本發(fā)明涉及3d打印技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多材料噴嘴沉積系統(tǒng)及沉積方法。

背景技術(shù)：

目前，3d打印技術(shù)已經(jīng)被大多數(shù)人接受，并且展開了很多的設(shè)計(jì)與研究。但是到目前為止大多數(shù)rp&m系統(tǒng)只能使用單一構(gòu)建材料進(jìn)行制作，而精確度、重復(fù)性和可靠性問題也難以得到確切的保證。

商業(yè)市場的研究差距分析和目前正在進(jìn)行的研究清楚地表明，需要多材料rp&m系統(tǒng)。雖然rp&m的商業(yè)市場沒有可行的解決方案可用于多材料制造，但是目前在這一領(lǐng)域進(jìn)行的研究側(cè)重于開發(fā)多材料沉積設(shè)備，可用于沉積兩種材料或沉積fgm材料。目前，國內(nèi)外在兩種構(gòu)造材料的物體的多材料制造領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，然而，還沒有設(shè)計(jì)用于沉積多于兩種構(gòu)建材料的沉積設(shè)備。

因此，針對(duì)上述技術(shù)問題，有必要提供一種多材料噴嘴沉積系統(tǒng)及沉積方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種多材料噴嘴沉積系統(tǒng)及沉積方法，其可以沉積多于兩種構(gòu)建材料，且打印速度快、精度高、質(zhì)量好。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下：

一種多材料噴嘴沉積系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括集成有多個(gè)噴嘴的多材料沉積頭、與多材料沉積頭相連并用于驅(qū)動(dòng)噴嘴旋轉(zhuǎn)的噴嘴旋轉(zhuǎn)裝置、以及用于固化材料的uv光源，所述多材料沉積頭包括若干噴嘴、與噴嘴相連的材料沉積管道、以及與材料沉積管道相連的材料進(jìn)給管道，噴嘴、材料沉積管道、以及材料進(jìn)給管道為一一對(duì)應(yīng)安裝，以分別形成各個(gè)用于進(jìn)行材料沉積的通道。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，系統(tǒng)還包括沉積平臺(tái)、以及位于沉積平臺(tái)上方的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，所述噴嘴位于沉積平臺(tái)的上方，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上設(shè)有若干安裝孔以固定安裝各個(gè)材料沉積管道。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，噴嘴呈圓周等距離均勻分布于沉積平臺(tái)上方，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上設(shè)有若干呈圓周等距離均勻分布的安裝孔用于對(duì)應(yīng)安裝所述材料沉積管道。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，多材料沉積頭包括7個(gè)噴嘴、7個(gè)材料沉積管道和7個(gè)材料進(jìn)給管道。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，噴嘴旋轉(zhuǎn)裝置包括伺服電機(jī)及旋轉(zhuǎn)皮帶，伺服電機(jī)通過旋轉(zhuǎn)皮帶連接于集成有若干噴嘴的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的側(cè)邊。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，伺服電機(jī)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)所述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)順時(shí)針或逆時(shí)針的最大旋轉(zhuǎn)角度為180度以控制噴嘴的位置。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，uv光源包括連接于材料沉積管道外側(cè)的第一uv光源和集成于材料沉積管道上的第二uv光源。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，第一uv光源為主uv光源，用于立即固化大量的材料體積；第二uv光源32為uv點(diǎn)光源，由集成在沉積控制組件的uv射燈提供，用于精確固化小體積沉積。

相應(yīng)地，一種多材料噴嘴沉積系統(tǒng)的沉積方法，所述多材料噴嘴沉積系統(tǒng)為基于sla式的多材料噴嘴沉積系統(tǒng)，沉積方法具體包括：

首先采用直接切片算法技術(shù)，通過計(jì)算每個(gè)切片的起點(diǎn)和終點(diǎn)，將剪切層的所有部分組合在一起；

在找到段的序列之后，生成一個(gè)封閉的nurbs曲線來表示基于opencascade基礎(chǔ)的切割層的輪廓；

然后根據(jù)各切割層的輪廓，通過噴嘴旋轉(zhuǎn)裝置控制多材料沉積頭的位置，并進(jìn)行多材料沉積及uv固化。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述沉積方法還包括：

