CN103350572A - 3d堆叠打印方法及3d堆叠打印机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印技术，具体为3D堆叠打印方法及3D堆叠打印机。解决目前3D打印机打印慢、耗材种类少以及适用产品范围小的问题。3D堆叠打印方法包括耗材的打印和辅料的打印，所述的耗材为预成型的预制件耗材即3D堆叠打印单元。3D堆叠打印机包括耗材供给装置，用于承接并打印耗材的耗材打印头，辅料打印头（4），所述的耗材为预成型的预制件耗材即3D堆叠打印单元（8），相应地所述的耗材打印头包括堆叠打印单元夹持器（6）和与堆叠打印单元夹持器配合的堆叠打印单元推出头（7）。本发明可以打印对打印分辨率要求不高的3D物体，比如日用品、生活用品用具、家具、服装鞋帽、包装填充物、舞台道具、装饰造型、艺术浮雕及圆雕等。

Description

3D堆叠打印方法及3D堆叠打印机

技术领域

本发明涉及3D打印技术，具体为3D堆叠打印方法及3D堆叠打印机。 

背景技术

目前的3D打印技术已日趋成熟和实用化，通常采用的打印材料是热熔性材料、光固聚合物或可与第二种材料混合凝固的粉状材料，这样可以打印细度和精度不错的3D模型或产品，最小粒度甚至能达到0.2mm以下，但这样的精度使得其打印时间成本颇高，比如打印一个10cm高的物件要消耗5个小时的时间，对于大批量打印作业或打印大型物件并且精度不要求那么高的情况下无疑是个瓶颈，同时打印材料品种稀少以及打印物体性能特性有限、适用产品范围小也是制约3D打印技术推广的因素。 

发明内容

本发明为了解决目前3D打印机打印慢、耗材种类少以及适用产品范围小的问题，提供一种3D堆叠打印方法及3D堆叠打印机。通过使用预成型的预制件耗材及其辅料，对精度要求相对低的模型或产品进行快速的堆叠打印。 

本发明是采用如下技术方案实现的：3D堆叠打印方法，包括耗材的打印和辅料的打印，其中所述的耗材为预成型的预制件耗材。通过使用预成型的预制件耗材及其辅料，对精度要求相对低的模型或产品进行快速的堆叠打印。 

所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元，其单元形状是方块形、长方形、六角形、圆柱型、球形的等几何形状的，或者是某种可以自身连环镶嵌咬合的形状（如图3的20自身连环镶嵌咬合单元），这些堆叠打印单元可以是预制好的，也可以是通过压制、模具成型、冲压、切割裁剪等加工手段现场加工而成的。 

所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元可以是实心体、空心体、微孔（发泡）体、弹性体；其所用材料可以是各种金属、塑料、橡胶、陶瓷、玻璃、食材、木材以及各种人造混合材料等中的某种材料或某几种材料； 

所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元可以是不同颜色的同种材料或不同材料，以形成特定的功效，比如纹理、产品边缘、棱角、表面的强化、美化。所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元可以是不同大小的、不同形状的，比如相对于某种标准的1/2、 1/4、3/4等比例，以满足边缘、棱角等特殊位置的半行、半列、顶角、外角、内角等特殊位置的处理。

所述的辅料可以为树脂、粘合剂、溶剂、码钉、直钉、铆钉等；或者所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元之间可以采用激光焊接、超声波焊接、自身变形相互铆接等结合方式；或者所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元采用磁性材料，而实现所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元之间的磁性吸引的结合方式。 

在打印时根据需要在需要镂空或架空或空白处堆叠打印不加牢固固定的占位堆叠打印单元——堆叠打印配位单元。为了防止在打印过程中可能的坍塌，在打印时根据打印对象形状打印出用于防止在打印过程中模型或产品坍塌的外轮廓墙，外轮廓墙由外轮廓墙堆叠打印单元并随打印对象的打印进度而逐步打印出来。此外轮廓墙根据需要保护的打印对象形状，可以是方形的、圆桶形的，也可以是其它组合形状，此外轮廓墙也可由相互咬合镶嵌的单元组成，根据需要采用相关的接合方式，比如粘接，并根据打印对象的打印进度而逐步打印出来。 

