CN103213405A - 一种批量生产3d打印机及三维制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种批量生产3D打印机及三维制造方法，属于生产制造领域。本发明包括支承装置、模具组合单元、移动控制装置、供料装置、打印控制装置，其中模具组合单元由若干个模具组合模块组成，模具组合模块由移动控制装置控制移动到指定位置以使得多个模具组合模块达到其指定位置后能够组合成一个或多个模具。本发明能够直接根据数字三维模型快速组合出模具，并可利用该组合出的模具快速地单件或批量制造三维物件。

Description

一种批量生产3D打印机及三维制造方法

技术领域

本发明属于生产制造领域，特别是涉及一种三维打印（3D打印）设备及三维制造方法。

背景技术

众所周知，在现代工业生产制造过程中，模具具有重要的作用。模具，即在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件的工具，广泛用于冲裁、成形冲压、模锻、冷镦、挤压、粉末冶金件压制、压力铸造，以及工程塑料、橡胶、陶瓷等制品的压塑或注塑的成形加工中。模具具有特定的轮廓或内腔形状，其中应用具有刃口的轮廓形状可以使坯料按轮廓线形状发生分离(冲裁)，而应用内腔形状可使坯料获得相应的立体形状。模具一般包括动模和定模（或凸模和凹模)两个部分，二者可分可合。分开时装入坯料或取出制件，合拢时使制件与坯料分离或成形。模具是精密工具，形状复杂，承受坯料的胀力，对结构强度、刚度、表面硬度、表面粗糙度和加工精度都有较高要求，模具生产的发展水平是机械制造水平的重要标志之一。

模具种类很多，根据加工对象和加工工艺可分为：①加工金属的模具，包括冲压模（如冲裁模、弯曲模、拉深模、翻孔模、缩孔模、起伏模、胀形模、整形模等)、锻模（如模锻模、镦锻模等）以及挤压模和压铸模等；②加工非金属和粉末冶金的模具，包括塑料模（如注射模、压塑模和挤塑模等）、橡胶模和粉末冶金模等。

而根据结构特点，模具又可分为平面的冲裁模和具有空间的型腔模。模具一般为单件，小批生产。模具除其本身外，还需要模座、模架、导向装置和制件顶出装置等，这些部件一般都制成通用型。

模具加工所涉及的工序大致有车、铣、热处理、磨、CNC、电火花（EDM）、线切割（WEDM）、坐标磨（JIG GRINGING）、激光刻字、抛光等。

而随着计算机三维设计技术的快速发展，三维打印（3D打印）技术又应运而生。3D打印，本质上属于一种快速成型技术，是利用3D打印机直接将数字模型转化为实物成品的一种生产制造方式。所谓3D打印机，则是一种可以直接将任意数字模型转化为最终实物成品的机器。

目前主流3D打印技术其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件，主要有以下几种形式：

3DP技术：采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型，采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。

FDM熔融层积成型技术：FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型。其成型材料种类多，成型件强度高、精度较高，主要适用于成型小塑料件。 　　

SLA立体平版印刷技术：SLA立体平版印刷技术以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。 　　

SLS选区激光烧结技术：SLS选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该方法制造工艺简单，材料选择范围广，成本较低，成型速度快，主要应用于铸造业直接制作快速模具。 　　

DLP激光成型技术：DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。 　　

UV紫外线成型技术：UV紫外线成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似类似，不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂，一层一层由下而上堆栈成型，成型的过程中没有噪音产生，在同类技术中成型的精度最高，通常应用于精度要求高的珠宝和手机外壳等行业。

然而，无论是上述的传统的模具生产方式还是最新的3D打印技术，都有其固有缺陷。

对于传统的模具生产方式而言，由于在正式生产产品前需要先制造模具，而模具的制造过程又非常复杂，因此导致整个生产周期较长。而且传统的模具生产方式也无法和计算机三维设计技术直接结合，不能象3D打印技术那样直接将数字模型转化为最终实物成品。此外，在小批量生产的情况下，传统的模具生产方式也存在着生产成本较高的问题。

而目前的3D打印技术的缺陷主要在于：打印速度慢，有时无法满足生产的需求；无法批量成产，且成产成本过高；使用的材料受打印形式的限制等等。

发明内容

针对现有技术中传统的模具生产方式以及目前的3D打印技术各自存在的上述问题，本发明提出了一种批量生产3D打印机及三维制造方法，该设备及方法能够直接根据数字三维模型快速组合出模具，并可利用该组合出的模具快速地单件或批量制造三维物件。

