一种具有剪断和辊压装置的激光增材制造系统的制作方法

1.本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种具有剪断和辊压装置的激光增材制造系统。


背景技术：

2.在碳纤维复合材料成形领域中，目前主要的3d成形方法有激光选区烧结(sls)、多射流熔融(mjf)以及熔融沉积成形(fdm)等技术。sls是以一定比例混合碳纤维和尼龙材料，通过激光烧结实现一体成形，但无法成形连续纤维复合材料；mjf通过灯管加热，在助熔剂作用下零件截面加热到足够的温度实现熔化成形；fdm则是将碳纤维运送到喷嘴加热至熔融状态，挤出后固化，逐层沉积成形，可用于连续纤维复合材料成形。
3.fdm因其成本低、后处理简单可用成形材料多等优点受到广泛应该。但目前该技术仍存在如下不足之处：1)难以成形复杂零件，难以实现碳纤维的空间成形和连续碳纤维熔断；2)打印过程中容易出现丝材熔化堵塞喷头的现象，主要是因为送丝未及时成形滞留在喷嘴附近造成堵塞；3)fdm难以实现连续纤维的熔断；4)fdm的简单堆垛难以得到致密的零件，各向异性程度高，特别是沿堆积方向强度很低。中国专利cn104097326a公开了一种纤维增强复合材料多自由度3d打印机及其打印方法，其公开了通过剪切装置18将切断喷嘴12出口处的材料，但这种方式仅仅是在喷嘴处切断，切断后留有一定的不用余量，不能实现连续纤维的熔断，还需要再次进行修整。现有技术为了得到致密的零件所采用的手段均是在熔丝中加入增密材料，该方式受限于材料的性质，并且加入其它材料后对其其他方面的性能有影响，并不能很好的控制。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有剪断和辊压装置的激光增材制造系统，可以实现丝材的精确剪断避免挤出头的堵塞同时可以生产致密的零件，成形零件性能好。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有剪断和辊压装置的激光增材制造系统，所述系统包括剪切装置、按压辊轮、送丝机构、激光器、变位台以及控制装置，其中：所述送丝机构用于挤出丝材；所述激光器设于所述送丝机构的前方，用于照射所述丝材使其熔化；所述按压辊轮设于所述送丝机构的后方，用于对熔化的丝材进行按压；所述变位台设于送丝机构的下方，用于丝材的成形平台，所述变位台下方设有旋转轴和升降单元，以使变位台通过旋转或升降实现所述按压辊轮与成形件表面的垂直；所述剪切装置设于所述按压辊轮的后方，所述剪切装置包括剪丝刀和伸缩杆，所述剪丝刀在伸缩杆的带动下运动至所述按压辊轮的终点处以在成形终点处将丝材剪断；所述控制装置用于控制所述剪切装置、按压辊轮、送丝机构、激光器以及变位台的运动顺序。
6.优选的，所述按压辊轮的压力范围为1～10n。
7.优选的，所述系统还包括机械臂，所述剪切装置，按压辊轮、送丝机构、激光器设于
所述机械臂的末端。
8.优选的，所述控制装置还包括控制所述机械臂的运动，当成形结束时，所述控制装置控制所述机械臂上抬，随后控制所述剪切装置进行伸长剪切。
9.优选的，所述按压辊轮设置于第二伸缩杆上，当成形结束时，所述控制装置控制所述第二伸缩杆收缩以抬起所述按压辊轮，随后控制所述剪切装置进行伸长剪切。
10.优选的，所述送丝机构包括一对夹丝驱动轮，所述夹丝驱动轮正转时实现送丝功能，反转时实现收丝，所述控制装置还包括控制所述夹丝驱动轮的正转和反转。
11.优选的，所述伸缩杆和/或第二伸缩杆为双程气缸或滚珠丝杠，所述双程气缸或滚珠丝杠推动所述剪丝刀的伸长和收缩。
12.优选的，所述激光器为半导体激光器，其功率为50～100w。
13.优选的，所述机械臂为6自由度多轴机械臂。
