一种异质多材料增材制造系统技术方案

本发明专利技术属于增材制造领域，并公开了一种异质多材料增材制造系统。该系统包括关节臂机器人、打印装置、减材装置和监测反馈装置，通过采用旋转式多喷头切换打印装置，以多个送丝打印机构旋转切换的方式进行多材料多工艺实时切换打印，实现了多材料多工艺的高效3D打印成形；双目立体视觉在线实时监测反馈装置及时反馈加工零部件的层层温度信息及三维轮廓信息并与原始模型对比标定，确定减材加工时机及相应减材加工参数。通过本发明专利技术，高精度高效率地实现增减材制造的协同配合，实现不同无机非金属复合材料大型复杂结构零部件的成形，同时，该系统结构简单，操作简单易于控制。

A heterogeneous multi material additive manufacturing system

The invention belongs to the field of additive manufacturing, and discloses a heterogeneous multi material additive manufacturing system. The system includes a joint robot arm, printing device, reducing device and monitoring feedback device, using a rotating type multi nozzle switch printing device, with a plurality of wire rotary printer mechanism switching method of multi material and multi process real-time switch printing, realize multi materials and multi process, 3D printing; binocular stereo vision the online real-time monitoring feedback device timely feedback processing parts by temperature information and 3D contour information and calibration in comparison with the original model, determine the processing time reduction of the material and the corresponding reduction processing material parameters. According to the invention, high precision and high efficiency to achieve synergy or material manufacturing, molding, different parts of large and complex structures of inorganic non metal composite materials at the same time, the system has the advantages of simple structure, simple operation and easy to control.

