一种多成型方式耦合的增材制造设备及方法与流程

1.本发明涉及属于增材制造技术领域，具体涉及一种多成型方式耦合的增材制造设备及方法。


背景技术：

2.3d打印技术属于快速成型技术工艺的一种，利用三维模型数据，采用逐层堆积的方式成型出完整实体。由于3d打印具有成型零件设计自由度高、成本较低的特点，其在汽车制造、航空航天等领域有广泛的应用；在医疗领域，其在术前规划、骨科植入物等方面有着重要的应用价值。由于3d打印突出的优势及极大的应用价值，越来越多的学者更加重视对其的研究。
3.常见的3d打印技术主要有激光选区烧结成型技术(slective laser sintering，sls)、光固化成型技术(stereo lithorgraphy apparatus,sla/digital light projection，dlp)、熔融沉积技术(fused deposition modeling，fdm)。但目前上述成型方法皆存在各自的不足，激光选区烧结成型技术(sls)中的粘结剂对打印零件质量有直接影响，且其对工作环境和打印设备都有较高的要求；光固化技术可以实现高精度的打印，但较难实现多材料打印，其中sla技术由于是点成型，打印速度较慢，而面成型的dlp技术则大大提高了打印效率；熔融沉积技术较为灵活，但其打印精度较差、速度较慢。
4.此外，打印时对材料的温度往往有一定要求，这在生物打印领域尤其突出，而常见的打印机并未配备保温系统，这将影响打印质量，甚至无法打印。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种可调控打印材料粘度与流动性的多成型方式耦合的增材制造设备及方法。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种多成型方式耦合的增材制造设备，包括机架、供料成型模块、光固化模块、刮刀模块、材料挤出模块和对打印材料进行保温的保温模块；材料挤出模块包括移动机构和挤出打印材料的挤出组件，移动机构安装在机架上，移动机构与挤出组件连接并带动挤出组件移动；供料成型模块包括成型活塞、供料活塞，机架上设有凹槽，保温模块包括保温缸，保温缸内开有成型腔和供料腔，成型腔和供料腔均连通凹槽的底部，成型活塞可滑动地嵌入成型腔内，供料活塞可滑动地嵌入供料腔内；刮刀模块包括刮刀移动平台和铺覆打印材料的刮刀，刮刀移动平台安装在机架上，刮刀移动平台与刮刀连接并带动刮刀移动；光固化模块安装在机架上，光固化模块包括固化光源。采用这种结构后，成型腔的顶部与凹槽的底部连通，成型活塞从成型腔的底部嵌入成型腔内，从而成型活塞与成型腔之间形成打印空间。供料腔的顶部与凹槽的底部连通，供料活塞从供料腔的底部嵌入供料腔内，从而供料活塞与供料腔之间形成储料空间。
8.作为一种优选，保温模块还包括水泵、蓄水箱、加热元件、温度探测元件，保温缸上
开有保温流道，加热元件和温度探测元件均安装于蓄水箱内，蓄水箱包括水箱入口和水箱出口，水箱入口的位置低于水箱出口，保温流道包括流道入口和流道出口，流道入口的位置高于流道出口，水箱出口经水泵与流道入口连通，水箱入口与流道出口连通。采用这种结构后，加热后的水从蓄水箱中由水泵泵入保温流道内，经保温流道流出后回流至蓄水箱中，实现对保温缸的保温作用。
9.作为一种优选，移动机构包括带动挤出组件沿x轴平移的x轴移动平台、带动挤出组件沿y轴平移的y轴移动平台和带动挤出组件沿z轴平移的z轴移动平台；x轴的方向水平，y轴的方向水平且垂直于x轴，z轴的方向竖直。采用这种结构后，移动机构带动挤出组件在三维空间中移动。
10.作为一种优选，挤出组件包括针筒、针筒安装板、压杆、出料电机、丝杆，针筒与针筒安装板固定连接，针筒的针头朝下，压杆可滑动地嵌入针筒内；出料电机安装在针筒安装板上，出料电机通过丝杆与压杆连接并带动压杆在针筒内滑动。
