超声熔融复合沉积增材制造装置及方法与流程

本发明属于增材制造
技术领域：
，具体涉及一种超声熔融复合沉积增材制造装置及方法，通过超声强化熔融沉积增材零件，显著增强熔融沉积增材制造零件的综合力学性能，尤其是沿成形轴垂直方向的强度。
背景技术：
：增材制造技术正在改变我们的生产和生活方式，许多发达国家和发展中国家均高度重视并积极推广该技术，熔融沉积制造(fdm)就是一种已经较为成熟的增材制造技术。scottcrump在1988年提出熔融沉积制造的思想，于1992年开发了第一台商业机型3dmodeler。熔融沉积制造是一种制作速度较快的增材制造成形工艺。fdm工艺是将丝状的热熔性材料加热熔化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息将材料选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成形完成后，工作台下降一个高度(分层厚度)再成形下一层，如此反复直至形成整个的实体原型。目前，fdm工艺的成形材料包括铸造石蜡、尼龙、abs塑料、pla塑料等，以热塑性塑料为主，可以实现塑料零件的无注塑成形制造。它具有支撑去除简，分离容易；可直接制作彩色模型样件，用蜡成形的零件，可以直接用于失蜡铸造；原材料利用率高，材料寿命长，且成形件的翘曲变形；原材料无毒，成形过程中无化学变化，可在办公环境安装使用；无需使用激光器，系统构造和原理简单，运行维护费用低等优点。是目前应用最为广泛的增材制造技术，被广泛应用于航空航天，教育与文，汽车，生物医疗，服装等领域。但是由于自身成形工艺的特点，熔融沉积制造也存在一些其自身无法弥补的缺点，成形过程中对成形室温度要求较高，成形件力学性能程各向异性，沿成形轴垂直方向的力学强度比较弱，成形件的抗剪切性能较差，这严重的制约了其推广应。技术实现要素：本发明提供一种超声熔融复合沉积增材制造装置及方法，以解决现有熔融沉积增材制造技术成形零件力学性能呈各向异性，沿成形轴垂直方向的力学强度比较弱，成形件的抗剪切性能较差，成形过程中对成形室温度要求较高的问题。在静压力下，利用超声振动能实现熔融沉积丝材之间以及沉积丝材与沉积层之间粘接不牢的地方再次熔化，使成形零件内部的沉积丝材复合为一整体。本发明采取的技术方案是：包括超声支撑平台、x方向导向连接系统、熔融沉积增材制造系统、超声强化装置和运动基板，所述超声强化装置固定在超声支撑平台的导向杆一和导向杆二上，所述的运动基板安装在x方向导向连接系统的导轨一和导轨二上，同时固定在同步带上，通过x方向的电动机带动运动基板运动，所述的熔融沉积增材制造系统和超声支撑平台通过x方向导向连接系统中的连接杆一与连接杆二连接。所述的超声支撑平台由配重台、基座、安装杆、超声强化装置支架、风扇、轴向固定杆，双作用气压缸、z向导向杆一与导向杆二组成，所述的基座通过螺栓连接到配重台上，所述的安装杆与基座形成孔轴配合，并且通过安装杆与基座上的键与键槽防止安装杆沿轴向转动，所述的超声强化装置支架通过可调孔连接到安装杆上，通过螺栓固定，所述的轴向固定杆通过螺栓固定在安装杆与超声强化装置支架上，所述的风扇固定在超声强化装置支架上，双作用气压缸安装在超声强化装置支架。所述的超声强化装置，由超声工具头、变幅杆、固定法兰盘、调平装置、换能器和固定架组成，所述的超声头和变幅杆通过螺纹螺栓连接，所述换能器和变幅杆通过螺纹螺栓连接，变幅杆通过法兰盘和调平装置与固定架安装在一起。所述的调平装置由调平螺母、固定法兰盘连接螺栓、固定法兰盘、调平垫片、调平下法兰盘、调平上法兰盘、调平法兰盘连接螺栓组成，所述调平螺栓通过固定法兰盘上的螺纹孔作用在调平垫片上，所述调平垫片放置在固定法兰盘内，所述调平下法兰盘放置在固定架内，上表面与变幅杆的固定环接触，所述调平上法兰盘放置在固定架内，下表面与与变幅杆的固定环接触，通过螺栓连接上调平法兰盘与调平下法兰盘。