基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造设备及方法

1.本发明涉及基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造设备及方法，属于增材制造技术领域。


背景技术：

2.增材制造在制造业的应用已日趋广泛，应用增材制造技术制备结构和功能材料对航空航天、医用、集成电路等行业有极其重要的意义。应用增材制造技术制备结构和功能材料对制造过程中坯体的材料空间分辨率和致密性有较高的要求。光固化photo-polymerization,ppm成型增材制造工艺能够满足高分辨率坯件的制备要求，但是先驱体浆料池的组分不可实时改变，难以制成多种材料复合的结构。材料挤出material extrusion,mex成型增材制造工艺能够制备多材料复合的结构，但采用该工艺难以克服挤出浆料流动性和保形性之间的矛盾，即若挤出浆料的固相成分含量高则浆料粘度高挤出困难，若挤出浆料的固相成分含量低虽易挤出但成型的坯件容易出现坍塌变形。
3.为了能够高效、低成本制备多材料复合且实现材料的高精度空间分布，研究人员提出了一些工艺改进和装置创新。目前提出的创新方案大多是将光固化和材料挤出两种工艺方法结合，但都存在如成型精度差、多材料间易混合污染、材料比例控制精度不足、对成型材料的要求高、成型效率低、设备成本高等问题，具体分析如下。
4.专利cn113059792a提出一种在线变组份光固化3d打印装置及方法，包括激光发生模块、混料送料机构，混料送料机构可将多材料混合挤出，激光发生模块可对打印的材料进行选择固化。但是此设计存在的不足在于，混料送料机构容易发生不同材料相互污染及产生材料混合比例控制误差，而且激光发生模块在固化时需要将混料送料机构移开，固化的实时性和效率不高，此外激光发生模块的成本也较高。
5.专利cn113320142a提出一种多材料光固化3d打印设备，包括对应多种材料的多个挤出喷头和光固化机构，多个挤出喷头能挤出不同的材料，再经光固化机构投射固化光固化即可得到多材料结构制件。但是，一方面此设备仍存在与专利cn113059792a的装置类似的缺点，即光固化机构在固化时需要将挤出喷头移开，固化的实时性和效率不高，光固化机构的成本也较高；另一方面，该方案的材料挤出由旋转螺杆驱动，而且料筒与喷头之间通过输料管连接，这样的方案难以挤出粘度较大的浆料，而且挤出的启停控制响应慢，难以实现挤出量的精确与迅速控制。
6.专利cn112895441a提出的连续功能梯度材料和结构一体化制造的3d打印方法，其方案是引入基于熔融沉积成型fdm的约束牺牲层形成约束支撑结构，另外采用被动混合打印喷头形成连续功能梯度材料结构。但是此设计引入的基于熔融沉积成型fdm的约束牺牲层方案，对牺牲层的材料有所限制，材料须能满足fdm工艺要求；且被动混合打印喷头依然存在容易发生不同材料相互污染及材料混合比例控制误差大的问题；另外，挤出喷嘴和供料模块之间通过管路连接，同样存在难以挤出粘度较大的浆料，且挤出的启停控制响应慢，难以实现挤出量的精确与迅速控制的问题。


技术实现要素：

7.为了解决目前存在的上述问题，本发明提供了基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造设备及方法，所述技术方案如下：
8.本发明首先提出的基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造设备，所述设备包括：底座、三轴运动平台、主支架、挤出控制装置、成型装置及固化光源装置；所述三轴运动平台和所述主支架分别设置在所述底座上并分别位于所述底座的两侧，所述成型装置和所述挤出控制装置均安装在所述主支架上，所述成型装置与所述挤出控制装置通过管路连接，并且所述成型装置在所述主支架上位于靠近所述三轴运动平台的一侧；所述固化光源装置设置在所述支座上，并位于所述主支架的一侧。
9.所述三轴运动平台用于提供增材制造过程中挤出喷头和工件平台之间必要的相对运动；所述主支架用于支撑所述挤出控制装置和所述成型装置；所述成型装置的作用在于挤出材料及固化材料；所述述挤出控制装置用于控制所述成型装置挤出材料的启停；所述固化光源装置用于为光固化过程提供固化光。