根據(jù)公式控制每個(gè)噴嘴所需的壓力，其中，p為噴嘴的壓力，v為沉積流速，η為效率，l為噴嘴長度，t為單位時(shí)間，r為噴嘴直徑。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明可以沉積多于兩種構(gòu)建材料，能夠打印多于兩種材料的零部件；

本發(fā)明設(shè)置伺服電機(jī)帶動(dòng)噴嘴旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多材料零部件的精確打?。?/p>

本發(fā)明在打印噴嘴外側(cè)設(shè)置有第一uv光源，可以實(shí)現(xiàn)材料的大體積固化，提高打印速度；在沉積控制組件上集成了第二uv光源，可以形成uv光斑，用于精確固化小體積沉積，以通過將固化源瞄準(zhǔn)特定材料體積來加速固化過程，提高打印質(zhì)量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一具體實(shí)施例中多材料噴嘴沉積系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一具體實(shí)施例中材料沉積管道的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a、3b分別為本發(fā)明一具體實(shí)施例中頂蓋組件的立體結(jié)構(gòu)示意圖和爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3c為本發(fā)明一具體實(shí)施例中壓板組件的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3d為本發(fā)明一具體實(shí)施例中沉積控制組件的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4a、4b分別為本發(fā)明一具體實(shí)施方式中吊門關(guān)閉及打開的示意圖；

圖4c為本發(fā)明一具體實(shí)施方式中無材料施加的壓力時(shí)吊門的控制原理圖；

圖5a、5b分別為本發(fā)明中采用第一uv光源和第二uv光源的固化示意圖；

圖6a為本發(fā)明一具體實(shí)施方式中多于兩個(gè)材料沉積在相同的層中的沉積示意圖；

圖6b、6c分別為采用第一uv光源和第二uv光源對(duì)圖6a中的沉積層進(jìn)行固化的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參圖1所示，本發(fā)明一具體實(shí)施方式中公開了一種多材料噴嘴沉積系統(tǒng)，其包括集成有多個(gè)噴嘴的多材料沉積頭10、與多材料沉積頭相連并用于驅(qū)動(dòng)噴嘴旋轉(zhuǎn)的噴嘴旋轉(zhuǎn)裝置20、以及用于固化材料的uv光源。

本發(fā)明中的多材料沉積頭10包括若干噴嘴11、與噴嘴11相連的材料沉積管道12、以及與材料沉積管道12相連的材料進(jìn)給管道13，噴嘴11位于沉積平臺(tái)15的上方，沉積平臺(tái)15正上方設(shè)有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)16，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)16上設(shè)有若干安裝孔(未標(biāo)號(hào))以固定安裝各個(gè)材料沉積管道12，材料進(jìn)給管道13與材料沉積管道12相連通安裝，以為材料沉積管道12進(jìn)行沉積材料的進(jìn)給。優(yōu)選地，本發(fā)明中的噴嘴11、材料沉積管道12、以及材料進(jìn)給管道13為一一對(duì)應(yīng)安裝，以分別形成各個(gè)用于進(jìn)行材料沉積的通道。

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中以7個(gè)噴嘴11、7個(gè)材料沉積管道12和7個(gè)材料進(jìn)給管道13為例進(jìn)行說明，7個(gè)噴嘴11呈圓周等距離均勻分布于沉積平臺(tái)15上方，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)16上設(shè)有7個(gè)呈圓周等距離均勻分布的安裝孔用于對(duì)應(yīng)安裝7個(gè)材料沉積管道12。通過7個(gè)噴嘴，可以打印兩種或兩種以上的多材料部件。優(yōu)選地，多材料噴嘴沉積系統(tǒng)所沉積的材料是光聚合物樹脂，當(dāng)然，在其他實(shí)施方式中也可以采用其他能夠進(jìn)行uv的材料。