具体地说，本发明是采取以下的技术方案来实现的：一种批量生产3D打印机，其特征在于，包括支承装置、模具组合单元、移动控制装置、供料装置、打印控制装置；所述支承装置用于支承模具组合单元；所述模具组合单元由若干个模具组合模块组成，模具组合模块可在移动控制装置的控制下移动；所述移动控制装置与各模具组合模块相连接，并能根据打印控制装置传来的模具组合模块的移动指令将模具组合模块从各自的初始位置移动到指定位置；所述供料装置用于向由模具组合单元组合而成的模具内提供材料以生产工件；所述打印控制装置向移动控制装置发送模具组合模块的移动指令，并能够将产品的三维数字模型转化为移动控制装置能够识别的模具组合模块的移动指令。

本发明的进一步特征在于：所述模具组合模块与材料的接触面为平面或曲面或由平面和曲面任意组合而成。

本发明的进一步特征在于：所述移动控制装置使用电磁驱动方式来控制模具组合模块的移动。

本发明的进一步特征在于：所述移动控制装置使用固体或气体或液体为媒介将力传递到模具组合模块，使其移动到指定位置。

本发明的进一步特征在于：所述移动控制装置包括控制电路板、移动动力源、传动装置、限位装置，所述限位装置用于将模具组合模块的移动控制在指定范围内，所述移动动力源用于提供移动动力，所述传动装置用于驱动模具组合模块移动，所述控制电路板用于控制移动动力源、传动装置和限位装置。

本发明的进一步特征在于：所述移动动力源是电动机、油动机或气泵。

本发明的进一步特征在于：所述传动装置是螺纹传动、带式传动、链条传动或弹簧传动。

本发明的进一步特征在于：所述限位装置是弹簧、密闭的气缸或液压缸。

本发明的进一步特征在于：所述的打印控制装置由硬件和软件组成，所述硬件用来储存、运算和传输数据及指令代码，所述软件负责将三维数字模型转化为移动控制装置能够识别的模具组合模块的移动指令。

本发明的进一步特征在于：所述硬件为包括集成电路、接口及数据连接线在内的控制电路，所述软件集成在控制电路中。

本发明的进一步特征在于：所述硬件为计算机，所述软件为安装在计算机中的独立软件

本发明的进一步特征在于：所述移动指令的格式为G代码。

本发明的进一步特征在于：所述供料装置包括料仓、供料动力源、推送装置，其中供料动力源用于提供供料动力使推送装置将材料从料仓经由材料入口进入到由模具组合单元组合而成的模具的内部。

本发明的进一步特征在于：所述材料入口设置在支承装置上、或者设置在模具组合模块上、或者由多个模具组合模块组合而成。

本发明公开的使用本发明的批量生产3D打印机制造三维物体的方法，其技术方案，包括以下步骤：

1）打印控制装置将产品的三维数字模型转化为模具组合模块的移动指令；

2）打印控制装置将模具组合模块的移动指令传递给移动控制装置；

3）移动控制装置根据由产品的三维数字模型转化而成的模具组合模块的移动指令将模具组合模块移动到指定位置，使得多个模具组合模块组合成一个或多个特定形状的模具，模具的轮廓或内腔形状与产品相符合；

4）供料装置向模具内部提供材料，并利用模具特定的轮廓或内腔形状，使材料获得相应的立体形状，得到制成的产品；

5）移开模具组合模块以分开组合成的模具，并移开制成的产品；

6）将步骤5）中移开的模具组合模块移回，使得多个模具组合模块重新组合成模具；

其中，如重复上述步骤4~6，可重复批量生产相同三维物件；如重复上述步骤1~5，可快速生产单件相同或不同三维物件。

本发明的有益效果如下：本发明结合了传统的模具生产方式和最新的计算机三维设计技术，能够通过模具生产方式直接将数字模型转化为最终实物成品。本发明的单件生产速度快，能够进行批量生产，从而缩短多件生产周期。同时，本发明的单件及小批量生产成本显著降低，能够使用多种材料。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图。

图2是本发明的模具组合模块形成的一种模具结构示意图。

图3是本发明的模具组合模块形成的另一种模具结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

图1给出了本发明的一个实施例的结构示意。如图1所示，本发明的一个实施例，包括支承装置4、模具组合单元3、移动控制装置2、供料装置5、打印控制装置1。

支承装置4主要用于支承模具组合单元3，也可以为制成品6提供支承作用。

模具组合单元3由若干个模具组合模块组成。每个模具组合模块一端有一定表面形状，另一端连接到移动控制装置2上。因此，每个模具组合模块可在移动控制装置2的控制下移动到指定位置。当多个模具组合模块移动到特定位置后，便能够组合成一个或多个模具。图1中，多个模具组合模块即组合成了一个截面为“品字形”的模具。模具组合模块与生产制成品时所用材料的接触面为平面或曲面或由平面和曲面任意组合而成，以适应各种不同形状的产品的生产需要。模具组合模块本身则可以用金属材料制成，也可以使用其他种类的模具用材料制成。