10.根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，所述挤出控制装置包括：装置底板、加压控制模块、通断控制模块及气源；所述装置底板与所述主支架固定连接，所述加压控制模块和所述通断控制模块分别设置在所述装置底板上；所述加压控制模块用于控制所述成型装置的挤出加压单元；所述通断控制模块用于控制所述成型装置的挤出通断单元；所述气源通过管路和连接件分别与所述加压控制模块和所述通断控制模块相连接。
11.根据本发明的技术方案，所述加压控制模块包括：加压汇流板以及多个加压控制阀；所述加压汇流板设置于所述挤出控制装置的装置底板上，并且所述加压汇流板的一侧设置有进气口和排气口，所述进气口通过进气连接件连接气源；所述排气口设置有排气消音器；多个所述加压控制阀设置在所述加压汇流板上，所述加压控制阀的数量与成型装置中的成型模组的数量相同，并且多个所述加压控制阀分别与对应的成型模组连接，所述加压控制阀为二位三通电磁控制阀。
12.根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，所述加压控制阀的出气口通过管路和管路连接件与对应成型模组上的挤出加压单元的气缸进气口相连；所述加压控制阀的进气口与所述加压汇流板上的进气口连接，所述加压控制阀的排气口与所述加压汇流板上的排气口连接。
13.根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，所述通断控制模块包括：通断汇流板及多个通断控制阀；所述通断汇流板设置于所述挤出控制装置的装置底板上，并且所述通断汇流板的一侧设置有进气口和排气口，所述进气口通过进气连接件连接气源；所述排气口设置有排气消音器；多个所述通断控制阀安装在所述通断汇流板上，所述通断控制阀的数量与成型装置中的成型模组的数量相同，并且多个所述通断控制阀分别与对应的成型模组连接，所述通断控制阀为电磁控制的中位封闭型三位五通阀。
14.根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，所述通断控制阀的出气口a通过管路和连接件与对应成型模组上的旋转气缸的进气口a连接，所述通断控制阀的出气口b通过管路和连接件与对应成型模组上的旋转气缸的进气口b连接；所述通断控制阀的进气口与所述通断汇流板上的进气口连接，所述通断控制阀的排气口与所述通断汇流板上的排气口连接。
15.根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，所述成型装置包括模组安装支架和多个成型模组；多个所述成型模组与所述模组安装支架固定连接，所述模组安装支架固定连接在所述主支架上；所述成型模组包括模组支架及所述模组支架上依次设置的挤出加压单元、料筒单元、挤出通断单元及光固化单元；多个所述成型模组能够用于对多种相同或不同的材料进行成型。
16.根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，所述成型模组中；所述挤出加压单元为气缸-活塞单元，并由紧固件固定连接至所述模组支架上；所述料筒单元包括料筒、活塞及料筒压紧盖板；所述料筒压紧盖板位于所述料筒的上部，并且所述料筒通过所述料筒压紧盖板和紧固件固定连接至所述模组支架；所述活塞设置在所述料筒中，并与所述挤出加压单元的活塞连接，所述料筒的下部设置有出料口；所述挤出通断单元包括模组支板、旋转气缸、旋转阀联轴器、旋转二通阀及挤出喷头；所述模组支板固定在所述模组支架上，所述旋转气缸固定在所述模组支板上；所述旋转二通阀的一端与所述料筒的出料口连接，另一端连接所述挤出喷头；所述旋转阀联轴器的一端与旋转气缸输出轴连接，另一端与旋转二通阀的旋钮连接，所述旋转气缸能够通过所述旋转阀联轴器控制所述旋转二通阀的通断。
17.根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，所述光固化单元包括环形紫外光投射器及射光光纤，所述环形紫外光投射器固定连接至所述模组支架，所述环形紫外光投射器具有环形凹槽结构，所述射光光纤固定在所述环形紫外光投射器的环形凹槽结构中。
18.根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，所述固化光源装置包括多个紫外光发生器，所述紫外光发生器通过导光光纤与对应的成型模组的环形紫外光投射器中的射光光纤连接。
