[发明专利]一种用于增材制造的非平面热床及其应用

说明书

本发明具体公开了一种用于增材制造的非平面热床及其应用，属于增材制造领域。该非平面热床由非平面基板、加热单元、支撑单元和旋转驱动单元构成。本热床控温范围广，适用于不同材料、不同长度、不同截面形状、不同截面尺寸的杆梁管体结构的增材制造，可有效减少增材制造成形过程中，不均匀温度变化产生的残余应力所导致的制品翘曲、弯曲、开裂等问题。

技术领域

本发明涉及增材制造(3D打印)技术领域，具体涉及一种用于增材制造的非平面热床及其应用。

背景技术

增材制造技术(即3D打印)是基于离散-堆积原理，结合数控与软件系统，通过逐层堆积方式，将数字化模型转化为实体物品的制造技术，包括熔融沉积技术、选区激光烧结技术、选择性激光熔化技术、立体光固化成形法和分层实体制造法等。以典型的熔融沉积技术(FDM-fused deposition modeling)为例，FDM技术的打印过程是利用加热的打印喷头熔融固相材料，打印喷头根据成形模型的打印路径运动，将熔融体涂覆在平面工作台上，实现层状堆积，最终形成产品。对于已增材制造成形的熔融层积部位，表层冷却速度过快，与新的熔融成形面的层间温差大，粘性下降，造成打印制品的翘曲、弯曲、开裂等问题。

现有增材制造设备是以平面热床为工作台面，在制备大尺寸杆梁结构的管体器件时，在较低高度的制备过程中，平面热床与熔融层积层面的热传导顺畅，不容易产生翘曲、弯曲、开裂等现象；但随着制备过程延续，管体高度的增加，熔融层积层面与热床的距离加大，翘曲、弯曲、开裂等问题将尤为突出，导致增材制造管体器件的成品率低。以发明人团队自行设计的FDM设备为例，如果采用平面热床的方式，在制备聚醚醚酮材料的管件时，管体从平面往上不断的随着熔融层积层面的增加，当高度达到6～10厘米时，管体由于热应力，就容易出现弯曲现象。

针对上述技术缺陷，现有解决方式包括提高平面热床温度，构建立体结构的保温腔体，在喷头设计温度场辅热、增材制造样件热加工后处理等。例如，由若干加热模块构建大面积的工业级大型增材制造设备的热床(中国专利CN 108859106 A，属于平面结构热床，其加热平面大小可调整)，摇篮式五轴热床(中国专利CN 208853704 U，属于平面结构热床，通过运动机构实现垂直于热床平面法线方向的旋转运动和摇摆运动)，非标准热床(中国专利CN 104149341 A，属于平面热床改进型，热床平面固定不动，改变普通3D打印机热床的形状，其余保持原有设计，以减少底面支撑材料消耗)等。

据前期资料查阅与文献报道，急需一种简便、经济的非平面热床技术，实现对增材制造成形区域温度的有效控制，避免管体打印制品(尤其是管体高度较高时)的翘曲、弯曲、开裂等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：突破传统的平面热床、保温腔体的约束，利用管腔非平面热床，为增材制造设备提供一种避免制品翘曲、弯曲、开裂的非平面工作面和温控装置。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于增材制造的非平面热床，具体技术方案如下。

本发明中，所述一种用于增材制造的非平面热床，包括非平面基板、加热单元、支撑单元和旋转驱动单元；所述加热单元安装于非平面基板中，支撑单元定位非平面基板位置，非平面基板同旋转驱动单元连接，配合增材制造喷头以设定的旋转方式运动，通过加热单元实现温度有效控制，完成不同形状、不同尺寸管体结构的增材制造。

本发明中，所述非平面基板的外形特征包括圆柱形管体，棱柱形管体，斜棱柱形管体，圆台形管体，棱台形管体，斜棱台形管体，圆柱葫芦形管体，棱柱葫芦形管体，斜棱柱葫芦形管体，圆台葫芦形管体，棱台葫芦形管体，斜棱台葫芦形管体中的一种或者几种。

本发明中，所述非平面热床加热单元的加热方式包括接触式和非接触式两类，包含但不限于热电偶、热风、热辐射、激光、电子束、红外、电磁感应、工质导热中的一种或几种。