一种磁场辅助光固化增材制造装置及方法

本技术涉及增材制造，尤其涉及一种磁场辅助光固化增材制造装置及方法。

背景技术：

1、磁响应功能件是一类可在外加磁场作用下完成远程驱动、姿态调控与功能响应的磁响应器件，涵盖磁性软体机器人、磁性微型机器人、磁响应执行器及磁响应功能结构等类别，在柔性抓取、微创介入、靶向递送、环境探测与仿生驱动等领域具备重要的应用价值。磁响应功能件的运动模式与功能响应不仅取决于自身几何结构与基体材料的性能，还与内部磁性颗粒的取向特征及空间磁矩分布密切相关；因此，在复杂三维结构中实现高精度、可重复且稳定的磁矩编程，是磁响应功能件制造领域亟需解决的关键技术问题。

2、目前，磁场辅助光固化增材制造是实现磁矩编程与结构一体化成形的重要技术路线。然而，传统磁场辅助光固化增材制造方案多采用整体树脂槽或混合基液池盛放浆料，存在难以保证每层浆料厚度、材料更新和颗粒分布一致性的问题；而且，传统磁场辅助光固化增材制造方法多采用底部曝光或提拉式成形方案，这些方案通常需要经历成形件与曝光窗口或离型膜之间的分离过程，层间剥离力、吸附力和流体阻力容易对软弹性结构、薄壁结构和复杂三维结构造成扰动，容易引起翘曲、塌陷、破损或打印失败，成品率和制造精度偏低，难以满足具有复杂磁矩分布的磁响应功能件的制造要求。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷或改进需求，本技术提供了一种磁场辅助光固化增材制造装置及方法，旨在解决传统磁场辅助光固化增材制造方案制造磁响应功能件的成品率和制造精度偏低的问题。

2、本技术第一方面提供一种磁场辅助光固化增材制造装置，具体包括：

3、增材制造单元，包括承载台、升降机构、铺料机构、供回料机构和光固化机构；所述承载台用于承载磁性光固化浆料，并形成中心成形工作区域；所述升降机构与所述承载台连接，用于驱动所述承载台升降移动；所述铺料机构用于在所述承载台上将磁性光固化浆料铺展为预设层厚的待固化浆料层；所述供回料机构用于向所述中心成形工作区域输送磁性光固化浆料，并回收未参与当前层固化的多余磁性光固化浆料；所述光固化机构用于对所述待固化浆料层中的目标区域进行选择性曝光固化；

4、三维磁场发生单元，设置于所述中心成形工作区域外侧，用于向所述中心成形工作区域施加三维方向可控磁场，以调节所述待固化浆料层中各目标区域内的磁性颗粒的磁矩方向；以及

5、控制单元，分别与所述增材制造单元和所述三维磁场发生单元电连接，用于控制所述增材制造单元和所述三维磁场发生单元的运行。

6、作为进一步优选的，所述三维磁场发生单元包括：

7、水平磁场发生模块，围绕所述中心成形工作区域布置，用于施加水平面内方向可控的磁场分量；

8、竖直磁场发生模块，设置于所述中心成形工作区域上方，用于施加竖直方向的磁场分量；所述竖直磁场发生模块设有中心通孔，所述光固化机构产生的激光束能够穿过所述中心通孔并作用于所述中心成形工作区域，使磁场作用区域、光固化区域和承载台成形区域位于同一工作窗口内。

9、作为进一步优选的，所述水平磁场发生模块包括第一带铁芯电磁铁和第二带铁芯电磁铁，所述第一带铁芯电磁铁沿第一方向相对设置有两个，所述第二带铁芯电磁铁沿第二方向相对设置有两个，所述第一方向与所述第二方向相互垂直且均平行于所述承载台的承载面；

10、所述竖直磁场发生模块包括空心电磁铁；所述控制单元能够分别调节所述第一带铁芯电磁铁、所述第二带铁芯电磁铁和所述空心电磁铁的通电方向和电流大小，以在所述中心成形工作区域内形成预设方向的三维方向可控磁场。

