一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法技术方案

本发明专利技术属于丝材增材制造领域，并公开了一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法。该系统包括第一机器人手臂、第二机器人手臂、变位器、旋转喷头和激光器，旋转喷头中设置有多个挤出模块，每个挤出模块用于挤出一种丝材，旋转喷头与第一机器人连接，第一机器人按照预设轨迹运动带动旋转喷头运动；激光器与第二机器人连接，激光器发射的激光用于熔融从喷头中挤出的丝材，通过第一机器人和第二机器人的配合运动，使得丝材的挤出和熔融的同步进行；变位器作为成形台面，通过该变位器的旋转同时配合两个机器人的运动。通过本发明专利技术解决了FDM成形中的喷头易堵塞和使用寿命短等问题，保证了制造系统的高柔性，实现了多材料的丝材挤出成形。

A High Flexibility Laser Addition Manufacturing System for Polymer Multimedia and Its Method

The invention belongs to the field of wire material addition manufacturing, and discloses a polymer multi-material high flexible laser material addition manufacturing system and its method. The system consists of a first robot arm, a second robot arm, a transducer, a rotating sprinkler and a laser. There are several extrusion modules in the rotating sprinkler. Each extrusion module is used to extrude a wire. The rotating sprinkler is connected with the first robot. The first robot drives the rotating sprinkler to move according to the preset trajectory; the laser is connected with the second robot and the laser is emitted. The laser is used to melt the wire extruded from the sprinkler head. Through the coordinated motion of the first robot and the second robot, the extrusion and melting of the wire can proceed synchronously. The positioner acts as the forming table and coordinates the movement of the two robots through the rotation of the positioner. The invention solves the problems of easy blockage and short service life of the nozzle in FDM forming, ensures high flexibility of the manufacturing system, and realizes multi-material wire extrusion forming.