19.根据本发明的技术方案，基于以上所提的基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造设备，根据下述制造方法，可实现满足多材料高精度分布的增材制造技术。
20.本发明进一步提出基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造方法，所述方法采用本发明所述的设备，所述方法包括如下步骤：
21.步骤一：浆料配置，将需要成型的不同材料配置成浆料，并在其中的一种或多种浆料中加入光引发剂，使其能够被紫外光固化；
22.步骤二：根据材料的种类选择成型模组的数量，并根据成型模组的数量配置相对应的挤出控制装置中的加压控制模块和通断控制模块；
23.步骤三：根据需要固化的浆料的数量，确定固化光源装置的紫外光发生器的数量，使紫外光发生器的光波波长与浆料中的光引发剂的敏感波长一致，并用导光光纤连接紫外光发生器和对应的成型模组中的射光光纤；
24.步骤四：填装浆料并安装成型模组，将不同材料的浆料分别装入对应的成型模组的料筒中，并将料筒安装至成型模组支架，并在成型模组的其他单元安装完成之后将多个成型模组安装至模组安装支架；
25.步骤五：设备初始化，通过控制所述加压控制模块和所述通断控制模块的多个加压控制阀和多个通断控制阀，测试对应的成型模组的功能，并将三轴运动平台归零位；
26.步骤六：将待成型零件的数字模型进行切片分层处理，获得不同浆料的打印路径，并将各个打印路径的控制指令进行优化，优先使用可光固化的浆料打印零件的外围部件，以获得较好的形状保持性；
27.步骤七：所述设备按控制指令开始成型，成型各层时，优先挤出并固化零件外围的1-2层，形成不易变形的框架结构；
28.步骤八：完成成型，从三轴运动平台上取下制件。
29.根据本发明的技术方案，所述设备的成型装置的浆料挤出过程的原理如下：
30.某成型模组需挤出浆料时，该成型模组对应的加压控制阀切换成：使成型模组的挤出加压单元的气缸中通入压缩空气，在一定时延后，料筒中的浆料达到挤出压力要求，则立即控制对应的通断控制阀的出气口a导通，使得该成型模组的旋转气缸旋转并驱动旋转二通阀导通，浆料被挤出；某成型模组需停止挤出浆料时，该成型模组对应的加压控制阀切换成：使成型模组的挤出加压单元的气缸进入排气状态，该成型模组的挤出加压单元的气缸中高压气体被排出，使料筒中的浆料泄压，并控制对应的通断控制阀出气口b导通，使得该成型装置的旋转气缸反向旋转并驱动旋转二通阀关闭，于是停止挤出浆料。
31.根据本发明的技术方案，所述设备的成型装置的光固化过程的原理如下：
32.浆料从成型模组中被挤出后，如果某浆料已配置为含有光引发剂的可固化浆料，并且待成型的零件中该浆料成型的位置其结构需要加强，则在该浆料挤出时，打开对应的紫外光发生器的电源，由于成型模组中的紫外光发生器为环形设置，从而该浆料对应的紫外光以挤出点为圆心呈环形投影，无论平台往哪个方向运动，挤出的浆料都可被固化。
33.根据本发明的技术方案，将待成型零件的数字模型进行切片分层处理时，将挤出控制、光固化过程及三轴平台的运动集合编制成控制指令序列，以供设备独立工作。
34.本发明的有益效果：
35.采用本发明提出的基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造设备及方法，可以实现多材料结构坯件的高效制造，并实现以下有益效果。
36.一、实现多材料的空间高精度分布；本发明提出的多个成型模组的设计，由气源提供挤出压力，并且料筒的出料口与挤出喷头之间由旋转二通阀连接，这种近端挤出方式可以减小因浆料的黏弹性导致的浆料在管道中长距离传输产生的压力损失和挤出启停时延；一方面料筒中不需要施加太大的压力浆料就可顺利挤出，另一方面避免出现如料筒已加压但浆料迟迟不从喷头挤出或料筒已泄压但喷头依然在挤出浆料的情况，进而能够实现高粘度浆料通过小直径挤出喷头挤出，而且挤出的启停由旋转二通阀控制，挤出量的控制精度高，从而可以通过精确控制多材料的离散分布，实现多种材料的空间高精度分布，并实现正确的材料在正确的位置。
