发明内容

本发明的目的在于提供一种光固化与熔融沉积集成的复合快速成形方法和装置，能够有效集成典型的熔融沉积成形方法FDM和典型的光固化成形方法SL，通过二者的优势互补，实现高性能原型件的复合成形。

本发明要解决的技术问题是：目前的快速成形技术具有技术初期的典型特点，即每一种成形方法均有其对应的成形设备，硬件结构自成体系、相对封闭，而且FDM和SL的实现机构有很大的差异性，原有的机构体系无法实现不同成形方法的互补集成，所以要实现不同快速成形方法FDM和SL的复合成形，必须解决以下技术问题：(1)可兼容FDM和SL两种快速成形方法的硬件体系结构；(2)FDM和SL两种方法集成的复合成形工艺及其控制方法。

为了达到上述目的，本发明的构思是：本发明提出不同快速成形工艺过程集成的复合成形思想，它不同于FDM和SL等快速成形单体技术，也不同于以往的快速成形集成方法，采用FDM和SL两种工艺共同制作三维实体，着眼于制作工艺过程的集成，由于各快速成形方法都基于相同的分层/累加成形原理，故集成成本低，易于实现。

(1)复合成形新结构通过对FDM和SL各成形方法的功能需求分析，评估各成形机构功能模块的通用度，提出了复合成形的新体系结构，主要由三维运动系统和成形自动切换系统组成。

SL与FDM均需三维运动系统，但采用不同的机构实现：SL通过振镜转动实现X-Y平面光路扫描，基础平台实现Z向升降运动，如图1所示；FDM将喷头安装在X-Y平面运动机构上，喷头可实现X-Y平面扫描运动和Z向升降运动，基础平台也可做Z向升降运动，如图2所示。二者原有机构很难直接集成。

如果将SL基于光学器件的刚性光路系统改造为基于光纤的柔性光路系统，则二者的运动系统可统一成X-Y平面移动机构和Z向升降平台组成的三维运动系统，唯一区别是移动机构上夹持的成形头不同，这样可方便、低成本地实现二者集成。

本发明由X-Y平面运动机构和Z向升降基础平台组成统一的三维运动系统，并将SL基于光学器件的刚性光路成形系统改造为SL柔性成形头系统，该柔性成形头系统包含成形光源、光纤组成的柔性光路系统和光聚焦头，从而使上述三维运动系统可兼容FDM与SL，如图3所示。

为了实现FDM与SL的复合成形，上面的SL柔性成形头和FDM喷头必须可自由切换，因此本发明在X-Y平面运动机构上安装一个启闭式夹持机构形成成形头自动切换系统，如图4所示。该夹持机构可以夹持或放下FDM喷头，也可夹持或放下SL成形头，从而实现不同成形头的自由切换；该夹持机构可以在X-Y平面上实现任意轨迹运动，实现FDM和SL工艺要求的扫描运动。

(2)复合成形工艺及控制方法和SL及FDM工艺一样，复合成形工艺首先需要建立目标实体原型件的三维CAD模型，并对该模型在Z轴方向进行分层处理，得到由一系列的X-Y二维平面组成的分层轮廓数据。

其次，对于SL和FDM工艺而言，都需要进行分层轮廓的内部填充，其中FDM只需进行X方向或Y方向的单向填充，而SL则需进行X方向-Y方向的双向填充以形成十字网格。所以，复合成形工艺需要根据SL和FDM各自的工艺特点，即FDM适宜成形内部大块区域，SL适宜成形外部精细轮廓，按照合适的区域划分策略，把每层轮廓内部区域划分为SL填充区域和FDM填充区域，如图5所示；然后针对SL填充区域生成双向填充线数据，针对FDM填充区域生成单向填充线数据。

将上面生成的实体分层轮廓数据和内部填充线数据转化成数控数据，即可驱动快速成形执行机构进行分层制作。

在制作过程中，通过合理的成形过程控制方法保证复合成形工艺流程的实现。首先确定每层制作中SL和FDM工艺的启动次序，例如每层先进行FDM制作，然后进行SL制作；然后采用图6所示的控制系统，根据该次序控制成形头自动切换系统选取第一种成形头成形该区域薄层；再控制成形头自动切换系统切换第二种成形头成形该区域薄层；在成形不同区域之间的界面时，通过相应的控制策略来调节热量输出，以增强界面的再交联；如此分区域成形一层实体薄片后，控制Z向升降平台运动，制作下一层；逐层复合成形，最后制作出要求的三维实体。