11.作为一种优选，移动机构还包括x轴安装板和z轴安装板；y轴移动平台安装在机架上，x轴移动平台通过x轴安装板与y轴移动平台连接，从而x轴移动平台由y轴移动平台带动沿y轴平移，z轴移动平台通过z轴安装板与x轴移动平台连接，从而z轴移动平台由x轴移动平台带动沿x轴平移，z轴移动平台与挤出组件连接并带动挤出组件沿z轴平移。
12.作为一种优选，机架包括第一安装板、第二安装板和框架，第一安装板水平放置且与框架固定连接，凹槽开设于第一安装板上，凹槽的开口朝上，成型腔与供料腔均位于凹槽的下方；第二安装板与框架固定连接并位于第一安装板的下方，第一安装板平行于第二安装板，蓄水箱和水泵均安装在第二安装板上；第一安装板与第二安装板之间设有多个立柱。
13.作为一种优选，成型供料模块还包括第一升降平台和第二升降平台，第一升降平台与第二升降平台均安装在机架上，第一升降平台与供料活塞连接并带动供料活塞升降，第二升降平台与成型活塞连接并带动成型活塞升降，成型活塞上安装有打印平台。
14.作为一种优选，成型腔和供料腔均为柱状结构，保温流道环绕于成型腔与供料腔的外侧，成型腔和供料腔的中心线均竖直，保温流道在水平面上的投影呈8字形。
15.一种多成型方式耦合的增材制造方法，采用上述一种多成型方式耦合的增材制造设备，包括如下步骤：
16.s1，填充打印材料；
17.s2，开启水泵，并设定加热元件的加热温度；
18.s3，观察温度探测元件所检测到的温度，达到设定温度后启动打印；
19.s4，控制成型活塞下降一个打印层的厚度；
20.s5，如果当前打印层需要多材料打印或多材料变浓度打印，计算材料挤出路径，控制移动机构带动挤出组件移动至成型腔的上方，并将挤出组件内的打印材料沿材料挤出路径挤出，然后控制固化光源对挤出的打印材料进行固化；如果当前打印层不需要多材料打印或多材料变浓度打印，则跳过此步骤；
21.s6，控制供料活塞向上运动，将所需的打印材料推至凹槽内；
22.s7，刮刀移动平台控制刮刀移动，将凹槽内的打印材料铺覆至成型腔；
23.s8，控制固化光源对已铺覆的打印材料进行选择性固化；
24.s9，控制成型活塞下降一个打印层的厚度；
25.s10，刮刀复位；
26.s11，重复步骤s5～s10直至打印完成。
27.作为一种优选，步骤s5中，如果当前打印层需要多材料变浓度打印，以材料挤出模块的最小分辨率为一个微单元，将当前打印层均匀分割为若干材料单元，将每个材料单元分割为若干微单元，根据每个材料单元内所需浓度计算打印材料对微单元的占比，根据各材料单元内打印材料对微单元的占比计算材料挤出路径。
28.上述的多材料打印为采用两种打印材料且两种打印材料单独成型的打印方式，上述的多材料变浓度打印为采用两种打印材料且两种打印材料以不同配比混合成型的打印方式。
29.打印时，依次执行步骤s1～s11；步骤s11中，每次重复步骤s5～s10时，按s5～s10的顺序依次执行。
30.刮刀复位时，先将打印平台下降一定距离，防止刮刀将已成型材料破坏，再进行刮刀复位，然后再将打印平台上升至原位。
31.总的说来，本发明具有如下优点：
32.(1)本发明在光固化成型系统上集成了基于多轴联动的材料挤出模块，在保温缸的供料腔中储存一种打印材料，在挤出系统的针筒中储存另一种材料，在打印以供料腔中材料为主的基础上，配合挤出组件的针筒在特定的时间、空间挤出材料，由此在利用光固化保证高效率、高精度成型的同时可实现多材料打印。
33.(2)本发明提出根据分辨率最低的成型方式中的最小分辨率为一个微单元，以若干个微单位为一个材料单元，通过各成型系统之间的协作来调整材料单元中不同成型方式或不同材料对其微单位的占比，从而实现材料单元中材料浓度的原位调控，设计者可以通过改变三维模型中不同位置的材料单元中的材料组分，打印出在不同部位具有不同材料浓度的三维零件。