37.二、光固化的实时性、可控性更高，成型效果更好；并且采用本发明提出的环形紫外光投射器，能够及时对挤出的浆料完成固化，制件的变形小，而且光强在各个方向上的分布更为均匀，工艺一致性更好；此外，通过控制光固化过程的光强和挤出速度，能够在更宽的范围内调节固化过程，工艺适应性更好。
38.三、对材料的要求低、普适性更好；对于不同流变性、不同粘度的浆料有更好的适应性，对于高粘度的浆料，可通过增加气源压力、更换大直径挤出气缸等方法实现顺利挤出；对于低粘度易变形的浆料，可以在其中加入光引发剂进行实时固化，或在其它浆料中加入光引发剂对其形成外围支撑后再挤出该低粘度浆料。
39.四、工艺的效率高、设备的经济性高；采用本发明提出的设备和方法，挤出过程和光固化过程可以同时进行，极大提高了成型效率。此外本发明提出的设备，采用了通用标准
化部件，零部件易于获得，整体经济性高。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
41.图1是本发明的设备的总体结构示意图；
42.图2是本发明的设备中，挤出控制装置的总体结构示意图；
43.图3是本发明的设备中，成型装置的总体示意图；
44.图4是本发明的设备中，成型装置中的第一成型模组的结构示意图；
45.图5是本发明的设备中，成型装置中的光固化单元的结构示意图；
46.图6所示是本发明的设备中，成型装置中材料在不同挤出运动方向下的固化情况；
47.其中，1-底座；2-三轴运动平台；3-主支架、4-挤出控制装置；5-成型装置；6-固化单元光源装置。
具体实施方式
48.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
49.实施例一：
50.本实施例提供一种基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造设备，该实施例设备的总体结构如附图1所示。本实施例提供的设备可实现最少三种不同材料的增材制造。
51.参见图1所示，所述设备包括：底座1、三轴运动平台2、主支架3、挤出控制装置4、成型装置5及固化光源装置6。其中，三轴运动平台2和主支架3分别设置在底座1上并分别位于底座1的两侧。成型装置5和挤出控制装置4均安装在主支架3上，成型装置5与挤出控制装置4通过管路连接，并且所述成型装置5在所述主支架3上位于靠近所述三轴运动平台2的一侧；所述固化光源装置6设置在所述支座1上，并位于所述主支架3的一侧。所述三轴运动平台用于提供增材制造过程中挤出喷头和工件平台之间必要的相对运动；所述主支架3用于支撑所述挤出控制装置4和所述成型装置5；所述成型装置5的作用在于挤出材料及固化材料；所述述挤出控制装置4用于控制所述成型装置5挤出材料的启停；所述固化光源装置6用于为光固化过程提供固化光。
52.作为一种举例，本实施例的设备中，成型装置5中的成型模组为三组，并且对应的挤出控制装置4中，所述加压控制模块42和所述通断控制模块43分别设置三组加压控制阀和三组通断控制阀。应该理解为，本发明的实施方式不限于三种材料，并且可设计多组成型模组，进行多种相同或不同材料的成型。
53.在一种实施方式中，挤出控制装置4的结构示意如附图2所示，所述挤出控制装置4包括装置底板41，加压控制模块42、通断控制模块43、气源44，进气管45及连接管路。加压控制模块42和通断控制模块43安装在装置底板41上。
54.在一种实施方式中，所述挤出控制装置4中的所述装置底板41与所述主支架3固定
连接；所述加压控制模块42用于控制所述成型装置5的成型模组中的挤出加压单元；所述通断控制模块43用于控制所述成型装置5的成型模组中的挤出通断单元；所述气源44通过管路和连接件分别与所述加压控制模块42和所述通断控制模块43相连接。
55.如附图2所示，所述加压控制模块42包括加压汇流板420，加压汇流板进气连接件42p，加压汇流板排气消音器42r，多个加压控制阀设置在所述加压汇流板420上，包括：第一加压控制阀421，第二加压控制阀422，第三加压控制阀423，上述加压控制阀421、422、423上分别设置有对应的管路连接件421a、422a、423a。加压汇流板420安装在装置底板41上，加压汇流板进气连接件42p和加压汇流板排气消音器42r分别设置在上述加压汇流板420一侧的进气口和排气口上，并且分别接入管路连接气源及排气。
