一種多材料噴嘴沉積系統及沉積方法與流程

2023-05-17 04:57:16 2

本發明涉及3d列印技術領域，特別是涉及一種多材料噴嘴沉積系統及沉積方法。

背景技術：

目前，3d列印技術已經被大多數人接受，並且展開了很多的設計與研究。但是到目前為止大多數rp&m系統只能使用單一構建材料進行製作，而精確度、重複性和可靠性問題也難以得到確切的保證。

商業市場的研究差距分析和目前正在進行的研究清楚地表明，需要多材料rp&m系統。雖然rp&m的商業市場沒有可行的解決方案可用於多材料製造，但是目前在這一領域進行的研究側重於開發多材料沉積設備，可用於沉積兩種材料或沉積fgm材料。目前，國內外在兩種構造材料的物體的多材料製造領域已經取得了一些進展，然而，還沒有設計用於沉積多於兩種構建材料的沉積設備。

因此，針對上述技術問題，有必要提供一種多材料噴嘴沉積系統及沉積方法。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種多材料噴嘴沉積系統及沉積方法，其可以沉積多於兩種構建材料，且列印速度快、精度高、質量好。

為了實現上述目的，本發明實施例提供的技術方案如下：

一種多材料噴嘴沉積系統，所述系統包括集成有多個噴嘴的多材料沉積頭、與多材料沉積頭相連並用於驅動噴嘴旋轉的噴嘴旋轉裝置、以及用於固化材料的uv光源，所述多材料沉積頭包括若干噴嘴、與噴嘴相連的材料沉積管道、以及與材料沉積管道相連的材料進給管道，噴嘴、材料沉積管道、以及材料進給管道為一一對應安裝，以分別形成各個用於進行材料沉積的通道。

作為本發明的進一步改進，系統還包括沉積平臺、以及位於沉積平臺上方的旋轉平臺，所述噴嘴位於沉積平臺的上方，旋轉平臺上設有若干安裝孔以固定安裝各個材料沉積管道。

作為本發明的進一步改進，噴嘴呈圓周等距離均勻分布於沉積平臺上方，旋轉平臺上設有若干呈圓周等距離均勻分布的安裝孔用於對應安裝所述材料沉積管道。

作為本發明的進一步改進，多材料沉積頭包括7個噴嘴、7個材料沉積管道和7個材料進給管道。

作為本發明的進一步改進，噴嘴旋轉裝置包括伺服電機及旋轉皮帶，伺服電機通過旋轉皮帶連接於集成有若干噴嘴的旋轉平臺的側邊。

作為本發明的進一步改進，伺服電機順時針或逆時針旋轉所述旋轉平臺，旋轉平臺順時針或逆時針的最大旋轉角度為180度以控制噴嘴的位置。

作為本發明的進一步改進，uv光源包括連接於材料沉積管道外側的第一uv光源和集成於材料沉積管道上的第二uv光源。

作為本發明的進一步改進，第一uv光源為主uv光源，用於立即固化大量的材料體積；第二uv光源32為uv點光源，由集成在沉積控制組件的uv射燈提供，用於精確固化小體積沉積。

相應地，一種多材料噴嘴沉積系統的沉積方法，所述多材料噴嘴沉積系統為基於sla式的多材料噴嘴沉積系統，沉積方法具體包括：

首先採用直接切片算法技術，通過計算每個切片的起點和終點，將剪切層的所有部分組合在一起；

在找到段的序列之後，生成一個封閉的nurbs曲線來表示基於opencascade基礎的切割層的輪廓；

然後根據各切割層的輪廓，通過噴嘴旋轉裝置控制多材料沉積頭的位置，並進行多材料沉積及uv固化。

作為本發明的進一步改進，所述沉積方法還包括：

根據公式控制每個噴嘴所需的壓力，其中，p為噴嘴的壓力，v為沉積流速，η為效率，l為噴嘴長度，t為單位時間，r為噴嘴直徑。

本發明的有益效果是：

本發明可以沉積多於兩種構建材料，能夠列印多於兩種材料的零部件；

本發明設置伺服電機帶動噴嘴旋轉，能夠實現多材料零部件的精確列印；

本發明在列印噴嘴外側設置有第一uv光源，可以實現材料的大體積固化，提高列印速度；在沉積控制組件上集成了第二uv光源，可以形成uv光斑，用於精確固化小體積沉積，以通過將固化源瞄準特定材料體積來加速固化過程，提高列印質量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明一具體實施例中多材料噴嘴沉積系統的立體結構示意圖；

