一种基于面曝光复合多材料能场约束件增材制造装置及方法
阅读说明：本技术 一种基于面曝光复合多材料能场约束件增材制造装置及方法 (Surface exposure based composite multi-material energy field restraint additive manufacturing device and method ) 是由 沈理达 刘富玺 谢德巧 吕非 晁龙 邱明波 赵剑峰 于 2020-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于面曝光复合多材料能场约束件增材制造装置及方法,采用面曝光能场约束件增材制造装置,通过装置内部工位的切换实现复合材料成形和功能部件嵌入。在成形一种类型的液态复合材料后,可根据实际需求进行该材料成形或切换另一种工位进行其他复合材料的成形,切换液槽前,需要对成形部分进行清洗、干燥,避免材料间的相互影响,如此往复工作,最终实现复合材料能场约束件的增材制造。本发明利用面曝光能场约束件增材制造装置,通过采用结构简单的旋转工位,有效节省设备空间,工序之间动作连贯,节约了成形时间,降低了成本,在能场约束件如海洋传感器、复杂场天线等有着良好的应用前景。(The invention discloses a surface exposure based composite multi-material energy field restraint additive manufacturing device and method. After one type of liquid composite material is formed, the material can be formed or another station can be switched to form other composite materials according to actual requirements, the forming part needs to be cleaned and dried before a liquid tank is switched, the mutual influence among the materials is avoided, the operation is repeated, and finally the additive manufacturing of the composite material energy field restraint part is realized. The surface exposure energy field restraint additive manufacturing device effectively saves equipment space by adopting the rotating station with a simple structure, has continuous actions among working procedures, saves forming time, reduces cost, and has good application prospect in energy field restraints such as ocean sensors, complex field antennas and the like.)
技术领域
本发明涉及一种三维打印技术，尤其是涉及一种基于面曝光复合多材料能场约束件增材制造装置及方法。
背景技术
随着机械装备技术、材料科学、生物医学、临床医学和通信科学等学科的不断发展以及人民生活水平的不断提高，人们对各类能场的高效应用问题愈加关注，对具有能场约束结构件的特殊功能器件如高性能传感器、可穿戴医疗器材等的需求愈加强烈，而复合化(复合材料体系)、结构功能一体化(力学+功能)和仿生智能化(对人体的良好匹配和响应)势必将成为未来该类型材料和器械的发展方向。然而，这些材料的物理性质及复合后的组织结构特征与现有常用增材制造产品有很大差别，无法照搬成熟的打印方案进行成形，在针对产品的不同适应环境以及使用性能、应用需求和人体运动/响应特征进行结构设计基础上，必须要开发出与材料相配套的打印装备及工艺。
