[发明专利]一种等离子协同超声辅助增材制造装置及方法

说明书

本发明公开了一种等离子协同超声辅助增材制造装置及方法，该装置包括超声装置、自动旋转装置、打印喷头、等离子装置和固定装置。本发明中的自动旋转装置可以根据打印路径实时旋转，控制等离子装置始终位于打印路径方向前侧，超声装置始终位于打印路径方向后侧，实现等离子处理打印过程的上一层，超声处理打印层，等离子处理实现对层间的活化效果，超声处理减少层间孔隙，二者协同作用综合改善复合材料的层间结合效果，提高层间力学性能。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，特别是涉及一种等离子协同超声辅助增材制造装置及方法。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料因为其比强度高、比模量高等特点而在各个领域应用都较为广泛。由于传统的制造方式工艺较为复杂且成本高，近年来，增材制造因其成本低且易成型复杂零部件等优点而发展越来越迅速。

增材制造逐层堆叠的成形方式使得成形下一层时，上一层已经缓慢冷却凝固，导致层间粘结效果较差，因为树脂在熔融状态下才有较好的粘结效果。因为打印喷头为圆形，挤出材料时为圆柱体，因此会产生孔隙。如图3所示。

由于增材制造成型的复合材料普遍存在着层间存在孔隙、层间粘结效果较差等问题，导致成型的复合材料层间性能较差，从而制约其应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种等离子协同超声辅助增材制造装置及方法；通过实时、及时地对打印上一层进行等离子处理，提高表面活性，增强层间粘附效果，对打印层进行超声处理，减少层间孔隙，综合改善复合材料的层间结合效果，提高层间力学性能。

一种等离子协同超声辅助增材制造装置，包括超声装置、自动旋转装置、打印喷头、等离子装置和固定装置，自动旋转装置包括电机和齿轮，其中电机端部连接有齿轮，固定装置有三个环形开孔，从左至右依次为超声装置固定环、打印喷头固定环和等离子装置固定环；打印喷头固定环外侧装有与所述齿轮啮合的齿圈；固定装置中间端装有与所述齿轮相互啮合的内齿轮。

进一步的，所述齿轮分别与打印喷头固定环外的齿圈啮合且与内齿轮内啮合，通过打印路径程序输入控制电机转动，打印喷头固定装环固定不动，外部连接固定超声装置和等离子装置跟随转动，实现等离子装置始终位于打印路径方向前侧，超声装置始终位于打印路径方向后侧。

进一步的，所述固定装置中的超声装置固定装置和等离子装置固定装置均可调整固定位置，分别控制超声喷头和等离子喷头与打印层的距离。

进一步的，超声装置和等离子装置的参数可以根据不同的打印材料和打印参数进行调整进一步改进，所述固定装置中的超声装置固定装置和等离子装置固定装置均可调整固定位置，分别控制超声喷头和等离子喷头与打印层的距离。

一种等离子协同超声辅助增材制造方法，包括如下步骤：

（a）调整固定位置，包括超声喷头和等离子喷头与打印基板的距离，分别为0-10mm，5-15mm；

（b）开启等离子装置，调整功率为100-1000W，开启超声装置，调整频率为20-60kHz；

（c）开始打印，根据打印路径方向，实时自动旋转，始终保持等离子处理打印上一层，超声处理打印层；

（d）打印完成后，等待样品冷却，取样。

进一步，打印所用丝材包括短纤维和连续纤维增强树脂基复合材料丝材。

进一步，打印所用纤维包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等等，所用树脂为聚乳酸、聚醚醚酮等热塑性树脂。

进一步，超声装置和等离子装置的参数可以根据不同的打印材料和打印参数进行调整。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

打印过程中，通过实时、及时地对打印上一层进行等离子处理，提高表面活性，增强层间粘附效果，对打印层进行超声处理，减少层间孔隙，综合改善复合材料的层间结合效果，提高层间力学性能。