根据上述发明构思，本发明采用的技术方案是：一种光固化与熔融沉积集成的复合快速成形方法，包括光固化成形法和熔融沉积成形法，其特征在于由所述的光固化成形法进行成形外部精细的轮廓，而由所述的熔融沉积成形法进行成形内部大块区域。

上述的复合快速成形方法的操作步骤如下：(1)建立数控数据：①建立目标实体原型件的三维CAD模型；②对上述模型进行分层处理，得到由一系列的X-Y二维平面组成的分层轮廓数据；③对各分层轮廓划分出外部精细轮廓区域和内部大块填充区域；④对上述的外部精细轮廓区域给出X方向-Y方向的双向十字形网格填充线数据，而对上述的内部大块填充区域给出X方向或Y方向的单向填充线数据。

(2)制作过程：据上述数控数据，作如下成形制作：①在基础平台上，先从最下层开始，先采用熔融沉积法对最下层的内部大块填充区域进行熔融沉积成形，然后使光固化液体与已填充区域齐平，在光固化液体中对最下层的外部精细轮廓区域进行光固化成形；②对最下第二层先采用熔融沉积法对该层的内部大块填充区进行熔融沉积成形，然后下降—上升基础平台，使光固化液体与新的已填充区域齐平，在光固化液体中对最下第二层的外部精细轮廓区域进行光固化成形。

以上述方式逐层进行成形直至最上层而完成整体成形。

一种上述光固化与熔融沉积集成的复合快速成形方法用的装置，包括一个光固化成形系统和一个熔融沉积成形系统，其特征在于所述的光固化成形系统与熔融沉积成形系统之间有一个成形头自动切换系统，由一个微机控制系统协同数控光固化成形系统和熔融沉积成形系统以及该两系统之间成形头的自动切换。

上述的熔融沉积成形系统的结构是：有一个成形槽12，其上设置X轴运动支架9，X轴运动支架9上设置Y轴运动支架8，在Y轴运动支架上设置成形头自动切换系统7，一个熔融丝材送丝机构6将熔融丝材5送至熔融沉积成形喷头4，该成形喷头4未工作时处于成形槽12右上角的熔融沉积成形喷头搁置位置14上，由微机控制系统控制而工作时自动切换到成形头自动切换系统7的启闭夹子中；所述的光固化成形系统的结构是：在上述的成形槽12中盛有光固化液15，成形槽12中设有供分层成形用的升降基础平台11，一个光源1经光纤光路系统2连接光聚焦头3，该光聚焦头未工作时处于成形槽12左上角的光聚焦头搁置位置13上，由微机控制系统控制而工作时自动切换到成形头自动切换系统7的启闭夹子中。

本发明与已有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：从成形机理来看，光固化(SL)方法采用激光等紫外光成形，而熔融沉积方法(FDM)采用热能成形，前者成形精度高，制作细节能力强，原型件表面质量好，但可用材料有限，制件力学和机械性能差，而且成本较高；后者可选用材料范围广，原型件性能好，制作成本也较低，但精度和表面质量较差。这两类成形工艺在制作能力和制件性能方面各有所长，互补性强，因此本发明采用集成方法，与原有的SL和FDM工艺方法相比，具有以下优点：(1)用FDM的低成本材料成形内部大块区域，用SL光敏树脂材料成形外部精细轮廓，可以有效降低材料成本；(2)由于复合成形过程的大部分时间采用FDM常规热源，大大降低了昂贵的激光器使用时间，所以有效降低了设备使用成本；(3)由于FDM成形效率较高，所以原型件的复合成形效率比SL工艺方法有大幅提高；(4)由于外部轮廓采用SL成形，而成形精度较差的FDM材料局限在原型件内部，所以原型件保持了SL的原有精度和表面质量，而比FDM提高很多；(5)由于原型件内部主要采用性能较好的FDM材料，所以整个原型件的力学和机械性能比SL有很大改善；(6)虽然在原型件内部不同成形区域结合界面处的材料在复杂的物理、化学反应下形成的精度、粗糙度很差，但由于局限在原型件的内部，不影响轮廓表面质量；(7)由于SL和FDM工艺采用不同的材料成形，所以这种复合成形方法自然实现了材料的集成，可以制作多材料相原型件，并可通过材料的选择实现其性能的分区域定制，这是快速成形方法与其它传统工艺(如车削、铣削、磨削等)集成所不能实现的。

综上所述，本发明可集成SL和FDM优点，在精度、效率、成本、原型件表面质量及性能等多方面优势互补，从而实现RPM技术综合性能的整体提高，高效低成本地制作高性能原型件。

本发明适用于检测用具、模具、美学制品、医学机械等精密件的制造。