一种基于粘结剂喷射的并行增材制造装置及制造方法

1.本发明属于先进制造技术领域，涉及一种基于粘结剂喷射的并行增材制造装置及制造方法。


背景技术：

2.增材制造是一种通过连续逐层累积材料来制造零件实体的技术。与传统的减材制造工艺相反，增材制造技术是通过逐层添加或固化材料来制造零件的，整个生产过程是基于在三维建模软件中创建几何模型，进行分层，生成扫描路径或材料沉积的路径，逐层沉积，最后进行后处理操作。增材制造技术受到零件几何形状的约束小，并且可以制造常规方法难以或者不可能制造的零件。但是由于采用逐层累积的方式构造，后一层的制造必须依赖于前一层的制造，对于大型零件来说，整个制造过程可能要花费数天或数周时间。
3.增材制造是一种通过连续逐层累积材料来制造零件实体的技术。与传统的减材制造工艺通过减少材料制造产品相反，增材制造技术通过逐层添加或固化材料来制造零件。整个生产过程为：首先在三维建模软件中创建几何模型；其次，对几何模型进行分层；第三；生成扫描路径或材料沉积的路径；第四，将路径转换为机器指令输入设备逐层加工；最后进行后处理操作。增材制造技术受到的零件几何形状约束小，而且可以制造常规方法难以或者不可能制造的零件。增材制造技术可细分粉床的增材制造技术和无粉床的增材制造技术两大类。其中粉床类增材制造技术包括立体光固化、选择性激光烧结、选择性激光烧熔、电子束熔化成型以及粘结剂喷射成形等方法。无粉床类增材制造技术包括激光金属直接沉积、电弧送丝、薄材叠层等方法。其中粉床增材制造技术由于依托粉末床来进行铺设和平整粉末，具有成形精度高、速度快等优点。特别是粘结剂喷射成形方法，该方法通过粘结剂将粉末逐层粘结，然后再放入高温炉中烧结，将粘结剂除去，即可得到成品，粘结剂喷射成形可适用于多种材料，不但可以进行高分子制品成形，也可应用于金属与陶瓷。
4.但是在现有技术中，由于增材制造采用逐层累积的方式构造，后一层的制造必须依赖于前一层的制造，在利用粘结剂喷射成形方式制造大型零件时，整个制造过程可能要花费数天或数周时间，导致成本高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中利用粘结剂喷射成形方式制造大型零件时，整个制造过程耗时的问题，提供一种基于粘结剂喷射的并行增材制造装置及制造方法。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.本发明提出的一种基于粘结剂喷射的并行增材制造装置，包括若干个增材制造单元，所述增材制造单元包括安装在支撑架内部的粉床和安装在支撑架上方的粘结剂供应舱；所述粘结剂供应舱上连接有用于喷射粘结剂的打印头；所述打印头位于所述粉床的上表面；在所述粉床的内部设有供粉缸，供粉缸上安装有供粉活塞和z轴活塞，在支撑架的侧壁安装有碾平辊，所述碾平辊位于所述粉床的上方；所述打印头、碾平辊、供粉活塞和z轴活
塞均与控制器电连接。
8.优选地，若干个增材制造单元等间距设置。
9.优选地，在所述增材制造单元的一侧设有拼装机器人，在所述拼装机器人的另一侧设有用于安装工件的拼接平台。
10.优选地，所述拼接平台上的工件采用螺柱和销孔进行定位。
11.优选地，所述粘结剂供应舱与所述打印头通过粘结剂输送管连接。
12.优选地，所述碾平辊为柱形结构。
13.优选地，所述柱形结构的外表面光滑。
14.本发明提出的一种基于粘结剂喷射的并行增材制造装置的制造方法，包括如下步骤：
15.步骤1、打印头、碾平辊、供粉活塞和z轴活塞均与控制器电连接；
16.步骤2、供粉缸的供粉活塞上升后将粉材传输至粉床上，再通过碾平辊将粉材铺平；
17.步骤3、粘结剂供应舱将粘结剂传输给打印头，打印头将粘结剂喷在粉床上；
18.步骤4、z轴活塞向下运动，再重复执行步骤2和步骤3操作，制造出粉末生坯件，实现增材制造。
19.优选地，对粉末生坯件整体进行脱脂处理，将脱脂后的熟坯件放入烧结炉中烧结，生成成型件；其中，生坯由粉末和粘结剂组成。
