增减材复合制造设备

1.本发明涉及陶瓷精密加工制造技术领域，尤其涉及一种增减材复合制造设备。


背景技术：

2.直写式增材制造(3d打印)技术基于“离散-堆积原理”能够实现三维立体结构的成型，由于直写式增材制造技术具有结构简单、成本低、可长时间持续工作等特点，使其被广泛的应用于塑料、树脂、金属和陶瓷等材料的增材制造技术领域。
3.为了确保直写式增材制造的精度和效率，目前采用在直写式增材制造设备上同时集成增材装置和减材装置。首先由增材装置将材料打印在直写式增材制造设备的工件台上，以形成三维实体的毛坯工件，并且在打印的同时留有一定的余量。接着通过工件台将毛坯工件移动至减材工作区，并由减材装置对毛坯工件进行精加工，使得工件的尺寸精度更高，表面质量更加精细。
4.但是，现有技术中由于直写式增材制造设备中的增材装置和减材装置相互独立运动，导致直写式增材制造设备的误差较大，工作效率较低。


技术实现要素：

5.本发明提供一种增减材复合制造设备，能够通过同一套运动控制系统同时实现增材和减材，有效的减小了增减材制造过程中产生的误差，提高了工作效率。
6.本发明提供一种增减材复合制造设备，包括机架、复合打印机构和驱动机构，机架上具有工作台，复合打印机构包括打印头和打印头驱动组件，打印头驱动组件与打印头连接，以驱动打印头旋转；
7.驱动机构设置在机架上，驱动机构与打印头驱动组件连接，以通过打印头驱动组件驱动打印头相对于工作台移动，打印头用于向工作台上涂布打印材料，并精修打印材料。
8.在一种可能的实现方式中，本发明提供的增减材复合制造设备，复合打印机构还包括供料组件，供料组件与打印头驱动组件连通，打印头驱动组件与打印头连通，以使供料组件通过打印头驱动组件为打印头提供打印材料。
9.在一种可能的实现方式中，本发明提供的增减材复合制造设备，打印头包括打印头本体和多条刀刃，打印头本体上具有输送打印材料的输料孔，输料孔的延伸方向与打印头本体的延伸方向一致，刀刃绕打印头本体的外周侧设置，刀刃用于精修打印材料。
10.在一种可能的实现方式中，本发明提供的增减材复合制造设备，打印头本体包括连接部和铣削部，连接部与铣削部同轴连接，连接部用于与打印头驱动组件连接，输料孔包括第一输送孔和第二输送孔，第一输送孔与第二输送孔连通，第一输送孔位于连接部内，且第一输送孔的轴线与连接部的轴向重合，第二输送孔位于铣削部内，且第二输送孔的轴线与铣削部的轴向重合，刀刃呈螺旋状绕设铣削部的外周侧。
11.在一种可能的实现方式中，本发明提供的增减材复合制造设备，第二输送孔为锥形孔，第二输送孔的大径端朝向第一输送孔，且第二输送孔的大径端与第一输送孔连通，第
二输送孔的大径端的内径与第一输送孔的内径相等。
12.在一种可能的实现方式中，本发明提供的增减材复合制造设备，打印头驱动组件为驱动电机，驱动电机包括电机本体、电机壳体和中空轴，电机本体和中空轴连接，以驱动中空轴旋转，电机壳体罩设在电机本体和中空轴上；
13.部分中空轴位于电机壳体罩外，且与连接部同轴插接。
14.在一种可能的实现方式中，本发明提供的增减材复合制造设备，供料组件包括打印材料容器和阀门，打印材料容器具有容纳腔，容纳腔用于容纳打印材料，打印材料容器具有进料通道和出料通道，进料通道和出料通道均与容纳腔连通，出料通道与中空轴连通，阀门用于关闭或打开出料通道。
15.在一种可能的实现方式中，本发明提供的增减材复合制造设备，阀门包括阀体和阀头，阀头与阀体连接，阀体与电机壳体连接，阀体部分插设于容纳腔内，阀头和部分阀体位于出料通道内；
16.打印材料容器可朝向打印头驱动组件移动，以使阀头封堵出料通道，或者打印材料容器可朝向背离打印头驱动组件的方向移动，以使阀头打开出料通道。
17.在一种可能的实现方式中，本发明提供的增减材复合制造设备，出料通道的内侧壁呈锥型，出料通道的大径端朝向容纳腔，且与容纳腔连通，阀头呈球状；
18.出料通道的外侧壁呈锥型，出料通道部分插设在中空轴内。
19.在一种可能的实现方式中，本发明提供的增减材复合制造设备，打印材料为浆料；
20.还包括固化光源，固化光源用于产生固化光线，以使工作台上的打印材料固化。
21.本发明提供一种增减材复合制造设备，通过在机架上设置复合打印机构，以将增减材制过程中的增材装置和减材装置集成在同一套运动控制系统上，能够通过同一套运动控制系统同时实现增材和减材，这样可以节省一套运动控制系统，减少了增减材复合制造设备中的运动轴的数量，降低了增减材复合制造设备的制造成本，使得增减材复合制造设备的系统较为简单，增减材复合制造设备的工作效率明显提高。同时还可以有效节省增材喷头和减材铣刀找准对齐的工序，有效的降低了增减材复合制造设备的误差。通过设计采用中空结构的打印头，以使打印头能够兼具有打印材料和对打印后的材料进行精修的功能，这样可以有效提升增减材复合制造设备在增材和减材工艺切换时的效率和精度，以使打印材料的加工余量减小，避免浪费过多的打印材料。
