本發(fā)明屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合材料超聲沉積絲材增材制造裝置及方法，利用超聲振動能實現(xiàn)沉積絲材間原子間的結(jié)合，直接固態(tài)成形綜合力學(xué)性能優(yōu)異的三維實體零件，用于同種材料或多種材料混合的超聲沉積增材制造。

背景技術(shù)：

絲材沉積增材制造技術(shù)，因其成形速度快、成形工藝簡單、制造成本低等特點，而被廣泛應(yīng)用于航空航天、教育與文化、汽車、建筑、生物醫(yī)療、食品以及服裝等領(lǐng)域，現(xiàn)有的絲材沉積成形增材制造技術(shù)主要有熔融沉積增材制造技術(shù)(fdm/fff)、靜電紡絲增材制造技術(shù)(electrostaticspinning)和3d冷打印技術(shù)。

熔融沉積增材制造技術(shù)將絲狀的熱塑性材料通過噴頭加熱熔化，噴頭底部帶有微細(xì)噴嘴，材料以一定的壓力擠噴出來，同時噴頭沿水平方向移動，擠出的材料與前一個層面熔結(jié)在一起。一個層面的沉積完成后，工作臺垂直下降一個層的厚度，再繼續(xù)熔融沉積，直至完成整個實體造型。其只能成形熱塑性材料或者是糊狀材料，成形樣件通過沉積絲材粘結(jié)成形，在成形基板上由于沉積絲材的黏度隨時間而變化，成形后樣件力學(xué)性能程各向異性，沿成形軸垂直方向的強(qiáng)度比較弱，成形件的抗剪切性能較差。

靜電紡絲增材制造技術(shù)將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細(xì)管的taylor錐頂點被加速，當(dāng)電場力足夠大時，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細(xì)流，與此同時，成形基板做三維運(yùn)動，細(xì)流在噴射至成形基板上時溶劑蒸發(fā)或固化，最終逐層累積成三維實體樣件。其只能成形高分子聚合物，噴射過程中射流的黏度和電荷密度不穩(wěn)定，射流噴射速度高，難以實現(xiàn)高精度樣件的三維成形，成形后樣件的綜合力學(xué)性能較差。

3d冷打印技術(shù)以低黏度、高固相含量的粉末料漿作為打印時的“墨水”，通過打印機(jī)噴頭將粉末料漿以絲狀噴射沉積到打印平臺上，同時以化學(xué)引發(fā)、熱引發(fā)等方式引發(fā)料漿中有機(jī)單體的聚合反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將粉體原位包覆固定，使粉末料漿迅速固化，實現(xiàn)金屬或陶瓷零件坯體的逐層打印，坯體經(jīng)干燥、脫脂和燒結(jié)得到金屬或陶瓷零件。其成形工藝復(fù)雜，成形過程中化學(xué)試劑揮發(fā)污染環(huán)境，受干燥、脫脂和燒結(jié)工藝的限制，難以實現(xiàn)大體積致密零件的增材制造，成形后零件的表面精度和尺寸精度較差。

綜上所述，現(xiàn)有的絲材沉積增材制造裝置，成形材料種類受限，成形過程中，只能實現(xiàn)同種材料成形，無法實現(xiàn)多種材料功能梯度材料的增材制造；由于熱應(yīng)力以及樣件的后處理工藝，成形后零件的尺寸精度較差；成形過程中絲材粘結(jié)固化成形或成形后通過后處理工藝使得固相顆粒熔合，成形后零件的綜合力學(xué)性能較差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種復(fù)合材料超聲沉積增材制造裝置及方法，實現(xiàn)可多種材料混合成形的超聲沉積增材制造，以解決現(xiàn)有絲材沉積增材制造裝置，成形材料種類受限，成形過程中，只能實現(xiàn)同種材料成形，無法實現(xiàn)多種材料功能梯度材料的增材制造，成形后零件的尺寸精度較差，以及成形后零件的綜合力學(xué)性能較差的問題。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，復(fù)合材料超聲沉積增材制造裝置：

