CN110421843B - 一种声发射气液界面光固化三维成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种声发射气液界面光固化三维成形装置及方法。该装置包括刚性框架，刚性框架顶部设有顶板，刚性框架内设有液槽，液槽内设有光敏液态高分子物料，液槽的开口与顶板嵌合；顶板上固定有升降平台，升降平台与成形基板相连，成形基板可在升降平台驱动下在液槽内上下移动，成形基板上设有光固化三维成形体；六自由度机械臂的基座固定于顶板上，六自由度机械臂的末端与声发射光扫描头连接，六自由度机械臂可驱动声发射光扫描头在液槽内做空间扫描运动。发明有益的效果是：本发明结构合理，使用方便，效果好。在爆胎发生后，能在一分钟以内投入使用，使用户推车轻松，而且在行走过程中避免了内外胎与钢圈的轧压，保护轮胎不再加大损坏程度。
Description
技术领域
本发明涉及三维打印领域，尤其是一种声发射气液界面光固化三维成形装置及方法。
背景技术
光固化三维成形技术采用特定波长光线，按区域选择性激发光敏树脂发生固化反应，得到单层图案化固化物，并通过连续逐层固化以及固化时的层间粘合作用，实现从单层图案化固化物向复杂三维形体的累积，该方法具有成形速度快、表面质量好、成形装置结构简单的优势，已发展为增材领域的主流方法之一。现有光固化三维成形设备根据固化液面位置不同，分为上液面固化和下液面固化两大类别：前者对光敏树脂液槽的上液面曝光生成单层固化物，并通过成形基板下沉进行逐层累积固化；后者借助光敏树脂液槽透明底，对下液面曝光生成单层固化物，并通过成形基板上浮进行逐层累积固化直至形成完整三维形体。
另一方面，随着增材技术及其应用场景的不断发展与成熟，增材应用对光固化三维成形设备成形效率、成形精度以及成形精细度方面的要求越来越严格，这给传统上液面光固化和下液面光固化设备带来了严峻的技术挑战，主要源于：上液面光固化设备中，单层固化物平整度受液面平稳度影响，单层固化物尺寸准确度及边缘清晰度受液位稳定度影响，而光敏树脂液槽液面平稳度和液位稳定度的控制难度与实现代价较大；下液面光固化设备中，单层固化物从液槽透明底膜剥离时，较强的固体-固体界面粘附力极易诱发剥离损伤、剥离失败等问题，进而导致成形缺陷甚至成形失败。无论液面平稳度和液位稳定度问题，还是固体-固体界面剥离问题，其本质上均与上液面光固化成形方式和下液面光固化成形方式密切相关，不从根本上解除光固化三维成形对上液面和下液面的依赖，很难从根源上克服现有光固化设备在进一步提升性能方向所遇到的阻碍。此外，现有光固化设备绝大部分采用整面曝光、整面固化的成形方式，光敏树脂从液态固化时，其体积收缩会导致复杂的应力变形，进而降低三维成形精度、甚至引发固化物开裂、导致成形失败。目前，针对进一步提升光固化三维成形效率、精度，以及精细度的迫切需求，还缺少一种不依赖上液面或下液面状态、固化成形应力低、剥离力低甚至无需剥离的光固化三维成形方法。
发明内容
本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种无需固体成像界面、可在液槽中直接曝光生成固化物，且所生成固化物只附着在成形基板或上一层固化物表面的声发射气液界面光固化三维成形装置及方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种装置包括刚性框架，刚性框架顶部设有顶板，刚性框架内设有液槽，液槽内设有光敏液态高分子物料，液槽的开口与顶板嵌合；顶板上固定有升降平台，升降平台与成形基板相连，成形基板可在升降平台驱动下在液槽内上下移动，成形基板上设有光固化三维成形体；六自由度机械臂的基座固定于顶板上，六自由度机械臂的末端与声发射光扫描头连接，六自由度机械臂可驱动声发射光扫描头在液槽内做空间扫描运动。
作为优选，声发射光扫描头包括中空壳体，高频定向声波发射元件阵列、定向光固化光源位于中空壳体的空腔底部，且定向光固化光源位于高频定向声波发射元件阵列的中心区域；电源及控制信号线束与高频定向声波发射元件阵列、定向光固化光源连接，并从中空壳体尾部的密封孔引出到声发射光扫描头外部；中空壳体头部设有出光孔。
作为优选，光固化控制器分别与升降平台、六自由度机械臂、声发射光扫描头连接。