14.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，本发明提供的一种具有剪断和辊压装置的激光增材制造系统具有如下有益效果：
15.1.本技术采用按压辊轮实现熔融状态下丝材的致密化，从而得到致密化的零件，同时与变位台的旋转和升降相互配合可以实现按压辊轮与成形件表面的垂直，可以实现任意零件形状的滚压致密，适用范围广。
16.2.本技术的剪切装置包括剪丝刀和伸缩杆，剪丝刀在伸缩杆的带动下运动至按压辊轮的终点处以在成形终点处将丝材剪断，可以实现精确剪断，避免多余丝材的留存，同时可以避免不必要的丝材浪费。
17.3.通过控制装置可以实现剪切装置、按压辊轮、送丝机构、激光器以及变位台的运动顺序的精确控制。
18.4.本技术的按压辊轮的压力范围为1～10n，即可以实现对熔化丝材的辊压同时不至于将成形件压塌或变形，可以使熔融的丝材紧密地粘接在一起，形成致密的零件，同时减小各向异性，零件表面更加平整。
19.5.所述送丝机构包括一对夹丝驱动轮，所述夹丝驱动轮正转时实现送丝功能，反转时实现被剪断丝材的及时回收，避免了丝材的浪费。
附图说明
20.图1是本实施例具有剪断和辊压装置的激光增材制造系统的结构示意图；
21.图2是本实施例的变位台的结构示意图；
22.图3是本实施例的剪切装置、按压辊轮、送丝机构和激光器放大示意图；
23.图4是本实施例的按压辊轮的工作状态示意图；
24.图5是本实施例的剪切装置运动过程示意图。
25.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：
26.100-剪切装置；200-按压辊轮；300-送丝机构；400-激光器；500-变位台；600-机械臂；110-剪丝刀；120-伸缩杆。
具体实施方式
27.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。
28.请参阅图1～图3，本发明提供了一种具有剪断和辊压装置的激光增材制造系统，所述系统包括剪切装置100、按压辊轮200、送丝机构300、激光器400、变位台500以及控制装置。
29.送丝机构300用于挤出丝材，丝材的材料可以为尼龙、塑料、碳纤维等。本实施例中，所述丝材的材料为碳纤维。所述送丝机构300包括一对夹丝驱动轮，所述夹丝驱动轮可以实现正转送丝以及反转收丝的功能。送丝机构可以兼容0.2～1.5mm的丝材，送丝速度设为2～10mm/s的范围内，送丝机构安装位置优选为与变位台的夹角呈40～60
°
。
30.激光器400设于所述送丝机构的前方，用于照射所述丝材使其熔化，如图4所示。本实施例中，所述激光器为半导体激光器，其功率为50～100w。激光器光斑直径可以调节以适应丝材的直径，激光加热丝材的长度范围为1～3mm左右，激光器400安装位置优选值与变位平台呈20～30
°
夹角。激光传感器，有效地利用激光独有的指向性和辨认性，用最小的尺寸实现高精度的检测。该激光器可以检测不透明和半透明丝材，检测距离在45-300mm范围内，精度在0.2mm以下，反应时间小于0.5ms。
31.按压辊轮200设于所述送丝机构300的后方，用于对熔化的丝材进行按压。所述按压辊轮200的压力范围为1～10n，该压力下既可以实现熔化丝材的紧密连接最终得到致密的零件，又不至于将成形件压塌或变形。
32.所述变位台500设于送丝机构300的下方，用于丝材的成形平台，所述变位台500下方设有旋转轴和升降单元，以使变位台500通过旋转或升降实现所述按压辊轮与成形件表面的垂直。变位台500与按压辊轮配合使用，通过旋转变位台500的位姿可以实现按压辊轮200与成形件表面始终处于垂直状态，不会出现压偏的问题。