针对能场约束结构件制造工艺与设备主要存在材料、结构与功能不统一的矛盾，提高成形精度，制造需满足特定功能的能场约束结构件，并实现多种复合材料的功能一体化集成打印。需要为高性能、复合化、结构功能一体化和仿生智能化的能场约束结构件的成形加工提供一种行之有效的办法。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供一种基于面曝光复合多材料能场约束件增材制造装置，该装置高效地利用了成形空间，节约面积，降低成本，整个装置结构紧凑。
本发明的另一个目的是提供一种采用上述装置的能场约束件增材制造方法，解决了常规面曝光只能成形一种材料且成形部件功能单一的问题。
技术方案：本发明的一种基于面曝光复合多材料能场约束件增材制造装置，包括上层的面曝光系统、中层的多工位层和下层的下置层，三层之间通过机械部件连接呈上中下阶梯配置，其中上层的面曝光系统选择性的将面光源投射到液槽中在下置层固化成形；多工位层用于完成多种液态光固化材料的光固化成形，通过多工位层的旋转切换完成不同工序之间的加工；在下置层的成形部件工作台实现多种液态光固化材料及挤出材料的成形，如此循环往复，完成复合多材料能场约束件的成形。
优选的，多工位层位于光源下方，包括多个材料液槽，多个材料液槽内分别盛放不同种类的液态光固化材料，通过工位的选装切换液槽从而完成不同材料的光固化成形。
优选的，多材料液槽内盛放的液态光固化材料为添加陶瓷、金属颗粒或纤维作为强化相的液态高分子材料，强化相比例不超过15％。
优选的，多个材料液槽配备加热、散热装置，保证材料液槽内温度满足要求。
优选的，多工位层包括清洗槽、多个材料液槽、热风扇干燥槽和射流喷射/挤出模块，在A材料液槽中完成A材料的成形后，位于下置层的成形部件工作台旋转至清洗槽进行清洗，然后转移至热风扇干燥槽进行干燥，再转入B材料液槽中进行B材料的成形；如中途需要加入其他异种材料时，需要借助气流辅助隔离系统，气流辅助隔离系统包含专用的射流喷射/挤出模块，具体实施步骤为：光固化某层结束后，切换至气流辅助隔离系统，利用射流喷射/挤出模块中双层管路设计，外层接入高压氮气，将待成形区域的液态树脂推开并形成气帘隔绝液态树脂流入，内层接入异种材料通过喷射的方式直接再待沉积区域成形，成形过程在不污染原材料的情况下实现复合材料原位成形。
优选的，清洗槽采用超声清洗，清洗时间10-15s；热风扇干燥槽采用热风烘干，温度为20-30℃。
优选的，上层的面曝光系统采用当前DLP紫外数字投影技术，利用405nm光源，选择性的将面光源投射到液槽中在下置层固化成形。
优选的，多工位层通过旋转工位台和升降平台实现工位之间的旋转与升降。
本发明的一种采用上述装置的能场约束件增材制造方法，包括以下步骤：
(1)运用计算机中的三维建模软件建立所需加工的能场约束件的三维模型，建模完成后保存为STL文件，对模型文件按照不同材料区域需要满足的要求进行分区，不同区域选择不同的加工方式；
(2)将处理好的模型文件导入系统中，系统根据预先设定好的信息选择对应的加工方式；
(3)制造时，将下置层的成形部件工作台置于A材料液槽中，完成A材料的面曝光光固化成形，需要成形B材料时，下置层的成形部件工作台提升，随后下置式工作台随着多工位层依次旋转至清洗槽、热风扇干燥槽，对已成形部分进行清洗、干燥，防止材料件的相互污染，根据实际需要，添加其他工位如功能器件嵌入、金属材料拼接工位，使制备的能场约束件满足不同的需求；对于需要同步成形的异种材料，使用特殊气流辅助隔离系统的射流喷射/挤出模块，外层管路接入高压氮气将成形区域的液态树脂推开并形层气帘隔绝液态树脂流入，内层接入异种材料通过喷射的发过誓直接在待沉积区域成形，成形过程在不污染原材料的情况下实现复合材料原位成形，如此循环往复，完成复合多材料的能场约束件的增材制造；
