CN103171151A

CN103171151A - 一种3d打印成形方法以及装置

Info

Publication number: CN103171151A
Application number: CN2013100944579A
Authority: CN
Inventors: 韩少卿
Original assignee: Individual
Current assignee: Han Shaoqing
Priority date: 2013-03-24
Filing date: 2013-03-24
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-03-24
Also published as: CN103171151B

Abstract

本发明公开了一种3D打印成形方法以及装置，包括如下步骤：a)生成三维CAD模型；b)根据三维CAD模型生成一系列层片；c)根据所分割的一系列层片，沉积给定的复合材料，固化或硬化所述复合材料；d)完成前一层层片以后，再沉积给定的复合材料，固化或硬化接下来的后一层层片；e)完成所有的层片后形成3D复合模型；其中，所述一系列层片为包括间隙与片段的层片，所述后一层层片的片段填充所述前一层层片的间隙，并且所述后一层层片的片段高于所述前一层层片间隙。通过使用这种方法，通过一个步骤就可以实现填充前一层的间隙与建立后一层片段两个功能，从而能够节约打印时间。

Description

一种3D打印成形方法以及装置

技术领域

本发明涉及一种3D打印成形方法以及装置，本发明中的3D打印成形方法可以用于常规的三维打印技术，例如粉末粘结三维打印，光固化三维打印，熔融材料三维打印等。

背景技术

三维打印快速成形技术的概念最早是由美国麻省理工学院(MIT)的scansE.M.和cimaMJ.等人于1992年提出的。三维打印是一种基于液滴喷射成形的快速成形技术，单层打印成形类似于喷墨打印过程，即在数字信号的激励下，使打印头工作腔内的液态材料在瞬间形成液滴(Droplets)或者由射流形成液滴，以一定的频率速度从喷嘴喷出并喷射到指定位置逐层堆积形成三维实体零件。目前存在多种3D打印技术，目前常用的技术包括粘结材料三维打印、光固化三维打印以及熔融材料三维打印等。以色列的Object公司在三维打印方面做了许多的研究，在此全文引用其如下专利申请（CN100446963B，CN1926470B，CN10144959B，CN101428474B，CN101898423A）。

在3D印刷期间或之后可能发生所印刷物体的变形。在印刷过程期间可能发生的变形实例为，例如由于在印刷过程期间，物体基体上的应变聚积(accumulative strain)，所印刷物体会向内收缩。例如，在印刷头的X运动期间可以将物体的各层沉积。层通常可以为连续的，例如，可以在X方向上印刷的过程期间从印刷头喷嘴中选择地但连续地喷射材料，以形成连续的材料层。典型地，通过在一个平面上沉积层，但是在其它实施方式中并不是这种情形。在逐层基础(layer upon layer basis)上构造物体的情形中，例如，层可以由于固化而收缩，并且在所印刷物体的基体内引起应变聚积。随后沉积的层的收缩可以将应变增加到所印刷物体上，并且可以导致例如物体的变形。例如，聚积的应变可以发生于径向，朝着物体中心。在这种情形中，所印刷物体的外部可以被拉向物体的中心，由此生成物体卷曲(例如，物体底边向上提升)。也会发生其它类型的变形或缺损。

US7300619 B2使用了一种可以称为“分割”的方法（将其全文引用于本申请），如图1所述，通过在各层之间设置间隙215以及片段210，首先将沉积片段215，然后将片段210固化，片段210固化后分别收缩；然后再将间隙215沉积以及固化，从而形成一个层。通过这种方法，可以消除或减少可能导致物体变形和/或“卷曲”的聚积应力。但是，使用这种方法在制作一层时，需要分别沉积以及固化间隙和片段，增加了制作时间。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种3D打印成形方法，包括如下步骤：a)生成三维CAD模型；b)根据三维CAD模型生成一系列层片；c)根据所分割的一系列层片，沉积给定的复合材料，固化或硬化所述复合材料；d)完成前一层层片以后，再沉积给定的复合材料，固化或硬化接下来的后一层层片；e)完成所有的层片后形成3D复合模型；其中，所述一系列层片为包括间隙与片段的层片，所述后一层层片的片段填充所述前一层层片的间隙，并且所述后一层层片的片段高于所述前一层层片间隙。通过使用这种方法，通过一个步骤就可以实现填充前一层的间隙与建立后一层片段两个功能，从而能够节约打印时间。