3D堆叠打印机，包括耗材供给装置，用于承接并打印耗材的耗材打印头，辅料打印头，所述的耗材为预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元，相应地所述的耗材打印头包括堆叠打印单元夹持器和与堆叠打印单元夹持器配合的堆叠打印单元推出头。在打印准备就绪时，在辅料的打印头内充满用于固定（比如粘合）堆叠打印单元的固定（比如粘合）辅料（可选用多种公知的辅料），堆叠打印单元夹持器加载通过耗材供给装置输送过来的堆叠打印单元，依据打印指令，公知的程控XYZ三轴机构将耗材打印头定位在空间某个位置，在堆叠打印单元推出头的配合下，堆叠打印单元被推出固定安置在当前打印层上，同时其依据固定方式，辅料打印头在适当的时刻和位置打印（喷涂、击打射出）出固定（比如粘合）辅料施加在堆叠打印单元上，使打印出来的堆叠打印单元被相互（比如粘合）固定。 

为实现所述3D堆叠打印机的工作，所述的耗材供给装置可采用多种公知的结构，以能够输送所述的预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元为准。或者说在预制件耗材即3D 堆叠打印单元形状一定的情况，本领域技术人员可容易地设计或制造出耗材供给装置的结构、构造。比如像方块性、球形等料，可以以气流管道或固定轨道输送、定向、排列供料；连续性型材，比如像截面为圆形、方形等料，则可以直接通过机械摩擦轮供料，并在打印前被按照一定的长度预裁断。同样地，耗材打印头的堆叠打印单元夹持器和与之配合的堆叠打印单元推出头的结构、构造也是本领域技术人员容易实现的；堆叠打印单元夹持器用于夹持堆叠打印单元，被夹持的堆叠打印单元在推出头的作用下被推出，然后夹持器夹持下一个堆叠打印单元、再被推出头推出，如此连续工作实现耗材的打印。显然，为实现上述的工作过程，堆叠打印单元夹持器的结构（包括夹持机构、夹持驱动机构等）、构造（各机构及部件之间的连接），堆叠打印单元推出头的结构（如驱动机构等）、构造，对本领域或者机械、电控的技术人员来讲是容易实现的。现有的3D打印机同样涉及辅料（如各种粘接剂）的打印，本发明所述的辅料打印头至少可采用或借鉴现有技术。为解决本发明的技术问题，本发明技术方案的创新实质主要是耗材采用了预成型的预制件耗材，在此基础上并结合现有技术，本领域技术人员实现该3D堆叠打印机的硬件结构、构造不会有障碍。 

所述的3D堆叠打印机的耗材打印头为多个，用于分别打印不同大小的、不同形状的预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元，比如相对于某种标准的1/2、 1/4、3/4等比例，以满足边缘、棱角等特殊位置的半行、半列、顶角、外角、内角等特殊位置的处理。 

所述的3D堆叠打印机还包括占位堆叠打印单元即堆叠打印配位单元的打印头，所述的堆叠打印配位单元的打印头包括堆叠打印配位单元夹持器和与堆叠打印配位单元夹持器配合的堆叠打印配位单元推出头。在打印时所述的堆叠打印配位单元的打印头根据需要在需要镂空或架空或空白处堆叠打印不加牢固固定的占位堆叠打印单元——堆叠打印配位单元。所述的堆叠打印配位单元的打印头为多个，用于分别打印不同大小的、不同形状的堆叠打印配位单元。 

所述的3D堆叠打印机还包括防止在打印过程中模型或产品坍塌的外轮廓墙打印头，外轮廓墙打印头包括外轮廓墙堆叠打印单元夹持器和与外轮廓墙堆叠打印单元夹持器配合的外轮廓墙堆叠打印单元推出头。这样，在打印时根据需要可以设计并打印模型或产品的外轮廓墙，以防止打印过程中模型或产品可能的坍塌。 