56.在一种实施方式中，三个加压控制阀配置为分别对应三种不同材料、三个相应的成型模组，并且，上述第一加压控制阀421，第二加压控制阀422，第三加压控制阀423的出气口通过管路连接件分别与对应的第一至第三成型模组上的挤出加压单元的气缸进气口相连；例如，第一加压控制阀421的管路连接件421a与第一成型模组51中的挤出气缸进气口连接件512p(如附图4所示)连接；并且，每个加压控制阀的进气口均与所述加压汇流板420上的进气口连接，每个加压控制阀的排气口均与所述加压汇流板420上的排气口连接。上述三个加压控制阀均为二位三通电磁控制阀。
57.在一种实施方式中，如附图2所示，通断控制模块43包括通断汇流板430，通断汇流板进气连接件43p，通断汇流板排气消音器43r，第一通断控制阀431，第二通断控制阀432，第三通断控制阀433，第一至第三通断控制阀431、432、433的出气口a分别设置对应的管路连接件431a、432a、433a，第一至第三通断控制阀431、432、433的出气口b分别设置对应的管路连接件431b、432b、433b。
58.所述通断控制模块包括通断汇流板430及多个通断控制阀，通断汇流板430安装在装置底板41上。通断汇流板进气连接件43p和通断汇流板排气消音器43r分别设置在通断汇流板430一侧的进气口和排气口上，并且分别可接入管路连接气源及排气。
59.在一种实施方式中，所述第一至第三通断控制阀431、432、433配置为与三种不同材料及三个成型模组分别对应设置，并且，每个通断控制阀的出气口a分别通过各自的管路连接件431a、432a、433a及管路与对应第一至第三成型模组的旋转气缸进气口a管路连接件进行连接；每个通断控制阀的出气口b分别通过管路连接件431b、432b、433b和管路与对应第一至第三成型模组上的旋转气缸的进气口b连接。例如，第一通断控制阀431的管路连接件431a与第一成型模组51的旋转气缸进气口a管路连接件5145a连接，管路连接件431b与第一成型模组51的旋转气缸进气口b管路连接件5145b连接，如附图4中所示。所述第一至第三通断控制阀均为电磁控制的中位封闭型三位五通阀。
60.在一种实施方式中，气源44为具有除湿、滤尘功能的稳压气源，可选择工业空气压缩机，气源44通过进气管45分别与加压汇流板进气连接件42p及通断汇流板进气连接件43p相连。
61.在一种实施方式中，成型装置5的结构如附图3所示；所述成型装置5包括模组安装支架50和三个成型模组：第一成型模组51、第二成型模组52、第三成型模组53；每个所述成型模组与所述模组安装支架50固定连接。第一成型模组51、第二成型模组52、第三成型模组53的主要结构相同。所述模组安装支架50固定连接在所述主支架3上；每个所述成型模组包
括模组支架及所述模组支架上依次设置的挤出加压单元、料筒单元、挤出通断单元及光固化单元；多个所述成型模组能够用于对多种相同或不同的材料进行成型。
62.在一种实施方式中，第一成型模组51的结构如附图4所示。参见附图4，所述第一成型模组51包括模组支架511及依次安装在其上的挤出加压单元512、料筒单元513、挤出通断单元514、光固化单元515。
63.参见附图4所示，所述第一成型模组51中；所述挤出加压单元512为气缸-活塞单元，并由紧固件固定连接至所述模组支架511上，具体包括：挤出气缸筒5121、挤出气缸活塞5122、挤出气缸锁紧螺母5123、挤出气缸进气口连接件512p、挤出气缸排气口连接件512r。挤出气缸筒5121由挤出气缸锁紧螺母5123固定在模组支架511上，挤出气缸进气口连接件512p、挤出气缸排气口连接件512r安装在挤出气缸筒5121上。
64.所述料筒单元513包括料筒、活塞及料筒压紧盖板。如图4所示，料筒单元513具体包括：料筒5131、活塞5132、连接螺母5133、料筒压紧盖板5134、料筒压紧盖板锁紧螺栓5135、料筒出料口锁紧螺母5136。料筒5131通过料筒压紧盖板5134和料筒压紧盖板锁紧螺栓5135固定在模组支架511上。活塞5132安装在料筒5131中，并通过连接螺母5133与挤出气缸活塞5122连接。
65.在一种实施方式中，所述料筒压紧盖板5134位于所述料筒5131的上部，并且所述料筒5131通过所述料筒压紧盖板5134和上述紧固件固定连接至所述模组支架511；所述活塞5132设置在所述料筒中，并与所述挤出加压单元512的挤出气缸活塞5122连接，所述料筒的下部设置有出料口。