附图说明
22.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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
23.图1为本发明提供的增减材复合制造设备的结构示意图；
24.图2为本发明提供的增减材复合制造设备中复合打印机构的结构示意图；
25.图3为本发明提供的增减材复合制造设备中打印头的结构示意图；
26.图4为图3的剖面视图；
27.图5为本发明提供的增减材复合制造设备中阀门与中空轴的连接状态示意图；
28.图6为本发明提供的增减材复合制造设备中阀门与中空轴的分离状态示意图。
29.附图标记说明：
30.100-机架；110-工作台；120-支撑件；
31.200-复合打印机构；
32.210-打印头；211-打印头本体；212-刀刃；213-输料孔；
33.2111-连接部；2112-铣削部；2131-第一输送孔；2132-第二输送孔；
34.220-打印头驱动组件；221-电机本体；222-电机壳体；223-中空轴；224-电极；225-转子线圈；226-定子永磁体；
35.230-供料组件；231-打印材料容器；232-阀门；
36.2311-容纳腔；2312-进料通道；2313-出料通道；2321-阀体；2322-阀头。
具体实施方式
37.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
38.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
39.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
40.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
41.此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或维护工具不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或维护工具固有的其它步骤或单元。
42.直写式增材制造(3d打印)技术基于“离散-堆积原理”能够实现三维立体结构的成型，由于直写式增材制造技术具有结构简单、成本低、可长时间持续工作等优点，使其被广泛的应用于塑料、树脂、金属和陶瓷等材料的增材制造技术领域。
43.为了确保直写式增材制造的精度和效率，目前采用在直写式增材制造设备上同时集成增材装置和减材装置，以使直写式增材制造设备兼具有增材和减材两个相对独立的功能。
44.其中，增材类似于熔融挤出式3d打印机。首先在计算机中建立待制造工件的三维
实体模型，利用切片软件进行分层切片，生成增材装置中的浆料挤出头的运行路径代码。然后由3d打印机进行增材制造，由直写式增材制造设备中的xy运动轴带动挤出头移动的同时挤出浆料，在平面上完成第一层截面的打印，随后z轴带动挤出头上升一个层高，再在第一层的基础上完成第二层的打印。如此往复循环，完成整个三维实体的打印。增材打印形成的为待制造工件的毛坯，因此需要在预设的净尺寸的基础上额外打印出一些余量，以便为后续减材工序预留出一定的切削余量。
45.减材即为对增材打印形成的待制造工件的毛坯进行精加工，为了确保减材时的精度，通常增材完成的待制造工件的毛坯并不会被取下，而是被工件台带动至减材工作区进行精加工。减材装置中的铣刀通过xyz三轴运动机构，或者是xyz三个平动轴加上ac两个转动轴的五轴联动机构，对已经增材完成的待制造工件的毛坯进行精加工，使得待制造工件的尺寸精度更高，表面质量更加精细。
46.但是，由于直写式增材制造设备中的增材装置和减材装置通常是由不同的直线运动轴带动工作的，因此在对增材装置中的挤出头和减材装置中的铣刀给出去往同一位置的指令时，难免会因为两套不同的运动系统之间的系统特性差异，以及装配平行度之间的问题，使得挤出头和铣刀难以真正到达同一位置，进而就会产生对刀误差。由于装配精度的问题，不同位置处的对刀误差并不一定是常数。因此，难以通过补偿来对误差进行修正，只能在增材过程中预留出更大的加工余量，这样就会导致直写式制造设备的误差较大，工作效率较低。
47.基于此，本技术提供一种增减材复合制造设备，能够通过同一套运动控制系统同时实现增材和减材，有效的减小了增减材制造过程中产生的误差，提高了工作效率。