圖2為本發明一具體實施例中材料沉積管道的側視結構示意圖；

圖3a、3b分別為本發明一具體實施例中頂蓋組件的立體結構示意圖和爆炸結構示意圖；

圖3c為本發明一具體實施例中壓板組件的立體結構示意圖；

圖3d為本發明一具體實施例中沉積控制組件的立體結構示意圖；

圖4a、4b分別為本發明一具體實施方式中吊門關閉及打開的示意圖；

圖4c為本發明一具體實施方式中無材料施加的壓力時吊門的控制原理圖；

圖5a、5b分別為本發明中採用第一uv光源和第二uv光源的固化示意圖；

圖6a為本發明一具體實施方式中多於兩個材料沉積在相同的層中的沉積示意圖；

圖6b、6c分別為採用第一uv光源和第二uv光源對圖6a中的沉積層進行固化的示意圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。

參圖1所示，本發明一具體實施方式中公開了一種多材料噴嘴沉積系統，其包括集成有多個噴嘴的多材料沉積頭10、與多材料沉積頭相連並用於驅動噴嘴旋轉的噴嘴旋轉裝置20、以及用於固化材料的uv光源。

本發明中的多材料沉積頭10包括若干噴嘴11、與噴嘴11相連的材料沉積管道12、以及與材料沉積管道12相連的材料進給管道13，噴嘴11位於沉積平臺15的上方，沉積平臺15正上方設有旋轉平臺16，旋轉平臺16上設有若干安裝孔(未標號)以固定安裝各個材料沉積管道12，材料進給管道13與材料沉積管道12相連通安裝，以為材料沉積管道12進行沉積材料的進給。優選地，本發明中的噴嘴11、材料沉積管道12、以及材料進給管道13為一一對應安裝，以分別形成各個用於進行材料沉積的通道。

本發明的優選實施方式中以7個噴嘴11、7個材料沉積管道12和7個材料進給管道13為例進行說明，7個噴嘴11呈圓周等距離均勻分布於沉積平臺15上方，旋轉平臺16上設有7個呈圓周等距離均勻分布的安裝孔用於對應安裝7個材料沉積管道12。通過7個噴嘴，可以列印兩種或兩種以上的多材料部件。優選地，多材料噴嘴沉積系統所沉積的材料是光聚合物樹脂，當然，在其他實施方式中也可以採用其他能夠進行uv的材料。

應當理解的是，在其他實施方式中噴嘴、材料沉積管道、及材料進給管道的數量可以設置為2個或2個以上的其他數量，噴嘴、材料沉積管道、及材料進給管道同樣為一一對應設置，即可以列印兩種或兩種以上的多材料部件。噴嘴在沉積平臺上方的排布、及安裝孔在旋轉平臺上的排布也可以採用其他均勻或非均勻的排布方式，而不限於本實施方式中的圓周等距離均勻分布，此處不再一一舉例進行說明。

結合圖2、圖3a～3d所示，本實施方式中的材料沉積管道12包括位於材料沉積管道頂部的頂蓋組件121、位於材料沉積管道中間位置的壓板組件122、以及位於材料沉積管道下方的沉積控制組件123。

具體地，材料沉積管道12由上述組件分為密封壓力室1201和材料存儲室1202。密封壓力室1201上端由三個橡膠密封件組成了一個帶有材料和氣壓管道的卡扣組合式頂蓋組件121，密封壓力室1201與材料存儲室1202中間設置有一多用途壓板組件122，材料存儲室1202下端靠近噴嘴處設置有一沉積控制組件123。