包括機(jī)架、三軸運(yùn)動系統(tǒng)、超聲沉積打印頭、導(dǎo)絲管、料輥、送絲裝置和切絲裝置，所述的三軸運(yùn)動系統(tǒng)固定在機(jī)架內(nèi)并位于其底板的上方，所述的超聲沉積打印頭位于三軸運(yùn)動系統(tǒng)的上方并固定在支撐板上，所述的導(dǎo)絲管位于超聲沉積打印頭與送絲裝置之間并與兩者相連，所述的切絲裝置位于超聲沉積打印頭的上方并固定在機(jī)架頂部的十字梁上，所述的送絲裝置位于機(jī)架內(nèi)并固定在其頂部的十字梁上，所述的料輥位于機(jī)架外部，并固定在其頂部的十字梁上，所述的料輥的數(shù)目與打印材料的種類數(shù)目相同，用來裝載不同的打印材料。

所述的機(jī)架由底板、支撐柱、支撐板和頂部十字梁之間通過固定連接組成，所述的底板用于連接三軸運(yùn)動系統(tǒng)，所述的支撐柱用于連接支撐機(jī)架，所述的支撐板用于連接超聲沉積打印頭，所述的頂部十字梁用于固定連接料輥、送絲裝置和切絲裝置。

所述的三軸運(yùn)動系統(tǒng)由z軸支座、z軸直線軸承導(dǎo)軌、z軸滾珠絲杠機(jī)構(gòu)、z軸臺面、x軸底板、x軸軸承、x軸線性滑軌、x軸軸承座、x軸滾珠絲杠、y軸運(yùn)動系統(tǒng)、基板、x軸臺面、x軸電機(jī)座、x軸步進(jìn)電機(jī)和z軸步進(jìn)電機(jī)組成，z軸支座固定在機(jī)架上，z軸直線軸承導(dǎo)軌對z軸臺面進(jìn)行導(dǎo)向，保證運(yùn)行平穩(wěn)，z軸步進(jìn)電機(jī)安裝在z軸支座上，帶動z軸滾珠絲杠機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動z軸臺面在z軸方向運(yùn)動；x軸底板通過螺栓連接固定在z軸臺面上，x軸線性滑軌、x軸軸承座和x軸電機(jī)座均固定在x軸底板上，x軸軸承通過過盈配合安裝在x軸軸承座上，x軸臺面固定在x軸線性滑軌上，x軸滾珠絲杠中的螺母通過螺栓固定在x軸臺面上，x軸步進(jìn)電機(jī)固定在x軸電機(jī)座上，同時通過彈性聯(lián)軸器與x軸滾珠絲杠連接，通過計算機(jī)控制x軸步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動x軸滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)x軸臺面在x軸方向的運(yùn)動；y軸運(yùn)動系統(tǒng)與x軸運(yùn)動系統(tǒng)的組成相同，基板固定在y軸臺面上，同時y軸底板固定在x軸臺面上。

所述的超聲沉積打印頭由支座、壓電陶瓷換能器、變幅桿和超聲焊頭組成，支座通過螺栓固定連接在機(jī)架上，壓電陶瓷換能器與支座和變幅桿通過螺紋連接，變幅桿和超聲焊頭通過螺紋連接。

所述的超聲焊頭有一通孔，用于通過沉積絲材，超聲焊頭的通孔底部倒圓角，便于沉積絲材與打印基板結(jié)合。

所述的導(dǎo)料管由主導(dǎo)料管和分導(dǎo)料管連接組成，分導(dǎo)料管可以有多個，數(shù)目與打印材料種類數(shù)目相同，用于導(dǎo)入不同的材料，主導(dǎo)料管將分導(dǎo)料管導(dǎo)入的材料引入超聲焊頭。

