[发明专利]一种激光环绕跟随3D打印装置

说明书

本发明公开了一种激光环绕跟随3D打印装置，包括控制系统、激光器、喷头和喷头运动执行机构等组成部分，所述喷头运动执行机构包括一主轴，导电浆料喷头安装在所述主轴的底部，其特征在于：所述3D打印装置还设有激光器环绕跟随模块和激光器自动调焦模块。本发明打印装置可确保激光器的光斑始终落在喷头于加工路径中的后方/前方位置，应用在导电线路的打印工艺中，可确保每一位置都实现良好的激光原位固化效果，若应用在FDM增材制造工艺中，可确保FDM工艺加工路径中每一位置都实现良好的层间结合，解决现有增材制造3D打印装置执行非直线运动路径时容易出现的激光照射点偏离路径的问题，提高产品加工质量。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体为一种激光环绕跟随3D打印装置。

背景技术

增材制造技术于20世纪70年代末由美国学者提出，国内学者在上世纪80年代开始相关的研究工作。

采用以纳米银浆料为代表的导电浆料,可以实现高分辨率导电线路的直接成型增材制造，电路的制造过程主要包括打印（挤出、喷射等）成型电路和将成型电路烧结固化的阶段。激光原位固化制造方法以其定位准确度好、加工效率高等优点成为共形导电线路增材制造的关键技术。

目前对于共形电路的制造，通常采用丝杠滑台运动机构来完成工件与喷头之间的相对运动，这种结构形式虽然可以实现空间三维轨迹的运动，但在加工导电线路时只能使基体处于水平位置，那么零件的结构设计和加工效率可能会受此因素影响，使该技术的推广与应用带来局限性，即使采用可倾斜的工作台来规避此缺陷，仍然存在机构庞大复杂、多机构配合造成额外误差等不利影响。并且如图1所示，当喷头的运动轨迹为AB直线段时，激光器的聚焦点落在喷头的正后方，即刚沉积在基体上的浆料上，此时在激光光斑的照射下浆料可以达到良好的原位固化效果。然而由于在当前设备中，激光器发射头与喷头位置都是相对固定的，当喷头的运动轨迹进入BC、CD段时，无论喷头的运动执行端是丝杠滑台机构还是多自由度机器人，激光照射的光斑会在某一时间点或时间段从导电浆料上偏移开的情况，使电路中的若干处浆料没有发生有效的固化成型，而未经激光照射固化的导电浆料形成的导电线路可能会存在力学性能以及导电性能方面的缺陷。

增材制造根据其成型原理及过程可以分为SLM、SLA、FDM等，其中FDM是目前广泛采用的高分子树脂材料增材制造成型技术。但该技术存在成型材料层间结合力较弱的缺陷，该缺陷严重时会导致材料层间发生剥离、破坏，使制备的零件发生失效。激光辅助照射是一种有效的增强FDM制件层间结合力的方式。

当前应用中，用于增强层间结合力的激光器发射头与FDM喷头的位置都是相对固定的。如图5所示，当运动轨迹为AB段时，激光器的聚焦点为当前FDM喷头运动方向的正前端，此时在激光光斑的照射下可以达到良好的层间结合力前处理效果。然而，当运动轨迹为进入BC、CD段时，无论FDM喷头的运动执行端是丝杠滑台机构还是多自由度机器人，由于运动执行端结构的原因激光照射的光斑会出现某一段时间内无法落在FDM喷头运动的正前方，以滑台运动机构为例，运动轨迹由AB段变为BC段时，激光光斑变为了当前运动方向的左侧，此时激光并不能有效地使即将发生层间结合部位的上一层打印的已凝固材料发生有效熔化，无法达到良好的前处理效果，而此处的薄弱结合力可能在零件的使用过程中造成零件的损坏失效。这就限制了FDM技术的进一步广泛应用及推广。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的技术目的在于提供一种激光环绕跟随3D打印装置，确保打印电路的每一位置都实现良好的激光原位固化效果，以及解决现有激光辅助FDM增强层间结合力技术在一些特殊位置无法有效、精确提供激光照射的问题。

为达到上述目的，本发明提供了以下技术方案：

方案一：

一种激光环绕跟随3D打印装置，用于导电线路的打印，包括控制系统、激光器、导电浆料喷头和喷头运动执行机构，所述喷头运动执行机构包括一主轴，导电浆料喷头安装在所述主轴的底部，其特征在于：