11、作为进一步优选的，所述光固化机构包括：

12、激光器，用于发出激光束；

13、振镜扫描组件，用于接收和调控所述激光束，使所述激光束对所述目标区域进行选择性扫描曝光固化。

14、作为进一步优选的，所述供回料机构包括：

15、进料组件，用于向所述中心成形工作区域输送磁性光固化浆料；

16、回料组件，用于回收未参与当前层固化的多余磁性光固化浆料，多余磁性光固化浆料能够回送至所述进料组件。

17、作为进一步优选的，所述供回料机构还包括分散保持组件，所述分散保持组件用于抑制磁性光固化浆料中磁性颗粒发生沉降、团聚和链化中的至少一种，以维持磁性光固化浆料的组分均匀性。

18、作为进一步优选的，所述升降机构与所述承载台传动连接，用于驱动所述承载台沿竖直方向步进下移，以使所述承载台在每完成一层固化后下移一个预设层厚距离，形成下沉式逐层成形。

19、本技术第二方面提供的一种磁场辅助光固化增材制造方法采用如下的技术方案：

20、一种磁场辅助光固化增材制造方法，采用第一方面所述的任一种磁场辅助光固化增材制造装置，包括以下步骤：

21、s1.通过铺料机构将磁性光固化浆料铺展于承载台上，形成单层待固化浆料层；

22、s2.根据当前层第一个目标区域的预设磁矩方向，控制三维磁场发生单元向中心成形工作区域施加相应方向的三维方向可控磁场，使该目标区域内的磁性颗粒调节至预设磁矩方向；

23、s3.控制光固化机构对该目标区域进行选择性曝光固化，以锁定该目标区域内磁性颗粒的磁矩方向；

24、s4.对当前层下一个目标区域重复执行步骤s2至步骤s3，直至完成当前层全部目标区域的处理；

25、s5.控制所述承载台向下移动一个预设层厚距离，重新执行步骤s1至步骤s4，直至完成全部层打印，获得具有预设三维磁矩分布的磁响应功能件。

26、作为进一步优选的，在步骤s2中，所述控制单元通过分别调节水平磁场发生模块在水平面内的磁场方向和磁场强度，以及竖直磁场发生模块在竖直方向的磁场方向和磁场强度，以在所述目标区域内合成形成预设方向的三维方向可控磁场。

27、作为进一步优选的，同一层内至少两个目标区域的预设磁矩方向不同，和/或，不同层之间至少两层的目标区域的预设磁矩方向不同，以使所获得的磁响应功能件内部形成空间分布的多方向磁矩结构。

28、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

29、1．本技术通过供回料机构与铺料机构的协同配合，实现磁性光固化浆料的局部输送、均匀铺展和及时回收，并可在供回料机构中设置分散保持组件，有效抑制高固含量磁性颗粒在输送和回收过程中的沉降、团聚和链化，显著提高浆料组分均匀性、层厚一致性和长时间打印稳定性，解决了现有方案每层浆料厚度及颗粒分布一致性难以保证的技术问题。

30、2．本技术采用下沉式光固化成形方式，无需执行成形件与离型膜或曝光窗口之间的层间剥离过程，消除了分离阻力、吸附力和流体扰动对已成形结构的影响，这种设计有利于薄壁结构、柔性结构和复杂三维磁响应结构的连续稳定制造，有利于提高磁响应功能件的制备成品率和制造精度。

31、3．本技术通过将三维磁场发生单元、光固化机构与成形平台集成于同一中心成形工作区域，并利用竖直磁场发生模块的中心通孔实现激光光路与竖直方向磁场的共轴耦合，结合控制单元对磁场施加与选择性曝光固化之间时序的协调控制，使磁场作用区域、光固化区域和成形区域在同一工作窗口内高精度重合，实现了结构成形与磁矩分布编程的同步完成，避免了成形后再磁化或分步装配所带来的工艺复杂、定位误差和磁矩分布受限等问题，满足了具有复杂磁矩分布的磁响应功能件的制造要求。