所述的辅料打印头为打印树脂、粘合剂、溶剂、可食用粘合剂(蜂蜜、糖稀、奶酪、淀粉糊等)的打印头或者为打印码钉、直钉、铆钉的打印头；堆叠打印单元加载在打印头上，而固定（比如粘合）辅料加载到辅料打印头上，根据当前堆叠打印单元的固定工艺在辅料打印头的动作下在适当的时刻在堆叠打印单元上打印辅料，使堆叠打印单元之间相互牢固结合。随着打印的进行，最终所打印的模型或产品以立体马赛克方式堆叠完成。根据工艺的需求，可以进一步做表面的打磨和涂装处理。或者使堆叠打印单元推出头、堆叠打印配位单元推出头、外轮廓墙堆叠打印单元推出头兼作超声波换能器头，以实现预制件耗材即3D 堆叠打印单元之间的超声波焊接的结合方式。 

无疑，3D打印机需要软件的控制。本发明所述的3D堆叠打印机至少可采用现有3D打印机的控制驱动软件。因为，本发明所述的3D堆叠打印机只是改变了耗材的种类，除了相应的硬件结构有所变化外，其控制软件与现有3D打印机有类比性，因此，本发明所述的3D堆叠打印机的控制软件也是本领域技术人员容易实现的。本发明所述的3D堆叠打印机也可采用多维数组给打印提供驱动数据：所述多维数组的格式为[X,Y,Z,a,b,c,d……]，其中数据[X、Y、Z]表示用于定位的三维空间坐标，a表示某一具有特定形状、尺寸、材料的堆叠打印单元,b表示某一具有特定形状、尺寸、材料的堆叠打印配位单元,c表示辅料的性质,d表示某一具有特定形状、尺寸、材料的外轮廓墙堆叠打印单元，……表示还可以包括其它更多的参数控制，比如融合超声波的功率、融合超声波的压力、粘合剂的量、粘合剂的颜色等。将3D模型文件依据打印策略，按照3D堆叠打印单元的长宽高，将3D模型分类生成不同比例（比如1/1、1/2、1/4比例）的外轮廓墙堆叠打印单元、堆叠打印单元（可以为若干种）、堆叠打印配位单元（可以为若干种）、固定（比如粘合）辅料（可以为若干种），并且包含各自的X、Y、Z坐标值的多维数组，其格式可以为[X,Y,Z,a,b,c,d…]。比如，在打印时，按照一定的时间脉冲节奏，在打印头准备就绪的信号触发下，顺序读取数组前三位[比如数据[X、Y、Z]，控制3D打印机的步进电机，使打印头定位到三维空间指定的点，然后控制打印头适时将外轮廓墙堆叠打印单元（可以为若干种，比如数据[d]）、堆叠打印单元（可以为若干种，比如数据[a]）、堆叠打印堆叠配位单元（可以为若干种，比如数据[b]）或固定（比如粘合）辅料（可以为若干种，比如数据[c]）“打印”到当前XYZ位置，当然根据打印机具体的打印原理可以采用更多的参数控制，比如融合超声波的功率、融合超声波的压力、粘合剂的量、粘合剂的颜色等，依据具体实施而设置，用一个或多个打印执行周期完成后，然后再进行下一个打印点的循环作业，直到将所有的打印单元打印完毕。 

在打印完毕，等具体的工艺时间后，比如可能用到的粘合剂的凝固时间后，即可把3D作品的辅助部分中的打印外轮廓墙单元及堆叠打印堆叠配位单元拆除后，即可获得最终我们期望的由堆叠打印堆叠单元所构成的3D作品。 

根据最终的工艺要求，还可以进行进一步的工艺处理，比如3D作品的表面打磨、表面批腻子找平、上色等，以满足附加的工艺要求。 

本发明所述的3D堆叠打印方法及其打印机设计思路新颖，结构独特，克服了现有技术打印慢、耗材种类少以及适用产品范围小的问题，为完善和丰富3D打印技术作出了一定贡献。本发明可以打印对打印分辨率要求不高的3D物体，比如日用品、生活用品用具、家具、服装鞋帽、包装填充物、舞台道具、装饰造型、艺术浮雕及圆雕、假体辅助造型、城市雕塑、食品等领域。 