48.图1为本发明提供的增减材复合制造设备的结构示意图，图2为本发明提供的增减材复合制造设备中复合打印机构的结构示意图。如图1和图2所示，本技术提供一种增减材复合制造设备，包括机架100、复合打印机构200和驱动机构300，机架100上具有工作台110，复合打印机构200包括打印头210和打印头驱动组件220，打印头驱动组件220与打印头210连接，以驱动打印头210旋转。
49.驱动机构300设置在机架100上，驱动机构300与打印头驱动组件220连接，以通过打印头驱动组件220驱动打印头210相对于工作台110移动，打印头210用于向工作台110上涂布打印材料，并精修打印材料。
50.在本实施例中，机架100可以为“门”型结构的龙门架，在机架100的底部连接有工作台110，机架100可以与工作台110相互垂直，工作台110沿着水平方向延伸，机架100沿着竖直方向延伸，机架100底部的两端分别连接在工作台110宽度方向的相对两侧。具体的，机架100底部的两端可以通过螺纹连接、铆接或者是焊接等方式与工作台110宽度方向的相对两侧壁固定连接。
51.工作台110的底部可以设置多个支撑件120，支撑件120用于将工作台110支撑放置在地面上。支撑件120可以为滚轮，滚轮用于减小工作台110与地面之间的摩擦，以使工作台110能够相对地面进行移动。工作台110背离支撑件120的一侧表面为待制造工件的打印区(图中未标识)。复合打印机构200位于打印区的上方位置，复合打印机构200通过驱动机构300连接在机架100的顶部，这样，可以通过驱动机构300驱动复合打印机构200相对机架100移动，以使复合打印机构200在打印区进行待制作工件的打印工作。
52.请继续参见图1和图2所示，复合打印机构200可以包括打印头210和打印头驱动组件220，打印头210可以连接在打印头驱动组件220与工作台110相对的一端。其中，打印头210可以为图2所示的中空铣刀，打印头驱动组件220可以为图2所示的中空轴电机，打印头210通过打印头驱动组件220连接在驱动机构300上，这样驱动机构300可以驱动打印头210相对工作台110自由移动，以使打印头210在打印区上打印形成待制造工件的毛坯。同时，打印头驱动组件220可以驱动打印头210转动，这样，可以通过打印头驱动组件220驱动打印头210旋转以对待制造工件的毛坯进行精加工，进而使得待制造工件的尺寸精度更高，表面质量更精细。需要说明的是，在待制造工件打印的过程中，打印头210是相对固定连接在打印头驱动组件220上的，只有在打印完成之后打印头驱动组件220才会驱动打印头210旋转以对待制造工件的毛坯进行精加工。
53.驱动机构300可以为xyz三轴运动机构，驱动机构300也可以为xyz三个平动轴加上ac两个转动轴的五轴联动机构，对此，本技术不作具体限定。
54.本技术提供一种增减材复合制造设备，通过在机架100上设置复合打印机构200，以将增减材制过程中的增材装置和减材装置集成在同一套运动系统上，能够通过同一套运动控制系统同时实现增材和减材，这样可以节省一套运动控制系统，减少了增减材复合制造设备中的运动轴的数量，降低了增减材复合制造设备的制造成本，使得增减材复合制造设备的系统较为简单，增减材复合制造设备的工作效率明显提高。同时还可以有效节省增材喷头和减材铣刀找准对齐的工序，有效的降低了增减材复合制造设备的误差。通过设计采用中空结构的打印头210，以使打印头210能够兼具有打印材料和对打印后的材料进行精修的功能，这样可以有效提升增减材复合制造设备在增材和减材工艺切换时的效率和精度，以使打印材料的加工余量减小，避免浪费过多的打印材料。
55.请继续参见图1所示，复合打印机构200还包括供料组件230，供料组件230与打印头驱动组件220连通，打印头驱动组件220与打印头210连通，以使供料组件230通过打印头驱动组件220为打印头210提供打印材料。
56.具体实现时，供料组件230用于盛放熔融状的打印材料，供料组件230可以与打印头驱动组件220连通，这样打印材料便可以通过供料组件230流入至打印头驱动组件220，并由打印头210在工作台110上涂布打印材料，以形成待制造工件的毛坯。其中，可以在通过在供料组件230内施加压力，以使打印材料从供料组件230内流入至打印头驱动组件220；也可以通过将供料组件230放置在打印头驱动组件220的上方位置，以使打印材料在重力的作用下从供料组件230内流入打印头驱动组件220；对此，本技术不作具体限定。
