一種基于激光技術的絲材增減材一體化成形系統及方法技術方案

本發明專利技術屬于絲材增材制造領域，并公開了一種基于激光技術的絲材增減材一體化成形系統及方法。該系統包括第一機器人、第二機器人、第一激光器、送絲機構、第二激光器和測量裝置，第一機器人與第一激光器和送絲機構連接，并按照預設軌跡運動帶動第一激光器和送絲機構運動，以此實現增材制造過程；測量裝置一方面實時監測成形產品的三維結構，以此確定減材制造的位置和減材尺寸，另一方面測量成形產品的實時溫度確定減材制造的時間節點；第二機器人與第二激光器連接用于對成形產品進行減材制造。通過本發明專利技術，解決FDM設備常見的噴頭易堵塞、使用壽命短等問題，實現增材制造和減材制造的同時進行，提高加工效率和加工精度。

An Integrated Forming System and Method for Wire Increasing and Reducing Materials Based on Laser Technology

The invention belongs to the filed of wire material increment manufacturing, and discloses an integrated forming system and method of wire material increment and reduction based on laser technology. The system includes the first robot, the second robot, the first laser, the wire feeding mechanism, the second laser and the measuring device. The first robot is connected with the first laser and the wire feeding mechanism, and drives the first laser and the wire feeding mechanism according to the preset trajectory motion, so as to realize the process of adding material. On the one hand, the measuring device monitors the three-dimensional structure of the forming product in real time, so as to realize the manufacturing process. On the other hand, the real-time temperature of the formed product is measured to determine the time node of the reduced material manufacturing. The second robot is connected with the second laser for the reduced material manufacturing of the formed product. The invention solves the common problems of easy blockage and short service life of the sprinkler of FDM equipment, realizes the simultaneous production of increasing material and reducing material, and improves the processing efficiency and accuracy.