附图说明

图1为3D堆叠打印方法原理及3D堆叠打印机主要部件结构示意图； 

图2为截面为方形（含长方形）的3D堆叠打印产品示意图；

图3为可自身连环镶嵌咬合的单元截面示意图；

图中：1-堆叠打印打印出的外轮廓墙；2-相对高度传感器；3-堆叠打印配位单元；4-辅料打印头；5-辅料打印头里的固定（比如粘合）辅料；6-堆叠打印单元夹持器；7-堆叠打印单元推出头（或兼超声波换能器头）；8-堆叠打印单元；9-堆叠打印配位单元夹持器；10-堆叠打印配位单元推出头（或兼超声波换能器头）；11-堆叠打印配位单元；12-打印出的堆叠打印单元；13-打印出的固定（比如粘合）辅料；14-外轮廓墙堆叠打印单元夹持器；15-外轮廓墙打印头内的外轮廓墙堆叠打印单元；16-外轮廓墙堆叠打印单元推出头（或兼超声波换能器头）；17-方形配位单元；18-方形堆叠打印单元； 19-1/2方形配位单元；20-可自身连环镶嵌咬合的单元。

具体实施方式

3D堆叠打印方法，包括耗材的打印和辅料的打印，其中所述的耗材为预成型的预制件耗材。通过使用预成型的预制件耗材及其辅料，对精度要求相对低的模型或产品进行快速的堆叠打印。 

所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元，其单元形状是方块形、长方形、六角形、圆柱型、球形的，或者是某种可以自身连环镶嵌咬合的形状（如图3的20自身连环镶嵌咬合单元），这些堆叠打印单元可以是预制好的，也可以是通过压制、模具成型、冲压、切割裁剪等加工手段现场加工而成的。 

所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元可以是实心体、空心体、微孔（发泡）体、弹性体；其所用材料可以是各种金属、塑料、橡胶、陶瓷、玻璃、食材、木材以及各种人造混合材料等中的某种材料或某几种材料； 

所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元可以是不同颜色的同种材料或不同材料，以形成特定的功效，比如纹理、产品边缘、棱角、表面的强化、美化。所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元可以是相同大小相同形状的，也可以是不同大小的、不同形状的，比如相对于某种标准的1/2、 1/4、3/4等比例，以满足边缘、棱角等特殊位置的半行、半列、顶角、外角、内角等特殊位置的处理。

所述的辅料可以为树脂、粘合剂、溶剂、码钉、直钉、铆钉等；或者所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元之间可以采用激光焊接、超声波焊接、自身变形相互铆接等结合方式；或者所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元采用磁性材料，而实现所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元之间的磁性吸引的结合方式。 

在打印时根据需要在需要镂空或架空或空白处堆叠打印不加牢固固定的占位堆叠打印单元——堆叠打印配位单元。为了防止在打印过程中可能的坍塌，在打印时根据打印对象形状打印出用于防止在打印过程中模型或产品坍塌的外轮廓墙，外轮廓墙由外轮廓墙堆叠打印单元并随打印对象的打印进度而逐步打印出来。此外轮廓墙根据需要保护的打印对象形状，可以是方形的、圆桶形的，也可以是其它组合形状，此外轮廓墙也可由相互咬合镶嵌的单元组成，根据需要采用相关的接合方式，比如粘接，并根据打印对象的打印进度而逐步打印出来。 

3D堆叠打印机，包括耗材供给装置，用于承接并打印耗材的耗材打印头，辅料打印头4，所述的耗材为预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元8，相应地所述的耗材打印头包括堆叠打印单元夹持器6和与堆叠打印单元夹持器配合的堆叠打印单元推出头7。与现有3D打印机一样，该3D堆叠打印机还包括相对高度传感器2。在打印准备就绪时，在辅料的打印头内充满用于固定（比如粘合）堆叠打印单元的固定（比如粘合）辅料5（可选用多种公知的辅料），堆叠打印单元夹持器6加载通过耗材供给装置输送过来的堆叠打印单元8，依据打印指令，公知的程控XYZ三轴机构将耗材打印头定位在空间某个位置，在堆叠打印单元推出头7的配合下，堆叠打印单元8被推出固定安置在当前打印层上，同时其依据固定方式，辅料打印头4在适当的时刻和位置打印（喷涂、击打射出）出固定（比如粘合）辅料施加在堆叠打印单元上，使打印出来的堆叠打印单元被相互（比如粘合）固定。 

