[发明专利]一种超声振动辅助3D打印方法

摘要

本发明一种超声振动辅助3D打印方法，属于3D打印技术领域，涉及一种基于超声振动辅助3D打印的装置及方法。该方法采用特制的超声辅助3D打印装置，该装置由3D打印机构和超声振动结构组成。超声振动辅助3D打印方法先组装3D打印的装置，当超声振动辅助3D打印时，首先打印材料通过步进电机送入打印喷头。在喷头内部打印材料在高温作用下，由固态转变为熔融态，并经过喷嘴挤压到打印底板。此时，超声变幅杆在六自由度机械手与超声波发生器的控制下，对未完全凝固的材料进行超声振动，如此往复逐层打印后形成孔隙少，相间、线间、层间结合良好的高性能3D打印零件。此方法具有材料适应性强，应用前景广泛等优势。

主权项

1.一种超声振动辅助3D打印方法，其特征在于，该方法采用特制的超声辅助3D打印装置，当超声振动辅助3D打印时，首先打印材料通过步进电机送入打印喷头；在喷头内部打印材料在高温作用下，由固态转变为熔融态，并经过喷嘴挤压到打印底板；此时，超声变幅杆在六自由度机械手与超声波发生器的控制下，对未完全凝固的材料进行超声振动，如此往复逐层打印后形成孔隙少，相间、线间、层间结合良好的高性能3D打印零件；打印方法的具体步骤如下：/n步骤1先组装超声辅助3D打印装置/n超声辅助3D打印装置由3D打印机构和超声振动结构组成；/n所述3D打印机构中，加热棒(2)、热电偶(6)嵌套在加热块(1)的内部沟槽中，喉管(8)外圈自上向下分别通过螺纹依次连接有散热块(5)、加热块(1)、喷头(3)；同时，喉管(8)、散热块(5)、加热块(1)、喷头(3)满足同轴度要求；其中，加热棒(2)的数量为单个或多个，空间均布嵌入在加热块(1)的内部；/n所述超声振动结构中，变幅杆(10)与挤出的打印材料(9)接触的端部为圆形或者矩形；变幅杆(10)与超声波换能器(11)通过螺纹连接或者直接设计为一体；超声波换能器(11)与超声波发生器(12)通过线路连接，超声波换能器(11)被六自由度机械手(13)端部的夹持件(15)握持，超声波换能器(11)与夹持件(15)采用过盈配合，并通过螺栓(16)和螺母(17)紧固；变幅杆(10)与打印材料的接触压力直接受六自由度机械手(13)控制，六自由度机械手(13)受计算机(14)控制；/n步骤2超声振动辅助3D打印过程/n打印材料(9)为树脂丝、金属丝或碳纤维预浸丝，打印材料(9)沿着喉管(8)内部的铁氟龙管(7)内壁进入打印喷头(3)；与喷头(3)连接的加热块(1)被加热棒(2)加热、并被热电偶(6)测温；打印材料(9)在喷头(3)内部由固态转变为熔融态并被挤出至打印底板(4)；挤出至打印底板(4)表面的熔融态的打印材料(9)并不会立即凝固，熔融态的打印材料(9)在表面温度逐渐降低过程中，会保持熔融态一段时间，该时间段主要发生相间、线间及层间的结合；/n步骤3在线超声振动过程/n计算机(14)对六自由度机械手(13)发起指令，使六自由度机械手(13)端部通过夹持件(15)连接的超声波换能器(11)运动，与超声波换能器(11)通过螺纹连接或设计为一体的变幅杆(10)紧随打印喷头(3)的运动轨迹移动，并振动式地作用于刚从喷头(3)挤出的打印材料；计算机(14)通过控制六自由度机械手(13)的运动，来控制变幅杆(10)施加至打印材料(9)的压力；/n超声波发生器(12)将电能转换为与超声波换能器(11)相匹配的高频交流电信号，并驱动超声波换能器(11)将电信号转化为机械振动，同时提高与超声波换能器(11)相连接的变幅杆(10)机械振动的振幅，超声频率取20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz、80KHz，超声振动振幅取5-50μm；/n挤出至打印底板(4)表面的熔融态的打印材料(9)被变幅杆(10)垂直振动，超声波的空化作用和声流作用会使打印材料(9)的内部均匀致密、细化分布，震碎打印材料内部的孔隙，减小缺陷的生长，同时提高相间、线间及层间结合强度。/n