本發(fā)明涉及先進制造，具體涉及一種三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的制造需求日益增長，這推動了增材制造技術(shù)(additive?manufacturing,am)、減材制造(subtractive?manufacturing)、等材制造(formative?manufacturing)等多種制造技術(shù)的發(fā)展。盡管這些技術(shù)在特定領(lǐng)域取得了顯著的進展，但它們各自在制造復(fù)雜產(chǎn)品時仍面臨一系列挑戰(zhàn)和限制。增材制造技術(shù)，如選擇性激光燒結(jié)(sls)、熔融沉積建模(fdm)、光固化成型(sla)等，雖然在設(shè)計靈活性和材料利用率方面具有優(yōu)勢，但它們的逐層堆積制造方式導(dǎo)致制造速度受限，且容易產(chǎn)生分層痕跡，影響成品的整體力學(xué)性能和表面光潔度。此外，對于懸垂或復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的制造，需要額外的支撐結(jié)構(gòu)，這不僅增加了制造成本，還在后處理階段帶來了挑戰(zhàn)。減材制造技術(shù)，如數(shù)控加工(cnc)，雖然在制造精度和表面質(zhì)量方面表現(xiàn)出色，但這種技術(shù)通常材料浪費較大，且對于復(fù)雜或內(nèi)部結(jié)構(gòu)豐富的零件，加工難度和成本顯著增加。此外，減材制造通常需要專業(yè)的操作技能和昂貴的設(shè)備投資。等材制造技術(shù)，如鍛造和鑄造，雖然能夠制造出具有良好力學(xué)性能的零件，但這些技術(shù)往往缺乏設(shè)計的靈活性，對于個性化和小批量生產(chǎn)的需求響應(yīng)不足。

2、中國專利(公開號cn?110834410?a)公開了一種基于3d打印的pdms復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)成型的方法，預(yù)先制備pdms硅膠和用于打印時的支撐性的凝膠，在凝膠介質(zhì)中逐層打印得到三維結(jié)構(gòu)模型初體，成型后固化。但其仍然屬于增材制造，需要對支撐結(jié)構(gòu)進行配置，所采用的支撐結(jié)構(gòu)雖然可以實現(xiàn)循環(huán)利用，但在成型前后仍需要進行處理，影響打印效率，并且支撐結(jié)構(gòu)和打印結(jié)構(gòu)的連接位置存在表面質(zhì)量差、結(jié)構(gòu)完整性差的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置及方法，設(shè)置圍繞料筒分布的六張裝載板，每個裝載板上分別設(shè)置陣列分布的投影激光器，對目標(biāo)結(jié)構(gòu)進行切片，料筒內(nèi)設(shè)置透光的打印基材，使得目標(biāo)結(jié)構(gòu)每個成型點由疊加光束固化成型，疊加光束來自六張裝載板上的多個投影激光器發(fā)射的光束，使得目標(biāo)結(jié)構(gòu)能夠在料筒內(nèi)無支撐結(jié)構(gòu)一體化成型，實現(xiàn)等材制造，提高打印效率并滿足個性化、小批量生產(chǎn)的需求。

2、本發(fā)明的第一目的是提供一種三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置，采用以下方案：

3、包括裝載板和投影激光器，多個投影激光器陣列布置于裝載板上，六個裝載板對應(yīng)立方體的六個面分布在內(nèi)部形成工作腔，料筒安置在工作腔內(nèi)，投影激光器朝向料筒；料筒內(nèi)每個成型點由至少兩個相異裝載板上的投影激光器輸出的光束疊加，使成型點處的光強大于固化光強閾值。

4、進一步地，所述投影激光器內(nèi)沿光路方向設(shè)有空間光調(diào)制器、傅里葉變換透鏡、高通光束塊，光束經(jīng)高通光束塊后輸出到料筒內(nèi)的成型點。

5、進一步地，所述料筒為透明材質(zhì)，投影激光器輸出的光束均能夠穿過料筒壁作用于料筒內(nèi)的物料，料筒安裝有溫控組件，用于調(diào)整物料溫度。

6、進一步地，所述料筒為筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部形成容納物料的容腔。

7、進一步地，所述六個裝載板中相鄰裝載板相連，形成封閉工作腔。

8、進一步地，所述料筒內(nèi)的每個成型點由六個裝載板上的投影激光器輸出的光束疊加，每個裝載板上至少有一個投影激光器輸出的光束透射到成型點。

9、本發(fā)明的第二目的是提供一種如第一目的所述的三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置的工作方法，包括：

10、將料筒安置在裝載板圍成的工作腔內(nèi)，料筒內(nèi)存放有物料；

11、基于目標(biāo)結(jié)構(gòu)切片配置在料筒內(nèi)的所有成型點，每個成型點均對應(yīng)至少兩個投影激光器，且投影激光器處于相異裝載板上；

12、投影激光器工作，使每個成型點接受由多道來自不同投影激光器的光束疊加作用，所有成型點共同固化，目標(biāo)結(jié)構(gòu)在料筒內(nèi)一體成型。

13、進一步地，當(dāng)投影激光器輸出光束途徑多個成型點時，使該投影激光器輸出光束的光強小于所有途徑成型點的固化光強閾值。

14、進一步地，所述成型點接收多道光束疊加作用后，使成型點處的光強大于成型點出物料固化光強閾值，相鄰成型點相連。

15、進一步地，所述料筒控制其所承載物料的溫度，使非成型點位置的物料保持液體狀態(tài)。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：