34.(3)本发明集成了由保温缸、水泵、蓄水箱、加热元件为主要组成的保温系统，可以对打印材料进行加热并起到保温作用，从而实现材料物化性能尤其是材料的粘度与流动性的精准调控，以保证各种材料被精确地运送到指定区域，从而保证设备在成型不同材料时都能达到最佳的成型精度。
附图说明
35.图1为一种多成型方式耦合的增材制造设备的立体图。
36.图2为一种多成型方式耦合的增材制造设备的局部结构放大图。
37.图3为移动机构和第一安装板的立体图。
38.图4为移动机构与第一安装板的另一视角的示意图。
39.图5为保温缸的立体图。
40.图6为保温缸的内部结构示意图。
41.图7为供料成型模块的局部结构示意图。
42.图8为蓄水箱的立体结构图。
43.图9为一种多成型方式耦合的增材制造方法的流程图。
44.其中，1为机架，2为光固化模块，3为刮刀模块，4为供料成型模块，5为保温模块，6
为材料挤出模块。
45.11为第一安装板，12为第二安装板。
46.31为刮刀，32为刮刀移动平台，33为刮刀移动导轨。
47.41为成型活塞，42为供料活塞，43为打印平台。
48.51为保温缸，52为成型腔，53为供料腔，54为保温流道，55为流道出口，56为流道入口，57为水箱入口，58为水箱出口。
49.61为x轴移动平台，62为y轴移动平台，63为z轴移动平台，64为x轴安装板，65为z轴安装板，66为针筒安装板，67为针筒，68为压杆，69为出料电机。
具体实施方式
50.下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
51.如图1～图8所示。
52.一种多成型方式耦合的增材制造设备，包括机架、供料成型模块、光固化模块、刮刀模块、材料挤出模块和对打印材料进行保温的保温模块；材料挤出模块包括移动机构和挤出打印材料的挤出组件，移动机构安装在机架上，移动机构与挤出组件连接并带动挤出组件移动；供料成型模块包括成型活塞、供料活塞，机架上设有凹槽，保温模块包括保温缸，保温缸内开有成型腔和供料腔，成型腔和供料腔均连通凹槽的底部，成型活塞可滑动地嵌入成型腔内，供料活塞可滑动地嵌入供料腔内；刮刀模块包括刮刀移动平台和铺覆打印材料的刮刀，刮刀移动平台安装在机架上，刮刀移动平台与刮刀连接并带动刮刀移动；光固化模块安装在机架上，光固化模块包括固化光源。
53.保温模块还包括水泵、蓄水箱、加热元件、温度探测元件，保温缸上开有保温流道，加热元件和温度探测元件均安装于蓄水箱内，蓄水箱包括水箱入口和水箱出口，水箱入口的位置低于水箱出口，保温流道包括流道入口和流道出口，流道入口的位置高于流道出口，水箱出口经水泵与流道入口连通，水箱入口与流道出口连通。
54.移动机构包括带动挤出组件沿x轴平移的x轴移动平台、带动挤出组件沿y轴平移的y轴移动平台和带动挤出组件沿z轴平移的z轴移动平台；x轴的方向水平，y轴的方向水平且垂直于x轴，z轴的方向竖直。
55.挤出组件包括针筒、针筒安装板、压杆、出料电机、丝杆，针筒与针筒安装板固定连接，针筒的针头朝下，压杆可滑动地嵌入针筒内；出料电机安装在针筒安装板上，出料电机通过丝杆与压杆连接并带动压杆在针筒内滑动。
56.移动机构还包括x轴安装板和z轴安装板；y轴移动平台安装在机架上，x轴移动平台通过x轴安装板与y轴移动平台连接，从而x轴移动平台由y轴移动平台带动沿y轴平移，z轴移动平台通过z轴安装板与x轴移动平台连接，从而z轴移动平台由x轴移动平台带动沿x轴平移，z轴移动平台与挤出组件连接并带动挤出组件沿z轴平移。
57.机架包括第一安装板、第二安装板和框架，第一安装板水平放置且与框架固定连接，凹槽开设于第一安装板上，凹槽的开口朝上，成型腔与供料腔均位于凹槽的下方；第二安装板与框架固定连接并位于第一安装板的下方，第一安装板平行于第二安装板，蓄水箱和水泵均安装在第二安装板上；第一安装板与第二安装板之间设有多个立柱。
