一种多材料喷嘴沉积系统及沉积方法与流程

本发明涉及3d打印技术领域，特别是涉及一种多材料喷嘴沉积系统及沉积方法。

背景技术：

目前，3d打印技术已经被大多数人接受，并且展开了很多的设计与研究。但是到目前为止大多数rp&m系统只能使用单一构建材料进行制作，而精确度、重复性和可靠性问题也难以得到确切的保证。

商业市场的研究差距分析和目前正在进行的研究清楚地表明，需要多材料rp&m系统。虽然rp&m的商业市场没有可行的解决方案可用于多材料制造，但是目前在这一领域进行的研究侧重于开发多材料沉积设备，可用于沉积两种材料或沉积fgm材料。目前，国内外在两种构造材料的物体的多材料制造领域已经取得了一些进展，然而，还没有设计用于沉积多于两种构建材料的沉积设备。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种多材料喷嘴沉积系统及沉积方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多材料喷嘴沉积系统及沉积方法，其可以沉积多于两种构建材料，且打印速度快、精度高、质量好。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种多材料喷嘴沉积系统，所述系统包括集成有多个喷嘴的多材料沉积头、与多材料沉积头相连并用于驱动喷嘴旋转的喷嘴旋转装置、以及用于固化材料的uv光源，所述多材料沉积头包括若干喷嘴、与喷嘴相连的材料沉积管道、以及与材料沉积管道相连的材料进给管道，喷嘴、材料沉积管道、以及材料进给管道为一一对应安装，以分别形成各个用于进行材料沉积的通道。

作为本发明的进一步改进，系统还包括沉积平台、以及位于沉积平台上方的旋转平台，所述喷嘴位于沉积平台的上方，旋转平台上设有若干安装孔以固定安装各个材料沉积管道。

作为本发明的进一步改进，喷嘴呈圆周等距离均匀分布于沉积平台上方，旋转平台上设有若干呈圆周等距离均匀分布的安装孔用于对应安装所述材料沉积管道。

作为本发明的进一步改进，多材料沉积头包括7个喷嘴、7个材料沉积管道和7个材料进给管道。

作为本发明的进一步改进，喷嘴旋转装置包括伺服电机及旋转皮带，伺服电机通过旋转皮带连接于集成有若干喷嘴的旋转平台的侧边。

作为本发明的进一步改进，伺服电机顺时针或逆时针旋转所述旋转平台，旋转平台顺时针或逆时针的最大旋转角度为180度以控制喷嘴的位置。

作为本发明的进一步改进，uv光源包括连接于材料沉积管道外侧的第一uv光源和集成于材料沉积管道上的第二uv光源。

作为本发明的进一步改进，第一uv光源为主uv光源，用于立即固化大量的材料体积；第二uv光源32为uv点光源，由集成在沉积控制组件的uv射灯提供，用于精确固化小体积沉积。

相应地，一种多材料喷嘴沉积系统的沉积方法，所述多材料喷嘴沉积系统为基于sla式的多材料喷嘴沉积系统，沉积方法具体包括：

首先采用直接切片算法技术，通过计算每个切片的起点和终点，将剪切层的所有部分组合在一起；

在找到段的序列之后，生成一个封闭的nurbs曲线来表示基于opencascade基础的切割层的轮廓；

然后根据各切割层的轮廓，通过喷嘴旋转装置控制多材料沉积头的位置，并进行多材料沉积及uv固化。

作为本发明的进一步改进，所述沉积方法还包括：

根据公式控制每个喷嘴所需的压力，其中，p为喷嘴的压力，v为沉积流速，η为效率，l为喷嘴长度，t为单位时间，r为喷嘴直径。

本发明的有益效果是：

本发明可以沉积多于两种构建材料，能够打印多于两种材料的零部件；

本发明设置伺服电机带动喷嘴旋转，能够实现多材料零部件的精确打印；

本发明在打印喷嘴外侧设置有第一uv光源，可以实现材料的大体积固化，提高打印速度；在沉积控制组件上集成了第二uv光源，可以形成uv光斑，用于精确固化小体积沉积，以通过将固化源瞄准特定材料体积来加速固化过程，提高打印质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一具体实施例中多材料喷嘴沉积系统的立体结构示意图；