作为对上述方法的改进，在上述步骤a)中，将三维CAD模型分割为基本三维形状以及一系列层片的组合，在所述步骤c）中，首先使用非3D打印方法构造基本三维形状，所述沉积给定的复合材料是将复合材料沉积到所述基本三维形状上。其中，所述基本三维形状为正方体、长方体、圆柱形、锥形体、环形体或者其组合。所述非3D打印方法可以是常规的造型方法，例如，切削、压塑成形等。因为3D打印是分层固化，需要时间较长，通过本方法，将3D模型分为基本三维形状以及一系列层片的组合，使用常规方法制作基本三维形状并且使用3D打印制作层片，节约了3D打印基本三维形状的时间和成本。

在光固化3D打印中，为了支撑打印实体，需要支撑材料。现有技术中，在打印每一层时，支撑材料与实体材料分别使用不同的打印头同时打印，形成支撑物质和实体物质。本发明中对其进行了改进，支撑结构使用可变形固态材料以及固化或硬化在所述可变形固态材料上的复合支撑材料，所述可变形固态材料不是由打印头喷射出来固化而成的。构建支撑结构的步骤包括：1）将可变形固态材料（例如金属铝等）构造成与目标支撑结构近似形状；2）测量所述可变形固态材料变形后形状参数；3）计算出目标支撑结构参数与可变性材料变形后参数的差值；4）根据该差值将复合支撑材料固化或硬化在所述可变形固态材料上以形成目标支撑结构。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于实现上述方法的3D打印成形装置，包括至少一个打印头，每个打印头都具有成形出多个输出口的表面，且打印头可控地使每个输出口相对于其它输出口独立地分配构造材料；一滑架，所述打印头安装在该滑架上；一支撑表面；以及一控制器，其适于控制所述滑架在所述支撑表面上往复移动，并且当所述滑架移动时，其根据数据控制所述打印头通过其各自的输出口分配所述构造材料，以在所述支撑表面上形成第一层，之后继续形成其它层；其中，每个打印头都可拆卸地安装在所述滑架上，并且可相对于其它打印头独立地更换。

附图说明

图1是现有技术中对层面“分割”方法的示意图。

图2是本发明改进的对层面“分割”方法的侧视图。

图3是本发明对三维模型划分方法的示意图。

图4是本发明构建支撑结构的示意图。

图5是3D打印系统实施方法的示意图。

具体实施方式

本发明的下述实施例，跟它们的优点和特征一起在此公开，将通过参考下列说明和附图变得明显。而且，应当理解，在此描述的各种各样的实施例的特征不互斥，并且能在各种各样的组合和换变过程中存在。