为实现所述3D堆叠打印机的工作，所述的耗材供给装置可采用多种公知的结构，以能够输送所述的预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元为准。或者说在预制件耗材即3D 堆叠打印单元形状一定的情况，本领域技术人员可容易地设计或制造出耗材供给装置的结构、构造。比如像方块性、球形等料，可以以气流管道或固定轨道输送、定向、排列供料；连续性型材，比如像截面为圆形、方形等料，则可以直接通过机械摩擦轮供料，并在打印前被按照一定的长度预裁断。同样地，耗材打印头的堆叠打印单元夹持器和与之配合的堆叠打印单元推出头的结构、构造也是本领域技术人员容易实现的；堆叠打印单元夹持器用于夹持堆叠打印单元，被夹持的堆叠打印单元在推出头的作用下被推出，然后夹持器夹持下一个堆叠打印单元、再被推出头推出，如此连续工作实现耗材的打印。显然，为实现上述的工作过程，堆叠打印单元夹持器的结构（包括夹持机构、夹持驱动机构等）、构造（各机构及部件之间的连接），堆叠打印单元推出头的结构（如驱动机构等）、构造，对本领域或者机械、电控的技术人员来讲是容易实现的。现有的3D打印机同样涉及辅料（如各种粘接剂）的打印，本发明所述的辅料打印头至少可采用或借鉴现有技术。为解决本发明的技术问题，本发明技术方案的创新实质是耗材采用了预成型的预制件耗材，在此基础上并结合现有技术，本领域技术人员实现该3D堆叠打印机的硬件结构、构造不会有障碍。 

所述的3D堆叠打印机的耗材打印头为多个，用于分别打印不同大小的、不同形状的预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元，比如相对于某种标准的1/2、 1/4、3/4等比例，以满足边缘、棱角等特殊位置的半行、半列、顶角、外角、内角等特殊位置的处理。 

所述的3D堆叠打印机还包括占位堆叠打印单元即堆叠打印配位单元的打印头，所述的堆叠打印配位单元的打印头包括堆叠打印配位单元夹持器9和与堆叠打印配位单元夹持器配合的堆叠打印配位单元推出头10。在打印时所述的堆叠打印配位单元的打印头根据需要在需要镂空或架空或空白处堆叠打印不加牢固固定的占位堆叠打印单元——堆叠打印配位单元3。所述的堆叠打印配位单元的打印头为多个，用于分别打印不同大小的、不同形状的堆叠打印配位单元。 

所述的3D堆叠打印机还包括防止在打印过程中模型或产品坍塌的外轮廓墙打印头，外轮廓墙打印头包括外轮廓墙堆叠打印单元夹持器14和与外轮廓墙堆叠打印单元夹持器配合的外轮廓墙堆叠打印单元推出头16。这样，在打印时根据需要可以设计并打印模型或产品的外轮廓墙，以防止打印过程中模型或产品可能的坍塌。 

所述的辅料打印头4为打印树脂、粘合剂、溶剂、可食用粘合剂(蜂蜜、糖稀、奶酪、淀粉糊等)的打印头或者为打印码钉、直钉、铆钉的打印头；堆叠打印单元8加载在打印头上，而固定（比如粘合）辅料5加载到辅料打印头上，根据当前堆叠打印单元的固定工艺在辅料打印头4的动作下在适当的时刻在堆叠打印单元上打印辅料，使堆叠打印单元之间相互牢固结合。随着打印的进行，最终所打印的模型或产品以立体马赛克方式堆叠完成。根据工艺的需求，可以进一步做表面的打磨和涂装处理。或者使堆叠打印单元推出头7、堆叠打印配位单元推出头10、外轮廓墙堆叠打印单元推出头16兼作超声波换能器头，以实现预制件耗材即3D 堆叠打印单元之间的超声波焊接的结合方式。 