所述的切絲裝置由下導(dǎo)向塊、上導(dǎo)向塊、導(dǎo)向塊支架、切割刀具、絲杠導(dǎo)軌移動平臺支座及絲杠導(dǎo)軌移動平臺組成，下導(dǎo)向塊和上導(dǎo)向塊通過螺栓連接并固定在導(dǎo)向塊支架上，導(dǎo)向塊支架通過螺栓固定在機(jī)架的頂部十字梁上，切割刀具固定在絲杠導(dǎo)軌移動平臺上，絲杠導(dǎo)軌移動平臺通過絲杠導(dǎo)軌移動平臺支座固定在機(jī)架的頂部十字梁上。

一種復(fù)合材料超聲沉積增材制造方法，包括下列步驟：

(1)采用所述的復(fù)合材料超聲沉積增材制造裝置，在打印過程中，計算機(jī)根據(jù)所要超聲沉積成形的絲材種類控制送絲裝置導(dǎo)入相應(yīng)的絲材，經(jīng)導(dǎo)管導(dǎo)入超聲焊頭至超聲焊頭與基板結(jié)合處；

(2)在超聲沉積成形過程中，計算機(jī)根據(jù)超聲沉積成形材料的性質(zhì)，控制超聲焊頭的驅(qū)動頻率及振幅，通過調(diào)節(jié)超聲焊頭與成形基板之間的相對距離，對沉積絲材施加超聲焊接靜壓力，根據(jù)沉積材料所需要沉積的位置，控制三軸運(yùn)動系統(tǒng)的x-y二維運(yùn)動，沉積成形完一層，成形平臺下降一個層厚的高度，計算機(jī)根據(jù)相應(yīng)的截面輪廓信息，再超聲沉積成形新一層截面輪廓；

(3)在進(jìn)行多材混合打印時，如需更換材料，計算機(jī)控制切絲裝置切斷實時沉積打印絲材，控制送絲裝置導(dǎo)入新的絲材，并調(diào)節(jié)超聲焊頭的驅(qū)動頻率和振幅以及焊頭與成形層之間的距離，完成異種材料間的超聲沉積成形，如此疊加成形，直至最終成形出所需三維實體零件。

所述的復(fù)合材料超聲沉積增材制造裝置，可超聲沉積成形金屬、非金屬和塑料絲材，也可實現(xiàn)異種金屬、異種塑料、金屬與塑料以及金屬與陶瓷之間的混合成形，可沉積絲材直徑范圍為1-2000μm。

本發(fā)明是針對目前絲材沉積增材制造裝置的現(xiàn)狀，研制了沉積成形不受材料種類的限制，成形樣件沒有殘余應(yīng)力，綜合力學(xué)性能好，成形精度高，無需復(fù)雜的后處理工藝，可實現(xiàn)多種材料混合增材制造的超聲沉積增材制造裝置。

本發(fā)明的有益效果是：無需要向成形裝置引入高溫?zé)嵩?，利用超聲振動能實現(xiàn)沉積絲材間原子間的結(jié)合，直接固態(tài)成形綜合力學(xué)性能優(yōu)異的三維實體零件；沉積成形不受材料種類的限制，可實現(xiàn)異種金屬、塑料以及金屬與塑料、金屬與陶瓷的多種材料混合增材制造，實現(xiàn)功能梯度材料的增材制造，尤其適用于非晶態(tài)金屬材料的增材制造；超聲沉積成形采用細(xì)絲材料逐層累積成形，成形精度高，成形工藝簡單，無需復(fù)雜的后處理工藝，制造成本低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的三軸運(yùn)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的超聲沉積打印頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的導(dǎo)料管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明的切絲裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明的切絲裝置的絲杠導(dǎo)軌移動平臺結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本發(fā)明的切絲裝置下導(dǎo)向塊的俯視圖；