【技術實現步驟摘要】
一種基于激光技術的絲材增減材一體化成形系統及方法
本專利技術屬于絲材增材制造領域，更具體地，涉及一種基于激光技術的絲材增減材一體化成形系統及方法。
技術介紹
在聚合物增材制造領域中，熔融沉積成形(FDM)技術由于其運行成本低、成形材料廣泛、后處理簡單等優點具有重要的地位，在FDM成形過程中，聚合物絲材由送絲機構運送至噴嘴并被加熱至熔融態，擠出后在空氣中固化成形。目前，FDM技術仍存在如下不足之處：(1)打印過程中經常出現熱噴頭堵塞的現象，這主要是送絲速率和絲材熔化速率不匹配造成的，未熔化的絲材深入到已熔化但尚未擠出的熔融態材料中，導致熔融態材料溢出至進料端空隙處降溫固化，從而造成噴頭堵塞。專利技術專利CN104118121A公開了一種FDM打印機的防堵打印噴頭，通過加入薄型加熱鋁塊、T型預熱鋁塊和恒溫鋁塊，使加熱空間大為減少、絲材熔融快，在一定程度上解決了噴頭堵塞問題。但是，這種防堵塞噴頭加入了多個鋁塊和溫度傳感器等多個零部件導致結構復雜，難以精確加工，并且絲材性能不均勻、常含有雜質、凝固異常等因素也會導致噴頭堵塞，這種情況下前文所述防堵打印噴頭無法解決；(2)打印噴頭往往會殘存熔融態的材料，冷卻后便固化留在噴嘴處，由于打印噴嘴一般為0.4mm且為打印噴頭的關鍵部位，導致殘留的材料清理困難，清理操作不當還會損壞噴嘴，從而嚴重影響打印精度；(3)若打印的零件結構復雜、尺寸較大，打印噴頭將會長時間工作在較高溫度(常見的ABS、PLA打印溫度為200℃左右)下，這將影響打印噴頭的使用壽命；(4)成形過程的靈活性和柔性有待提高。絲材擠出為豎直方向，通過升降臺下降的方法完成產品高度方向的成形，這樣的加工過程靈活性和柔性均較低，限制了產品精度的進一步提高；此外，FDM的成形精度有待進一步提高，激光由于具有方向性好、亮度高、單色性好等特點而得到廣泛應用，切削加工有利于提高產品的精度，激光作為“最快的刀”常用于激光切割，是一種優質的切削工具，但是，減材制造的時機很重要，熔融后剛剛固化的聚合物絲材溫度仍較高，具有一定的粘彈性，因此不能在絲材固化后立刻進行減材制造，具體的在什么時機、什么位置進行減材制造需要精確確定。
技術實現思路
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本專利技術提供了一種基于激光的絲材增減材一體化成形系統及方法，通過將激光增材制造和減材制造集成在一個系統中，實現了增材制造和減材制造的同時進行，同時通過采用測量裝置確定了減材制造的時間節點、位置和減材尺寸，以此實現增材和減材制造的無縫銜接，提高加工效率和加工精度，另外，增材制造中將擠出和激光熔融分開進行，減少擠出噴頭堵塞的風險，延長噴頭使用壽命。為實現上述目的，按照本專利技術的一個方面，提供了一種基于激光技術的絲材增減材一體化成形系統，其特征在于，該系統包括第一機器人、第二機器人、第一激光器、送絲機構、第二激光器和測量裝置，其中：所述第一機器人與所述第一激光器和送絲機構連接，所述送絲機構用于將待成形絲材擠出，所述第一激光器用于發射激光將所述擠出的絲材熔融，所述第一機器人按照預設軌跡運動，帶動所述第一激光器和送絲機構運動，以此實現待成形絲材的增材制造過程，其中，通過將所述第一激光器的的激光頭和所述送絲機構的擠出單元一同固定在所述機器人末端的連接板上，并使得所述激光頭發出的激光始終指向所述擠出的絲材，保證絲材的擠出和熔融同步進行；所述測量裝置一方面用于實時監測所述增材制造過程中成形產品的三維結構，并將其與所需產品的三維結構進行對比以確定二者之間的差異，根據該差異確定減材制造的位置和相應的減材尺寸，另一方面所述測量裝置還用于測量成形產品的實時溫度，根據該溫度確定開始進行減材制造的時間節點；所述第二機器人與所述第二激光器連接，所述第二激光器用于對成形產品進行減材制造，所述第二機器人用于攜帶所述第二激光器到達所述減材制造的位置。進一步優選地，所述系統還包括變位器，該變位器是成形所需產品的成形平臺，具備水平和豎直方向的自由度，用于調整成形產品的成形角度，以同時配合兩個機器人的運動，便于加工。進一步優選地，所述第一機器人和第二機器人結構相同，均為多軸機器人。進一步優選地，所述第一激光器和第二激光器的激光均采用光纖傳輸，并且該激光器的參數可調，以適應加工不同的絲材。進一步優選地，所述測量裝置包括非接觸式三維掃描器和溫度傳感器，分別用于成形產品的三維結構和溫度。進一步優選地，所述擠出單元的末端設置有牽引單元，包括牽引板和兩個相對設置的定滑輪，絲材從相對所述設置的定滑輪之間擠出，所述牽引板用于連接所述牽引單元和擠出單元。按照本專利技術的另一個方面，提供了一種上述所述的系統的制造方法，其特征在于，該制造方法包括下列步驟：(a)構建待成形產品的三維模型，將該三維模型進行體素切片，獲得該待成形產品的多個數據點集和每個數據點的位置信息，根據根據每個點的位置信息設定所述第一機器人的運動軌跡；(b)所述第一機器人攜帶所述第一激光器和送絲機構運動，以此進行成形產品的增材制造，所述測量裝置實時測量所述增材制造所需產品的三維結構的空間尺寸，并與所需產品的三維模型的尺寸對比以獲得差異，根據該差異確定減材制造的位置和相應的減材尺寸，同時還測量成形產品的實時溫度，根據該溫度確定減材制造的時間節點；(c)所述第二機器人攜帶所述第二激光器運動至所述述減材制造的位置，并根據確定的減材制造的位置、尺寸和時間節點采用激光對成形產品進行減材制造；由此實現增材和減材制造的一體化成形。總體而言，通過本專利技術所構思的以上技術方案與現有技術相比，由能夠取得下列有益效果：1、本專利技術采用兩個機器人和兩個激光器，實現增材制造和減材的同時進行，即增減材的一體化制造，提高了成形件的形狀精度和尺寸精度，在整個成形的過程中，增材加工和減材制造是同時進行的，兩者相對獨立、相互配合，顯著提高加工效率；2、本專利技術中通過采用兩個機器人分別連接旋轉噴頭和激光器，使得絲材的熔融從擠出模塊中分離出來，進而使得擠出和熔融分開，避免二者同時進行時堵塞噴頭，減少噴頭清洗的難度，延長噴頭使用壽命；3、本專利技術中通過采用測量裝置，實時測量增材制造成形產品三維結構的空間尺寸和溫度，以此確定減材制造的位置，尺寸和時間節點，為減材制造的進行提供依據，進一步提高了待成形產品的精度；4、本專利技術中通過采用變位器作為工作臺面，其中工作臺面能在水平和豎直方向旋轉，實現產品逐點成體的成形過程，另外，在成形產品的某個角落位置時，通過調整所述變位器的角度，使得擠出模塊擠出絲材時的更易擠出，由此使得當成形精細、復雜的結構或送絲遇到阻礙時，降低成形難度，提高成形中的靈活性和準確性。5、本專利技術中通過采用兩個機器人、變位器、光纖傳輸的激光等裝置極大地提高了制造系統的加工柔性，有利于成形過程穩定性的提高和最終產品精度的提高。附圖說明圖1是按照本專利技術的優選實施例所構建的一種基于激光技術的絲材增減材一體化成形系統的結構示意圖；圖2是按照本專利技術的優選實施例所采用的第一機器人的結構示意圖；圖3是按照本專利技術的優選實施例所采用的變位器的結構示意圖；圖4是按照本專利技術提供的制造方法所構建的測量裝置的結構示意圖。在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-第一機器人2-第二機器人3-變位器31-水平旋轉本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種基于激光技術的絲材增減材一體化成形系統，其特征在于，該系統包括第一機器人(1)、第二機器人(2)、第一激光器(5)、送絲機構(9)、第二激光器(7)和測量裝置(4)，其中：所述第一機器人(1)與所述第一激光器(5)和送絲機構(9)連接，所述送絲機構(9)用于將待成形絲材擠出，所述第一激光器(5)用于發射激光將所述擠出的絲材熔融，所述第一機器人(1)按照預設軌跡運動，帶動所述第一激光器(5)和送絲機構(9)運動，以此實現待成形絲材的增材制造過程，其中，通過將所述第一激光器(5)的激光頭(6)和所述送絲機構(9)的擠出單元一同固定在所述機器人末端的連接板上，并使得所述激光頭發出的激光始終指向所述擠出的絲材，保證絲材的擠出和熔融同步進行；所述測量裝置(4)一方面用于實時監測所述增材制造過程中成形產品的空間尺寸，并將其與所需產品的三維模型的尺寸進行對比以確定二者之間的差異，根據該差異確定減材制造的位置和相應的減材尺寸，另一方面所述測量裝置還用于測量成形產品的實時溫度，根據該溫度確定開始進行減材制造的時間節點；所述第二機器人(2)與所述第二激光器(7)連接，所述第二激光器用于對成形產品進行減材制造，所述第二機器人用于攜帶所述第二激光器到達所述減材制造的位置。...