无疑，3D打印机需要软件的控制。本发明所述的3D堆叠打印机至少可采用现有3D打印机的控制驱动软件。因为，本发明所述的3D堆叠打印机只是改变了耗材的种类，除了相应的硬件结构有所变化外，其控制软件与现有3D打印机有类比性，因此，本发明所述的3D堆叠打印机的控制软件也是本领域技术人员容易实现的。本发明所述的3D堆叠打印机也可采用多维数组给打印提供驱动数据：所述多维数组的格式为[X,Y,Z,a,b,c,d……]，其中数据[X、Y、Z]表示用于定位的三维空间坐标，a表示某一具有特定形状、尺寸、材料的堆叠打印单元,b表示某一具有特定形状、尺寸、材料的堆叠打印配位单元,c表示辅料的性质,d表示某一具有特定形状、尺寸、材料的外轮廓墙堆叠打印单元，……表示还可以包括其它更多的参数控制，比如融合超声波的功率、融合超声波的压力、粘合剂的量、粘合剂的颜色等。将3D模型文件依据打印策略，按照3D堆叠打印单元的长宽高，将3D模型分类生成不同比例（比如1/1、1/2、1/4比例）的外轮廓墙堆叠打印单元、堆叠打印单元（可以为若干种）、堆叠打印配位单元（可以为若干种）、固定（比如粘合）辅料（可以为若干种），并且包含各自的X、Y、Z坐标值的多维数组，其格式可以为[X,Y,Z,a,b,c,d…]。比如，在打印时，按照一定的时间脉冲节奏，在打印头准备就绪的信号触发下，顺序读取数组前三位[比如数据[X、Y、Z]，控制3D打印机的步进电机，使打印头定位到三维空间指定的点，然后控制打印头适时将外轮廓墙堆叠打印单元（可以为若干种，比如数据[d]）、堆叠打印单元（可以为若干种，比如数据[a]）、堆叠打印堆叠配位单元（可以为若干种，比如数据[b]）或固定（比如粘合）辅料（可以为若干种，比如数据[c]）“打印”到当前XYZ位置，当然根据打印机具体的打印原理可以采用更多的参数控制，比如融合超声波的功率、融合超声波的压力、粘合剂的量、粘合剂的颜色等，依据具体实施而设置，用一个或多个打印执行周期完成后，然后再进行下一个打印点的循环作业，直到将所有的打印单元打印完毕。 

在打印完毕，等具体的工艺时间后，比如可能用到的粘合剂的凝固时间后，即可把3D作品的辅助部分中的打印外轮廓墙单元及堆叠打印堆叠配位单元拆除后，即可获得最终我们期望的由堆叠打印堆叠单元所构成的3D作品。 

根据最终的工艺要求，还可以进行进一步的工艺处理，比如3D作品的表面打磨、表面批腻子找平、上色等，以满足附加的工艺要求。 

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。      如图1所示：3D 堆叠打印机的打印头包括一个或多个相对高度传感器2、一个或多个固定（比如粘合）辅料辅助打印头4、一个或多个堆叠打印单元夹持器6、一个或多个堆叠打印单元料推出头（可兼超声波换能器头）7、一个或多个堆叠打印配位单元料夹持器9、一个或多个堆叠打印配位单元料推出头（可兼超声波换能器头）10、一个或多个外轮廓墙堆叠打印单元夹持器14、以及一个或多个外轮廓墙单元推出头（兼超声波换能器头）16。其中在打印准备就绪时，在固定（比如粘合）辅料辅助打印头4内充满用于固定（比如粘合）堆叠打印单元的固定（比如粘合）辅料、在堆叠打印单元料夹持器6加载有通过输送过来的堆叠打印单元8、在堆叠打印配位单元料夹持器9加载有通过输送过来的堆叠打印配位单元11、外轮廓墙单元夹持器14加载有通过输送过来的堆叠打印外轮廓墙单元15。 