參圖2並結合3a、3b所示，頂蓋組件121包括頂蓋本體1211、位於頂蓋本體1211下方的橡膠墊1212、及位於頂蓋本體1211和橡膠墊1212下方的材料管道1213和氣壓管道1214，頂蓋本體1211和橡膠墊1212上設有分別用於連通材料管道1213和氣壓管道1214的第一通孔1215和第二通孔1216。頂蓋組件121的各個部件均為橡膠件，可以保證密封壓力室1201上方的氣密性。

參圖2並結合圖3c、圖4a～4c所示，通過壓板組件122可將材料沉積管道12分為密封壓力室1201和材料存儲室1202，壓板組件122包括壓板主體1221、嵌設於壓板主體1221內的橡膠壓板1222、位於橡膠壓板1222下方且嵌設於壓板主體1221內的吊門組件，吊門組件可包括吊門外殼(未圖示)及吊門1223，吊門1223可根據密封壓力室1201中材料施加的壓力和材料存儲室1202的反向壓力進行關閉。

參圖4a所示，當材料施加的壓力未達到吊門1223打開的壓力閾值時，吊門1223處於關閉狀態；參圖4b所示，當材料施加的壓力達到吊門1223打開的壓力閾值時，吊門1223處於打開狀態。參圖4c所示，當無材料施加的壓力時，吊門1223的狀態由密封壓力室1201中的空氣壓力和材料存儲室1202的反向壓力決定，當材料存儲室1202的反向壓力大於密封壓力室1201中的空氣壓力時，吊門1223處於關閉狀態，反之，吊門1223處於打開狀態。

進一步地，壓板組件122還包括在進料過程中打開的材料檢修門，當壓力施加在壓板組件上時，材料檢修門關閉。

參圖2並結合圖3d所示，本實施方式中的沉積控制組件123由一個電磁體系統組成，當被激活時，可以連續地或者在液滴形成中沉積材料。具體地，沉積控制組件123包括外殼蓋1231、本體1232、安裝於本體1232側邊的電磁鐵1233、以及安裝於外殼蓋1231下方本體1232內的沉積觸發器(未圖示)和彈簧(未圖示)。外殼蓋1231、本體1232和沉積觸發器上設有若干對應的材料進孔，外殼蓋1231和本體1232上的材料進孔始終處於對齊狀態，而通過控制沉積觸發器的材料進孔的狀態控制材料沉積。

沉積控制組件123的工作原理為：

當電磁鐵1233未被激活時，彈簧將沉積觸發器從本體1232的材料進孔中推開；當電磁鐵1233被激活時，沉積觸發器朝向電磁鐵1233移動，移動過程中，沉積觸發器上的材料進孔與外殼蓋1231和本體1232上的材料進孔對齊以進行材料沉積。

應當理解的是，本實施方式中的多材料沉積頭以應用於多材料噴嘴沉積系統為例進行說明，當然，在其他實施方式中，多材料沉積頭同樣可以應用於其他的噴嘴沉積系統，此處不再舉例進行詳細說明。

參圖1所示，本實施方式中的噴嘴旋轉裝置20包括伺服電機21及旋轉皮帶22，伺服電機21通過旋轉皮帶22連接於集成有若干噴嘴的旋轉平臺16的側邊，伺服電機21可以順時針或逆時針旋轉旋轉平臺16及噴嘴，最大旋轉角度為180度以控制噴嘴的位置，並設計有配套算法以控制伺服電機的運轉來實現多材料部件的有序列印任務。

參圖1並結合圖5a、5b所示，本實施方式中的uv光源包括連接於沉積控制組件123外側的第一uv光源31和集成於沉積控制組件123上的第二uv光源32。其中，第一uv光源31為主uv光源，用於立即固化大量的材料體積，可以加快材料的固化速率提高列印速度；第二uv光源32為uv點光源，由集成在沉積控制組件123的uv射燈提供，用於精確固化小體積沉積，以通過將固化源瞄準特定材料體積來加速固化過程。