17、(1)針對目前復(fù)雜工件增材制造仍需要建立支撐結(jié)構(gòu)而影響打印效率的問題，設(shè)置圍繞料筒分布的六張裝載板，每個裝載板上分別設(shè)置陣列分布的投影激光器，對目標(biāo)結(jié)構(gòu)進行切片，料筒內(nèi)設(shè)置透光的打印基材，使得目標(biāo)結(jié)構(gòu)每個成型點由疊加光束固化成型，疊加光束來自六張裝載板上的多個投影激光器發(fā)射的光束，能夠在料筒內(nèi)一次性固化整個三維結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)增材制造中的層間接縫和支撐結(jié)構(gòu)問題，從而提高了零件的制造速度和效率，減少分層痕跡，顯著提高成品的表面光潔度和結(jié)構(gòu)完整性，克服了傳統(tǒng)增材制造中常見的表面粗糙和內(nèi)部缺陷問題，可以處理多種材料，適應(yīng)不同的制造需求，尤其是在航空航天、醫(yī)療和汽車等行業(yè)的應(yīng)用中，能夠滿足高性能和個性化的要求。

18、(2)透明料筒允許投影激光器輸出的光束直接穿過料筒壁作用于料筒內(nèi)的物料，使得整個固化過程更加高效，光束能夠均勻地照射到物料的成型點，加速固化過程；料筒安裝有溫控組件，可以精確調(diào)整物料的溫度，控制固化反應(yīng)的速度和質(zhì)量，溫度的精確控制有助于優(yōu)化成型件的物理性能和減少成型缺陷；封閉工作腔的設(shè)計還有助于減少外部環(huán)境對成型過程的干擾，從而提高成型件的結(jié)構(gòu)完整性和表面質(zhì)量。

19、(3)通過多個投影激光器從不同方向?qū)Τ尚忘c進行光束疊加，可以確保物料在料筒內(nèi)各個成型點的光強均勻，從而實現(xiàn)更均勻的固化過程，均勻固化有助于提高成型件的機械性能和表面質(zhì)量；當(dāng)投影激光器輸出光束途徑多個成型點時，通過控制光強小于所有途徑成型點的固化光強閾值，可以避免在到達目標(biāo)成型點前出現(xiàn)使途經(jīng)點過度曝光導(dǎo)致的成型誤差，有助于提高成型精度和細節(jié)分辨率。

技術(shù)特征：

1.一種三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置，其特征在于，包括裝載板和投影激光器，多個投影激光器陣列布置于裝載板上，六個裝載板對應(yīng)立方體的六個面分布在內(nèi)部形成工作腔，料筒安置在工作腔內(nèi)，投影激光器朝向料筒；料筒內(nèi)每個成型點由至少兩個相異裝載板上的投影激光器輸出的光束疊加，使成型點處的光強大于固化光強閾值。

2.如權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置，其特征在于，所述投影激光器內(nèi)沿光路方向設(shè)有空間光調(diào)制器、傅里葉變換透鏡、高通光束塊，光束經(jīng)高通光束塊后輸出到料筒內(nèi)的成型點。

3.如權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置，其特征在于，所述料筒為透明材質(zhì)，投影激光器輸出的光束均能夠穿過料筒壁作用于料筒內(nèi)的物料，料筒安裝有溫控組件，用于調(diào)整物料溫度。

4.如權(quán)利要求3所述的三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置，其特征在于，所述料筒為筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部形成容納物料的容腔。

5.如權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置，其特征在于，所述六個裝載板中相鄰裝載板相連，形成封閉工作腔。

6.如權(quán)利要求5所述的三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置，其特征在于，所述料筒內(nèi)的每個成型點由六個裝載板上的投影激光器輸出的光束疊加，每個裝載板上至少有一個投影激光器輸出的光束透射到成型點。

7.一種三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置的工作方法，利用如權(quán)利要求1-6中任一項所述三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置，其特征在于，包括：

8.如權(quán)利要求7所述的三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置的工作方法，其特征在于，當(dāng)投影激光器輸出光束途徑多個成型點時，使該投影激光器輸出光束的光強小于所有途徑成型點的固化光強閾值。

9.如權(quán)利要求8所述的三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置的工作方法，其特征在于，所述成型點接收多道光束疊加作用后，使成型點處的光強大于成型點出物料固化光強閾值，相鄰成型點相連。

10.如權(quán)利要求7所述的三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置的工作方法，其特征在于，所述料筒控制其所承載物料的溫度，使非成型點位置的物料保持液體狀態(tài)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種三維結(jié)構(gòu)的一體化等材制造裝置及方法，涉及先進制造技術(shù)領(lǐng)域，針對目前復(fù)雜工件增材制造仍需要建立支撐結(jié)構(gòu)而影響打印效率的問題，設(shè)置圍繞料筒分布的六張裝載板，每個裝載板上分別設(shè)置陣列分布的投影激光器，對目標(biāo)結(jié)構(gòu)進行切片，料筒內(nèi)設(shè)置透光的打印基材，使得目標(biāo)結(jié)構(gòu)每個成型點由疊加光束固化成型，疊加光束來自六張裝載板上的多個投影激光器發(fā)射的光束，能夠在料筒內(nèi)一次性固化整個三維結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)增材制造中的層間接縫和支撐結(jié)構(gòu)問題，從而提高了零件的制造速度和效率，減少分層痕跡。

技術(shù)研發(fā)人員：王真,李波文,黃傳真,徐龍華,黃水泉,曲美娜,許征凱,張迪嘉,郭保蘇,張林哲,石振偉
受保護的技術(shù)使用者：燕山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/5