(4)将加工完成地部件实体取出后，对表面进行处理后测试其内部各部分是否能实现相对应的功能，最终完成能场约束件的加工制备。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明方法有利于新型能场约束结构件材料和器械的开发，为实现复合材料成形提供一体化制造方法，解决了传统加工方法难以在结构内部加工三维图形、嵌入功能器件的问题；
(2)本发明利用面曝光光固化技术，结合熔融沉积或射流沉积，完成异种材料增材制造，并加入功能器件嵌入或金属拼接工位，可实现复杂能场约束件一体化成形；
(3)将增材制造技术拓展到能场约束结构件的制造，本发明加工出的样件可完全摒弃材料拼接等复杂工序，优化步骤，工艺简单，免装配，生产周期短，尤其适合产品设计研发和小批量生产，为增材制造开辟了一个新的研究领域。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图；
图2是本发明一个实施例中能场约束件增材制造装置示意图；
图3是本发明的旋转工位系统示意图；
图4是本发明的液槽内材料更换系统示意图；
图5是本发明的气流辅助隔离复合材料成形示意图；
图6是本发明的复合材料一体化增材制造样件；
图中：1、面曝光系统，2、A材料液槽，3、清洗槽，4、热风扇，5、射流喷射/挤出模块，6、B材料液槽，7、成形部件工作台，8、材料液槽，9、旋转工位台，10、升降平台。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，以下所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
本发明以面曝光技术成型材料为基体，通过其他方式如熔融沉积或射流沉积等实现异种材料成形，可选择添加功能器件嵌入或金属拼接工位实现功能器件添加等功能，最后得到多功能高分子材料部件。
如图1所示，本发明的基于面曝光复合多材料能场约束件增材制造装置，采用上中下三层结构配置，包括上层的面曝光系统、中层的多工位层和下层的下置层，三层之间通过机械部件如桁架连接呈上中下阶梯配置。其中上层的面曝光系统采用当前DLP紫外数字投影技术，利用405nm光源，选择性的将面光源投射到液槽中在下置层固化成形；多工位层包括清洗槽、材料液槽、热风扇干燥槽、射流喷射/挤出模块等，可以完成多种材料的成形，通过多工位层的旋转切换完成不同工序之间的加工；在下置层的成形部件工作台实现A、B材料及挤出材料的成形，如此循环往复，完成复合多材料能场约束件的成形。本实施例中下置层为成形部件工作台。
其中，多工位层位于光源下方，包括清洗槽、多个材料液槽、热风扇干燥槽和射流喷射/挤出模块，清洗槽采用超声清洗，清洗时间10-15s；热风扇干燥槽采用热风烘干，温度为20-30；℃多个材料液槽内分别盛放不同种类的液态光固化材料，通过工位的选装切换液槽从而完成不同材料的光固化成形；多材料液槽内盛放的液态光固化材料为添加陶瓷、金属颗粒或纤维作为强化相的液态高分子材料，强化相比例不超过15％，可用于多材料成形的材料种类三种以上；多个材料液槽配备加热、散热装置，保证材料液槽内温度满足要求；上层的面曝光系统采用当前DLP紫外数字投影技术，利用405nm光源，选择性的将面光源投射到液槽中在下置层固化成形。
通过多工位切换实现复合多材料的增材制造能场约束件成形。部件适用于能场约束件如海洋传感器等，具有结构电路一体化功能和高可靠性。成形部件能自动切换工位和调整加工高度。采用特殊气流辅助隔离系统，该系统包含专用挤/喷模块，在面曝光固化某单层后，利用双层喷射管路系统，外层利用气流辅助系统将待成形的液态树脂吹开并形成气帘，内层接入异种材料通过喷射方式成形，实现同步成形异种材料。
