一种消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法技术

本发明专利技术公开了一种消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法，该方法通过精确控制成形路径、成形温度，调控打印头与杆梁结构件之间的距离，减小杆梁结构件拼接区域的温度梯度，解决拼接区域因温度梯度所产生的翘曲变形和剥离问题，提高杆梁结构件的表面精度与力学性能，实现超长杆梁结构件的熔融沉积成形，有利于基于非平面热床的熔融沉积成形技术在大型桁架原位制造中的推广与应用。型桁架原位制造中的推广与应用。型桁架原位制造中的推广与应用。

【技术实现步骤摘要】
一种消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法


[0001]本专利技术属于空间增材制造领域，具体涉及一种消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法。

技术介绍

[0002]随着人类对太空的认知和相关技术的发展，人类对于深空探索、建立空间站以及建设外星球基地的科技梦想趋近于现实。但是，由于目前运载火箭推力的限制，人类还无法将大尺寸的宇航器运输至外太空。太空增材制造技术可以实现复杂太空环境下复杂零件的在轨制造，从而获得探索太空所需要的装备。然而，当前的增材制造技术大多受到设备自身成形能力的限制，仅能制造有限尺寸的零件，严重制约了增材制造技术在太空制造中的应用。
[0003]专利CN201911220709.1提出一种连续式的大尺寸杆梁结构件舱外在轨制备方法，通过该方法连续拼接打印杆梁结构单元以制备超长杆梁结构件。其中，杆梁结构件的连续拼接打印，是通过在已冷却固化的杆梁结构件的末端继续打印新的杆梁单元完成。上述打印过程会出现两大现象：一、待拼接杆梁结构件由于冷却收缩，其上表面与打印喷嘴之间的距离常大于设定的单层厚度，若以此区域作为打印起点，所打印的新薄层与下层之间的层间结合很薄弱；二、打印喷嘴挤出的熔融态材料与待拼接杆件表面玻璃态的材料之间存在较大温度梯度，造成拼接部位容易发生翘曲、弯曲、开裂等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法。本专利技术通过对改变拼接打印成形路径、对待拼接杆梁结构件的拼接区域局部辅热，调控拼接区域的温度梯度及其对层间结合行为的影响，解决杆梁结构件拼接过程中由于层间温度梯度所导致的拼接界面翘曲、变形、剥离问题。
[0005]为此，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]本专利技术中的一个技术方案，提供一种消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法，包含下列步骤：
[0007]步骤1、对待拼接杆梁结构件的拼接区域局部辅热，并加热打印头；
[0008]步骤2、加热非平面热床，将待拼接杆梁结构件移动至非平面热床自由端，以使所述待拼接杆梁结构件随所述非平面热床同步旋转；
[0009]步骤3、控制所述非平面热床旋转，所述打印头沿非平面热床轴向打印，从非平面热床固定端向自由端运动；打印头到终点后停止出丝，非平面热床反向快速旋转，打印头返回非平面热床固定端并停止不动，非平面热床旋转线间距离，完成一条填充线的打印；重复前述步骤开始打印下一条填充线，直至一层所有填充线打印完毕；
[0010]步骤4、打印头上升层厚高度；
[0011]步骤5、重复执行所述步骤3和所述步骤4，直至所述待拼接杆梁结构件的所有层拼
接打印完毕。
[0012]优选的，步骤3中，所述填充线是圆柱螺旋线。
[0013]优选的，所述圆柱螺旋线是右螺旋线或左螺旋线，当所述圆柱螺旋线的螺距H为0时，所述圆柱螺旋线演变为一组同心圆，当所述圆柱螺旋线的螺距H为无穷大时，所述圆柱螺旋线演变为平行于非平面热床轴向的一组直线。
[0014]优选的，所述步骤3中，当打印长度为L的杆梁结构单元时，控制所述非平面热床旋转(L
÷
H)
×
2π弧度。
[0015]优选的，打印第一层时，每条填充线打印完后打印头返回非平面热床固定端移动距离为L；打印非第一层时，每条填充线打印完毕后打印头移动距离为L
‑
(W
÷
(N
‑
2))，其中，L为杆梁结构单元长度，W为拼接区域长度，W∈[5，50]，N为打印总层数，N≥3。
[0016]优选的，在步骤3中，层厚为0.15～0.6mm，非平面热床温度20℃～200℃，打印头温度100℃～400℃，拼接区域局部辅热温度为30℃至300℃，打印头移动速度为0.1～50mm/s，非平面热床旋转角速度为0～31.4rad/s。