應(yīng)當(dāng)理解的是，在其他實(shí)施方式中噴嘴、材料沉積管道、及材料進(jìn)給管道的數(shù)量可以設(shè)置為2個(gè)或2個(gè)以上的其他數(shù)量，噴嘴、材料沉積管道、及材料進(jìn)給管道同樣為一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，即可以打印兩種或兩種以上的多材料部件。噴嘴在沉積平臺(tái)上方的排布、及安裝孔在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的排布也可以采用其他均勻或非均勻的排布方式，而不限于本實(shí)施方式中的圓周等距離均勻分布，此處不再一一舉例進(jìn)行說明。

結(jié)合圖2、圖3a～3d所示，本實(shí)施方式中的材料沉積管道12包括位于材料沉積管道頂部的頂蓋組件121、位于材料沉積管道中間位置的壓板組件122、以及位于材料沉積管道下方的沉積控制組件123。

具體地，材料沉積管道12由上述組件分為密封壓力室1201和材料存儲(chǔ)室1202。密封壓力室1201上端由三個(gè)橡膠密封件組成了一個(gè)帶有材料和氣壓管道的卡扣組合式頂蓋組件121，密封壓力室1201與材料存儲(chǔ)室1202中間設(shè)置有一多用途壓板組件122，材料存儲(chǔ)室1202下端靠近噴嘴處設(shè)置有一沉積控制組件123。

參圖2并結(jié)合3a、3b所示，頂蓋組件121包括頂蓋本體1211、位于頂蓋本體1211下方的橡膠墊1212、及位于頂蓋本體1211和橡膠墊1212下方的材料管道1213和氣壓管道1214，頂蓋本體1211和橡膠墊1212上設(shè)有分別用于連通材料管道1213和氣壓管道1214的第一通孔1215和第二通孔1216。頂蓋組件121的各個(gè)部件均為橡膠件，可以保證密封壓力室1201上方的氣密性。

參圖2并結(jié)合圖3c、圖4a～4c所示，通過壓板組件122可將材料沉積管道12分為密封壓力室1201和材料存儲(chǔ)室1202，壓板組件122包括壓板主體1221、嵌設(shè)于壓板主體1221內(nèi)的橡膠壓板1222、位于橡膠壓板1222下方且嵌設(shè)于壓板主體1221內(nèi)的吊門組件，吊門組件可包括吊門外殼(未圖示)及吊門1223，吊門1223可根據(jù)密封壓力室1201中材料施加的壓力和材料存儲(chǔ)室1202的反向壓力進(jìn)行關(guān)閉。

參圖4a所示，當(dāng)材料施加的壓力未達(dá)到吊門1223打開的壓力閾值時(shí)，吊門1223處于關(guān)閉狀態(tài)；參圖4b所示，當(dāng)材料施加的壓力達(dá)到吊門1223打開的壓力閾值時(shí)，吊門1223處于打開狀態(tài)。參圖4c所示，當(dāng)無材料施加的壓力時(shí)，吊門1223的狀態(tài)由密封壓力室1201中的空氣壓力和材料存儲(chǔ)室1202的反向壓力決定，當(dāng)材料存儲(chǔ)室1202的反向壓力大于密封壓力室1201中的空氣壓力時(shí)，吊門1223處于關(guān)閉狀態(tài)，反之，吊門1223處于打開狀態(tài)。

進(jìn)一步地，壓板組件122還包括在進(jìn)料過程中打開的材料檢修門，當(dāng)壓力施加在壓板組件上時(shí)，材料檢修門關(guān)閉。

參圖2并結(jié)合圖3d所示，本實(shí)施方式中的沉積控制組件123由一個(gè)電磁體系統(tǒng)組成，當(dāng)被激活時(shí)，可以連續(xù)地或者在液滴形成中沉積材料。具體地，沉積控制組件123包括外殼蓋1231、本體1232、安裝于本體1232側(cè)邊的電磁鐵1233、以及安裝于外殼蓋1231下方本體1232內(nèi)的沉積觸發(fā)器(未圖示)和彈簧(未圖示)。外殼蓋1231、本體1232和沉積觸發(fā)器上設(shè)有若干對(duì)應(yīng)的材料進(jìn)孔，外殼蓋1231和本體1232上的材料進(jìn)孔始終處于對(duì)齊狀態(tài)，而通過控制沉積觸發(fā)器的材料進(jìn)孔的狀態(tài)控制材料沉積。