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法
本专利技术属于丝材增材制造领域，更具体地，涉及一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法。
技术介绍
在聚合物增材制造领域中，熔融沉积成形(FusedDepositionModeling，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；(5)目前的FDM打印机大部分为固有的单喷头模式，只能实现一种材料的成形，而随着科技的发展和国家的战略需要，多材料的成形已经成为研究的热点。专利技术专利CN107116220A公开了一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置及其工作方法，其针对的是金属多材料的制备；技术专利CN206733600U公开了一种单喷头实现多材料层级复合3DP的装置，其主要使用的是陶瓷粉末或是水凝胶作为打印材料，且使用仅限于生物医用材料成形领域；专利技术专利CN107263858A公开了一种异质多材料增材制造系统，采用旋转式多喷头实现多材料的增材制造，但这种装置仍采用现有的热喷头加工，无法克服喷头易堵塞的问题，而且加工柔性还需要进一步提高。由此可见聚合物多材料的高柔性增材制造研究较少，处于相对空白状态。
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聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法，通过对成形装置和成形方法的设置，使得成形过程采用逐点成体的方式，其中，通过变位器的设置，使得工作台面的灵活可调，尤其适用于结构复杂的的产品的成形，另外通过将丝材熔融过程设置在挤出单元外部，使得挤出和熔融分开进行，大大降低了挤出过程中喷头的堵塞，延长了喷头使用寿命。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统，其特征在于，该系统包括第一机器人手臂、第二机器人手臂、变位器、旋转喷头和激光器，其中：所述旋转喷头用于挤出丝材，该喷头中设置有多个挤出模块，每个挤出模块用于挤出一种丝材，通过旋转所述喷头调整挤出模块的位置实现挤出丝材种类的转换，另外，该旋转喷头与所述第一机器人连接，该第一机器人按照预设轨迹运动，从而带动所述旋转喷头运动，以此实现丝材挤出位置的变换；所述激光器与所述第二机器人连接，所述激光器发射的激光用于熔融从所述喷头中挤出的丝材，并且当丝材切换时，激光器的参数可以实施调整以适应不同材料的成形，通过所述第一机器人和第二机器人的配合运动，使得丝材的挤出和熔融的同步进行；所述变位器作为成形台面，通过该变位器的旋转调整成形的角度以同时配合两个机器人的运动，且所述变位器、第一机器人和第二机器人的运动轨迹相互配合，互不干涉。进一步优选地，其特征在于，所述变位器包括水平工作台、水平旋转轴和竖直旋转轴，所述水平工作台绕所述水平和竖直旋转轴旋转，实现所述成形角度的调整。进一步优选地，所述旋转喷头包括旋转板、固定板和多个所述挤出模块，其中，所述多个挤出模块设置在所述固定板中，所述固定板与所述旋转板连接，该旋转板转动从而带动所述固定板转动，进而带动所述挤出模块转动。进一步优选地，所述第一机器人和第二机器人结构相同，均采用多轴机器人。进一步优选地，所述激光器产生的激光采用光纤传输，并且该激光器的参数实时可调，当材料种类变化时，激光器的参数实时调节以适应不同丝材的需要。按照本专利技术的另一方面，提供了一种上述所述的系统的增材制造方法，该方法包括下列步骤:(a)构建待成形产品的三维模型，将该三维模型进行进行体素切片，获得整个待成形产品的全部数据点集；(b)根据所述待成形产品的数据点集设定所述第一机器人和第二机器人的运动轨迹，所述旋转喷头的旋转顺序，以及所述变位器的运动轨迹(c)根据所述旋转喷头的旋转顺序依次挤出不同的丝材，同时所述第一机器人携带所述旋转喷头按照所述运动轨迹运动，所述激光器在所述第二机器人的带动下，实时熔融挤出的丝材，其中，变位器根据其运动轨迹相应的调整其角度以适应所述第一机器人和第二机器人的运动，以此方式实现所述全部数据点集中的所有点的挤出熔融成形，即实现逐点成形的过程，由此获得所述待成形产品。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、本专利技术中采用双机器人，一个带动旋转喷头，另一个带动激光头，其中，通过旋转喷头中设置的多个挤出模块，实现挤出丝材种类的多样化，通过两个机器人之间的相互配合，使得挤出和熔融的同步进行，实现多材料丝材的激光熔融成形；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头，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，避免二者均在挤出单元中进行时堵塞喷头，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，实现产品的逐点成体成形过程，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；4、本专利技术中通过用激光使丝材熔化，能量集中，耐高温的高性能聚合物(如PEEK材料)亦能轻易熔融，极大地改善了耐高温高性能聚合物成形难的问题，另外，激光由柔性的光纤传输，再配合变位器的运动，这些装置显著提高了本专利技术所提供的制造方法的柔性，非常有利于产品性能的提高。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聚合物多材料高柔性激光增材制造方法设备结构示意图；图2是按照本专利技术的优选实施例所构建的的六轴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构建的变位器的结构示意图；图4是按照本专利技术的优选实施例所构建的旋转喷头的结构示意图。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-水平旋转轴32-竖直旋转轴33-水平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统，其特征在于，该系统包括第一机器人(1)、第二机器人(2)、变位器(3)、旋转喷头(6)和激光器(4)，其中：所述旋转喷头(6)用于挤出丝材，该喷头中设置有多个挤出模块，每个挤出模块用于挤出一种丝材，通过旋转所述旋转喷头调整挤出模块的位置实现挤出丝材种类的转换，另外，该旋转喷头(6)与所述第一机器人(1)连接，该第一机器人按照预设轨迹运动，从而带动所述旋转喷头运动，以此实现丝材挤出位置的变换；所述激光器(4)与所述第二机器人(2)连接，所述激光器发射的激光用于熔融从所述喷头中挤出的丝材，通过所述第一机器人(1)和第二机器人(2)的配合运动，使得丝材的挤出和熔融的同步进行；所述变位器(3)作为成形台面，通过该变位器的旋转调整成形的角度以同时配合两个机器人的运动，且所述变位器、第一机器人和第二机器人的运动轨迹相互配合，互不干涉。

【技术特征摘要】
1.一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统，其特征在于，该系统包括第一机器人(1)、第二机器人(2)、变位器(3)、旋转喷头(6)和激光器(4)，其中：所述旋转喷头(6)用于挤出丝材，该喷头中设置有多个挤出模块，每个挤出模块用于挤出一种丝材，通过旋转所述旋转喷头调整挤出模块的位置实现挤出丝材种类的转换，另外，该旋转喷头(6)与所述第一机器人(1)连接，该第一机器人按照预设轨迹运动，从而带动所述旋转喷头运动，以此实现丝材挤出位置的变换；所述激光器(4)与所述第二机器人(2)连接，所述激光器发射的激光用于熔融从所述喷头中挤出的丝材，通过所述第一机器人(1)和第二机器人(2)的配合运动，使得丝材的挤出和熔融的同步进行；所述变位器(3)作为成形台面，通过该变位器的旋转调整成形的角度以同时配合两个机器人的运动，且所述变位器、第一机器人和第二机器人的运动轨迹相互配合，互不干涉。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变位器(3)包括水平工作台、水平旋转轴和竖直旋转轴，所述水平工作台绕所述水平和竖直旋转轴旋转，实现所述成形角度的调整。3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述旋转喷头(6)包括旋转板(61)、固定板(62)和多个所述挤出模块(63)，其中，所述多个挤出模...

【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