圖9是本發(fā)明的切絲裝置下導(dǎo)向塊的剖視圖。

具體實施方式

復(fù)合材料超聲沉積增材制造裝置，包括機(jī)架1、三軸運(yùn)動系統(tǒng)2、超聲沉積打印頭3、導(dǎo)絲管4、料輥5、送絲裝置6和切絲裝置7，如圖1所示，所述的三軸運(yùn)動系統(tǒng)2固定在機(jī)架1內(nèi)并位于其底板101的上方，所述的超聲沉積打印頭3位于三軸運(yùn)動系統(tǒng)2的上方并固定在支撐板103上，所述的導(dǎo)絲管4位于超聲沉積打印頭3與送絲裝置6之間并與兩者相連，所述的切絲裝置7位于超聲沉積打印頭3的上方并固定在機(jī)架1頂部的十字梁104上，所述的送絲裝置6位于機(jī)架1內(nèi)并固定在其頂部的十字梁104上，所述的料輥5位于機(jī)架1外部，并固定在其頂部的十字梁104上，所述的料輥5的數(shù)目與打印材料的種類數(shù)目相同，用來裝載不同的打印材料。所述的復(fù)合材料超聲沉積增材制造裝置，可解決現(xiàn)有絲材沉積增材制造裝置，成形材料種類受限，成形過程中，只能實現(xiàn)同種材料成形，無法實現(xiàn)多種材料功能梯度材料的增材制造，成形后零件的尺寸精度較差，以及成形后零件的綜合力學(xué)性能較差的問題。所述的復(fù)合材料超聲沉積增材制造裝置，不需要向成形裝置引入高溫?zé)嵩?，在靜壓力下將振動能量轉(zhuǎn)化為沉積絲材與沉積層之間的摩擦能、形變能及有限的升溫，成形樣件沒有殘余應(yīng)力，幾乎沒有熱變形，可實現(xiàn)成形層間原子間的結(jié)合，沉積成形不受材料種類的限制，可實現(xiàn)異種金屬、塑料以及金屬與塑料、金屬與陶瓷的多種材料混合增材制造，實現(xiàn)功能梯度材料的增材制造，超聲沉積成形采用細(xì)絲材料逐層累積成形，成形精度高，無需復(fù)雜的后處理工藝。

所述的機(jī)架1由底板101、支撐柱102、支撐板103和頂部十字梁104之間通過固定連接組成，如圖2所示，所述的底板101用于連接三軸運(yùn)動系統(tǒng)2，所述的支撐柱102用于連接支撐機(jī)架1，所述的支撐板103用于連接超聲沉積打印頭3，所述的頂部十字梁104用于固定連接料輥5、送絲裝置6和切絲裝置7。

所述的三軸運(yùn)動系統(tǒng)2由z軸支座201、z軸直線軸承導(dǎo)軌202、z軸滾珠絲杠機(jī)構(gòu)203、z軸臺面204、x軸底板205、x軸軸承206、x軸線性滑軌207、x軸軸承座208、x軸滾珠絲杠209、y軸運(yùn)動系統(tǒng)210、基板211、x軸臺面212、x軸電機(jī)座213、x軸步進(jìn)電機(jī)214和z軸步進(jìn)電機(jī)215組成，如圖3所示，z軸支座201固定在機(jī)架1的底板101上，z軸直線軸承導(dǎo)軌202對z軸臺面204進(jìn)行導(dǎo)向，保證運(yùn)行平穩(wěn)，z軸步進(jìn)電機(jī)215安裝在z軸支座201上，帶動z軸滾珠絲杠機(jī)構(gòu)203轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動z軸臺面204在z軸方向運(yùn)動；x軸底板205通過螺栓連接固定在z軸臺面204上，x軸線性滑軌207、x軸軸承座208和x軸電機(jī)座213均固定在x軸底板205上，x軸軸承206通過過盈配合安裝在x軸軸承座208上，x軸臺面212固定在x軸線性滑軌207上，x軸滾珠絲杠209中的螺母通過螺栓固定在x軸臺面212上，x軸步進(jìn)電機(jī)214固定在x軸電機(jī)座213上，同時通過彈性聯(lián)軸器與x軸滾珠絲杠209連接，通過計算機(jī)控制x軸步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動x軸滾珠絲杠209的轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)x軸臺面212在x軸方向的運(yùn)動；y軸運(yùn)動系統(tǒng)210與x軸運(yùn)動系統(tǒng)的組成相同，基板211固定在y軸臺面上，同時y軸底板固定在x軸臺面212上。