沉積控制組件123的工作原理為：

當(dāng)電磁鐵1233未被激活時(shí)，彈簧將沉積觸發(fā)器從本體1232的材料進(jìn)孔中推開；當(dāng)電磁鐵1233被激活時(shí)，沉積觸發(fā)器朝向電磁鐵1233移動(dòng)，移動(dòng)過程中，沉積觸發(fā)器上的材料進(jìn)孔與外殼蓋1231和本體1232上的材料進(jìn)孔對(duì)齊以進(jìn)行材料沉積。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本實(shí)施方式中的多材料沉積頭以應(yīng)用于多材料噴嘴沉積系統(tǒng)為例進(jìn)行說明，當(dāng)然，在其他實(shí)施方式中，多材料沉積頭同樣可以應(yīng)用于其他的噴嘴沉積系統(tǒng)，此處不再舉例進(jìn)行詳細(xì)說明。

參圖1所示，本實(shí)施方式中的噴嘴旋轉(zhuǎn)裝置20包括伺服電機(jī)21及旋轉(zhuǎn)皮帶22，伺服電機(jī)21通過旋轉(zhuǎn)皮帶22連接于集成有若干噴嘴的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)16的側(cè)邊，伺服電機(jī)21可以順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)16及噴嘴，最大旋轉(zhuǎn)角度為180度以控制噴嘴的位置，并設(shè)計(jì)有配套算法以控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)多材料部件的有序打印任務(wù)。

參圖1并結(jié)合圖5a、5b所示，本實(shí)施方式中的uv光源包括連接于沉積控制組件123外側(cè)的第一uv光源31和集成于沉積控制組件123上的第二uv光源32。其中，第一uv光源31為主uv光源，用于立即固化大量的材料體積，可以加快材料的固化速率提高打印速度；第二uv光源32為uv點(diǎn)光源，由集成在沉積控制組件123的uv射燈提供，用于精確固化小體積沉積，以通過將固化源瞄準(zhǔn)特定材料體積來加速固化過程。

本發(fā)明中的沉積系統(tǒng)為基于sla式的多材料噴嘴沉積系統(tǒng)，其設(shè)有配套的沉積控制方法，具體為：

首先采用直接切片算法技術(shù)，通過計(jì)算每個(gè)切片的起點(diǎn)和終點(diǎn)，將剪切層的所有部分組合在一起；

在找到段的序列之后，生成一個(gè)封閉的nurbs曲線來表示基于opencascade基礎(chǔ)的切割層的輪廓；

然后根據(jù)各切割層的輪廓，通過噴嘴旋轉(zhuǎn)裝置控制多材料沉積頭的位置，并進(jìn)行多材料沉積及uv固化。

本實(shí)施方式中多材料噴嘴沉積系統(tǒng)進(jìn)行材料沉積時(shí)的具體步驟如下：

1、進(jìn)料裝置開啟，開始將材料從進(jìn)料槽泵經(jīng)由材料進(jìn)給管道送到材料存儲(chǔ)室。每個(gè)材料進(jìn)給管道專用于特定材料，其一端連接到材料源罐，而另一端連接到壓板組件。進(jìn)料裝置借助于連接在專用泵上的曲軸泵送材料，當(dāng)材料存儲(chǔ)室充滿時(shí)，進(jìn)料裝置關(guān)閉。

2、在每個(gè)噴嘴的材料存儲(chǔ)室填充滿所需的多種材料和支撐材料之后，沉積裝置開始沉積工藝。打開空氣壓縮機(jī)，并保持壓板組件上的恒定壓力。需要控制每個(gè)噴嘴所需的壓力，并且可以使用從poiseulle定律得到的以下公式來計(jì)算：