20.优选地，采用热脱脂方法使粘结剂热分解。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.本发明提出的一种基于粘结剂喷射的并行增材制造装置，为了克服上述增材制造耗时长、效率低困境，通过并行的加工的方式提高增材效率。通过对三维模型进行分割形成分块，设置多个增材制造单元，每个分块单独加工，不但可避免运动单元干涉而且可打破整体逐层累积的约束，从而提高加工效率。同时，本发明以粘结剂喷射增材制造技术作为并行增材制造的基础。粘结剂是一种基于粉末床的增材制造技术，使用打印头将粘结剂喷到粉末里，从而将一层粉末在选择的区域内粘合，每一层粉末又会同之前的粉层通过粘结剂的渗透结合为一体，如此层层叠加制造出三维结构的物体。由于通过粘结剂粘合粉末，所以不存在粉末氧化和残余应力问题，打印头也不需要被置于一个密封空间中；同时，没有定向能量输出装置也使打印头相对便宜。对于规则形状的组件，本发明可提前制造预制模块，加工时直接组装，进一步提高速度。
23.进一步地，各组装模块之间，有螺柱和销孔结构进行连接，以方便组装。
24.进一步地，利用机器人对制造出的模块进行组装，不但可节省人力，而且组装准确性较高。
25.本发明提出的一种基于粘结剂喷射的并行增材制造方法，通过控制器控制打印头、碾压辊、供粉活塞和z轴活塞做相对运动，每建造一层粉床中的z轴活塞向下运动，多并行增材制造单元可同时制造出零件的粉末粘结原型分块，制造方法相对简单。
26.进一步地，粘结剂喷射增材制造的烧结过程将各个分块打印部分牢固的烧结在一起，最终形成完整工件。
27.进一步地，将脱脂后的熟坯件放入烧结炉中烧结，通过加热使坯体内部相邻粒子
不断合并增加粒子的堆积密度，使坯体中的孔隙进不断减小，直至完全消除。
附图说明
28.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
29.图1为本发明分块并行增材制造整体流程图。
30.图2为本发明中三维模型在xyz轴方向分割示意图。
31.图3为本发明中连接分块的螺柱与销孔示意图。
32.图4为本发明中多个粘结剂喷射增材制造单元并行增材制造装置结构图。
33.图5为本发明并行增材制造方法流程图。
34.其中，1-模型表面，2-模型各分割部分，3-螺柱，4-销孔，6-拼装工作台，7-成型件；8-拼装机器人，9-粉末生坯件，10-打印头，11-粉末12-粉床，13-粘结剂输送管，14-碾平辊，15-粘结剂供应舱。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
36.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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，都属于本发明保护的范围。
37.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
38.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
40.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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发明中的具体含义。
41.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
42.本发明的粘结剂喷射的分块并行增材制造包括二大阶段，包括模型处理阶段和生产制造阶段，如图1所示。各阶段具体如下：
43.1)模型处理阶段：
44.首先，对三维数字模型进行分割，本发明的数字模型的分割策略依据增材制造单元成型平台尺寸而定，目的是将零件模型分割为多个分块。主要根据增材制造单元成型平台尺寸对三维模型进行分割，如果三维模型xy方向尺寸小于增材制造单元，则只进行z轴方向分割；否则，则在xyz三个轴方向分割，分割模板为长方体。图2中的(a)为标有分割线的模型表面1，(b)为将模型各分割部分2相互分离的视图。其次，在分块模型中加入螺柱3与销孔4为拼接做准备；加入各分块的定位装置。为了方便各分块的后续组装，在分块模型中加入螺柱3和销孔4。螺柱3可插入销孔4中，如图3所示。通过对应的螺柱3和销孔4定位各分块的组合位置，并起到一定的固定作用。然后，提取规则分块部分，与预制分块相匹配；提取可预制部分三维模型。对三维模型分割后会形成一些规划形状的分块模型可以提前预制，即根据并行增材制造单元的尺寸预制工件。由于这些预制工件不占用增材制造单元，所以可提高增材制造速度。最后，对各各分块数字模型进行切片处理形成分层轮廓，在每层轮廓的基础上生成增材制造路径；并对生成的加工路径进行处理，生成设备指令代码发送到增材制造设备。