装置工作原理：面曝光系统提供光源，实现液态树脂的光固化成形能量源，中层的多工位层提供如清洗工位、材料液槽工位、烘干工位、射流喷射/挤出模块等，可实现成形部件的成形、清洗、烘干及功能器件嵌入，各工位之间通过旋转进行切换，下置层成形部件工作台实现材料成形，成形部件工作台可实现上下运动，可在多工位层间进行切换。具体的：在A材料液槽中完成A材料的成形后，下置层的成形部件工作台旋转至清洗槽进行清洗，然后转移至热风扇干燥槽进行干燥，再转入B材料液槽中进行B材料的成形；如中途需要加入其他异种材料时，需要借助气流辅助隔离系统，气流辅助隔离系统包含专用的射流喷射/挤出模块，具体实施步骤为：光固化某层结束后，切换至气流辅助隔离系统，利用射流喷射/挤出模块中双层管路设计，外层接入高压氮气，将待成形区域的液态树脂推开并形成气帘隔绝液态树脂流入，内层接入异种材料通过喷射的方式直接再待沉积区域成形，成形过程在不污染原材料的情况下实现复合材料原位成形。
如图2所示，本发明实施例中旋转工位台设置在升降台上，多个材料液槽均设置在旋转工位台上，成形部件工作台可浸入不同的材料液槽及其他工位，通过旋转工位台的旋转，以及升降平台的升降，实现成形部件工作台在各个材料液槽和其他工位之间的切换，面曝光系统位于成形部件工作台上方，实现光源能量输入。
采用上述装置的能场约束件增材制造方法，包括以下步骤：
(1)运用计算机中的三维建模软件建立所需加工的能场约束件的三维模型，建模完成后保存为STL文件，对模型文件按照不同材料区域需要满足的要求进行分区，不同区域选择不同的加工方式；
(2)将处理好的模型文件导入系统中，系统根据预先设定好的信息选择对应的加工方式；
(3)制造时，将下置层的成形部件工作台置于A材料液槽中，完成A材料的面曝光光固化成形，需要成形B材料时，下置层的成形部件工作台提升，随后下置式工作台随着多工位层依次旋转至清洗槽、热风扇干燥槽，对已成形部分进行清洗、干燥，防止材料件的相互污染，根据实际需要，添加其他工位如功能器件嵌入、金属材料拼接工位，使制备的能场约束件满足不同的需求；对于需要同步成形的异种材料，使用特殊气流辅助隔离系统的射流喷射/挤出模块，外层管路接入高压氮气将成形区域的液态树脂推开并形层气帘隔绝液态树脂流入，内层接入异种材料通过喷射的发过誓直接在待沉积区域成形，成形过程在不污染原材料的情况下实现复合材料原位成形，如此循环往复，完成复合多材料的能场约束件的增材制造；
(4)将加工完成地部件实体取出后，对表面进行处理后测试其内部各部分是否能实现相对应的功能，最终完成能场约束件的加工制备。
本实施例中，具体如下：
1、运用计算机中的三维建模软件建立所需加工的能场约束件(如传感器)的三维模型，建模完成后保存为STL文件。对模型文件按照不同材料区域需要满足的要求进行分区，不同区域选择不同的加工方式。
2、将处理好的模型文件导入打印软件中，软件根据预先设定好的信息选择对应的加工方式，整个过程根据编程可实现自动切换工位调整加工位置。
3、加工过程中，面曝光成形基体时所采用的材料如陶瓷、金属颗粒或纤维作为强化相的液态高分子材料，强化相添加比例不超过15％，可选择的液态高分子材料种类三种以上。面曝光系统采用高效高精度阵列式亚像素扫描大尺寸面成形技术，在微透射阵列聚焦专利技术基础上实现高效高精度成形。
4、如图3和图4所示，在成形一种类型的液态高分子基材料后，可根据实际需求继续进行该种液态高分子基材料成形或者切换至另一工位进行另外一种液态高分子基材料的材料，切换液槽前，需要对已成形部分进行清洗、干燥，以防止材料间的相互污染，如此循环往复，实现多材料增材制造。除此之外，可根据实际需要，添加其他工位如功能器件嵌入、金属材料拼接工位，使制备的能场约束件产品能满足不同的需求
5、如图5为气流辅助隔离复合材料成形示意图。对于需要同步成形的异种材料，在固化完某单层结束后，切换至射流喷射沉积系统，使用气流辅助隔离系统，运用专用挤/喷模块，外层接入高压氮气，待成形区域的液态树脂吹开并形成气帘隔绝液态树脂流入，内层接入异种材料通过喷射的方式直接在待沉积区域成形，成形过程在不污染原材料的情况下实现复合材料原位成形。
6、将加工完成地部件实体取出后，对表面进行处理后测试其内部各部分是否能实现相对应的功能，最终完成能场约束件的加工制备。如图6所示，为本发明的复合材料一体化增材制造样件。
综上所述，本发明基于面曝光复合多材料能场约束件制造方法，利用多工位切换系统，采用三层旋转结构设计，搭配多功能工作平台。本发明高效地利用了成型空间，旋转结构的设计，节约了成形空间，降低了成本，整个系统结构紧凑。