一种声发射气液界面光固化三维成形方法，包括以下步骤：六自由度机械臂驱动声发射光扫描头进行当前层的扫描固化，当前层已扫描部分生成的局部单层固化物附着在已固化物表面；六自由度机械臂在尚未扫描区域，驱动声发射光扫描头沿局部单层固化物边缘，按已固化物的表面形状逐行密集扫描；扫描过程中，声发射光扫描头射出的光束连续移动，在已固化物表面形成线状固化物，线状固化物与已扫描部分生成的局部单层固化物紧密排列，使得局部单层固化物的面积不断扩张，六自由度机械臂驱动声发射光扫描头完成本层扫描区域后，所生成本层固化物完整的附着在已固化物表面。
开始光固化前，光固化控制器先发出位移信号至六自由度机械臂，控制六自由度机械臂驱动声发射光扫描头移出液槽，然后向液槽中注入光敏液态高分子物料；光固化控制器发出下沉信号至升降平台，控制升降平台驱动成形基板没入液槽的光敏液态高分子物料中；光固化控制器发生光源关闭信号、声发射信号至声发射光扫描头，控制声发射光扫描头关闭光固化光源、开启声发射元件；光固化控制器发出空间坐标定位信号和空间姿态定位信号至六自由度机械臂，控制六自由度机械臂驱动声发射光扫描头向首层扫描区域起始点移动，使得声发射光扫描头以设定姿态角指向并逼近成形基板，直至声发射光扫描头与成形基板间的光敏液态高分子物料厚度为单层固化厚度。
进行首层光固化时，光固化控制器发出扫描路径指令至六自由度机械臂，控制六自由度机械臂驱动声发射光扫描头，按首层光固化图案定义的路径进行扫描光固化；光固化控制器发出光开关控制信号至声发射光扫描头，控制声发射光扫描头中的光源开通或关断：当实时扫描路径进入光固化图案明亮区域时光源开通，当实时扫描路径脱离光固化图案明亮区域时光源关闭；光固化控制器发出光亮度调节信号至声发射光扫描头，控制声发射光扫描头中的光源，按扫描速度、光斑尺寸、单层固化厚度、光敏液态高分子物料曝光能量等参数，动态调节声发射光扫描头中的光源亮度，以满足扫描光固化工艺要求；光固化控制器发出声发射信号至声发射光扫描头，在整个扫描光固化过程维持声发射扫描头中声发射元件的声发射状态。
首层光固化扫描过程中，声发射光扫描头中声发射元件发出高频定向声波，作用在出光口外的光敏液态高分子物料液面上，声波撞击液面形成的声压使液面发生凹陷变形，声波与液面反射回波干涉产生驻波，该驻波进一步在出光口形成能量密集的气盾；出光口外的光敏液态高分子物料液面在声压凹陷变形与气盾共同作用下，形成状态稳定的空泡结构；声发射光扫描头中光源发出的定向光束，通过出光口后照射在空泡中心区域的光敏液态高分子物料上，激发被照射区域发生光固化反应，光固化反应生成的固化物仅附着在成形基板上，而与出光口间无固体-固体粘合界面；六自由度机械臂驱动声发射光扫描头完成首层光固化路径扫描后，所形成与光固化图案形状一致的固化物直接附着在成形基板上。
进行后续层光固化时，光固化控制器先发出位移信号至六自由度机械臂，控制六自由度机械臂驱动声发射光扫描头避开已固化物，向当前层扫描区域起始点移动，使得声发射光扫描头以设定姿态角逼近已固化物，直至出光口与已固化物间的光敏液态高分子物料厚度为单层固化厚度；而后光固化控制器发送当前层扫描路径至六自由度机械臂，控制六自由度机械臂驱动声发射光扫描头，按当前层光固化图案进行扫描光固化；六自由度机械臂驱动声发射光扫描头完成当前层光固化路径扫描后，所生成当前层固化物附着在已固化物表面；上述固化过程逐层实施，每一层扫描光固化所生成的单层固化物与已固化物逐层累加，直至构成完整的光固化三维成形体。
本发明的声发射光扫描头，内置有高频定向声发射元件和定向光固化光源，高频定向声发射元件发出的高频声波束，与定向光固化光源发出的光波束轴心重叠，且均通过声发射光扫描头的出光***出至外部；本发明的声发射光扫描头，其出光口采用小孔结构，高频定向声发射元件发出的定向声波束穿过出光口小孔，作用在外部光敏液态高分子物料液面上，声压与驻波共同作用在出光口外形成状态稳定的空泡结构；本发明的声发射光扫描头，其定向光固化光源发出的光波束，穿过出光口小孔照射在空泡中心区域的光敏液态高分子物料上，激发该区域发生光固化反应并生成固化物；本发明的声发射光扫描头，其定向光固化光源发出的光束通过气液界面照射在光敏液态高分子物料上，光固化反应所生成固化物与声发射光扫描头之间是固体-气体界面，而非固体-固体粘合状态；本发明的声发射光扫描头，其光束照射所生成固化物位于出光口小孔外部，六自由度机械臂驱动声发射光扫描头横向移动、连续扫描光固化时，不仅无需将固化物从出光口剥离，固化物亦不会侵入或堵塞出光口小孔。
