直导线并经激光烧结；

16、s3、重复s2的承载结构打印、减材加工、垂直导线打印与烧结过程，直至垂直导线达到目标高度；

17、s4、通过电功能图形打印模块的打印头在承载结构上打印电功能图形，并通过固化装置进行烧结。

18、更具体地，包括以下步骤：

19、s1、多功能打印头旋转切换至结构打印模块，打印平台移动到结构打印模块下方，结构打印模块在打印平台上打印承载结构；打印平台移动到减材机构下方，减材机构在承载结构上加工出槽结构；多功能打印头旋转切换至三维导线打印模块，打印平台移动到三维导线打印模块喷射装置下方，三维导线打印模块在承载结构的槽中打印水平导线；打印平台移动到三维导线打印模块激光镜头下方，激光镜头烧结固化水平导线；

20、s2、多功能打印头切换至结构打印模块，打印平台移动到结构打印模块下方，结构打印模块在承载结构和水平导线上打印承载结构；打印平台移动到减材机构下方，减材机构在承载结构上加工出孔结构；多功能打印头切换至三维导线打印模块，打印平台移动到三维导线打印模块喷射装置下方，三维导线打印模块在承载结构的孔中打印垂直导线；打印平台移动到三维导线打印模块激光镜头下方，激光镜头烧结固化垂直导线；

21、s3、循环步骤s2，直到打印出设计高度的垂直三维导线；

22、s4、多功能打印头切换至电功能图形打印模块，打印平台移动到电功能图形打印模块下方，电功能图形打印模块打印头在承载结构和垂直线路上打印电功能图形；打印平台移动到电功能图形打印模块固化装置下方烧结电功能图形。

23、本发明的有益效果是：

24、（1）本发明提供的多功能打印头，集成了三组功能不同的打印模块，即结构打印模块、三维导线打印模块和电功能图形打印模块，三者呈120度均匀分布，实现了结构、三维导线和电功能图形在单一设备上的高效、精准一体化制造，解决了传统多机台工艺流转中反复夹持、定位和累积误差的难题，极大地提升了最终产品的成型精度和质量。该系统能够在不同打印模块之间快速切换，显著缩短了整体制造周期，解决了打印时间冗长的问题，大幅提升了生产效率；

25、（2）本发明中，结构打印模块可设置双打印头，能够实现两种材料的熔融沉积成型，克服了极致轻量化与结构强度之间的固有矛盾，根据设计需求在应力集中等关键部位进行局部强化，从而在保证产品轻量化的同时，显著提升其力学性能与可靠性；

26、（3）本发明中，三维导线打印模块集成了喷射打印和直写打印模块，可完成高精度的三维导线打印，并通过配备自动清洁模块和热气流激光复合烧结模块实现实时清洁与温度梯度控制，可形成高致密度、低电阻率的三维导线，有效避免对聚合物基体的热损伤，确保了打印电路的优异导电性能和长期可靠性；

27、（4）本发明中，电功能图形打印模块能够灵活打印精细的二维图形，并通过面光源和激光烧结模块，根据不同需求对图形进行烧结；

28、（5）本发明中，可通过多功能打印头、减材机构和打印平台的移动和旋转，实现增材成形和减材加工的自由切换，可采用减材加工实现对三维线路孔、槽的铣削，提高三维线路成形精度；

29、（6）本发明中，在微铣削过程，可通过观测装置监测铣刀状态，提高了制造过程的安全性。并设置低温辅助装置降低铣刀和工件的温度，提高铣削精度和零件的表面质量。结合吸尘装置的全程清洁，避免切屑直接损坏铣刀和零件，保证铣刀的正常工作。