45.2)生产制造阶段：
46.首先，依据模型处理阶段生成的设备指令代码在各粘结剂喷射增材制造并行增材制造。本发明提出的一种基于粘结剂喷射的并行增材制造装置，如图4所示，包括若干个增材制造单元，可同时加工多个工件分块，每一个粘结剂喷射增材制造单元为一粘结剂喷射增材制造系统。增材制造单元包括安装在支撑架内部的粉床12和安装在支撑架上方的粘结剂供应舱15，粘结剂供应舱15用于输出粘结剂。粘结剂供应舱15上连接有用于喷射粘结剂的打印头10，打印头10位于粉床12的上表面，打印头10在xy平面运动。在粉床12的内部设有供粉缸，供粉缸上安装有供粉活塞和z轴活塞，可通过供粉缸的供粉活塞供应粉材，供粉活塞上升后通过碾平辊14将粉末11在粉床12中铺实可进行下一层的增材制造。在支撑架的侧壁安装有碾平辊14，碾平辊14用于将粉末11材料滚平压实；碾平辊14位于粉床12的上方，在碾平辊14铺粉时打印头10运动到粉床12边缘尽头避免干涉。加工时打印头10将粘结剂喷在粉床12上实现该层成型。每建造一层粉床12中的z轴活塞向下运动，通过累积成型建造粉末粘结的原型分块，多并行增材制造单元可同时制造出零件的粉末粘结原型分块，各粘结剂喷射增材制造单元按从下到上的顺序生产模型分块。打印头10、碾平辊14、供粉活塞和z轴活塞均与控制器电连接。在增材制造单元的一侧设有拼装机器人8，在拼装机器人8的另一侧设有用于安装工件的拼接平台6，利用机器手8对粘结剂喷射制成的粉末粘结原型进行拼接，机器手8按从下到上的顺序对粉末粘结原型进行拼接，拼接地过程中可利用螺柱3和销孔4进行分块间的精确定位。粘结剂供应舱15与打印头10通过粘结剂输送管13连接。碾平辊14为柱形结构，柱形结构的外表面光滑。其中，若干个增材制造单元等间距设置。
47.对机器手8拼装好的粉末生坯件整体进行脱脂处理。生坯由粉末和粘结剂组成，脱脂主要去除第一阶段粘结剂的过程，仅通过最少量的第二阶段粘接剂保持在一起，本发明
采用热脱脂方法使粘结剂热分解。在低温度的预处理炉中进行以降低制造成本。最后，将脱脂后的熟坯件放入烧结炉中烧结，工件坯体在接近熔化温度但低于熔化温度的烧结炉中加热。通过加热使坯体内部相邻粒子不断合并增加粒子的堆积密度，使坯体中的孔隙进不断减小，直至完全消除。在烧结过程中毛坯强度不断增加，最后生成成型件7。
48.本发明提出的一种基于粘结剂喷射的并行增材制造装置的制造方法，如图5所示，包括如下步骤：
49.步骤1、打印头10、碾平辊14、供粉活塞和z轴活塞均与控制器电连接；
50.步骤2、供粉缸的供粉活塞上升后将粉材传输至粉床12上，再通过碾平辊14将粉材铺平；
51.步骤3、粘结剂供应舱15将粘结剂传输给打印头10，打印头10将粘结剂喷在粉床12上；
52.步骤4、z轴活塞向下运动，再重复执行步骤2和步骤3操作，制造出粉末生坯件9，实现增材制造。
53.对粉末生坯件整体进行脱脂处理，将脱脂后的熟坯件放入烧结炉中烧结，生成成型件；其中，生坯由粉末和粘结剂组成，采用热脱脂方法使粘结剂热分解。
54.因此，本发明通过并行的加工的方式提高增材效率。通过对三维模型进行分割形成分块，每个分块单独加工，不但可避免运动单元干涉而且可打破整体逐层累积的约束，从而提高加工效率。同时，本发明以粘结剂喷射增材制造技术作为并行增材制造的基础。粘结剂是一种基于粉末床的增材制造技术，使用喷墨打印头将粘结剂喷到粉末里，从而将一层粉末在选择的区域内粘合，每一层粉末又会同之前的粉层通过粘结剂的渗透结合为一体，如此层层叠加制造出三维结构的物体。该技术适用材料较多，从不锈钢、模具钢、高温合金、钛合金、难熔金属等金属材料到氧化锆、氧化铝、碳化硅等陶瓷材料都可适用。同时，由于通过粘结剂粘合粉末，所以不存在粉末氧化和残余应力问题，打印机也不需要被置于一个密封空间中；同时，没有定向能量输出装置也使打印头相对便宜。所以扩展粘结剂喷射增材制造单元成本较低，可进行并行增材制造。最后，粘结剂喷射增材制造的烧结过程又可将各个分块打印部分牢固的烧结在一起。本发明中增材制造速度与增材制造单元的数量成正比。