本发明的六自由度机械臂可驱动声发射光扫描头，在液槽中的光敏液态高分子物料内沿任意非干涉空间路径扫描光固化，不仅可在平面成形基板上按恒定单层固化厚度逐层光固化，亦可在自由曲面成形基板、已固化物等固体表面，跟随其表面轮廓光固化，并生成自由曲面单层固化物；本发明的六自由度机械臂可带动声发射光扫描头，沿非重力方向逐层光固化，因此可取消重力支撑结构，可用于生成复杂精细结构；本发明的六自由度机械臂可带动声发射光扫描头，沿有利于结构强度的方向逐层光固化，有利于生成定向结构强度更优的光固化三维成形体；本发明的六自由度机械臂可带动声发射光扫描头，实时改变扫描速度和光源亮度，以生成厚度分布灵活可调的单层固化物，进而在逐层光固化过程中动态调整逐层累积方向。
本发明中，其定向光固化光源发出的光束无需穿透固体介质，仅通过气液界面直接照射在光敏液态高分子物料上，光源能量利用率高；本发明的声发射气液界面光固化三维成形方法，其光固化反应生成的固化物直接附着在目标物表面，无需从声发射光扫描头剥离，固化物无剥离损伤、成形速度快；本发明的声发射气液界面光固化三维成形方法，其逐层固化方向灵活可调、三维成形灵活度高、成形体机械性能好；
本发明的升降工作台，仅用于在开始光固化前将成形基板没入液槽的光敏液态高分子物料中，以及在光固化结束后将三维成形体连同成形基板升出液槽，逐层扫描光固化过程的全部精密运动均通过六自由机械臂实现；本发明方案合理、光固化三维成形效果好，易于在高精度、高性能光固化三维成形设备中推广应用。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明的总体结构透视图；
图3是声发射光扫描头的结构示意图；
图4是单层扫描光固化示意图；
图5是单层扫描光固化过程中液槽的俯视图；
图6是本发明的控制信号连接图；
附图标记说明：刚性框架1，顶板2，液槽3，光敏液态高分子物料4，升降平台5，成形基板6，光固化三维成形体7，六自由度机械臂8，声发射光扫描头9，中空壳体901，电源及控制信号线束902，高频定向声波发射元件阵列903，定向光固化光源904，密封孔905，出光孔906，空泡907，固化物908，已固化物10，局部单层固化物11，线状固化物12，光固化控制器20。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例：一种声发射气液界面光固化三维成形装置，如图1、2所示，刚性框架1顶部有顶板2，刚性框架1内有液槽3，液槽3内有光敏液态高分子物料4，液槽3的开口嵌合在顶板2上；升降平台5固定在顶板2上，升降平台5与成形基板6相连，且成形基板6可在升降平台5驱动下没入光敏液态高分子物料4中，或升出液槽3，成形基板6上有光固化三维成形体7；六自由度机械臂8的基座固定在顶板2上，六自由度机械臂8的末端与声发射光扫描头9连接，六自由度机械臂8可驱动声发射光扫描头9移出液槽3，亦可驱动声发射光扫描头9没入光敏液态高分子物料4，并在光敏液态高分子物料4中做空间扫描运动；声发射光扫描头9空间扫描运动形成的首层扫描面与成形基板6表面形状吻合、其它层扫描面与光固化三维成形体7各个固化层的断面形状吻合。
如图3所示，声发射光扫描头9由中空壳体901、电源及控制信号线束902、高频定向声波发射元件阵列903、定向光固化光源904组成；高频定向声波发射元件阵列903、定向光固化光源904位于中空壳体901的空腔底部，且定向光固化光源904位于高频定向声波发射元件阵列903的中心区域；电源及控制信号线束902与高频定向声波发射元件阵列903、定向光固化光源904相连，并从中空壳体901尾部的密封孔905引出到声发射光扫描头9外部；高频定向声波发射元件阵列903发出高频定向声波束，穿过位于中空壳体901头部的出光孔906，作用在出光孔906外部的光敏液态高分子物料4液面上，形成空泡907；定向光固化光源904发出的定向光束，穿过出光孔906照射在空泡907中心区域的光敏液态高分子物料4上，激发该区域发生光固化反应并形成固化物908，固化物908位于出光孔906外部，与声发射光扫描头9无固体-固体粘结界面。