所述的熔融沉积增材制造系统由z向丝杠电动机一和z向丝杠电动机二、丝杠一和丝杠二、丝杠滑块一和丝杠滑块二、z向导向杆一和z向导向杆二、y向导向杆、y向同步带、y向步进电动机、支撑板、肋板一和肋板二、连接板一、连接板二和连接板三、熔融沉积打印头组成，所述支撑板与肋板一和肋板二通过连接板一、连接板二和连接板三连接起来，用螺栓固定，所述的丝杠电动机一和z向丝杠电动机二通过螺丝固定在支撑板两侧下端的隔板上，所述丝杠一和丝杠二连接在丝杠电动机一与z向丝杠电动机二上，并穿过丝杠滑块一和丝杠滑块二，另一端通过轴承连接在连接板一与连接板二上，所述z向导向杆一与z向导向杆二一端固定在支撑板的隔板上，穿过丝杠滑块，另一端通过螺纹连接在连接板一与连接板二上，所述y向导向杆一固定在丝杠滑块一与丝杠滑块二上，所述y向步进电动机通过螺钉固定在左侧的丝杠滑块上，所述y向同步带右端通过导轮固定在右侧的丝杠滑块上，左侧通过导轮固定在y向步进电动机上，所述的熔融挤丝打印系统固定在y向同步带上，通过y向导向杆一在y方向移动。所述的熔融沉积打印头，由风扇、固定架、喷嘴、加热铝块、散热架、导丝电动机、导丝装置和固定板组成，所述的风扇通过螺钉固定在固定架上，所述的散热架、加热铝块和喷头通过螺纹连接在一起，同时固定在固定架上，所述导丝电动机通过螺钉固定在导丝装置上，所述的固定架和导丝装置通过螺钉固定在固定板上，所述的固定板通过其上的导向孔连接在y向导向柱上，所述的同步带固定架通过螺钉固定在固定板上。所述的x方向导向连接系统由导轨一和导轨二、连接杆一和连接杆二、同步带、导轮一和导轮二和x向步进电动机组成，所述导轮一和导轮二的两端分别固定在超声支撑平台的配重台和熔融沉积增材制造系统的连接板上，同时运动基板的底座通过导轨槽安装在导轨一和导轨二上，所述的连接杆一和连接杆二的两端分别固定在超声支撑平台的配重台和熔融沉积增材制造系统的连接板上，所述的同步带由步进电动机提供动力，通过导轮一和导轮二实现运动，运动基板固定在同步带上，通过同步带的运动带动运动基板运动。一种超声熔融复合沉积增材制造方法，包括以下步骤：(1)、用三维软件把需要的零件模型画出来，保存为stl格式，应用切片软件进行对模型切片，之后将切完片的数据导入超声熔融复合沉积增材制造装置；(2)、计算机根据零件切片后的数据控制x向步进电动机转动，通过同步带带动运动基板沿导轨一和导轨二运动到熔融沉积打印头下方初始位置，控制y向步进电动机转动，带动熔融沉积打印头沿y向导向杆运动到初始位置，控制z向丝杠电动机一和z向丝杠电动机二转动，带动熔融沉积打印头沿z向导向杆一和z向导向杆二移动到初始位置，根据切片的数据计算机控制熔融沉积打印头，在x、y平面内熔融沉积打印；(3)、当熔融沉积打印头打印完零件的第二层时，计算机控制x向步进电动机转动，通过同步带带动运动基板沿导轨一和导轨二运动到超声强化装置下方的规定位置，由于超声强化装置中的工具头的水平截面为正方形，则只需控制运动基板在x方向移动到规定位置即可；(4)、计算机控制超声支撑平台上的双作用气压缸运动，带动超声强化装置移动到规定位置，此时工具头与运动基板上的零件材料层接触，换能器通电，通过变幅杆带动工具头在z方向做低振幅、高频振动，由于两层材料接触面的声阻较大，超声波的能量聚集在层与层接触的地方，待冷却后，由于接触面重新的熔接，上下层的连接不再是简单的沉积累加，而是结合为一个整体，整个强化过程需要0.5～1.5s，在焊接过程中，工具头表面的振幅＝换能器表面的振幅×变幅杆增益×工具头增益。本发明利用超声强化熔融沉积制造零件，提高熔融沉积制造零件综合力学性能，超声塑料焊接把超声振动垂直加在零件接触面的上方，通过上焊件把能量传送到焊区，由于上下焊件接触面的声阻大，因此能量聚集在接触面，产生局部高温，由于塑料散热差，使热量聚集在接触面内，这样能够使上下零件在接触面局部熔化并迅速熔合，冷却后形成一个坚固的分子链，强度可以与一体的塑料零件媲美。