在3D印刷期间或之后可能发生所印刷物体的变形。在印刷过程期间可能发生的变形实例为，例如由于在印刷过程期间，物体基体上的应变聚积(accumulative strain)，所印刷物体会向内收缩。例如，在印刷头的X运动期间可以将物体的各层沉积。层通常可以为连续的，例如，可以在X方向上印刷的过程期间从印刷头喷嘴中选择地但连续地喷射材料，以形成连续的材料层。典型地，通过在一个平面上沉积层，但是在其它实施方式中并不是这种情形。在逐层基础(layer upon layer basis)上构造物体的情形中，例如，层可以由于固化而收缩，并且在所印刷物体的基体内引起应变聚积。随后沉积的层的收缩可以将应变增加到所印刷物体上，并且可以导致例如物体的变形。例如，聚积的应变可以发生于径向，朝着物体中心。在这种情形中，所印刷物体的外部可以被拉向物体的中心，由此生成物体卷曲(例如，物体底边向上提升)。也会发生其它类型的变形或缺损。US7300619 B2使用了一种可以称为“分割”的方法（将其全文引用于本申请），如图1所述，通过在各层之间设置间隙215以及片段210，首先将沉积片段215，然后将片段210固化，片段210固化后分别收缩；然后再将间隙215沉积以及固化，从而形成一个层。通过这种方法，可以消除或减少可能导致物体变形和/或“卷曲”的聚积应力。但是，使用这种方法在制作一层时，需要分别沉积以及固化间隙和片段，增加了制作时间。根据本发明的一个方面，提供一种3D打印成形方法，包括如下步骤：a)生成三维CAD模型；b)根据三维CAD模型生成一系列层片；c)根据所分割的一系列层片，沉积给定的复合材料，固化或硬化所述复合材料；d)完成前一层层片以后，再沉积给定的复合材料，固化或硬化接下来的后一层层片；e)完成所有的层片后形成3D复合模型；其中，所述一系列层片为包括间隙与片段的层片，所述后一层层片的片段填充所述前一层层片的间隙，并且所述后一层层片的片段高于所述前一层层片间隙。通过使用这种方法，通过一个步骤就可以实现填充前一层的间隙与建立后一层片段两个功能，从而能够节约打印时间。

附图2是实现本发明上述功能的实施例一个方面的示意图，其中示出了前三个层片构造的侧视图，第一层片包括片段101和间隙102，固化片段101后形成第一层片；第二层片包括了片段201和间隙202，其中片段201填充了第一层片中的间隙101并且高于第一层片的间隙101，从而形成了第2层片的间隙202，固化片段201后形成第二层片；第三层片包括片段301和间隙302，第三层片的片段301填充了第二层片的间隙201并且高于第二层片的间隙201，固化片段301后形成第三层片。依照上述方法，逐层构造层片，最终形成三维实体模型。

现有技术中，3D打印将三维CAD模型分割为多个单层，逐层进行打印，最终构造成3D实体模型。但是，逐层打印需要消耗大量时间，因此，目前3D打印速度较慢。作为本发明的另外一个方面，将3D模型分为基本三维形状以及一系列层片的组合，使用常规方法制作基本三维形状并且使用3D打印制作层片。通过本方法节约了打印基本三维形状的时间。附图3示出了实现该功能的本发明的实施例的另外一个方面的示意图。图3中需要打印是的CAD模型10，将CAD模型10划分为圆柱形基本形状11以及附加形状12，在构造实体模型时，圆柱形基本形状11通过非3D打印方式构造，而附加形状12分割为一系列层片的组合，通过将3D打印将该一系列层片打印在圆柱形基本形状11上，最终打印出实体模型10。其中，所述基本三维形状为正方体、长方体、圆柱形、锥形体、环形体等或者其组合。所述非3D打印方法可以是常规的造型方法，例如，切削、压塑成形等。

在光固化3D打印中，为了支撑打印实体，需要支撑材料。现有技术中，在打印每一层时，支撑材料与实体材料分别使用不同的打印头同时打印，形成支撑物质和实体物质。本发明中对其进行了改进，支撑结构包括使用不是由打印头喷射出来的可变形固态材料以及固化或硬化在所述可变形固态材料上的复合支撑材料。构建支撑结构的步骤包括：1）将可变形固态材料（例如金属铝等）构造成与目标支撑结构近似形状；2）测量所述可变形固态材料变形后形状参数；3）计算出目标支撑结构参数与可变性材料变形后参数的差值；4）根据该差值将复合支撑材料固化或硬化在所述可变形固态材料上以形成目标支撑结构。

