[发明专利]一种基材二次加热实时控温的开放式熔融沉积方法及装置

说明书

本发明属于熔融沉积相关技术领域，并公开了一种基材二次加热实时温控的开放式熔融沉积方法及装置。该方法包括：S1在成形台面上按照预设轨迹成形第一层的切片层，以此在成形台面上获得固化的第一层基体；S2对于第i个切片层，按照预设轨迹熔融沉积丝材，实现第i个切片层的成形；其中，在丝材熔融的同时，加热成形台面上已经固化的基体的熔融前沿区，使得该熔融前沿区的温度上升至玻璃化温度，丝材熔融后与该熔融前沿区的基体紧密结合；S3重复步骤S2，直至完成所有切片层的加工，以此获得待成型零件。通过本发明，同时解决熔融沉积中切片层间结合力不足，成形零件中残余应力大易发生翘曲变形以及成形环境封闭无法成形大型零件的问题。

技术领域

本发明属于熔融沉积相关技术领域，更具体地，涉及一种基材二次加热实时温控的开放式熔融沉积方法及装置。

背景技术

熔融沉积成形耗材是聚合物丝材，主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)和聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)、聚醚醚酮(PEEK)等。FDM成形技术采用沉积单元中的加热模块将聚合物丝材熔化至熔融状态，再由金属喷头挤出至沉积平台或基材上快速固化，逐层沉积并与已固化的基材进行界面结合得到最终实体。

目前，FDM成形仍存在如下不足：(1)打印过程中层间材料结合强度不足，这是因为逐层沉积的熔融材料与已成形的基材界面结合时，界面温度梯度大，界面结合的原理是界面接触处的聚合物高分子相互扩散并缠结，扩散与缠结程度决定界面的结合强度，而沉积到基材上的熔融聚合物冷却固化时，其高分子扩散和缠结能力强，但已沉积固化的聚合物基材已经冷却，高分子扩散度低，界面结合时高分子相互缠结度低，结合强度差，目前的FDM采用热床基板方式提高基材温度，但效果有限、可控性差，随着沉积层数和结构复杂度的增加，效果也越差；

(2)熔融沉积成形后的零件易出现翘曲变形，由于高温的熔融聚合物被挤出至已冷却的基材上在环境温度中快速冷却固化，沉积层不完全收缩，层间内应力聚集，最终导致原型的翘曲变形，目前，有相应研究者从材料方面和成形工艺中的打印温度和托板温度方面进行研究和改善，但难度大、效果不理想，可控性较差，更换打印线材之后需要重新探索工艺参数，无法较为理想地解决该问题。发明专利CN201910781574.X公开了一种防止FDM打印中3D打印模型翘曲的方法，通过在热床平台上均匀涂抹防翘胶水解决3D打印件的翘曲变形，在一定程度上解决了翘曲问题，但是，这种方式属于强制反变形，没有从本质上降低或者消除应力，甚至可能加剧应力聚集，导致零件更容易出现缺陷进而破坏失效；

(3)目前的FDM成型通常在半封闭或全封闭的恒温环境氛围中进行，导致成形空间无法成形大型零件，成形过程抗干扰能力差，易受外界环境温度变化而受影响，成形的稳定性不足，无法实现在开放环境下的稳定打印。因此，急需一种熔融沉积装置解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基材二次加热实时温控的开放式熔融沉积方法及装置，同时解决熔融沉积中切片层间结合力不足，成形零件中残余应力大易发生翘曲变形以及成形环境封闭无法成形大型零件的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基材固化后再次加热的熔融沉积方法，该方法包括下列步骤：

S1对于待成型零件三维模型进行切片，获得多个切片层，在成形台面上按照预设轨迹成形第一层的切片层，以此在所述成形台面上获得固化的第一层基体；

S2对于第i个切片层，按照预设轨迹熔融沉积丝材，实现第i个切片层的成形；其中，在丝材熔融的同时，加热成形台面上已经固化的基体的熔融沉积前沿区，使得该熔融沉积前沿区的温度上升至玻璃化温度，丝材熔融后与该熔融沉积前沿区的基体紧密结合，i为大于1的整数；

S3重复步骤S2，直至完成所有切片层的加工，以此获得待成型零件。