[0017]本专利技术中的另一个技术方案，提供根据如上所述的消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法制备得到的杆梁结构件。
[0018]本专利技术的有益效果在于：
[0019]根据本专利技术提供的消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法，在拼接打印杆梁结构件过程中，通过改变拼接打印路径使每条填充线的起点均为非平面热床的固定端，并对待拼接杆梁结构件的拼接区域辅热，减小由于层间温度梯度导致的拼接区域易翘曲变形且结合薄弱的问题，大幅提高了拼接区域成型精度和力学性能。本专利技术消除了杆梁结构件拼接区域的翘曲、变形，提高杆梁结构件的表面精度与力学性能，有利于熔融沉积成形制造技术在大尺寸零件太空制造中的推广应用。
附图说明
[0020]图1为未使用本专利技术方法，采用常规Z形填充路径拼接打印的聚乳酸杆梁结构件示意图；
[0021]图2为根据本专利技术实施例的一种消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法的流程图；
[0022]图3为利用本专利技术实施例所提供的消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法拼接打印的聚乳酸杆梁结构件示意图；
[0023]图4为使用常规路径与本专利技术方法拼接打印杆梁结构件拼接区域的面粗糙度对比图；
[0024]图5为利用本专利技术方法拼接打印的聚醚醚酮杆梁结构件示意图。
具体实施方式
[0025]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]需要说明的是，本专利技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0027]另外，在本专利技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0028]下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。
[0029]图1示出了未使用本专利技术方法，采用常规Z形填充路径拼接打印的聚乳酸杆梁结构件示意图。如图1所示，图1是采用常规Z形填充路径(拼接区域无辅热)拼接打印的聚乳酸(PLA)杆梁结构件，由图可知，图中方框标识的拼接区域出现严重的翘曲变形和层间剥离，已经无法保证拼接杆梁结构件的力学性能。
[0030]专利技术人经过实验发现，杆梁结构件拼接打印翘曲变形主要是由于层间温度梯度造成。杆梁结构件拼接过程中，待拼接杆梁结构件冷却处于玻璃态，与打印头挤出的熔融态材料间因温度梯度发生界面问题，导致层间分子扩散与缠绕效果降低，并扩大打印头与待拼接杆梁结构件之间的距离，因此，在拼接区域会产生翘曲变形现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法，其特征在于，包含下列步骤：步骤1、对待拼接杆梁结构件的拼接区域局部辅热，并加热打印头；步骤2、加热非平面热床，将待拼接杆梁结构件移动至非平面热床自由端，以使所述待拼接杆梁结构件随所述非平面热床同步旋转；步骤3、控制所述非平面热床旋转，所述打印头沿非平面热床轴向打印，从非平面热床固定端向自由端运动；打印头到终点后停止出丝，非平面热床反向快速旋转，打印头返回非平面热床固定端并停止不动，非平面热床旋转线间距离，完成一条填充线的打印；重复前述步骤开始打印下一条填充线，直至一层所有填充线打印完毕；步骤4、打印头上升层厚高度；步骤5、重复执行所述步骤3和所述步骤4，直至所述待拼接杆梁结构件的所有层拼接打印完毕。2.根据权利要求1所述的消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法，其特征在于，步骤3中，所述填充线是圆柱螺旋线。3.根据权利要求2所述的消除杆梁结构件拼接变形的熔融沉积成形方法，其特征在于，所述圆柱螺旋线是右螺旋线或左螺旋线，当所述圆柱螺旋线的螺距H为0时，所述圆柱螺旋线演变为一组同心圆，当所述圆柱螺旋线的螺距H为无穷大时，所述圆柱螺旋线演变为平行于非平面热床轴向的一组直线。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文杰，黎静，张代军，高霞，杨杰，杨钦，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：