66.在一种实施方式中，挤出通断单元包括模组支板5141、模组支板固定螺栓5142、旋转气缸5143、旋转气缸固定螺栓5144、旋转气缸进气口a管路连接件5145a、旋转气缸进气口b管路连接件5145b、旋转阀联轴器5146、旋转二通阀5147、挤出喷头5148。模组支板5141通过模组支板固定螺栓5142固定在模组支架511上，旋转气缸5143通过旋转气缸固定螺栓5144固定在模组支板5141上，旋转二通阀5147一端与料筒出料口锁紧螺母5136连接，另一端连接挤出喷头5148，所述旋转阀联轴器5146的一端与旋转气缸5143的输出轴连接，另一端与旋转二通阀5147的旋钮连接，所述旋转气缸5143通过旋转阀联轴器5146控制旋转二通阀5147的通断。
67.在一种实施方式中，光固化单元515的结构如附图4-5所示，所述光固化单元515包括环形紫外光投射器5151及射光光纤5152、环形紫外光投射器固定螺栓5153。环形紫外光投射器5151通过环形紫外光投射器固定螺栓5153固定在模组支架511上，射光光纤5152安装在环形紫外光投射器5151中。参见附图5所示，所述环形紫外光投射器5151具有环形凹槽结构，所述射光光纤5152固定在所述环形紫外光投射器的环形凹槽结构中。
68.在一种实施方式中，附图6所示为根据本发明的成型装置5中材料不同挤出运动方向下的固化情况；其中，挤出喷头5148在不同的运动方向上运动时，例如附图6中所示的运动方向a与运动方向b，挤出材料都与光固化单元515投射的固化光形成的环形固化光投射区相交，产生固化效果。
69.在一种实施方式中，所述固化光源装置6包括多个紫外光发生器，所述紫外光发生器通过导光光纤与对应的成型模组的环形紫外光投射器5151中的射光光纤5152连接。
70.基于以上所述的基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造设备，根据下述制造
方法，可实现满足多材料高精度分布的增材制造技术。
71.实施例二
72.本实施例提供一种基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造方法，所述方法采用如实施例一所述的设备，所述方法包括如下步骤：
73.步骤一：浆料配置，将需要成型的不同材料配置成浆料，并在其中的一种或多种浆料中加入光引发剂，使其能够被紫外光固化；
74.步骤二：根据材料的种类选择成型模组的数量，并根据成型模组的数量配置相对应的挤出控制装置中的加压控制模块和通断控制模块；
75.步骤三：根据需要固化的浆料的数量，确定固化光源装置的紫外光发生器的数量，使紫外光发生器的光波波长与浆料中的光引发剂的敏感波长一致，并用导光光纤连接紫外光发生器和对应的成型模组中的射光光纤；
76.步骤四：填装浆料并安装成型模组，将不同材料的浆料分别装入对应的成型模组的料筒中，并将料筒安装至成型模组支架，并在成型模组的其他单元安装完成之后将多个成型模组安装至模组安装支架；
77.步骤五：设备初始化，通过控制所述加压控制模块和所述通断控制模块的多个加压控制阀和多个通断控制阀，测试对应的成型模组的功能，并将三轴运动平台归零位；
78.步骤六：将待成型零件的数字模型进行切片分层处理，获得不同浆料的打印路径，并将各个打印路径的控制指令进行优化，优先使用可光固化的浆料打印零件的外围部件，以获得较好的形状保持性；
79.步骤七：所述设备按控制指令开始成型，成型各层时，优先挤出并固化零件外围的1-2层，形成不易变形的框架结构；
80.步骤八：完成成型，从三轴运动平台上取下制件。
81.根据本实施例的技术方案，所述设备的成型装置的浆料挤出过程的原理如下：
82.某成型模组需挤出浆料时，该成型模组对应的加压控制阀切换成：使成型模组的挤出加压单元的气缸中通入压缩空气，在一定时延后，料筒中的浆料达到挤出压力要求，则立即控制对应的通断控制阀的出气口a导通，使得该成型模组的旋转气缸旋转并驱动旋转二通阀导通，浆料被挤出；某成型模组需停止挤出浆料时，该成型模组对应的加压控制阀切换成：使成型模组的挤出加压单元的气缸进入排气状态，该成型模组的挤出加压单元的气缸中高压气体被排出，使料筒中的浆料泄压，并控制对应的通断控制阀出气口b导通，使得该成型装置的旋转气缸反向旋转并驱动旋转二通阀关闭，于是停止挤出浆料。