本发明以熔融沉积增材制造为基础，在静压力下，利用超声振动能使熔融沉积丝材之间以及沉积丝材与沉积层之间粘接不牢的地方再次熔化，使成形零件内部的沉积丝材复合为一整体，显著增强熔融沉积增材制造零件的综合力学性能，尤其是沿成形轴垂直方向的力学强度，在提高成形零件综合力学性能的同时不产生高温、高热、残余应力，无需特殊的工作环境，设备制造运行维护成本低。本发明的有益效果：1.本发明以熔融沉积增材制造为基础，在静压力下，利用超声振动能使熔融沉积丝材之间以及沉积丝材与沉积层之间粘接不牢的地方再次熔化，使成形零件内部的沉积丝材复合为一整体，显著增强熔融沉积增材制造零件的综合力学性能，尤其是沿成形轴垂直方向的力学强度。2.本发明在成形过程中采用超声强化熔融沉积成形三维实体零件，在静压力下将超声振动能转化为成形零件缺陷出的摩擦能、形变能及有限的温升，不产生高温、高热、有害气体，同时去除熔融沉积成形过程中的残余热应力，设备使用环境温度范围为-50℃到50℃。3.本发明在工作过程中不需要高功率换能器，消耗能量小，结构简单可靠，设备维护运营方便，成本低。4.本发明可以通过控制超声强化频率、振幅、来调节熔接的深度，从而能够强化不同打印层层厚的零件，也可实现成形零件力学性能呈梯度变化。5.本发明通过x向导向连接系统移动基板，基板不需要做z向、y向的运动，简化了设备结构。基板下端以桌面为支撑，当超声强化装置对零件进行强化时，基板不会产生z向的移动，提高了强化质量和强化过程的稳定性。附图说明图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明超声支撑平台和超声强化装置的结构示意图；图3是本发明超声支撑平台的结构示意图；图4是本发明x方向导向连接系统的结构示意图；图5是本发明熔融沉积增材制造系统的示意图；图6是本发明超声强化装置的结构示意图；图7是本发明的熔融沉积增材制造喷头的结构示意图；图8是本发明的熔融沉积增材制造喷头连接结构示意图；图9是本发明的超声强化装置调平的结构示意图；图10是本发明的y方向传动装置的结构示意图；图11是本发明的熔融沉积增材制造系统中z方向传动组件的结构示意图；图12是本发明拉伸应力应变曲线图。具体实施方式包括超声支撑平台1、x方向导向连接系统2、熔融沉积增材制造系统3、超声强化装置4和运动基板5，所述超声强化装置4固定在超声支撑平台1的导向杆一110和导向杆二111上，所述的运动基板5安装在x方向导向连接系统2的导轨一202和导轨二205上，同时固定在同步带203上，通过x方向的电动机208带动运动基板5运动，所述的熔融沉积增材制造系统3和超声支撑平台1通过x方向导向连接系统2中的连接杆一201与连接杆二206连接；所述的超声支撑平台1由配重台101、基座102、安装杆103、超声强化装置支架106、风扇107、轴向固定杆108，双作用气压缸109、z向导向杆一110与导向杆二111组成，所述的基座102通过螺栓连接到配重台101上，所述的安装杆103与基座102形成孔轴配合，并且通过安装杆103与基座102上的键与键槽防止安装杆103沿轴向转动，所述的超声强化装置支架106通过可调孔连接到安装杆103上，通过螺栓固定，同时以键与键槽保证超声强化装置支架106不绕安装杆103转动，所述的轴向固定杆108通过螺栓固定在安装杆103与超声强化装置支架106上，防止超声强化装置支架106沿安装杆103轴向移动，所述的风扇107固定在超声强化装置支架106上，在超声强化时对换能器起到冷却的作用。在熔融沉积装置打印完一层材料后，运动基板5沿x方向运动到超声强化装置下，双作用气压缸109安装在超声强化装置支架106，它根据计算机的设定，控制超声强化装置4沿z向导向杆一110与导向杆二111向下移动，直至接触到打印件，此时控制超声强化装置4对打印件进行超声波强化；所述的超声强化装置4，由超声工具头401、变幅杆402、固定法兰盘403、调平装置404、换能器405和固定架406组成，所述的超声头401和变幅杆402通过螺纹螺栓连接，所述换能器405和变幅杆402通过螺纹螺栓连接，变幅杆402通过法兰盘403和调平装置404与固定架406安装在一起，这种结构在实现固定超声工作组的目的的同时，能够通过超声支撑平台上的导向柱一110和导向柱二111实现超声工作组沿z向的运动。