【技术实现步骤摘要】
一种异质多材料增材制造系统
本专利技术属于增材制造领域，更具体地，涉及一种异质多材料增材制造系统。
技术介绍
增材制造技术是以材料逐点逐线逐面增加方式实现复杂零件的堆积成形的工艺过程。与传统的加工方法相比，增材制造可迅速制造出自由曲面和复杂结构的零部件，材料利用率高，高度自动化，人工干预小。一般来说，分层厚度越小精度越高，但同样所需的时间也越长，从而增加了成本。而传统的减材加工尤其是数控加工具有高精度、高效率、加工柔性好、工艺规划简单等特点，正可弥补增材制造技术的缺点。因此，目前的高精度增材制造成形通常需要与减材加工进行有效地结合，这样可充分利用增减材加工各自的优势，对于复杂结构零部件在高效制造的同时保证了几何精度和表面质量。目前，主流的高精度增材制造系统主要结合铣削加工技术，并以金属材料为主，例如专利技术专利CN106216862A、CN104384936、CN105414981、CN105290789、CN106312574A等均以电弧或激光增材制造与减材加工复合的方式进行金属零件成形。而无机非金属材料的增减材复合加工研究相对较少，技术CN205058633U公开了一种熔融沉积与数控加工联动式3D打印机，其主要针对高分子材料，使用单一打印喷头的固有模式，一次只能实现一种材料的成形，加工方式为增减材联动式加工。因此，对于无机非金属及其复合材料而言，多材料高精度增材制造研究较少，处于相对空白状态，亟待需要研发一种异质多材料高精度增材制造系统，但要实现异质多材料的高精度增材制造成形需要解决三方面问题。(1)不同的无机非金属材料，其微观组织结构以及凝聚态结构不同，具有不同的热转变性质及力学性能，结合实际需求，因此其加工工艺不同(如挤出喷头温度、送丝量、分层厚度等)。在实际加工过程中需要解决异质多材料多工艺快速实时切换的难题；(2)对于无机非金属复合材料而言，经打印喷头挤出后的堆积丝处于粘流态或半固态，温度较高，且具有一定的粘弹性，因此不能立即进行减材加工，而且不同无机材料由于其微观组织结构不同，热力学性质和机械性能存在较大差异，需要精确确定加工时机及减材加工工艺参数；(3)高效率地成形高精度复杂结构零部件，必须解决增减材加工的实时协同配合难题。
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异质多材料增材制造系统，通过采用旋转式多喷头切换打印装置对加工材料和工艺的切换，实现了异质多材料的3D打印，同时，通过采用双目立体视觉的在线监测反馈装置进行三维精度及温度实时监测反馈，确定减材加工时机及减材加工参数，解决了无机非金属材料及其复合材料的增减材复合加工的实时协同配合难题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种异质多材料增材制造系统，该系统包括关节臂机器人、打印装置、减材装置和监测反馈装置，其特征在于，所述关节臂机器人包括均具有多个自由度的两只关节臂，一只关节臂的末端与所述打印装置连接，另外一只关节臂的末端与所述减材装置连接；所述打印装置采用旋转式的多个喷头的结构，每个喷头中设置有相同或者不同的无机非金属材料，通过旋转喷头实现不同喷头的切换的方式，从而实现多材料多工艺实时切换，进而实现异质多材料多的三维打印成形；所述监测反馈装置用于在加工过程中对待加工零件进行非接触式的实时视觉跟踪和温度测量，通过自适应图像采集获取待加工零件的三维轮廓，并通过与待加工零件的原始模型对比得到相应的减材加工参数；所述减材装置根据所述减材加工参数实施相应的减材加工。进一步优选地，所述监测反馈装置包括两个CCD相机、两个带通滤光器、DLP投影仪、图像采集卡和两个非接触式的红外测温仪。进一步优选地，所述打印装置包括切换转盘和送丝打印机构，该送丝打印机构包括线盘、送丝组件和喷头。进一步优选地，所述减材装置中的刀具材料优选采用镀铬高速钢、碳化钨或金刚石。进一步优选地，所述减材装置的切削方法优选采用切削后被切削的材料呈碎屑状的方法，切切削方式优选采用顺向切削。进一步优选地，所述异质多材料增材制造系统还包括承载平台，该平台是所述关节臂机器人和所述监测反馈装置的载体，此外，多个所述承载平台可协同工作。进一步优选地，关节臂机器人、打印装置、减材装置、监测反馈装置和承载平台均分别与计算机连接，该计算机中的参数在加工过程中可进行实时调整，从而实现整个所述增材制造系统的半闭环控制。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，能够取得下列有益效果：1、本专利技术通过采用了旋转式多喷头切换打印装置，以多个打印机构旋转切换的方式进行多材料多工艺实时切换打印，实现了异质多材料多工艺的高效率3D打印成形；2、本专利技术通过采用双目立体视觉在线实时监测反馈装置，其及时反馈加工零部件的层层温度信息及三维轮廓信息并与原始模型对比标定，协助控制计算机精准确定减材加工时机及相应减材加工参数，满足精度要求的同时大幅提高了制造效率，实现了增减材制造的协同配合；3、本专利技术的减材装置通过使用高导热刀具、刀具夹装及减材加工策略特定适用于无机非金属及其复合材料，同时，通过选用高速细屑切削方法，切削方式优选为顺向切削，使得成形件切削时不因过热膨胀而影响精度，同时保护了刀具，延长其使用寿命；4、本专利技术选用的一体式机器人柔性承载平台及关节臂机器人可根据实际加工零件情况自动化调整工作台幅面及关节臂尺寸，一体式关节臂机器人柔性承载平台可多个平台协同工作，由控制计算机后台协调配合，实现了无机非金属复合材料大型复杂结构零部件的高效率成形；5、本专利技术通过提供一种一体式异质多材料高精度增材制造系统，该系统结构简单，操作方便，且易于控制，实现多种无机非金属及其复合材料零部件的高效率高精度成形。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体式异质多材料增材制造系统的结构示意图；图2是按照本专利技术的优选实施例所构建的旋转式多喷头打印装置的结构示意图；图3是按照本专利技术的优选实施例所构建的监测反馈装置的结构示意图；图4是按照本专利技术的优选实施例所构建的减材装置的结构示意图。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-承载平台2-关节臂机器人21-机器人关节臂a22-机器人关节臂b3-打印装置4-监测反馈装置5-减材装置6-计算机31-切换转盘32-送丝打印机构33-打印设备331-线盘332-送丝组件333-喷头41-三维运动承载平台421-第一CCD相机421-第二CCD相机43-DLP投影仪441-第一带通滤光器442-第二带通滤光器45-图像采集卡461-非接触式红外测温器a462-非接触式红外测温器b51-高导热刀具52-刀具夹装具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术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。由于不同无机非金属材料经打印喷头挤出后呈粘流态或半固态，不能立即进行减材加工，因此需要准确确定减材加工时机，本专利技术采用了带有非接触式温度测量功能的双目立体视觉监测反馈装置，可根据打印材料的不同精准确定实际的加工时机，如无机高分子复合材料，加工时机根据实际本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异质多材料增材制造系统，该系统包括关节臂机器人、打印装置(3)、监测反馈装置(4)和减材装置(5)，其特征在于，所述关节臂机器人包括均具有多个自由度的两只关节臂(21，22)，一只关节臂的末端与所述打印装置(3)连接，另外一只关节臂的末端与所述减材装置(5)连接；所述打印装置(3)采用旋转式的多个喷头的结构，每个喷头中设置有相同或者不同的无机非金属材料，通过旋转喷头实现不同喷头的切换的方式，从而实现多材料多工艺实时切换，进而实现异质多材料的三维打印成形；所述监测反馈装置(4)用于在加工过程中对待加工零件进行非接触式的实时视觉跟踪和温度测量，通过图像采集获取待加工零件的三维轮廓，并通过与待加工零件的原始模型对比得到相应的减材加工参数；所述减材装置(5)根据所述减材加工参数实施相应的减材加工。

【技术特征摘要】
1.一种异质多材料增材制造系统，该系统包括关节臂机器人、打印装置(3)、监测反馈装置(4)和减材装置(5)，其特征在于，所述关节臂机器人包括均具有多个自由度的两只关节臂(21，22)，一只关节臂的末端与所述打印装置(3)连接，另外一只关节臂的末端与所述减材装置(5)连接；所述打印装置(3)采用旋转式的多个喷头的结构，每个喷头中设置有相同或者不同的无机非金属材料，通过旋转喷头实现不同喷头的切换的方式，从而实现多材料多工艺实时切换，进而实现异质多材料的三维打印成形；所述监测反馈装置(4)用于在加工过程中对待加工零件进行非接触式的实时视觉跟踪和温度测量，通过图像采集获取待加工零件的三维轮廓，并通过与待加工零件的原始模型对比得到相应的减材加工参数；所述减材装置(5)根据所述减材加工参数实施相应的减材加工。2.如权利要求1所述的一种异质多材料增材制造系统，其特征在于，所述监测反馈装置(4)包括两个CCD相机、两个带通滤光器、DLP投影仪、图像采集卡和两个非接触式的红外测温仪。3.如权利要求1或2所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫春泽，陈鹏，史玉升，朱伟，杨磊，唐明晨，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