83.根据本实施例的技术方案，所述设备的成型装置的光固化过程的原理如下：
84.浆料从成型模组中被挤出后，如果某浆料已配置为含有光引发剂的可固化浆料，并且待成型的零件中该浆料成型的位置其结构需要加强，则在该浆料挤出时，打开对应的紫外光发生器的电源，由于成型模组重点紫外光发生器为环形设置，从而该浆料对应的紫外光以挤出点为圆心呈环形投影，无论平台往哪个方向运动，挤出的浆料都可以被固化。
85.根据本发明的技术方案，将待成型零件的数字模型进行切片分层处理时，将挤出控制、光固化过程及三轴平台的运动集合编制成控制指令序列，以供设备独立工作。
86.本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
87.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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.基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造设备，其特征在于，所述设备包括：底座、三轴运动平台、主支架、挤出控制装置、成型装置及固化光源装置；所述三轴运动平台和所述主支架分别设置在所述底座上并分别位于所述底座的两侧，所述成型装置和所述挤出控制装置均安装在所述主支架上，所述成型装置与所述挤出控制装置通过管路连接，并且所述成型装置在所述主支架上位于靠近所述三轴运动平台的一侧；所述固化光源装置设置在所述支座上，并位于所述主支架的一侧；所述三轴运动平台用于提供增材制造过程中挤出喷头和工件平台之间必要的相对运动；所述主支架用于支撑所述挤出控制装置和所述成型装置；所述成型装置作用在于挤出材料及固化材料；所述述挤出控制装置用于控制所述成型装置挤出材料的启停；所述固化光源装置用于为光固化过程提供固化光。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述挤出控制装置包括：装置底板、加压控制模块、通断控制模块及气源；所述装置底板与所述主支架固定连接，所述加压控制模块和所述通断控制模块分别设置在所述装置底板上；所述加压控制模块用于控制所述成型装置的挤出加压单元；所述通断控制模块用于控制所述成型装置的挤出通断单元；所述气源通过管路和连接件分别与所述加压控制模块和所述通断控制模块相连接。3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述加压控制模块包括：加压汇流板以及多个加压控制阀；所述加压汇流板设置于所述挤出控制装置的装置底板上，并且所述加压汇流板的一侧设置有进气口和排气口，所述进气口通过进气连接件连接气源；所述排气口设置有排气消音器；多个所述加压控制阀设置在所述加压汇流板上，所述加压控制阀的数量与成型装置中的成型模组的数量相同，并且多个所述加压控制阀分别与对应的成型模组连接，所述加压控制阀为二位三通电磁控制阀。4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述加压控制阀的出气口通过管路和管路连接件与对应成型模组上的挤出加压单元的气缸进气口相连；所述加压控制阀的进气口与所述加压汇流板上的进气口连接，所述加压控制阀的排气口与所述加压汇流板上的排气口连接。5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述通断控制模块包括：通断汇流板及多个通断控制阀；所述通断汇流板设置于所述挤出控制装置的装置底板上，并且所述通断汇流板的一侧设置有进气口和排气口，所述进气口通过进气连接件连接气源；所述排气口设置有排气消音器；多个所述通断控制阀安装在所述通断汇流板上，所述通断控制阀的数量与成型装置中的成型模组的数量相同，并且多个所述通断控制阀分别与对应的成型模组连接，所述通断控制阀为电磁控制的中位封闭型三位五通阀。6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述通断控制阀的出气口a通过管路和连接件与对应成型模组上的旋转气缸的进气口a连接，所述通断控制阀的出气口b通过管路和连接件与对应成型模组上的旋转气缸的进气口b连接；
