[发明专利]一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

在聚合物增材制造领域中，熔融沉积成形(Fused Deposition Modeling，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。发明专利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。

发明专利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；实用新型专利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；发明专利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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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，按照本发明的一个方面，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：