58.成型供料模块还包括第一升降平台和第二升降平台，第一升降平台与第二升降平
台均安装在机架上，第一升降平台与供料活塞连接并带动供料活塞升降，第二升降平台与成型活塞连接并带动成型活塞升降，成型活塞上安装有打印平台。
59.成型腔和供料腔均为柱状结构，保温流道环绕于成型腔与供料腔的外侧，成型腔和供料腔的中心线均竖直，保温流道在水平面上的投影呈8字形。
60.加热元件为市售的可自动控温的加热棒，温度探测元件为温度探测计。
61.刮刀模块还包括刮刀移动导轨，刮刀移动导轨与第一安装板固安连接，刮刀移动平台安装在第一安装板上，刮刀移动导轨上滑动连接有移动块，刮刀与刮刀移动块固定连接；移动机构还包括y轴移动导轨，y轴移动导轨与第一安装板固定连接，x轴移动平台与y轴移动导轨滑动连接。
62.光固化模块还包括光源固定板，固化光源通过光源固定板与机架连接，固化光源采用光机模组。
63.出料电机采用步进电机，通过联轴器与丝杆连接，工作时传递运动带动压杆运动，从而将针筒内的材料挤出。x轴移动平台、y轴移动平台、z轴移动平台、刮刀移动平台均采用直线模组，第一升降平台、第二升降平台均采用电缸，且都由伺服电机驱动。
64.立柱的数量为4个，分别安装在第一安装板下方的四个边角位置，并通过螺栓与机架固定连接，且立柱的两端面开有定位孔，用于第一安装板、第二安装板与立柱之间的定位，保障第一安装板与第二安装板之间具有一定的平行度。
65.打印平台安装于成型活塞的上表面。第一升降平台与第二升降平台均安装在第二安装板上。成型活塞和供料活塞的外围均套有橡胶密封圈。
66.蓄水箱为长方体结构，水箱入口和水箱出口分别位于蓄水箱的两个相对的外侧面，流道入口和流道出口均位于保温缸的外侧。水箱入口、水箱出口、流道入口和流道出口处分别安装有外伸的圆嘴管，水箱入口处的圆嘴管和流道出口处的圆嘴管通过软管连接，水箱出口处的圆嘴管经软管与水泵的输入端连接，水泵的输出端经软管与流道入口处的圆嘴管连接。
67.蓄水箱的顶面开有第一安装孔和第二安装孔，加热棒通过第一安装孔安装在蓄水箱内，温度探测元件通过第二安装孔安装在蓄水箱内，第一安装孔相对于第二安装孔靠近水箱入口，第二安装孔相对于第一安装孔靠近水箱出口。
68.保温流道的截面为圆形，并且以迂回盘旋的形式在内部环绕。
69.水泵采用密封性较好的蠕动泵。
70.一种多成型方式耦合的增材制造方法，采用上述一种多成型方式耦合的增材制造设备，用于实现多材料打印，打印过程如下：
71.首先将一种主要的打印材料填充在供料腔与供料活塞围成的储存空间内，再将另一种打印材料填充至针筒内；其次往蓄水箱中填装水，启动蠕动泵使水在保温系统内循环流动，对加热棒进行恒温设定为指定温度后，启动加热棒对水进行加热；接着将需要打印零件的切片文件导入打印设备上位机软件中；在上位机软件中根据需要打印的零件数量及大小等实际情况，将需要打印的零件的位置排列好，对打印层厚、激光速率等成型参数进行设定；之后观察温度探测计上显示温度是否达到指定温度，达到指定温度后即可启动打印。
72.第二升降平台带动打印平台下降一个打印层厚的距离，打印过程开始，针筒在x轴移动平台、y轴移动平台、z轴移动平台的联合带动下移动到指定的空间位置上。待打印平台
与针筒到达指定位置后，出料电机收到控制信号带动压杆运动将针筒中的另一种材料挤出在预设位置上。在完成挤出后，针筒复位，固化光源对材料进行选择性照射固化。此后，第一升降平台收到控制信号，带动供料活塞向上运动，将打印材料推送至凹槽内，供料过程结束且材料铺覆过程开始，刮刀移动平台以一定速度带动刮刀在刮刀移动导轨的导向下向成型腔方向移动使打印材料均匀铺覆在打印平台上表面，刮刀移动到指定位置后铺覆过程结束，而后固化光源根据切片文件数据对打印平台上的打印材料进行面曝光固化，固化完成后打印平台下降一个打印层厚的距离，刮刀复位，至此，一个打印层的打印过程结束，接着重复上述打印过程，逐层打印至成型出完整零件。