如图6所示，光固化控制器20与升降平台5连接，光固化控制器20与六自由度机械臂8连接，光固化控制器20与声发射光扫描头9连接；光固化控制器20发出电信号至升降平台5，以控制升降平台5带动成形基板6在光固化前没入液槽3的光敏液态高分子物料4中，并在光固化后带动成形基板6以及光固化三维成形体7从液槽3中升出；光固化控制器20发出电信号至六自由度机械臂8，以控制六自由度机械臂8驱动声发射光扫描头9，在光固化开始前和结束后从液槽3中移出，并在光固化过程中按各层扫描路径进行扫描光固化；光固化控制器20发出电信号至声发射光扫描头9，以控制声发射光扫描头9在整个光固化过程中，维持高频定向声波发射元件阵列903的声波发射，并控制定向光固化光源904在扫描光固化区域维持定向光束发射。
一种声发射气液界面光固化三维成形方法，如图4、5所示，成形基板6上设有已固化物10，六自由度机械臂8驱动声发射光扫描头9进行当前层的扫描固化，当前层已扫描部分生成的局部单层固化物11附着在已固化物10表面；六自由度机械臂8在尚未扫描区域，驱动声发射光扫描头9沿局部单层固化物11边缘，按已固化物10的表面形状逐行密集扫描；扫描过程中，声发射光扫描头9射出的光束连续移动，在已固化物10表面形成线状固化物12，线状固化物12与已扫描部分生成的局部单层固化物11紧密排列，使得局部单层固化物11的面积不断扩张，六自由度机械臂8驱动声发射光扫描头9完成本层扫描区域后，所生成本层固化物完整的附着在已固化物10表面。
本发明的声发射光扫描头亦可采用多光束排列成一维、二维阵列的方式，以提升光固化过程的光能量与曝光效率；本发明的六自由度机械臂亦可同时驱动多个声发射光扫描头，以进一步提升扫描光固化速度；本发明的液槽上还可设置多个独立或协作的六自由度机械臂，同时并发进行多个相同零件的光固化三维成形、或同时协作完成单个大型零件的光固化三维成形，以满足批量或大型单件的生产需求。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种声发射气液界面光固化三维成形装置，包括刚性框架(1)，其特征是：刚性框架(1)顶部设有顶板(2)，刚性框架(1)内设有液槽(3)，液槽(3)内设有光敏液态高分子物料(4)，液槽(3)的开口与顶板(2)嵌合；顶板(2)上固定有升降平台(5)，升降平台(5)与成形基板(6)相连，成形基板(6)可在升降平台(5)驱动下在液槽(3)内上下移动，成形基板(6)上设有光固化三维成形体(7)；六自由度机械臂(8)的基座固定于顶板(2)上，六自由度机械臂(8)的末端与声发射光扫描头(9)连接，六自由度机械臂(8)可驱动声发射光扫描头(9)在液槽(3)内做空间扫描运动，声发射光扫描头(9)包括中空壳体(901)，高频定向声波发射元件阵列(903)、定向光固化光源(904)位于中空壳体(901)的空腔底部，中空壳体(901)头部设有出光孔(906)。
2.根据权利要求1所述的声发射气液界面光固化三维成形装置，其特征是：定向光固化光源(904)位于高频定向声波发射元件阵列(903)的中心区域；电源及控制信号线束(902)与高频定向声波发射元件阵列(903)、定向光固化光源(904)连接，并从中空壳体(901)尾部的密封孔(905)引出到声发射光扫描头(9)外部。
3.根据权利要求1或2所述的声发射气液界面光固化三维成形装置，其特征是：光固化控制器(20)分别与升降平台(5)、六自由度机械臂(8)、声发射光扫描头(9)连接。
4.一种采用权利要求1所述的装置的声发射气液界面光固化三维成形方法，包括以下步骤：六自由度机械臂(8)驱动声发射光扫描头(9)进行当前层的扫描固化，当前层已扫描部分生成的局部单层固化物(11)附着在已固化物(10)表面；六自由度机械臂(8)在尚未扫描区域，驱动声发射光扫描头(9)沿局部单层固化物(11)边缘，按已固化物(10)的表面形状逐行密集扫描；扫描过程中，声发射光扫描头(9)射出的光束连续移动，在已固化物(10)表面形成线状固化物(12)，线状固化物(12)与已扫描部分生成的局部单层固化物(11)紧密排列，使得局部单层固化物(11)的面积不断扩张，六自由度机械臂(8)驱动声发射光扫描头(9)完成本层扫描区域后，所生成本层固化物完整的附着在已固化物(10)表面。
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