移动控制装置2的主要作用是根据打印控制装置1传来的模具组合模块的移动指令控制模具组合模块移动。移动控制装置2可以使用电磁驱动方式来控制模具组合模块的移动，也可以使用固体或气体或液体为媒介将力传递到模具组合模块使其移动到指定位置。例如，移动控制装置2可由控制电路板、移动动力源、传动装置、限位装置等部分组成，其中限位装置用于将模具组合模块的移动控制在指定范围内，移动动力源用于提供移动动力，传动装置用于驱动模具组合模块移动，控制电路板用于控制动力源、传动装置和限位装置；移动动力源可以是电动机、油动机或气泵，传动装置可以是螺纹传动、带式传动、链条传动、弹簧传动，限位装置可以是弹簧、密闭的气缸或液压缸等等。

以移动动力源为电动机以及传动装置为螺纹传动为例，当控制电路板接收到打印控制装置1传来的模具组合模块的移动指令后，控制连接各模具组合模块的电动机将按该移动指令执行，连接到电动机的螺纹传动装置则将电机的转动转化为各模具组合模块的直线运动，直到指定位置为止。

供料装置5的主要作用是提供材料以在模具组合单元组合成模具后生产工件。供料装置5可由料仓、供料动力源、推送装置等部分组成，供料动力源提供动力使推送装置将材料从料仓经由材料入口进入到模具内部。材料入口可以设置在支承装置上，也可以设置在模具组合模块上，还可以由多个模具组合模块组合而成。图1中的材料入口即设置在支承装置上，供料装置5经由该材料入口将材料注入“品字形”模具的底部。

打印控制装置1的主要作用是向移动控制装置2发送模具组合模块的移动指令，同时打印控制装置1还能够将产品的三维数字模型转化为移动控制装置2能够识别的模具组合模块的移动指令。打印控制装置1由硬件和软件组成。硬件的主要作用是储存、运算和传输数据及指令代码。硬件可以是电脑，也可以是由集成电路、接口及数据连接线等部分组成的专用控制板。软件则负责将三维数字模型转化为移动控制装置2能够识别的模具组合模块的移动指令，软件可以集成在专用控制板中，也可以是安装电脑中的独立软件。工作时，软件读取通用三维模型格式文件（如STL文件)，并将其转化为G代码（一种通用的数控机床代码，G代码中规定了每一个电动机的动作方式及参数如转向、角度、速度等）或类似G代码的机器操作代码，并发送给移动控制装置2。

图2给出了本发明的模具组合模块形成的一种模具结构示意。从图2可见，多个模具组合模块对面布置，中间的模具组合模块移动到指定位置，周边的模具组合模块保持接触，从而形成模具腔室。由模具组合模块组合形成材料入口或在部分模具组合模块上开材料入口。

图3给出了本发明的模具组合模块形成的另一种模具结构示意。从图3可见，多个模具组合模块邻接布置，中间的模具组合模块移动到指定位置，周边的模具组合模块保持接触，从而形成模具腔室。由模具组合模块组合形成材料入口或在部分模具组合模块上开材料入口。

使用本发明的批量生产3D打印机制造三维物体的方法，包括以下步骤：

1）打印控制装置1将产品的三维数字模型转化为模具组合模块的移动指令；

2）打印控制装置1将模具组合模块的移动指令传递给移动控制装置2；

3）移动控制装置2根据由产品的三维数字模型转化而成的模具组合模块的移动指令将模具组合模块移动到指定位置，使得多个模具组合模块组合成一个或多个特定形状的模具，模具的轮廓或内腔形状与产品相符合。

4）供料装置5向模具内部提供材料，并利用模具特定的轮廓或内腔形状，使材料获得相应的立体形状，得到制成的产品；

5）移开模具组合模块以分开组合成的模具，并移开制成的产品；

具体而言，可由打印控制装置将用于分开模具的模具组合模块的移动指令传递给移动控制装置，移动控制装置再根据该模具组合模块的移动指令将模具组合模块移动到能够分开模具的位置，从而使组合成的模具分开。移动过程中，可以只控制部分模具组合模块进行特定方向的移动如单向平移，以避免破坏模具特定的轮廓或内腔形状。