其中，p為噴嘴的壓力，v為沉積流速，η為效率，l為噴嘴長度，t為單位時(shí)間，r為噴嘴直徑。沉積流速由施加在壓力組件上的壓力控制，每個(gè)噴嘴的壓力取決于噴嘴尖端的材料性質(zhì)和幾何形狀。因此，每個(gè)噴嘴的壓力根據(jù)所需的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3、通過靠近噴嘴沉積系統(tǒng)，移動(dòng)z軸來進(jìn)行第一次沉積。z軸的運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)控制，伺服電機(jī)可以向上或向下移動(dòng)z軸。

4、對(duì)第一次沉積調(diào)節(jié)噴嘴裝置，首先選擇所需的材料噴嘴，七個(gè)噴嘴安裝在連接到伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)盤上，伺服電機(jī)可以順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)噴嘴180°。

5、調(diào)整z軸后，進(jìn)行沉積控制，并選擇噴嘴進(jìn)行第一次材料沉積以進(jìn)行連續(xù)沉淀或沉降沉積。當(dāng)在預(yù)處理期間限定材料工具路徑時(shí)，預(yù)定義沉積控制致動(dòng)。沉積控制使得可以精確地控制材料沉積量，重要的是要了解流量由壓力板施加的壓力控制，然而沉積模式(連續(xù)或下降)由沉積控制組件控制。為了質(zhì)量和精度，壓力機(jī)構(gòu)和沉積控制都需要完美協(xié)調(diào)。

6、材料沉積過程之后是逐層完成的固化過程。然而，當(dāng)多層材料沉積時(shí)，需要對(duì)層中的每種材料進(jìn)行固化。材料固化過程可以通過使用主uv光源或uv點(diǎn)光源來完成，這取決于需要固化的材料數(shù)量、幾何形狀和面積。當(dāng)多種材料以少量和更頻繁地沉積時(shí)，根據(jù)材料性質(zhì)和光引發(fā)劑強(qiáng)度，不同的材料將需要不同的uv光強(qiáng)度，所以不可能使用主uv光源來固化，因此uv點(diǎn)光源被使用。uv點(diǎn)光源處理與主uv光源相比較慢，但更精確，易于控制。

參圖6a所示，當(dāng)多于兩個(gè)材料沉積在相同的層中時(shí)，則不可能使用圖6b中的第一uv光源31為(主uv光源)來固化，因?yàn)椴煌牟牧蠈⑿枰煌膗v光強(qiáng)度來固化。在這種情況下，主uv光源固化可能導(dǎo)致材料過度固化，同時(shí)在同一層下固化另一種材料，這將對(duì)固化層產(chǎn)生幾何缺陷。為了解決這個(gè)問題，參圖6c所示，可使用第二uv光源32(uv點(diǎn)光源)，其可為集成的紫外線聚光燈，這可能增加固化過程的時(shí)間，但是當(dāng)在同一層中固化多種材料時(shí)，會(huì)提供更好的控制和精度。當(dāng)?shù)谝粚庸袒瘯r(shí)，z軸向下移動(dòng)，允許下一層沉積開始并重復(fù)循環(huán)，直到物體全部沉積固化完成。

由以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明可以沉積多于兩種構(gòu)建材料，能夠打印多于兩種材料的零部件；

2、本發(fā)明設(shè)置伺服電機(jī)帶動(dòng)噴嘴旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多材料零部件的精確打?。?/p>

3、本發(fā)明設(shè)置了獨(dú)特的壓板組件，可以快速、穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)外部材料的進(jìn)給；

4、本發(fā)明設(shè)置了沉積控制組件，該組件由一個(gè)電磁體系統(tǒng)組成，當(dāng)被激活時(shí)可以連續(xù)地或者在液滴形成中沉積材料，能夠?qū)崿F(xiàn)材料的精確控制和沉積；

5、本發(fā)明在打印噴嘴外側(cè)設(shè)置有第一uv光源，可以實(shí)現(xiàn)材料的大體積固化，提高打印速度；在沉積控制組件上集成了第二uv光源，可以形成uv光斑，用于精確固化小體積沉積，以通過將固化源瞄準(zhǔn)特定材料體積來加速固化過程，提高打印質(zhì)量。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。