一种三维结构的一体化等材制造装置及方法

本发明涉及先进制造，具体涉及一种三维结构的一体化等材制造装置及方法。

背景技术：

1、随着现代工业的发展，对复杂三维结构的制造需求日益增长，这推动了增材制造技术(additive manufacturing,am)、减材制造(subtractive manufacturing)、等材制造(formative manufacturing)等多种制造技术的发展。尽管这些技术在特定领域取得了显著的进展，但它们各自在制造复杂产品时仍面临一系列挑战和限制。增材制造技术，如选择性激光烧结(sls)、熔融沉积建模(fdm)、光固化成型(sla)等，虽然在设计灵活性和材料利用率方面具有优势，但它们的逐层堆积制造方式导致制造速度受限，且容易产生分层痕迹，影响成品的整体力学性能和表面光洁度。此外，对于悬垂或复杂内部结构的制造，需要额外的支撑结构，这不仅增加了制造成本，还在后处理阶段带来了挑战。减材制造技术，如数控加工(cnc)，虽然在制造精度和表面质量方面表现出色，但这种技术通常材料浪费较大，且对于复杂或内部结构丰富的零件，加工难度和成本显著增加。此外，减材制造通常需要专业的操作技能和昂贵的设备投资。等材制造技术，如锻造和铸造，虽然能够制造出具有良好力学性能的零件，但这些技术往往缺乏设计的灵活性，对于个性化和小批量生产的需求响应不足。

2、中国专利(公开号cn 110834410 a)公开了一种基于3d打印的pdms复杂三维结构成型的方法，预先制备pdms硅胶和用于打印时的支撑性的凝胶，在凝胶介质中逐层打印得到三维结构模型初体，成型后固化。但其仍然属于增材制造，需要对支撑结构进行配置，所采用的支撑结构虽然可以实现循环利用，但在成型前后仍需要进行处理，影响打印效率，并且支撑结构和打印结构的连接位置存在表面质量差、结构完整性差的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种三维结构的一体化等材制造装置及方法，设置围绕料筒分布的六张装载板，每个装载板上分别设置阵列分布的投影激光器，对目标结构进行切片，料筒内设置透光的打印基材，使得目标结构每个成型点由叠加光束固化成型，叠加光束来自六张装载板上的多个投影激光器发射的光束，使得目标结构能够在料筒内无支撑结构一体化成型，实现等材制造，提高打印效率并满足个性化、小批量生产的需求。

2、本发明的第一目的是提供一种三维结构的一体化等材制造装置，采用以下方案：

3、包括装载板和投影激光器，多个投影激光器阵列布置于装载板上，六个装载板对应立方体的六个面分布在内部形成工作腔，料筒安置在工作腔内，投影激光器朝向料筒；料筒内每个成型点由至少两个相异装载板上的投影激光器输出的光束叠加，使成型点处的光强大于固化光强阈值。

4、进一步地，所述投影激光器内沿光路方向设有空间光调制器、傅里叶变换透镜、高通光束块，光束经高通光束块后输出到料筒内的成型点。

5、进一步地，所述料筒为透明材质，投影激光器输出的光束均能够穿过料筒壁作用于料筒内的物料，料筒安装有温控组件，用于调整物料温度。

6、进一步地，所述料筒为筒状结构，内部形成容纳物料的容腔。

7、进一步地，所述六个装载板中相邻装载板相连，形成封闭工作腔。

8、进一步地，所述料筒内的每个成型点由六个装载板上的投影激光器输出的光束叠加，每个装载板上至少有一个投影激光器输出的光束透射到成型点。

9、本发明的第二目的是提供一种如第一目的所述的三维结构的一体化等材制造装置的工作方法，包括：

10、将料筒安置在装载板围成的工作腔内，料筒内存放有物料；

11、基于目标结构切片配置在料筒内的所有成型点，每个成型点均对应至少两个投影激光器，且投影激光器处于相异装载板上；

12、投影激光器工作，使每个成型点接受由多道来自不同投影激光器的光束叠加作用，所有成型点共同固化，目标结构在料筒内一体成型。

13、进一步地，当投影激光器输出光束途径多个成型点时，使该投影激光器输出光束的光强小于所有途径成型点的固化光强阈值。

14、进一步地，所述成型点接收多道光束叠加作用后，使成型点处的光强大于成型点出物料固化光强阈值，相邻成型点相连。

15、进一步地，所述料筒控制其所承载物料的温度，使非成型点位置的物料保持液体状态。

16、与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

17、(1)针对目前复杂工件增材制造仍需要建立支撑结构而影响打印效率的问题，设置围绕料筒分布的六张装载板，每个装载板上分别设置阵列分布的投影激光器，对目标结构进行切片，料筒内设置透光的打印基材，使得目标结构每个成型点由叠加光束固化成型，叠加光束来自六张装载板上的多个投影激光器发射的光束，能够在料筒内一次性固化整个三维结构，避免了传统增材制造中的层间接缝和支撑结构问题，从而提高了零件的制造速度和效率，减少分层痕迹，显著提高成品的表面光洁度和结构完整性，克服了传统增材制造中常见的表面粗糙和内部缺陷问题，可以处理多种材料，适应不同的制造需求，尤其是在航空航天、医疗和汽车等行业的应用中，能够满足高性能和个性化的要求。