图2为本发明一具体实施例中材料沉积管道的侧视结构示意图；

图3a、3b分别为本发明一具体实施例中顶盖组件的立体结构示意图和爆炸结构示意图；

图3c为本发明一具体实施例中压板组件的立体结构示意图；

图3d为本发明一具体实施例中沉积控制组件的立体结构示意图；

图4a、4b分别为本发明一具体实施方式中吊门关闭及打开的示意图；

图4c为本发明一具体实施方式中无材料施加的压力时吊门的控制原理图；

图5a、5b分别为本发明中采用第一uv光源和第二uv光源的固化示意图；

图6a为本发明一具体实施方式中多于两个材料沉积在相同的层中的沉积示意图；

图6b、6c分别为采用第一uv光源和第二uv光源对图6a中的沉积层进行固化的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明一具体实施方式中公开了一种多材料喷嘴沉积系统，其包括集成有多个喷嘴的多材料沉积头10、与多材料沉积头相连并用于驱动喷嘴旋转的喷嘴旋转装置20、以及用于固化材料的uv光源。

本发明中的多材料沉积头10包括若干喷嘴11、与喷嘴11相连的材料沉积管道12、以及与材料沉积管道12相连的材料进给管道13，喷嘴11位于沉积平台15的上方，沉积平台15正上方设有旋转平台16，旋转平台16上设有若干安装孔(未标号)以固定安装各个材料沉积管道12，材料进给管道13与材料沉积管道12相连通安装，以为材料沉积管道12进行沉积材料的进给。优选地，本发明中的喷嘴11、材料沉积管道12、以及材料进给管道13为一一对应安装，以分别形成各个用于进行材料沉积的通道。

本发明的优选实施方式中以7个喷嘴11、7个材料沉积管道12和7个材料进给管道13为例进行说明，7个喷嘴11呈圆周等距离均匀分布于沉积平台15上方，旋转平台16上设有7个呈圆周等距离均匀分布的安装孔用于对应安装7个材料沉积管道12。通过7个喷嘴，可以打印两种或两种以上的多材料部件。优选地，多材料喷嘴沉积系统所沉积的材料是光聚合物树脂，当然，在其他实施方式中也可以采用其他能够进行uv的材料。

应当理解的是，在其他实施方式中喷嘴、材料沉积管道、及材料进给管道的数量可以设置为2个或2个以上的其他数量，喷嘴、材料沉积管道、及材料进给管道同样为一一对应设置，即可以打印两种或两种以上的多材料部件。喷嘴在沉积平台上方的排布、及安装孔在旋转平台上的排布也可以采用其他均匀或非均匀的排布方式，而不限于本实施方式中的圆周等距离均匀分布，此处不再一一举例进行说明。

结合图2、图3a～3d所示，本实施方式中的材料沉积管道12包括位于材料沉积管道顶部的顶盖组件121、位于材料沉积管道中间位置的压板组件122、以及位于材料沉积管道下方的沉积控制组件123。

具体地，材料沉积管道12由上述组件分为密封压力室1201和材料存储室1202。密封压力室1201上端由三个橡胶密封件组成了一个带有材料和气压管道的卡扣组合式顶盖组件121，密封压力室1201与材料存储室1202中间设置有一多用途压板组件122，材料存储室1202下端靠近喷嘴处设置有一沉积控制组件123。

参图2并结合3a、3b所示，顶盖组件121包括顶盖本体1211、位于顶盖本体1211下方的橡胶垫1212、及位于顶盖本体1211和橡胶垫1212下方的材料管道1213和气压管道1214，顶盖本体1211和橡胶垫1212上设有分别用于连通材料管道1213和气压管道1214的第一通孔1215和第二通孔1216。顶盖组件121的各个部件均为橡胶件，可以保证密封压力室1201上方的气密性。