【技術特征摘要】
1.一種基于激光技術的絲材增減材一體化成形系統，其特征在于，該系統包括第一機器人(1)、第二機器人(2)、第一激光器(5)、送絲機構(9)、第二激光器(7)和測量裝置(4)，其中：所述第一機器人(1)與所述第一激光器(5)和送絲機構(9)連接，所述送絲機構(9)用于將待成形絲材擠出，所述第一激光器(5)用于發射激光將所述擠出的絲材熔融，所述第一機器人(1)按照預設軌跡運動，帶動所述第一激光器(5)和送絲機構(9)運動，以此實現待成形絲材的增材制造過程，其中，通過將所述第一激光器(5)的激光頭(6)和所述送絲機構(9)的擠出單元一同固定在所述機器人末端的連接板上，并使得所述激光頭發出的激光始終指向所述擠出的絲材，保證絲材的擠出和熔融同步進行；所述測量裝置(4)一方面用于實時監測所述增材制造過程中成形產品的空間尺寸，并將其與所需產品的三維模型的尺寸進行對比以確定二者之間的差異，根據該差異確定減材制造的位置和相應的減材尺寸，另一方面所述測量裝置還用于測量成形產品的實時溫度，根據該溫度確定開始進行減材制造的時間節點；所述第二機器人(2)與所述第二激光器(7)連接，所述第二激光器用于對成形產品進行減材制造，所述第二機器人用于攜帶所述第二激光器到達所述減材制造的位置。2.如權利要求1所述系統，其特征在于，所述系統還包括變位器(3)，該變位器是成形所需產品的成形平臺，具備水平和豎直方向的自由度，用于調整成形產品的成形角度以同時配合兩個機器人的運動，便于加工。3.如權利要求1或2所述系統，其...

【專利技術屬性】
技術研發人員：閆春澤，伍宏志，史玉升，文世峰，張李超，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北,42