18、(2)透明料筒允许投影激光器输出的光束直接穿过料筒壁作用于料筒内的物料，使得整个固化过程更加高效，光束能够均匀地照射到物料的成型点，加速固化过程；料筒安装有温控组件，可以精确调整物料的温度，控制固化反应的速度和质量，温度的精确控制有助于优化成型件的物理性能和减少成型缺陷；封闭工作腔的设计还有助于减少外部环境对成型过程的干扰，从而提高成型件的结构完整性和表面质量。

19、(3)通过多个投影激光器从不同方向对成型点进行光束叠加，可以确保物料在料筒内各个成型点的光强均匀，从而实现更均匀的固化过程，均匀固化有助于提高成型件的机械性能和表面质量；当投影激光器输出光束途径多个成型点时，通过控制光强小于所有途径成型点的固化光强阈值，可以避免在到达目标成型点前出现使途经点过度曝光导致的成型误差，有助于提高成型精度和细节分辨率。

技术特征：

1.一种三维结构的一体化等材制造装置，其特征在于，包括装载板和投影激光器，多个投影激光器阵列布置于装载板上，六个装载板对应立方体的六个面分布在内部形成工作腔，料筒安置在工作腔内，投影激光器朝向料筒；料筒内每个成型点由至少两个相异装载板上的投影激光器输出的光束叠加，使成型点处的光强大于固化光强阈值。

2.如权利要求1所述的三维结构的一体化等材制造装置，其特征在于，所述投影激光器内沿光路方向设有空间光调制器、傅里叶变换透镜、高通光束块，光束经高通光束块后输出到料筒内的成型点。

3.如权利要求1所述的三维结构的一体化等材制造装置，其特征在于，所述料筒为透明材质，投影激光器输出的光束均能够穿过料筒壁作用于料筒内的物料，料筒安装有温控组件，用于调整物料温度。

4.如权利要求3所述的三维结构的一体化等材制造装置，其特征在于，所述料筒为筒状结构，内部形成容纳物料的容腔。

5.如权利要求1所述的三维结构的一体化等材制造装置，其特征在于，所述六个装载板中相邻装载板相连，形成封闭工作腔。

6.如权利要求5所述的三维结构的一体化等材制造装置，其特征在于，所述料筒内的每个成型点由六个装载板上的投影激光器输出的光束叠加，每个装载板上至少有一个投影激光器输出的光束透射到成型点。

7.一种三维结构的一体化等材制造装置的工作方法，利用如权利要求1-6中任一项所述三维结构的一体化等材制造装置，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的三维结构的一体化等材制造装置的工作方法，其特征在于，当投影激光器输出光束途径多个成型点时，使该投影激光器输出光束的光强小于所有途径成型点的固化光强阈值。

9.如权利要求8所述的三维结构的一体化等材制造装置的工作方法，其特征在于，所述成型点接收多道光束叠加作用后，使成型点处的光强大于成型点出物料固化光强阈值，相邻成型点相连。

10.如权利要求7所述的三维结构的一体化等材制造装置的工作方法，其特征在于，所述料筒控制其所承载物料的温度，使非成型点位置的物料保持液体状态。

技术总结
本发明提供一种三维结构的一体化等材制造装置及方法，涉及先进制造技术领域，针对目前复杂工件增材制造仍需要建立支撑结构而影响打印效率的问题，设置围绕料筒分布的六张装载板，每个装载板上分别设置阵列分布的投影激光器，对目标结构进行切片，料筒内设置透光的打印基材，使得目标结构每个成型点由叠加光束固化成型，叠加光束来自六张装载板上的多个投影激光器发射的光束，能够在料筒内一次性固化整个三维结构，避免了传统增材制造中的层间接缝和支撑结构问题，从而提高了零件的制造速度和效率，减少分层痕迹。

技术研发人员：王真,李波文,黄传真,徐龙华,黄水泉,曲美娜,许征凯,张迪嘉,郭保苏,张林哲,石振伟
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5