33.所述剪切装置100设于所述按压辊轮200的后方，所述剪切装置100包括剪丝刀110和伸缩杆120，所述剪丝刀110在伸缩杆120的带动下运动至所述按压辊轮200的终点处以在成形终点处将丝材剪断。所述伸缩杆为双程气缸或双向滚珠丝杠，所述双程气缸或滚珠丝杠推动所述剪丝刀110的伸长和收缩。
34.所述控制装置用于控制所述剪切装置100、按压辊轮200、送丝机构300、激光器400以及变位台500的运动顺序。
35.所述系统还包括机械臂600，所述剪切装置100，按压辊轮200、送丝机构300、激光器400设于所述机械臂600的末端。
36.所述控制装置还包括控制所述机械臂600的运动，当成形结束时，所述控制装置控制所述机械臂600上抬，随后控制所述剪切装置100进行伸长剪切；或者是所述按压辊轮200设置于第二伸缩杆上，当成形结束时，所述控制装置控制所述第二伸缩杆收缩以抬起所述按压辊轮200，随后控制所述剪切装置100进行伸长剪切。所述第二伸缩杆优选为双程气缸或双向滚珠丝杠，所述双程气缸或滚珠丝杠推动所述剪丝刀的伸长和收缩。
37.所述送丝机构300包括一对夹丝驱动轮，所述夹丝驱动轮正转时实现送丝功能，反转时实现收丝，所述控制装置还包括控制所述夹丝驱动轮的正转和反转。
38.本实施例中的机械臂600优选为6自由度多轴机械臂。为了可以远程观测送丝情况
以及成形区域，需要安装一摄像头，做到实时监控，其分辨率为100万像素。
39.当模具固定在变位台上后，机械臂设计好预定轨迹，计算所需工序层数，送丝机构开始挤出碳纤维丝材，经激光加热至半熔融状态，由按压辊轮压到模具内固化成形。当需要将碳纤维剪断时，机器臂上抬，剪丝刀将丝材剪断，然后机器臂回到工作位，与此同时送丝机构中的驱动轮反转，回收丝材并自动调整位置。
40.图5是本发明剪切装置运动过程的简图，从中可以看出，剪切装置与加工平台的夹角为α，初始高度距离平台h。当停止增材制造时，首先按压辊轮随主轴气缸上升，同时送丝机构轴上升并继续送丝，之后剪切装置的双程气缸向下推出一段距离s，移动至所需剪断处，假设为按压辊轮正下方位置。剪断碳纤维丝后，双程气缸上推，送丝机构回收纤维丝材并下降，按压辊轮回到初始状态。设剪切装置的双程气缸速度为v，单程运动时间为t，则可建立运动状态方程：
[0041][0042]
由公式可得，剪切装置的安装位置将影响着剪断的效率，因此在安装过程中需要考虑剪切装置的初始高度与角度。
[0043]
工作过程中，送丝机构挤出碳纤维丝材，其喷嘴的内部设置有两个具有正反转夹丝驱动轮用于碳纤维丝材，实现碳纤维的挤出和回收，挤出来的碳纤维在激光器的加热下呈现半熔化状态，同时按压辊轮将熔融状态的碳纤维按压在加工平台上的模具中固化成形。一道成形工序完成后，机械臂首先上抬，然后剪断装置将碳纤维剪断，之后机械臂回到工作位置，送丝机构最后回收丝材并自动调整丝材的位置。剪断装置的具体工作过程还可以为，当停止增材制造时，机械臂保持固定，负责按压辊轮起落的气缸工作，抬起按压辊轮，与此同时，激光器关停，送丝机构继续送丝，该剪切装置留出足够的工作空间，按压辊轮上升停止后，双程气缸活塞推动剪切装置向下移动至纤维丝处进行剪断，完成后双程气缸活塞回抬，剪断装置上移，送丝机构中夹丝驱动轮夹住剪断余留的碳纤维丝材进行回收，按压辊轮下降，激光器重新启动，增材工作继续进行。
[0044]
同时，为配合多轴机器臂的运动，变位器可以改变角度和高度，通过旋转工作面和调节平台高低，协同机器臂和增材装置的运动，提高碳纤维成形的效率。
[0045]
综上所述，本技术利用按压辊轮致密化成形零件，并通过对送丝的剪断处理，实现连续碳纤维边界的物理清断，使碳纤维能够快速调整位置，提高送丝的利用率，实现碳纤维的空间成形，并节省了加工时间，提高了打印效率。
[0046]
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。