73.实施例二
74.一种多成型方式耦合的增材制造方法，采用一种多成型方式耦合的增材制造设备，用于实现多材料变浓度打印，打印过程如下。
75.准备过程：首先将打印材料填充在供料腔与供料活塞围成的储存空间内，再将指定浓度下的打印材料中某种成分填充至针筒内；其次往蓄水箱中填装水，启动蠕动泵使水在保温系统内循环流动，对加热棒进行恒温设定为指定温度后，启动加热棒对水进行加热；接着将需要打印零件的切片文件导入打印设备上位机软件中；在上位机软件中根据需要打印的零件数量及大小等实际情况，将需要打印的零件的位置排列好，对打印层厚、激光速率等成型参数进行设定；之后观察温度探测计上显示温度是否达到指定温度，达到指定温度后即可启动打印。
76.设备以材料挤出模块的最小分辨率为一个微单元，以若干个微单位为一个材料单元，根据模型预设参数规划各材料单元中不同材料对其微单位的占比，规划出材料挤出模块需要挤出材料的时间与运行路径。
77.第二升降平台带动打印平台下降一个打印层厚的距离，打印过程开始，针筒在x轴移动平台、y轴移动平台、z轴移动平台联合带动下移动到指定的空间位置上。待打印平台与针筒到达指定位置后，出料电机收到控制信号带动针筒压杆运动将针筒中的打印材料按预先规划的路径挤出在相应位置上。在完成挤出后，三轴联合运动将针筒复位，固化光源对材料进行选择性照射固化。此后，第一升降平台收到控制信号，带动供料活塞向上运动，将打印材料推送至凹槽内，供料过程结束且材料铺覆过程开始，刮刀移动平台以一定速度带动刮刀在刮刀移动导轨的导向下向成型腔方向移动使打印材料均匀铺覆在打印平台上表面，刮刀移动到指定位置后铺覆过程结束，而后固化光源根据切片文件数据对打印平台上的打印材料进行面曝光固化，此后，固化光源再次对打印平台上的打印材料进行面曝光固化，固化完成后打印平台下降一个打印层厚的距离，刮刀复位，至此，一个打印层的打印过程结束，接着重复上述打印过程，逐层打印至成型出完整零件。
78.本实施例所采用的一种多成型方式耦合的增材制造设备同实施例一。
79.实施例三
80.一种多成型方式耦合的增材制造方法，采用一种多成型方式耦合的增材制造设备，用于实现单一材料打印，打印过程如下：
81.首先将一种主要的打印材料填充在供料腔与供料活塞围成的储存空间内，再将另一种打印材料填充至针筒内；其次往蓄水箱中填装水，启动蠕动泵使水在保温系统内循环流动，对加热棒进行恒温设定为指定温度后，启动加热棒对水进行加热；接着将需要打印零
件的切片文件导入打印设备上位机软件中；在上位机软件中根据需要打印的零件数量及大小等实际情况，将需要打印的零件的位置排列好，对打印层厚、激光速率等成型参数进行设定；之后观察温度探测计上显示温度是否达到指定温度，达到指定温度后即可启动打印。
82.第二升降平台带动打印平台下降一个打印层厚的距离，打印过程开始，第一升降平台收到控制信号，带动供料活塞向上运动，将打印材料推送至凹槽内，供料过程结束且材料铺覆过程开始，刮刀移动平台以一定速度带动刮刀在刮刀移动导轨的导向下向成型腔方向移动使打印材料均匀铺覆在打印平台上表面，刮刀移动到指定位置后铺覆过程结束，而后固化光源根据切片文件数据对打印平台上的打印材料进行面曝光固化，固化完成后打印平台下降一个打印层厚的距离，刮刀复位，至此，一个打印层的打印过程结束，接着重复上述打印过程，逐层打印至成型出完整零件。
83.本实施例所采用的一种多成型方式耦合的增材制造设备同实施例一。
84.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。