57.图3为本发明提供的增减材复合制造设备中打印头的结构示意图，图4为图3的剖面视图。如图3和图4所示，打印头210包括打印头本体211和多条刀刃212，打印头本体211上具有输送打印材料的输料孔213，输料孔213的延伸方向与打印头210本体的延伸方向一致，刀刃212绕打印头210本体的外周侧设置，刀刃212用于精修打印材料。
58.输料孔213的轴线与打印头本体211的轴线重合，输料孔213可以贯穿打印头本体211轴向的相对两端，这样设置，使得打印材料可以经输料孔213涂布在工作台110上。刀刃212的数量可以为多条，多条刀刃212可以沿着打印头本体211的轴向绕设在打印头本体211的外周侧，这样，打印头210在完成打印材料的涂布之后，通过打印头驱动组件220驱动打印头210旋转，以使打印头本体211上的刀刃212对涂布后的打印材料进行精修。
59.请继续参见图3和图4所示，打印头本体211包括连接部2111和铣削部2112，连接部2111与铣削部2112同轴连接，连接部2111用于与打印头驱动组件220连接，输料孔213包括第一输送孔2131和第二输送孔2132，第一输送孔2131与第二输送孔2132连通，第一输送孔2131位于连接部2111内，且第一输送孔2131的轴线与连接部2111的轴向重合，第二输送孔2132位于铣削部2112内，且第二输送孔2132的轴线与铣削部2112的轴向重合，刀刃212呈螺旋状绕设铣削部2112的外周侧。第二输送孔2132为锥形孔，第二输送孔2132的大径端朝向第一输送孔2131，且第二输送孔2132的大径端与第一输送孔2131连通，第二输送孔2132的大径端的内径与第一输送孔2131的内径相等。
60.具体实现时，连接部2111和铣削部2112分别位于打印头本体211轴向的相对两端，连接部2111和铣削部2112的轴线重合，连接部2111和铣削部2112可以通过一体成型的方式连接。打印头本体211可以通过连接部2111连接在打印头驱动组件220上。可以将多条刀刃212以螺旋状的形式绕设在铣削部2112的外部周侧，这样，打印头驱动组件220可以通过连接部2111带动铣削部2112旋转，以使刀刃212对涂布在工作台110上的打印材料进行精修。
61.第一输送孔2131同轴设置在连接部2111内，第一输送孔2131可以为柱形孔，第二输送孔2132同轴设置铣削部2112内，第二输送孔2132可以为锥形孔，第二输送孔2132的大径端的内径与第一输送孔2131的内径相等。第二输送孔2132的小径端相对设置在工作台110的上方位置，打印材料在流经第一输送孔2131和第二输送孔2132后可以通过第二输送孔2132的小径端涂布在工作台110上。这样，可以使得铣削部2112能够兼具有打印材料和对打印后的材料进行精修的功能，可以有效提升增减材复合制造设备中的增材和减材工艺切换的效率和精度，避免浪费过多的打印材料。
62.请继续参见图1和图2所示，打印头驱动组件220可以为驱动电机，驱动电机包括电机本体221、电机壳体222和中空轴223，电机本体221和中空轴223连接，以驱动中空轴223旋转，电机壳体222罩设在电机本体221和中空轴223上。部分中空轴223位于电机壳体222罩外，且与连接部2111同轴插接。
63.在本实施例中，电机本体221设置在电机壳体222内部，电机本体221可以包括电极224、转子线圈225和定子永磁体226。其中，电极224与转子线圈225电连接，电极224用于与外部电源接通，以使转子线圈225内通入电流。转子线圈225设置在电机壳体222内部，转子线圈225可以相对电机壳体222转动。定子永磁体226位于转子线圈225和电机壳体222之间，且定子永磁体226固定连接在电机壳体222的内侧壁上。这样，当电极224与外部电源接通之后，基于“电生磁原理”转子线圈225会产生磁性，在磁力的作用下使得转子线圈225可以绕着电机壳体222的轴线转动。
64.中空轴223与转子线圈225固定连接，中空轴223的两端分别从电机壳体222的相对两端延伸至电机壳体222的外部，中空轴223可以相对电机壳体222转动。其中，中空轴223的顶端用于与供料组件230连通，以使打印材料流入至中空轴223内。中空轴223的底端用于连接打印头210，打印材料可以经中空轴223流入至打印头210内，并由打印头210将打印材料涂布在工作台110上。另外，转子线圈225在转动的时候可以带动中空轴223旋转，进而由中空轴223带动打印头210转动，以对涂布后的打印材料进行精修。
65.图5为本发明提供的增减材复合制造设备中阀门与中空轴的连接状态示意图，图6为本发明提供的增减材复合制造设备中阀门与中空轴的分离状态示意图。如图5和图6所