附图4示出了实现上述功能的本发明的实施例的另外一个方面的示意图。图4中需要打印的是模型实体20，支撑结构包括可变性固态材料构造的结构31以及固化或硬化在结构31上的复合支撑结构32。在制作时，将可变形固态材料（例如金属铝等）构造成与目标支撑结构近似形状的结构31；测量该结构31与目标支撑结构的差值；根据该差值将复合支撑材料固化或硬化在结构31上形成复合支撑结构32，该结构31和结构32共同组成支撑结构。优选地，结构31可以是空心的结构，以减少材料的使用。

附图5示出了实现本发明的所述方法的装置的示意图。其包括至少一个打印头52，每个打印头都具有成形出多个输出口58的表面，且打印头可控地使每个输出口相对于其它输出口独立地分配构造材料；一滑架50，所述打印头安装在该滑架上；一支撑表面；以及一控制器，其适于控制所述滑架在所述支撑表面上往复移动，并且当所述滑架移动时，其根据数据控制所述打印头通过其各自的输出口分配所述构造材料，以在所述支撑表面上形成第一层，之后继续形成其它层；其中，每个打印头都可拆卸地安装在所述滑架上，并且可相对于其它打印头独立地更换。

另外，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims

1.一种3D打印成形方法，包括如下步骤：

A)生成三维CAD模型；

B)根据三维CAD模型生成一系列层片；

C)根据所分割的一系列层片，沉积给定的复合材料，固化或硬化所述复合材料；

D)完成前一层层片以后，再沉积给定的复合材料，固化或硬化接下来的后一层层片；

E)完成所有的层片后形成3D复合模型；

其特征在于：所述一系列层片为包括间隙与片段的层片，所述后一层层片的片段填充所述前一层层片的间隙，并且所述后一层层片的片段高于所述前一层层片的间隙。

2.依据权利要求1所述的一种3D打印成形方法，其特征在于：在所述步骤A）中，将三维CAD模型分割为基本三维形状以及一系列层片的组合，在所述步骤C）中，首先使用非3D打印方法构造基本三维形状，所述沉积给定的复合材料是将复合材料沉积到所述基本三维形状上。

3.依据权利要求2所述的一种3D打印成形方法，其特征在于：所述基本三维形状为正方体、长方体、圆柱形、锥形体或者其组合。

4.依据权利要求1－3所述的一种3D打印成形方法，其特征在于：还包括构建支撑结构的步骤，所述支撑结构包括可变形固态材料以及固化或硬化在所述可变形固态材料上的复合支撑材料。

5.一种用于权利要求1－4所述方法的3D打印成形装置，包括至少一个打印头，每个打印头都具有成形出多个输出口的表面，且打印头可控地使每个输出口相对于其它输出口独立地分配构造材料；一滑架，所述打印头安装在该滑架上；一支撑表面；以及一控制器，其适于控制所述滑架在所述支撑表面上往复移动，并且当所述滑架移动时，其根据数据控制所述打印头通过其各自的输出口分配所述构造材料，以在所述支撑表面上形成第一层，之后继续形成其它层；其中，每个打印头都可拆卸地安装在所述滑架上，并且可相对于其它打印头独立地更换。

6.一种3D打印成形方法，包括如下步骤：

A)生成三维CAD模型；

B)根据三维CAD模型生成一系列层片；

E)完成所有的层片后形成3D复合模型。

7.一种3D打印成形装置，包括至少一个打印头，每个打印头都具有成形出多个输出口的表面，且打印头可控地使每个输出口相对于其它输出口独立地分配构造材料；一滑架，所述打印头安装在该滑架上；一支撑表面；以及一控制器，其适于控制所述滑架在所述支撑表面上往复移动，并且当所述滑架移动时，其根据数据控制所述打印头通过其各自的输出口分配所述构造材料，以在所述支撑表面上形成第一层，之后继续形成其它层；其中，每个打印头都可拆卸地安装在所述滑架上，并且可相对于其它打印头独立地更换。