6）将步骤5）中移开的模具组合模块移回，使得多个模具组合模块重新组合成模具；这里的模具与步骤3）中组合而成的模具相同。

如重复上述步骤4~6，可重复批量生产相同三维物件；如重复上述步骤1~5，可快速生产单件相同或不同三维物件。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (15)

1.一种批量生产3D打印机，其特征在于，包括支承装置、模具组合单元、移动控制装置、供料装置、打印控制装置，其中：

所述支承装置用于支承模具组合单元；

所述模具组合单元由若干个模具组合模块组成，模具组合模块可在移动控制装置的控制下移动；

所述移动控制装置与各模具组合模块相连接，并能根据打印控制装置传来的模具组合模块的移动指令将模具组合模块从各自的初始位置移动到指定位置；

所述供料装置用于向由模具组合单元组合而成的模具内提供材料以生产工件；

所述打印控制装置向移动控制装置发送模具组合模块的移动指令，并能够将产品的三维数字模型转化为移动控制装置能够识别的模具组合模块的移动指令。

2.根据权利要求1中所述的批量生产3D打印机，其特征在于：模具组合模块与材料的接触面为平面或曲面或由平面和曲面任意组合而成。

3.根据权利要求1中所述的批量生产3D打印机，其特征在于：移动控制装置使用电磁驱动方式来控制模具组合模块的移动。

4.根据权利要求1中所述的批量生产3D打印机，其特征在于：移动控制装置使用固体或气体或液体为媒介将力传递到模具组合模块，使其移动到指定位置。

5.根据权利要求1中所述的批量生产3D打印机，其特征在于：移动控制装置包括控制电路板、移动动力源、传动装置、限位装置，所述限位装置用于将模具组合模块的移动限制在指定范围内，所述移动动力源用于提供移动的动力，所述传动装置用于驱动模具组合模块移动，所述控制电路板用于控制移动动力源、传动装置和限位装置。

6.根据权利要求5中所述的批量生产3D打印机，其特征在于：移动动力源是电动机、油动机或气泵。

7.根据权利要求5中所述的批量生产3D打印机，其特征在于：传动装置是螺纹传动、带式传动、链条传动或弹簧传动。

8.根据权利要求5中所述的批量生产3D打印机，其特征在于：限位装置是弹簧、密闭的气缸或液压缸。

9.根据权利要求1中所述的批量生产3D打印机，其特征在于：打印控制装置由硬件和软件组成，所述硬件用来储存、运算和传输数据及指令代码，所述软件负责将三维数字模型转化为移动控制装置能够识别的模具组合模块的移动指令。

10.根据权利要求9中所述的打印控制装置，其特征在于：所述硬件为包括集成电路、接口及数据连接线在内的控制电路，所述软件集成在控制电路中。

11.根据权利要求9中所述的打印控制装置，其特征在于：所述硬件为计算机，所述软件为安装在计算机中的独立软件。

12.根据权利要求1中所述的批量生产3D打印机，其特征在于：移动指令的格式为G代码。

13.根据权利要求1中所述的批量生产3D打印机，其特征在于：供料装置包括料仓、供料动力源、推送装置，其中供料动力源用于提供供料的动力以使得推送装置将材料从料仓经由材料入口进入到由模具组合单元组合而成的模具的内部。

14.根据权利要求13中所述的批量生产3D打印机，其特征在于：所述材料入口设置在支承装置上、或者设置在模具组合模块上、或者由多个模具组合模块组合而成。

15.一种使用权利要求1~14中任一所述的批量生产3D打印机制造三维物体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）打印控制装置将产品的三维数字模型转化为模具组合模块的移动指令；

2）打印控制装置将模具组合模块的移动指令传递给移动控制装置；

3）移动控制装置根据由产品的三维数字模型转化而成的模具组合模块的移动指令将模具组合模块移动到指定位置，使得多个模具组合模块组合成一个或多个特定形状的模具，模具的轮廓或内腔形状与产品相符合；

4）供料装置向模具内部提供材料，并利用模具特定的轮廓或内腔形状，使材料获得相应的立体形状，得到制成的产品；

5）移开模具组合模块以分开组合成的模具，并移开制成的产品；

6）将步骤5）中移开的模具组合模块移回，使得多个模具组合模块重新组合成模具；

其中，如重复上述步骤4~6，可重复批量生产相同三维物件；如重复上述步骤1~5，可快速生产单件相同或不同三维物件。

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