55.具有如下优点：
56.1)本发明多个制造单位同时加工，具有并发行，可通过并行制造提高加工效率。
57.2)对于规则形状的组件，本发明可提前制造预制模块，加工时直接组装，进一步提高速度。
58.3)本发明的各组装模块之间，有螺柱和销孔结构进行连接，以方便组装。
59.4)本发明利用机器人对制造出的模块进行组装，不但可节省人力，而且组装准确性较高。
60.5)本发明利用结剂喷射增材制造的烧结环节，可将组装好的模块烧结在一起，最终形成完整工件。
61.6)本发明方案合理，结构简单，容易实现，能充分发挥粘结剂喷射增材制造的优势。
62.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于粘结剂喷射的并行增材制造装置，其特征在于，包括若干个增材制造单元，所述增材制造单元包括安装在支撑架内部的粉床(12)和安装在支撑架上方的粘结剂供应舱(15)；所述粘结剂供应舱(15)上连接有用于喷射粘结剂的打印头(10)；所述打印头(10)位于所述粉床(12)的上表面；在所述粉床(12)的内部设有供粉缸，供粉缸上安装有供粉活塞和z轴活塞，在支撑架的侧壁安装有碾平辊(14)，所述碾平辊(14)位于所述粉床(12)的上方；所述打印头(10)、碾平辊(14)、供粉活塞和z轴活塞均与控制器电连接。2.根据权利要求1所述的基于粘结剂喷射的并行增材制造装置，其特征在于，若干个增材制造单元等间距设置。3.根据权利要求1所述的基于粘结剂喷射的并行增材制造装置，其特征在于，在所述增材制造单元的一侧设有拼装机器人(8)，在所述拼装机器人(8)的另一侧设有用于安装工件的拼接平台(6)。4.根据权利要求3所述的基于粘结剂喷射的并行增材制造装置，其特征在于，所述拼接平台(6)上的工件采用螺柱和销孔进行定位。5.根据权利要求1所述的基于粘结剂喷射的并行增材制造装置，其特征在于，所述粘结剂供应舱(15)与所述打印头(10)通过粘结剂输送管(13)连接。6.根据权利要求1所述的基于粘结剂喷射的并行增材制造装置，其特征在于，所述碾平辊(14)为柱形结构。7.根据权利要求6所述的基于粘结剂喷射的并行增材制造装置，其特征在于，所述柱形结构的外表面光滑。8.采用权利要求1～7中任意一项所述的基于粘结剂喷射的并行增材制造装置的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、打印头(10)、碾平辊(14)、供粉活塞和z轴活塞均与控制器电连接；步骤2、供粉缸的供粉活塞上升后将粉材传输至粉床(12)上，再通过碾平辊(14)将粉材铺平；步骤3、粘结剂供应舱(15)将粘结剂传输给打印头(10)，打印头(10)将粘结剂喷在粉床(12)上；步骤4、z轴活塞向下运动，再重复执行步骤2和步骤3操作，制造出粉末生坯件，实现增材制造。9.根据权利要求8所述的基于粘结剂喷射的并行增材制造方法，其特征在于，对粉末生坯件整体进行脱脂处理，将脱脂后的熟坯件放入烧结炉中烧结，生成成型件；其中，生坯由粉末和粘结剂组成。10.根据权利要求9所述的基于粘结剂喷射的并行增材制造方法，其特征在于，采用热脱脂方法使粘结剂热分解。

技术总结
本发明公开了一种基于粘结剂喷射的并行增材制造装置及制造方法，属于先进制造技术领域，通过对三维模型进行分割形成分块，每个分块同时单独加工，可打破整体逐层累积的约束，从而提高加工效率。首先依据增材制造单元成型平台尺寸将零件模型分割为多个分块；同时，在分块模型中加入螺柱与销孔为拼接做准备；接着，对各分块模型进行数据处理，生成增材加工路径，并对各分块模型进行并行增材制造；然后，对增材制造生成的粉末粘结原型进行后处理和拼接；最后，将拼接好的分块烧结后成型为一个整体。本发明中增材制造速度与增材制造单元的数量成正比。数量成正比。数量成正比。


技术研发人员：崔滨 王磊 周文
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/9