所述的超声强化的基本原理是利用功率源发生器将输入低频电转变为15～50khz的高频电输出，提供给换能器404内部的压电陶瓷，压电陶瓷借助于压电晶体的伸缩效应将高频电磁振荡转化为高频、低振幅的机械振动，变幅杆402再将机械振动的质点位移、速度放大或缩小并传至工具头401。当工具头作用于零件表面时，高频的振动产生的超声波向下传递，超声波的能量聚集上下层接触面上，从而迅速熔化接触面两侧的材料，冷却后，上下层之间形成坚固的分子链，结合效果有显著的提高。所述的调平装置404，由调平螺母4041、固定法兰盘连接螺栓4042、固定法兰盘4043、调平垫片4044、调平下法兰盘4045、调平上法兰盘4046、调平法兰盘连接螺栓4047组成，所述调平螺栓4041通过固定法兰盘4043上的螺纹孔作用在调平垫片4044上，所述调平垫片4044放置在固定法兰盘4043内，所述调平下法兰盘4045放置在固定架406内，上表面与变幅杆402的固定环4048接触，所述调平上法兰盘4046放置在固定架406内，下表面与与变幅杆402的固定环4048接触，通过螺栓4047连接上调平法兰盘4046与调平下法兰盘4045，连接到一起的调平法兰盘还起到固定变幅杆的作用，这种调平机构简单可靠，易于装配；所述的熔融沉积增材制造系统3由z向丝杠电动机一303和z向丝杠电动机二306、丝杠一302和丝杠二304、丝杠滑块一308和丝杠滑块二315、z向导向杆一301和z向导向杆二305、y向导向杆313、y向同步带314、y向步进电动机316、支撑板310、肋板一312和肋板二307、连接板一318、连接板二311和连接板三309、熔融沉积打印头317组成，所述支撑板310与肋板一312和肋板二307通过连接板一318、连接板二311和连接板三309连接起来，用螺栓固定，所述的丝杠电动机一303和z向丝杠电动机二306通过螺丝固定在支撑板310两侧下端的隔板上，所述丝杠一302和丝杠二304连接在丝杠电动机一303与z向丝杠电动机二306上，并穿过丝杠滑块一315和丝杠滑块二308，另一端通过轴承连接在连接板一311与连接板二309上，所述z向导向杆一301与z向导向杆二305一端固定在支撑板310的隔板上，穿过丝杠滑块，另一端通过螺纹连接在连接板一311与连接板二306上，所述y向导向杆一313固定在丝杠滑块一315与丝杠滑块二308上，所述y向步进电动机316通过螺钉固定在左侧的丝杠滑块315上，所述y向同步带314右端通过导轮固定在右侧的丝杠滑块308上，左侧通过导轮固定在y向步进电动机316上，所述的熔融挤丝打印系统317固定在y向同步带314上，通过y向导向杆一313在y方向移动；这种熔融怎材制造系统结构简单、可靠，可组装，方便运输，各个方向的运动比较精确，打印精度高；由于熔融沉积打印头317可以在z方向移动，那么基板206只需要在x方向移动，减少了结构的复杂性，提高了超声强化时的可靠性。所述的熔融沉积打印头317，由风扇31701、固定架31702、喷嘴31703、加热铝块31704、散热架31705、导丝电动机31706、导丝装置31707和固定板31708组成，所述的风扇31701通过螺钉固定在固定架31702上，所述的散热架31705、加热铝块31704和喷头31703通过螺纹连接在一起，同时固定在固定架31702上，所述导丝电动机31706通过螺钉固定在导丝装置31708上，所述的固定架31702和导丝装置31707通过螺钉固定在固定板31708上，所述的固定板31708通过其上的导向孔连接在y向导向柱313上，所述的同步带固定架31709通过螺钉固定在固定板31708上；利用同步带把熔融沉积打印装置固定在同步带上；所述的x方向导向连接系统2由导轨一202和导轨二205、连接杆一201和连接杆二