参图2并结合图3c、图4a～4c所示，通过压板组件122可将材料沉积管道12分为密封压力室1201和材料存储室1202，压板组件122包括压板主体1221、嵌设于压板主体1221内的橡胶压板1222、位于橡胶压板1222下方且嵌设于压板主体1221内的吊门组件，吊门组件可包括吊门外壳(未图示)及吊门1223，吊门1223可根据密封压力室1201中材料施加的压力和材料存储室1202的反向压力进行关闭。

参图4a所示，当材料施加的压力未达到吊门1223打开的压力阈值时，吊门1223处于关闭状态；参图4b所示，当材料施加的压力达到吊门1223打开的压力阈值时，吊门1223处于打开状态。参图4c所示，当无材料施加的压力时，吊门1223的状态由密封压力室1201中的空气压力和材料存储室1202的反向压力决定，当材料存储室1202的反向压力大于密封压力室1201中的空气压力时，吊门1223处于关闭状态，反之，吊门1223处于打开状态。

进一步地，压板组件122还包括在进料过程中打开的材料检修门，当压力施加在压板组件上时，材料检修门关闭。

参图2并结合图3d所示，本实施方式中的沉积控制组件123由一个电磁体系统组成，当被激活时，可以连续地或者在液滴形成中沉积材料。具体地，沉积控制组件123包括外壳盖1231、本体1232、安装于本体1232侧边的电磁铁1233、以及安装于外壳盖1231下方本体1232内的沉积触发器(未图示)和弹簧(未图示)。外壳盖1231、本体1232和沉积触发器上设有若干对应的材料进孔，外壳盖1231和本体1232上的材料进孔始终处于对齐状态，而通过控制沉积触发器的材料进孔的状态控制材料沉积。

沉积控制组件123的工作原理为：

当电磁铁1233未被激活时，弹簧将沉积触发器从本体1232的材料进孔中推开；当电磁铁1233被激活时，沉积触发器朝向电磁铁1233移动，移动过程中，沉积触发器上的材料进孔与外壳盖1231和本体1232上的材料进孔对齐以进行材料沉积。

应当理解的是，本实施方式中的多材料沉积头以应用于多材料喷嘴沉积系统为例进行说明，当然，在其他实施方式中，多材料沉积头同样可以应用于其他的喷嘴沉积系统，此处不再举例进行详细说明。

参图1所示，本实施方式中的喷嘴旋转装置20包括伺服电机21及旋转皮带22，伺服电机21通过旋转皮带22连接于集成有若干喷嘴的旋转平台16的侧边，伺服电机21可以顺时针或逆时针旋转旋转平台16及喷嘴，最大旋转角度为180度以控制喷嘴的位置，并设计有配套算法以控制伺服电机的运转来实现多材料部件的有序打印任务。

参图1并结合图5a、5b所示，本实施方式中的uv光源包括连接于沉积控制组件123外侧的第一uv光源31和集成于沉积控制组件123上的第二uv光源32。其中，第一uv光源31为主uv光源，用于立即固化大量的材料体积，可以加快材料的固化速率提高打印速度；第二uv光源32为uv点光源，由集成在沉积控制组件123的uv射灯提供，用于精确固化小体积沉积，以通过将固化源瞄准特定材料体积来加速固化过程。

