一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统及方法技术方案

本发明专利技术属于丝材增材制造领域，并公开了一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统及方法。该系统包括第一机器人、第二机器人、第一激光器、送丝机构、第二激光器和测量装置，第一机器人与第一激光器和送丝机构连接，并按照预设轨迹运动带动第一激光器和送丝机构运动，以此实现增材制造过程；测量装置一方面实时监测成形产品的三维结构，以此确定减材制造的位置和减材尺寸，另一方面测量成形产品的实时温度确定减材制造的时间节点；第二机器人与第二激光器连接用于对成形产品进行减材制造。通过本发明专利技术，解决FDM设备常见的喷头易堵塞、使用寿命短等问题，实现增材制造和减材制造的同时进行，提高加工效率和加工精度。

An Integrated Forming System and Method for Wire Increasing and Reducing Materials Based on Laser Technology

The invention belongs to the filed of wire material increment manufacturing, and discloses an integrated forming system and method of wire material increment and reduction based on laser technology. The system includes the first robot, the second robot, the first laser, the wire feeding mechanism, the second laser and the measuring device. The first robot is connected with the first laser and the wire feeding mechanism, and drives the first laser and the wire feeding mechanism according to the preset trajectory motion, so as to realize the process of adding material. On the one hand, the measuring device monitors the three-dimensional structure of the forming product in real time, so as to realize the manufacturing process. On the other hand, the real-time temperature of the formed product is measured to determine the time node of the reduced material manufacturing. The second robot is connected with the second laser for the reduced material manufacturing of the formed product. The invention solves the common problems of easy blockage and short service life of the sprinkler of FDM equipment, realizes the simultaneous production of increasing material and reducing material, and improves the processing efficiency and accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统及方法
本专利技术属于丝材增材制造领域，更具体地，涉及一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统及方法。
技术介绍
在聚合物增材制造领域中，熔融沉积成形(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。专利技术专利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；此外，FDM的成形精度有待进一步提高，激光由于具有方向性好、亮度高、单色性好等特点而得到广泛应用，切削加工有利于提高产品的精度，激光作为“最快的刀”常用于激光切割，是一种优质的切削工具，但是，减材制造的时机很重要，熔融后刚刚固化的聚合物丝材温度仍较高，具有一定的粘弹性，因此不能在丝材固化后立刻进行减材制造，具体的在什么时机、什么位置进行减材制造需要精确确定。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于激光的丝材增减材一体化成形系统及方法，通过将激光增材制造和减材制造集成在一个系统中，实现了增材制造和减材制造的同时进行，同时通过采用测量装置确定了减材制造的时间节点、位置和减材尺寸，以此实现增材和减材制造的无缝衔接，提高加工效率和加工精度，另外，增材制造中将挤出和激光熔融分开进行，减少挤出喷头堵塞的风险，延长喷头使用寿命。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统，其特征在于，该系统包括第一机器人、第二机器人、第一激光器、送丝机构、第二激光器和测量装置，其中：所述第一机器人与所述第一激光器和送丝机构连接，所述送丝机构用于将待成形丝材挤出，所述第一激光器用于发射激光将所述挤出的丝材熔融，所述第一机器人按照预设轨迹运动，带动所述第一激光器和送丝机构运动，以此实现待成形丝材的增材制造过程，其中，通过将所述第一激光器的的激光头和所述送丝机构的挤出单元一同固定在所述机器人末端的连接板上，并使得所述激光头发出的激光始终指向所述挤出的丝材，保证丝材的挤出和熔融同步进行；所述测量装置一方面用于实时监测所述增材制造过程中成形产品的三维结构，并将其与所需产品的三维结构进行对比以确定二者之间的差异，根据该差异确定减材制造的位置和相应的减材尺寸，另一方面所述测量装置还用于测量成形产品的实时温度，根据该温度确定开始进行减材制造的时间节点；所述第二机器人与所述第二激光器连接，所述第二激光器用于对成形产品进行减材制造，所述第二机器人用于携带所述第二激光器到达所述减材制造的位置。