所述的超聲沉積打印頭3由支座301、壓電陶瓷換能器302、變幅桿303和超聲焊頭304組成，如圖4所示，支座301通過螺栓固定連接在機(jī)架1的支撐板103上，壓電陶瓷換能器302與支座301和變幅桿303通過螺紋連接，變幅桿303和超聲焊頭304通過螺紋連接。

所述的導(dǎo)料管4由主導(dǎo)料管401和分導(dǎo)料管402連接組成，如圖5所示，分導(dǎo)料管402可以有多個，數(shù)目與打印材料種類數(shù)目相同，用于導(dǎo)入不同的材料，主導(dǎo)料管401將分導(dǎo)料管402導(dǎo)入的材料引入超聲焊頭304。

所述的送絲裝置6采用熔融沉積增材制造技術(shù)的送絲原理，主要由直流電機(jī)構(gòu)成，在計算機(jī)的控制下隨時控制送絲的速度及開閉，所述的送絲裝置的數(shù)目與打印材料種類的數(shù)目相同。

所述的切絲裝置7由下導(dǎo)向塊701、上導(dǎo)向塊702、導(dǎo)向塊支架703、切割刀具704、絲杠導(dǎo)軌移動平臺支座705及絲杠導(dǎo)軌移動平臺706組成，如圖6、圖7、圖8和圖9所示，下導(dǎo)向塊701和上導(dǎo)向塊702通過螺栓連接并固定在導(dǎo)向塊支架703上，導(dǎo)向塊支架703通過螺栓固定在機(jī)架1的頂部十字梁104上，切割刀具704固定在絲杠導(dǎo)軌移動平臺706上，絲杠導(dǎo)軌移動平臺706通過絲杠導(dǎo)軌移動平臺支座705固定在機(jī)架1的頂部十字梁104上，計算機(jī)通過控制絲杠導(dǎo)軌移動平臺706上步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，帶動切割刀具704的往復(fù)運(yùn)動進(jìn)行切絲，所述的切絲裝置數(shù)目與打印材料種類數(shù)目相同。

所述的超聲焊頭304有一通孔，用于通過沉積絲材，超聲焊頭304的通孔底部倒圓角30401，便于沉積絲材與打印基板結(jié)合。

一種復(fù)合材料超聲沉積增材制造方法，包括下列步驟：

(1)采用所述的復(fù)合材料超聲沉積增材制造裝置，在打印過程中，計算機(jī)根據(jù)所要超聲沉積成形的絲材種類控制送絲裝置導(dǎo)入相應(yīng)的絲材，經(jīng)導(dǎo)管導(dǎo)入超聲焊頭至超聲焊頭與基板結(jié)合處；

(2)在超聲沉積成形過程中，計算機(jī)根據(jù)超聲沉積成形材料的性質(zhì)，控制超聲焊頭304的驅(qū)動頻率及振幅，通過調(diào)節(jié)超聲焊頭304與成形基板211之間的相對距離，對沉積絲材施加超聲焊接靜壓力，根據(jù)沉積材料所需要沉積的位置，控制三軸運(yùn)動系統(tǒng)2的x-y二維運(yùn)動，沉積成形完一層，成形平臺下降一個層厚的高度，計算機(jī)根據(jù)相應(yīng)的截面輪廓信息，再超聲沉積成形新一層截面輪廓；

(3)在進(jìn)行多材混合打印時，如需更換材料，計算機(jī)控制切絲裝置7切斷實時沉積打印絲材，控制送絲裝置導(dǎo)6入新的絲材，并調(diào)節(jié)超聲焊頭304的驅(qū)動頻率和振幅以及焊頭與成形層之間的距離，完成異種材料間的超聲沉積成形，如此疊加成形，直至最終成形出所需三維實體零件。

所述的復(fù)合材料超聲沉積增材制造裝置，可超聲沉積成形金屬、非金屬和塑料絲材，也可實現(xiàn)異種金屬、異種塑料、金屬與塑料以及金屬與陶瓷之間的混合成形，尤其適用于非晶態(tài)金屬絲材的增材制造，可沉積絲材直徑范圍為1-2000μm。