[发明专利]一种聚合物多材料多激光柔性增材制造系统及方法

说明书

本发明属于丝材激光增材制造领域，并公开了一种聚合物多材料多激光柔性增材制造系统及方法。系统包括多个模块，每个模块对应成形单个切片层中不同的区域，每个模块包括激光发射单元、多个机器人以及与每个机器人配套设置的供丝单元和挤出单元，激光发射单元与挤出单元分开设置，使得挤出和熔融分开进行避免挤出单元喷头的堵塞；挤出单元设置在机器人的末端，机器人携带挤出单元到达预设的位置实现丝材的输送，每个机器人输送一种丝材，多个机器人按照预设的轨迹和顺序进行送丝，送出的丝材在激光发射单元的作用下熔融，以实现每个切片层多材料的成形。通过本发明，解决喷头易堵塞的问题，提高制造系统的柔性，实现大尺寸产品的成形。

技术领域

本发明属于丝材激光增材制造领域，更具体地，涉及一种聚合物多材料多激光柔性增材制造系统及方法。

背景技术

熔融沉积成形(FDM)作为一种重要的聚合物增材制造技术，它具备了增材制造技术的诸多优点，如可制造不受几何形状限制的零部件、缩短产品的开发制造周期、节省材料等。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技术尽管有运行成本低、成形材料广泛、后处理简单等优点，但作为一种重要的聚合物增材制造方法，其仍存在以下不足之处：(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；(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)FDM成形由于需要把熔融态的材料从喷头挤出，因此成形速度较慢，不太适合制造大型的制件；(5)丝材挤出为竖直方向，通过重力的作用熔融态的丝材逐点、逐线、逐面沉积，而且通过升降台下降的方法完成产品高度方向的成形，FDM打印喷头；(6)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。

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；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，由此可见聚合物多材料的增材制造研究较少，处于相对空白状态；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，这种情况是防堵打印喷头无法解决的；另外，在FDM技术乃至整个增材制造领域，大尺寸产品的整体成形一直是亟待解决的问题，这主要是由于激光器产生的激光能够作用的范围有限。

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多激光柔性增材制造系统及方法，通过对熔融沉积过程中的制造系统及其制造方法进行改进，其中通过将成形中划分的切片层划分为多个区域实现分区成形，同时对每个成形区对应的成形单元和加工顺序进行设定，并采用挤出单元和激光发射单元分开设置的方式，使聚合物丝材送出和熔融相分离，解决了FDM设备常见的喷头易堵塞、清洗困难、使用寿命短等问题；通过多个机器人带动送丝装置运送不同种类的丝材，不仅提高了加工过程的灵活性、准确性和稳定性，而且实现了多材料的成形以及大尺寸产品成形难的问题，并且大幅度提高了制造系统的柔性。

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多激光柔性增材制造系统，其特征在于，