进一步优选地，所述系统还包括变位器，该变位器是成形所需产品的成形平台，具备水平和竖直方向的自由度，用于调整成形产品的成形角度，以同时配合两个机器人的运动，便于加工。进一步优选地，所述第一机器人和第二机器人结构相同，均为多轴机器人。进一步优选地，所述第一激光器和第二激光器的激光均采用光纤传输，并且该激光器的参数可调，以适应加工不同的丝材。进一步优选地，所述测量装置包括非接触式三维扫描器和温度传感器，分别用于成形产品的三维结构和温度。进一步优选地，所述挤出单元的末端设置有牵引单元，包括牵引板和两个相对设置的定滑轮，丝材从相对所述设置的定滑轮之间挤出，所述牵引板用于连接所述牵引单元和挤出单元。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种上述所述的系统的制造方法，其特征在于，该制造方法包括下列步骤：(a)构建待成形产品的三维模型，将该三维模型进行体素切片，获得该待成形产品的多个数据点集和每个数据点的位置信息，根据根据每个点的位置信息设定所述第一机器人的运动轨迹；(b)所述第一机器人携带所述第一激光器和送丝机构运动，以此进行成形产品的增材制造，所述测量装置实时测量所述增材制造所需产品的三维结构的空间尺寸，并与所需产品的三维模型的尺寸对比以获得差异，根据该差异确定减材制造的位置和相应的减材尺寸，同时还测量成形产品的实时温度，根据该温度确定减材制造的时间节点；(c)所述第二机器人携带所述第二激光器运动至所述述减材制造的位置，并根据确定的减材制造的位置、尺寸和时间节点采用激光对成形产品进行减材制造；由此实现增材和减材制造的一体化成形。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，由能够取得下列有益效果：1、本专利技术采用两个机器人和两个激光器，实现增材制造和减材的同时进行，即增减材的一体化制造，提高了成形件的形状精度和尺寸精度，在整个成形的过程中，增材加工和减材制造是同时进行的，两者相对独立、相互配合，显著提高加工效率；2、本专利技术中通过采用两个机器人分别连接旋转喷头和激光器，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，避免二者同时进行时堵塞喷头，减少喷头清洗的难度，延长喷头使用寿命；3、本专利技术中通过采用测量装置，实时测量增材制造成形产品三维结构的空间尺寸和温度，以此确定减材制造的位置，尺寸和时间节点，为减材制造的进行提供依据，进一步提高了待成形产品的精度；4、本专利技术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，实现产品逐点成体的成形过程，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。5、本专利技术中通过采用两个机器人、变位器、光纤传输的激光等装置极大地提高了制造系统的加工柔性，有利于成形过程稳定性的提高和最终产品精度的提高。附图说明图1是按照本专利技术的优选实施例所构建的一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统的结构示意图；图2是按照本专利技术的优选实施例所采用的第一机器人的结构示意图；图3是按照本专利技术的优选实施例所采用的变位器的结构示意图；图4是按照本专利技术提供的制造方法所构建的测量装置的结构示意图。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-水平旋转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统，其特征在于，该系统包括第一机器人(1)、第二机器人(2)、第一激光器(5)、送丝机构(9)、第二激光器(7)和测量装置(4)，其中：所述第一机器人(1)与所述第一激光器(5)和送丝机构(9)连接，所述送丝机构(9)用于将待成形丝材挤出，所述第一激光器(5)用于发射激光将所述挤出的丝材熔融，所述第一机器人(1)按照预设轨迹运动，带动所述第一激光器(5)和送丝机构(9)运动，以此实现待成形丝材的增材制造过程，其中，通过将所述第一激光器(5)的激光头(6)和所述送丝机构(9)的挤出单元一同固定在所述机器人末端的连接板上，并使得所述激光头发出的激光始终指向所述挤出的丝材，保证丝材的挤出和熔融同步进行；所述测量装置(4)一方面用于实时监测所述增材制造过程中成形产品的空间尺寸，并将其与所需产品的三维模型的尺寸进行对比以确定二者之间的差异，根据该差异确定减材制造的位置和相应的减材尺寸，另一方面所述测量装置还用于测量成形产品的实时温度，根据该温度确定开始进行减材制造的时间节点；所述第二机器人(2)与所述第二激光器(7)连接，所述第二激光器用于对成形产品进行减材制造，所述第二机器人用于携带所述第二激光器到达所述减材制造的位置。...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光技术的丝材增减材一体化成形系统，其特征在于，该系统包括第一机器人(1)、第二机器人(2)、第一激光器(5)、送丝机构(9)、第二激光器(7)和测量装置(4)，其中：所述第一机器人(1)与所述第一激光器(5)和送丝机构(9)连接，所述送丝机构(9)用于将待成形丝材挤出，所述第一激光器(5)用于发射激光将所述挤出的丝材熔融，所述第一机器人(1)按照预设轨迹运动，带动所述第一激光器(5)和送丝机构(9)运动，以此实现待成形丝材的增材制造过程，其中，通过将所述第一激光器(5)的激光头(6)和所述送丝机构(9)的挤出单元一同固定在所述机器人末端的连接板上，并使得所述激光头发出的激光始终指向所述挤出的丝材，保证丝材的挤出和熔融同步进行；所述测量装置(4)一方面用于实时监测所述增材制造过程中成形产品的空间尺寸，并将其与所需产品的三维模型的尺寸进行对比以确定二者之间的差异，根据该差异确定减材制造的位置和相应的减材尺寸，另一方面所述测量装置还用于测量成形产品的实时温度，根据该温度确定开始进行减材制造的时间节点；所述第二机器人(2)与所述第二激光器(7)连接，所述第二激光器用于对成形产品进行减材制造，所述第二机器人用于携带所述第二激光器到达所述减材制造的位置。2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括变位器(3)，该变位器是成形所需产品的成形平台，具备水平和竖直方向的自由度，用于调整成形产品的成形角度以同时配合两个机器人的运动，便于加工。3.如权利要求1或2所述系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫春泽，伍宏志，史玉升，文世峰，张李超，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42