本发明在实施时，是这样工作的，如图1所示，比如针对某一3D打印物体的3D模型，根据打印要求，使用选中的某种堆叠打印单元料、堆叠打印堆叠配位单元料、固定（比如粘合）辅料及外轮廓墙单元，其中堆叠打印单元料、堆叠打印堆叠配位单元料及外轮廓墙单元的打印层高是一致的，并且堆叠打印单元料、堆叠打印堆叠配位单元料的打印水平方向上的XY坐标平面里的占位长宽是一致的。为此专门开发的打印驱动软件的策略是将3D打印物体的3D模型的全部或部分根据当前的模型扩充到能有效包围全部打印3D内容的柱状物体，这个柱状物体是这样构成的，为了避免堆叠打印单元料在打印过程中可能的坍塌，像容器一般的外围轮廓墙由外轮廓墙单元材料构成，内部包含所打印的3D物体或3D物体的局部，由堆叠打印单元料（代表3D打印物体的有效部位）构成，其它空白区域由堆叠打印堆叠配位单元料构成填充，这三类单元料分别使用各自相适应的工艺被相互连接固定。被打印的每个3D单元物体， 或打印内部的每个单元点被赋予空间信息和材料信息综合成一个多维数组，其数据结构为多维数组，其数据格式可以为[X,Y,Z,a,b,c,d…]，空间信息为XYZ的三维坐标值；材料信息为表示为堆叠打印单元料（代表3D打印物体的有效部位）、堆叠打印堆叠配位单元料、及外轮廓墙单元之一，可以比如以数字1、2、3来表示。具体的数据依据下边的方法计算而得：依据打印层高而分解为打印层数=打印物体总高度/打印层高（如有小数，可以四舍五入转换为整数型），并将根据打印的奇数层和偶数层，在XY坐标系里，每个打印定位点根据是否区分奇数层和偶数层而在XY坐标值有所区别，比如相邻层不错位的堆叠，其XY坐标值根据每个堆叠打印单元料、堆叠打印堆叠配位单元料在水平方向上的XY坐标平面里的占位长宽计算而得，对于需要相邻层错位的打印要求，比如使用球形堆叠料，则奇数层和偶数层的XY坐标对于堆叠打印单元料12、堆叠打印堆叠配位单元料3在水平方向上的XY坐标平面里的占位长宽分别一半的偏置，而外轮廓墙单元1可以没有奇数层和偶数层的XY坐标的偏置。 

 比如一个三维打印单元点的数据[365,468,260，a,b,c,d…]表示在XYZ坐标空间里的[365,468,260]位置要打印堆叠打印单元料12[比如数据a=1]，打印时，打印头将堆叠打印单元料夹持器6里边的堆叠打印堆叠单元料8定位于这个坐标的上方，堆叠打印单元料推出头7接受电磁力的驱动将堆叠打印堆叠单元料8推出定位于[365,468,260]位置；根据打印堆叠打印单元料的固定工艺，比如溶剂粘接[比如数据b=3]，则固定（比如粘合）辅料辅助打印头4将在[365,468,260]这个位置时，将一定量的固定（比如粘合）辅料5根据工艺在适当的时机（比如预先或之后）也喷射到这个位置，用于粘接堆叠打印单元料12；如果是超声波焊接，堆叠打印单元料推出头7在推出堆叠打印堆叠单元料8后，随即压紧堆叠打印堆叠单元料并施以一定功率及时间的超声波能量[比如数据e=24600]，使这块堆叠单元料和其下方及周围的堆叠单元料粘接为一起。 

比如一个三维打印单元点的数据[425,680,860，a,b,c,d…]表示在XYZ坐标空间里的[425,680,860]位置要打印堆叠打印堆叠配位单元料3[比如数据b=3]；打印时，打印头将堆叠打印配位单元料夹持器9里边的堆叠打印堆叠配位单元料11定位于这个坐标的上方，堆叠打印配位单元料推出头10（接受比如电磁力的驱动）将堆叠打印堆叠配位单元料11推出定位于[425,680,860]位置；堆叠打印堆叠配位单元料不需要专门强力的固定，主要靠重力和旁边的单元料依靠而定位。 