206、同步带203、导轮一204和导轮二207和x向步进电动机208组成，所述导轮一204和导轮二207的两端分别固定在超声支撑平台1的配重台101和熔融沉积增材制造系统3的连接板318上，同时运动基板的底座通过导轨槽安装在导轨一202和导轨二205上，在保证运动基板5运动平稳、准确的同时，也可以保证在超声强化时能够为基板提供坚实的支撑，所述的连接杆一201和连接杆二206的两端分别固定在超声支撑平台1的配重台101和熔融沉积增材制造系统3的连接板318上，主要起到连接熔融沉积增材制造系统3和超声支撑平台1的目的，同时保证在工作过程中两者不产生相对的移动、偏移或扭转；所述的同步带203由步进电动机208提供动力，通过导轮一204和导轮二207实现运动，运动基板5固定在同步带203上，通过同步带203的运动带动运动基板运动。一种超声熔融复合沉积增材制造方法，包括以下步骤：(1)、用三维软件把需要的零件模型画出来，保存为stl格式，应用切片软件进行对模型切片，之后将切完片的数据导入超声熔融复合沉积增材制造装置；(2)、计算机根据零件切片后的数据控制x向步进电动机208转动，通过同步带203带动运动基板5沿导轨一202和导轨二205运动到熔融沉积打印头317下方初始位置，控制y向步进电动机316转动，带动熔融沉积打印头317沿y向导向杆313运动到初始位置，控制z向丝杠电动机一303和z向丝杠电动机二306转动，带动熔融沉积打印头317沿z向导向杆一301和z向导向杆二305移动到初始位置，根据切片的数据计算机控制熔融沉积打印头317，在x、y平面内熔融沉积打印；(3)、当熔融沉积打印头317打印完零件的第二层时，计算机控制x向步进电动机208转动，通过同步带203带动运动基板5沿导轨一202和导轨二205运动到超声强化装置4下方的规定位置，由于超声强化装置4中的工具头401的水平截面为190mm×190mm的正方形，则只需控制运动基板5在x方向移动到规定位置即可；(4)、计算机控制超声支撑平台1上的双作用气压缸109运动，带动超声强化装置4移动到规定位置，此时工具头401与运动基板5上的零件材料层接触，换能器405通电，通过变幅杆402带动工具头401在z方向做低振幅、高频振动，由于两层材料接触面的声阻较大，超声波的能量聚集在层与层接触的地方，使原来接触的上下层的接触面有一点微小的熔化，而其他的地方却不熔化，待冷却后，由于接触面重新的熔接，上下层的连接不再是简单的沉积累加，而是结合为一个整体，大大加强了熔融沉积增材制造零件在z方向的拉伸强度，整个强化过程需要0.5～1.5s，同时，根据实验检测，这种超声强化的方法对熔融沉积增材制造零件在x、y平面的拉伸强度也有一定的提高。在焊接过程中，工具头401表面的振幅＝换能器表面的振幅402×变幅杆402增益×工具头增益。根据零件材料的不同，适用不同的超声波强化频率、振幅和焊接时间。消耗的功率p＝f×v,(f为施加的力，v为速度)，速度v＝f×a,(f为频率，a为振幅)，影响施力f的因素是气压缸的气压和超声工具头的下降速度。由于超声设备的频率是固定不变的，要强化层厚不同的fdm零件，可以通过改变功率的大小来实现。即通过改变振幅、施加力的大小、施加力的保持时间、强化的时间来强化不同层厚的零件，同时，可以通过改变这些参数来寻找最佳的强化效果。如表1所示，为超声强化样件与未超声强化样件拉伸力学性能对比，如图12所示为超声强化样件与未超声强化样件拉伸试验的应力应变曲线对比图；表1超声强化样件与未超声强化样件拉伸力学性能对比表样品名称拉伸屈服应力拉伸断裂应力弹性模量拉伸强度拉伸最大载荷单位mpampampampan未超声强化样件36.237536.23751828.1136.2375647.75256超声强化样件42.1413842.141382019.0542.14138718.29144可见经本发明超声强化的样件与未超声强化样件相比，显著增强熔融沉积增材制造零件的综合力学性能。当前第1页12