本发明中的沉积系统为基于sla式的多材料喷嘴沉积系统，其设有配套的沉积控制方法，具体为：

首先采用直接切片算法技术，通过计算每个切片的起点和终点，将剪切层的所有部分组合在一起；

在找到段的序列之后，生成一个封闭的nurbs曲线来表示基于opencascade基础的切割层的轮廓；

然后根据各切割层的轮廓，通过喷嘴旋转装置控制多材料沉积头的位置，并进行多材料沉积及uv固化。

本实施方式中多材料喷嘴沉积系统进行材料沉积时的具体步骤如下：

1、进料装置开启，开始将材料从进料槽泵经由材料进给管道送到材料存储室。每个材料进给管道专用于特定材料，其一端连接到材料源罐，而另一端连接到压板组件。进料装置借助于连接在专用泵上的曲轴泵送材料，当材料存储室充满时，进料装置关闭。

2、在每个喷嘴的材料存储室填充满所需的多种材料和支撑材料之后，沉积装置开始沉积工艺。打开空气压缩机，并保持压板组件上的恒定压力。需要控制每个喷嘴所需的压力，并且可以使用从poiseulle定律得到的以下公式来计算：

其中，p为喷嘴的压力，v为沉积流速，η为效率，l为喷嘴长度，t为单位时间，r为喷嘴直径。沉积流速由施加在压力组件上的压力控制，每个喷嘴的压力取决于喷嘴尖端的材料性质和几何形状。因此，每个喷嘴的压力根据所需的流量进行调节。

3、通过靠近喷嘴沉积系统，移动z轴来进行第一次沉积。z轴的运动由伺服电机控制，伺服电机可以向上或向下移动z轴。

4、对第一次沉积调节喷嘴装置，首先选择所需的材料喷嘴，七个喷嘴安装在连接到伺服电机的旋转盘上，伺服电机可以顺时针和逆时针旋转喷嘴180°。

5、调整z轴后，进行沉积控制，并选择喷嘴进行第一次材料沉积以进行连续沉淀或沉降沉积。当在预处理期间限定材料工具路径时，预定义沉积控制致动。沉积控制使得可以精确地控制材料沉积量，重要的是要了解流量由压力板施加的压力控制，然而沉积模式(连续或下降)由沉积控制组件控制。为了质量和精度，压力机构和沉积控制都需要完美协调。

6、材料沉积过程之后是逐层完成的固化过程。然而，当多层材料沉积时，需要对层中的每种材料进行固化。材料固化过程可以通过使用主uv光源或uv点光源来完成，这取决于需要固化的材料数量、几何形状和面积。当多种材料以少量和更频繁地沉积时，根据材料性质和光引发剂强度，不同的材料将需要不同的uv光强度，所以不可能使用主uv光源来固化，因此uv点光源被使用。uv点光源处理与主uv光源相比较慢，但更精确，易于控制。

参图6a所示，当多于两个材料沉积在相同的层中时，则不可能使用图6b中的第一uv光源31为(主uv光源)来固化，因为不同的材料将需要不同的uv光强度来固化。在这种情况下，主uv光源固化可能导致材料过度固化，同时在同一层下固化另一种材料，这将对固化层产生几何缺陷。为了解决这个问题，参图6c所示，可使用第二uv光源32(uv点光源)，其可为集成的紫外线聚光灯，这可能增加固化过程的时间，但是当在同一层中固化多种材料时，会提供更好的控制和精度。当第一层固化时，z轴向下移动，允许下一层沉积开始并重复循环，直到物体全部沉积固化完成。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明可以沉积多于两种构建材料，能够打印多于两种材料的零部件；

2、本发明设置伺服电机带动喷嘴旋转，能够实现多材料零部件的精确打印；

3、本发明设置了独特的压板组件，可以快速、稳定的实现外部材料的进给；

4、本发明设置了沉积控制组件，该组件由一个电磁体系统组成，当被激活时可以连续地或者在液滴形成中沉积材料，能够实现材料的精确控制和沉积；

5、本发明在打印喷嘴外侧设置有第一uv光源，可以实现材料的大体积固化，提高打印速度；在沉积控制组件上集成了第二uv光源，可以形成uv光斑，用于精确固化小体积沉积，以通过将固化源瞄准特定材料体积来加速固化过程，提高打印质量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。