[发明专利]基于多轴机械臂的DIW共形打印系统和方法

说明书

本发明提供了一种基于多轴机械臂的DIW共形打印系统和方法，包括：主控制器、凸台基底、六轴机械臂、3D扫描仪、点胶针筒、气动点胶机和显示器；所述主控制器与气动点胶机连接；所述凸台基底用于在点胶喷涂后进行系统共形打印演示；所述六轴机械臂与主控制器连接，所述六轴机械臂与3D扫描仪连接；所述3D扫描仪与主控制器连接；所述点胶针筒与气动点胶机连接；所述显示器与主控制器连接。本发明解决了现有DIW打印机主要针对平面基底打印的局限性问题，同时机械臂的应用，提高了系统的可移植性，丰富了DIW打印系统的应用场景。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体地，涉及一种基于多轴机械臂的DIW共形打印系统和方法。

背景技术

本发明属于增材制造领域，利用多轴机械臂运动范围广，灵活度高的特点，结合墨水直写技术(Direct-ink-write，英文简称DIW)对粘弹性墨水广泛适应性，形成一种基于多轴机械臂的DIW打印系统，实现复杂结构表面图案化的柔性共形打印。

作为一门新兴的电子技术，柔性电子由于其独特的柔韧性、延展性在医疗、信息、能源领域具备广泛的应用前景。与传统制造加工工艺一样，制造工艺及装备系统成为柔性电子发展的关键。其中DIW作为一种新型的柔性3D打印技术，通过挤压的方法，将粘弹性油墨从针筒挤出，并在印刷基底实现材料沉积。由于其能够适用于不同粘弹性墨水打印，DIW逐渐成为柔性传感器、柔性电子系统制造的主流方式。然而目前DIW打印技术，通常基于笛卡尔坐标系，通过电机控制装填了墨水的针筒实现X、Y、Z三个方向的平行移动。正是由于简单的三轴运动，DIW打印机目前还只适用于针对平面基底进行图案化喷涂，及简单的平面堆叠的三维结构。这也极大限制了DIW打印机打印结构基底的可能性，约束了该技术的进一步发展与应用。

同时多轴机械臂作为一种广泛应用工业制造领域的工具，多用于金属加工、结构装配、物资搬运等场景。其高精度性和灵巧性能够极大减少人力的应用，让车间流水线实现高效化生产。目前多轴机械臂逐渐小型化，应用场景也更加多样。通过对机械臂末端安装抓手、摄像头，机械臂能够实现物体的精细抓取、操作，甚至与人交互。然而，目前针对多轴机械臂的应用仍可以进一步的开发，让其灵巧性和精确性的优势得到进一步应用。

因此针对目前DIW打印技术存在的问题，本发明利用多轴机械臂灵巧性的优势，设计开发出一套基于多轴机械臂的DIW柔性打印系统，能够在复杂结构表面喷涂出定制化图案，实现复杂表面的共形打印。该发明将极大丰富DIW打印的应用场景，有望应用于曲面柔性系统的制造、人机接口领域、医疗康复领域等。

现阶段实现DIW打印的技术方案，多将填充了粘弹性墨水的针筒安装于Z轴运动平台末端。再将Z轴运动平台安装于具备X、Y轴两个运动自由度的龙门架系统，从而实现X、Y、Z轴三个方向的水平移动。同时，针筒上端连接气动点胶系统，为墨水的挤出提供足够压强，或通过机械运动推动针筒活塞运动。利用控制系统协同控制点胶系统和运动平台，从而控制针筒针头移动到指定平面基底位置上方，挤出墨水并按数字模型驱动的自定运动模式移动，实现不同形状的图案打印。目前，基于笛卡尔坐标系三轴移动的DIW打印系统应用最为广泛。

专利文献CN109676746B(申请号：CN201910053735.3)公开了一种基于机械臂的3D打印装置，包括料筒、转轴、涡流管及搅拌组件；料筒外壁上设有进料管及控制器，出料端连接有喷嘴；转轴设于料筒内，连接有传动机构；涡流管与转轴连接，且设有至少两组；涡流管通过进气管路与空气压缩机相连；涡流管位于进料管的出料端上方；进气管路上设有稳压阀；搅拌组件与转轴连接，且设有至少两组。

同时也有部分DIW打印机，采用Delta并联臂结构。连接了墨水针筒的运动平台与三根可垂直运动的移动轴并联，实现在三维空间的任意方向平动。基于Delta机构的打印系统占地面积小，打印传动效率高，但由于打印机需要给并联轴留出运动空间，导致喷头的运动范围受限，难以打印大面积的三维结构。