本發明中的沉積系統為基於sla式的多材料噴嘴沉積系統，其設有配套的沉積控制方法，具體為：

首先採用直接切片算法技術，通過計算每個切片的起點和終點，將剪切層的所有部分組合在一起；

在找到段的序列之後，生成一個封閉的nurbs曲線來表示基於opencascade基礎的切割層的輪廓；

然後根據各切割層的輪廓，通過噴嘴旋轉裝置控制多材料沉積頭的位置，並進行多材料沉積及uv固化。

本實施方式中多材料噴嘴沉積系統進行材料沉積時的具體步驟如下：

1、進料裝置開啟，開始將材料從進料槽泵經由材料進給管道送到材料存儲室。每個材料進給管道專用於特定材料，其一端連接到材料源罐，而另一端連接到壓板組件。進料裝置藉助於連接在專用泵上的曲軸泵送材料，當材料存儲室充滿時，進料裝置關閉。

2、在每個噴嘴的材料存儲室填充滿所需的多種材料和支撐材料之後，沉積裝置開始沉積工藝。打開空氣壓縮機，並保持壓板組件上的恆定壓力。需要控制每個噴嘴所需的壓力，並且可以使用從poiseulle定律得到的以下公式來計算：

其中，p為噴嘴的壓力，v為沉積流速，η為效率，l為噴嘴長度，t為單位時間，r為噴嘴直徑。沉積流速由施加在壓力組件上的壓力控制，每個噴嘴的壓力取決於噴嘴尖端的材料性質和幾何形狀。因此，每個噴嘴的壓力根據所需的流量進行調節。

3、通過靠近噴嘴沉積系統，移動z軸來進行第一次沉積。z軸的運動由伺服電機控制，伺服電機可以向上或向下移動z軸。

4、對第一次沉積調節噴嘴裝置，首先選擇所需的材料噴嘴，七個噴嘴安裝在連接到伺服電機的旋轉盤上，伺服電機可以順時針和逆時針旋轉噴嘴180°。

5、調整z軸後，進行沉積控制，並選擇噴嘴進行第一次材料沉積以進行連續沉澱或沉降沉積。當在預處理期間限定材料工具路徑時，預定義沉積控制致動。沉積控制使得可以精確地控制材料沉積量，重要的是要了解流量由壓力板施加的壓力控制，然而沉積模式(連續或下降)由沉積控制組件控制。為了質量和精度，壓力機構和沉積控制都需要完美協調。

6、材料沉積過程之後是逐層完成的固化過程。然而，當多層材料沉積時，需要對層中的每種材料進行固化。材料固化過程可以通過使用主uv光源或uv點光源來完成，這取決於需要固化的材料數量、幾何形狀和面積。當多種材料以少量和更頻繁地沉積時，根據材料性質和光引發劑強度，不同的材料將需要不同的uv光強度，所以不可能使用主uv光源來固化，因此uv點光源被使用。uv點光源處理與主uv光源相比較慢，但更精確，易於控制。

參圖6a所示，當多於兩個材料沉積在相同的層中時，則不可能使用圖6b中的第一uv光源31為(主uv光源)來固化，因為不同的材料將需要不同的uv光強度來固化。在這種情況下，主uv光源固化可能導致材料過度固化，同時在同一層下固化另一種材料，這將對固化層產生幾何缺陷。為了解決這個問題，參圖6c所示，可使用第二uv光源32(uv點光源)，其可為集成的紫外線聚光燈，這可能增加固化過程的時間，但是當在同一層中固化多種材料時，會提供更好的控制和精度。當第一層固化時，z軸向下移動，允許下一層沉積開始並重複循環，直到物體全部沉積固化完成。

由以上技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

1、本發明可以沉積多於兩種構建材料，能夠列印多於兩種材料的零部件；

2、本發明設置伺服電機帶動噴嘴旋轉，能夠實現多材料零部件的精確列印；

3、本發明設置了獨特的壓板組件，可以快速、穩定的實現外部材料的進給；

4、本發明設置了沉積控制組件，該組件由一個電磁體系統組成，當被激活時可以連續地或者在液滴形成中沉積材料，能夠實現材料的精確控制和沉積；

5、本發明在列印噴嘴外側設置有第一uv光源，可以實現材料的大體積固化，提高列印速度；在沉積控制組件上集成了第二uv光源，可以形成uv光斑，用於精確固化小體積沉積，以通過將固化源瞄準特定材料體積來加速固化過程，提高列印質量。

對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。