示，供料组件230包括打印材料容器231和阀门232，打印材料容器231具有容纳腔2311，容纳腔2311用于容纳打印材料，打印材料容器231具有进料通道2312和出料通道2313，进料通道2312和出料通道2313均与容纳腔2311连通，出料通道2313与中空轴223连通，阀门232用于关闭或打开出料通道2313。
66.在具体实现时，打印材料容器231可以通过直线电机(图中未标识)连接在电机壳体222上，这样，可以通过直线电机驱动打印材料容器231相对电机壳体222移动。打印材料容器231可以位于中空轴223的上方位置，这样可以使打印材料容器231内的打印材料流入至中空轴223内。也可以通过在打印材料容器231内施加一定的压力，这样，可以加快打印材料的流动速度，提高增减材复合制造设备的生产效率。
67.容纳腔2311同时与进料通道2312和出料通道2313连通，其中，进料通道2312用于将熔融状的打印材料输送至容纳腔2311内，出料通道2313用于将容纳腔2311内的打印材料输送至中空轴223内。可以将阀门232设置在容纳腔2311内部，且阀门232与出料通道2313相对设置，这样，可以通过阀门232控制出料通道2313的开合状态，进而控制打印材料从出料通道2313内流出时的流量大小。
68.请继续参见图2、图5和图6所示，阀门232包括阀体2321和阀头2322，阀头2322与阀体2321连接，阀体2321与电机壳体222连接，阀体2321部分插设于容纳腔2311内，阀头2322和部分阀体2321位于出料通道2313内。打印材料容器231可朝向打印头驱动组件220移动，以使阀头2322封堵出料通道2313，或者打印材料容器231可朝向背离打印头驱动组件220的方向移动，以使阀头2322打开出料通道2313。出料通道2313的内侧壁呈锥型，出料通道2313的大径端朝向容纳腔2311，且与容纳腔2311连通，阀头2322呈球状；出料通道2313的外侧壁呈锥型，出料通道2313部分插设在中空轴223内。
69.在本实施例中，阀体2321的一端可以固定连接在电机壳体222上，阀体2321的另一端可以插设在容纳腔2311内，且阀体2321的另一端与出料通道2313相对。在阀体2321的另一端连接有阀头2322，阀头2322可以呈球状结构。出料通道2313可以呈锥形结构，出料通道2313的大径端与容纳腔2311连通，阀头2322与出料通道2313的大径端相对。出料通道2313的小径端朝向背离容纳腔2311的方向延伸，出料通道2313的小径端用于与中空轴223连通，以使容纳腔2311内的打印材料流入至中空轴223内。需要说明的时，阀头2322的直径大于出料通道2313的小径端的内径，且小于出料通道2313的大径端的内径，这样，可以使的阀头2322能够插入出料通道2313内以封堵出料通道2313。
70.在具体实现时，阀头2322可以通过阀体2321固定连接在电机壳体222上，直线电机的固定端可以固定连接在电机壳体222上，直线电机的伸缩端可以与打印材料容器231连接，这样在直线电机的作用下，可以驱动打印材料容器231沿着中空轴223的轴线方向进行升降。
71.当增减材复合制造设备准备进行打印材料涂布时，直线电机可以驱动打印材料容器231下降，如图6所示，以使出料通道2313与中空轴223连通，此时阀体2321固定不动，出料通道2313的大径端相对远离阀头2322，以使出料通道2313处于打开状态，这样，容纳腔2311内的打印材料便可以从出料通道2313流入至中空轴223，并经过中空轴223输送至打印头210进行涂布工作。
72.当打印材料涂布完成之后，直线电机可以驱动打印材料容器231上升，如图5所示，
以使出料通道2313与中空轴223相互分离，同时可以使出料通道2313的大径端相对靠近阀头2322，待阀头2322经出料通道2313的大径端插入出料通道2313内部后，这样便可以将出料通道2313封堵。
73.在一些实施例中，打印材料为浆料；增减材复合制造设备还包括固化光源(图中未标识)，固化光源用于产生固化光线，以使工作台110上的打印材料固化。
74.具体的，打印材料可以为熔融状的浆料，例如可以为熔融状的塑料、树脂、金属或者陶瓷等材料，对此，本技术不作具体限定。
75.在机架100上还可以连接固化光源，固化光源可以产生固化光线，固化光线可以释放热量，通过固化光线对涂布后的打印材料进行照射作用，以使工作台110上的打印材料可以快速固化凝结，这样可以有效提高增减材复合制造设备的生产效率。
76.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。