所述通断控制阀的进气口与所述通断汇流板上的进气口连接，所述通断控制阀的排气口与所述通断汇流板上的排气口连接。7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述成型装置包括模组安装支架和多个成型模组；多个所述成型模组与所述模组安装支架固定连接，所述模组安装支架固定连接在所述主支架上；每个成型模组包括模组支架及所述模组支架上依次设置的挤出加压单元、料筒单元、挤出通断单元及光固化单元；多个所述成型模组能够用于对多种相同或不同的材料进行成型。8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述每个成型模组中；所述挤出加压单元为气缸-活塞单元，并由紧固件固定连接至所述模组支架；所述料筒单元包括料筒、活塞及料筒压紧盖板；所述料筒压紧盖板位于所述料筒的上部，并且所述料筒通过所述料筒压紧盖板和紧固件固定连接至所述模组支架；所述活塞设置在所述料筒中，并与所述挤出加压单元的活塞连接，所述料筒的下部设置有出料口；所述挤出通断单元包括模组支板、旋转气缸、旋转阀联轴器、旋转二通阀及挤出喷头；所述模组支板固定在所述模组支架上，所述旋转气缸固定在所述模组支板上；所述旋转二通阀的一端与所述料筒的出料口连接，另一端连接所述挤出喷头，所述旋转阀联轴器的一端与旋转气缸输出轴连接，另一端与旋转二通阀的旋钮连接，所述旋转气缸能够通过所述旋转阀联轴器控制所述旋转二通阀的通断；所述光固化单元包括环形紫外光投射器及射光光纤，所述环形紫外光投射器固定连接至所述模组支架，所述环形紫外光投射器具有环形凹槽结构，所述射光光纤固定在所述环形紫外光投射器的环形凹槽结构中。9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述固化光源装置包括多个紫外光发生器，所述紫外光发生器通过导光光纤与对应的成型模组的环形紫外光投射器中的射光光纤连接。10.基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-9的任一项所述的设备，所述方法包括如下步骤：步骤一：浆料配置，将需要成型的不同材料配置成浆料，并在其中的一种或多种浆料中加入光引发剂，使其能够被紫外光固化；步骤二：根据材料的种类选择成型模组的数量，并根据成型模组的数量配置相对应的挤出控制装置中的加压控制模块和通断控制模块；步骤三：根据需要固化的浆料的数量，确定固化光源装置中紫外光发生器的数量，使紫外光发生器的光波波长与浆料中的光引发剂的敏感波长一致，并用导光光纤连接紫外光发生器和对应的成型模组中的射光光纤；步骤四：填装浆料并安装成型模组，将不同材料的浆料分别装入对应的成型模组的料筒中，并将料筒安装至成型模组支架，并在成型模组的其他单元安装完成之后将多个成型模组安装至模组安装支架；步骤五：设备初始化，通过控制所述加压控制模块和所述通断控制模块中的多个加压控制阀和多个通断控制阀，测试对应的成型模组的功能，并将三轴运动平台归零位；
步骤六：将待成型零件的数字模型进行切片分层处理，获得不同浆料的打印路径，并将各个打印路径的控制指令进行优化，优先使用可光固化的浆料打印零件的外围部件，以获得较好的形状保持性；步骤七：所述设备按控制指令开始成型，成型各层时，优先挤出并固化零件外围的1-2层，形成不易变形的框架结构；步骤八：完成成型，从三轴运动平台上取下制件。

技术总结
本发明公开基于材料挤出与光固化复合成型的增材制造设备及方法，本发明的设备中包括多个成型模组，由气源提供挤出压力，并且料筒的出料口与挤出喷头之间由旋转二通阀连接，这种近端挤出方式可以减小因浆料的黏弹性导致的浆料在管道中长距离传输产生的压力损失和挤出启停时延；一方面料筒中不需要施加太大的压力浆料就可顺利挤出，另一方面能够实现高粘度浆料通过小直径挤出喷头挤出，而且挤出量的控制精度高，从而可通过精确控制多材料的离散分布，实现多材料的空间高精度分布，并实现正确的材料在正确的位置。采用本发明提出的环形紫外光投射器，能够及时对挤出的浆料完成固化，制件的变形小；并且，挤出过程和光固化过程可以同时进行。可以同时进行。可以同时进行。


技术研发人员：徐杰 何鑫
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8