根据堆叠固定的不同原理和打印3D物体的形状特性，对于容易在打印过程中发生边缘坍塌的情形，需要在打印的每一层开始，首先打印堆叠一层能有效包围3D打印物体当前打印层形状的外轮廓墙1，然后再打印堆叠3D打印物体当前打印层。在外轮廓墙需要打印时，堆叠打印外轮廓墙单元料15被外轮廓墙打印头的外轮廓墙单元推出头（可兼超声波换能器头）弹出到指定位置。 

比如一个三维打印单元点的数据[230,760,110，a,b,c,d…]表示在XYZ坐标空间里的[230,760,110]位置要打印堆叠打印堆叠外轮廓墙单元料1[比如数据d=3]；打印时，打印头将堆叠打印外轮廓墙单元料夹持器14里边的堆叠打印堆叠外轮廓墙单元料15定位于这个坐标的上方，堆叠打印外轮廓墙单元料推出头16（接受比如电磁力的驱动）将堆叠打印堆叠外轮廓墙单元料15推出定位于[230,760,110]位置；外轮廓墙单元料15根据需要采用相关的相互接合方式，比如粘接。 

上述多维数组其内部变量的含义及排列顺序依据实施可以有不同定义。 

3D 堆叠打印机的打印头的行车机构可以是四Z柱双Y轨道双X轨道式，有轨龙门式等,这些都是常规的结构选择。当然也可以直接采用机器人手臂结构。 

采用本专利技术可以打印对打印分辨率要求不高的3D物体，比如日用品、生活用品用具、家具、服装鞋帽、包装填充物、舞台道具、装饰造型、艺术浮雕及圆雕、假体辅助造型、城市雕塑、食品等领域。 

  

Claims (9)

1.一种3D堆叠打印方法，包括耗材的打印和辅料的打印，其特征在于所述的耗材为预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元。

2.根据权利要求1所述的3D堆叠打印方法，其特征在于预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元是不同大小的、不同形状的；所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元，其单元形状是方块形、长方形、六角形、圆柱型、球形等几何形状的，或者是某种可以自身连环镶嵌咬合的形状；预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元是实心体、空心体、微孔体、弹性体；预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元所用材料是各种金属、塑料、橡胶、陶瓷、玻璃、食材、木材以及各种人造混合材料中的某一种材料或某几种材料；所述的辅料可以为树脂、粘合剂、溶剂、码钉、直钉、铆钉；或者所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元之间可以采用激光焊接、超声波焊接、自身变形相互铆接等结合方式；或者所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元采用磁性材料，而实现所述预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元之间的磁性吸引的结合方式。

3.根据权利要求1或2所述的3D堆叠打印方法，其特征在于在打印时根据打印对象形状打印出用于防止在打印过程中模型或产品坍塌的外轮廓墙，外轮廓墙由外轮廓墙堆叠打印单元并随打印对象的打印进度而逐步打印出来，外轮廓墙堆叠打印单元根据需要采用相关的相互接合方式，比如粘接。

4.一种3D堆叠打印机，包括耗材供给装置，用于承接并打印耗材的耗材打印头，辅料打印头（4），其特征在于所述的耗材为预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元（8），相应地所述的耗材打印头包括堆叠打印单元夹持器（6）和与堆叠打印单元夹持器配合的堆叠打印单元推出头（7）。

5.根据权利要求4所述的3D堆叠打印机，其特征在于所述的3D堆叠打印机的耗材打印头为多个，用于分别打印不同大小的、不同形状的预成型的预制件耗材即3D 堆叠打印单元；所述的耗材供给装置以气流管道或固定轨道输送、定向、排列供料；或者直接通过机械摩擦轮供料，并在打印前被按照一定的长度预裁断。

6.根据权利要求4或5所述的3D堆叠打印机，其特征在于还包括占位堆叠打印单元即堆叠打印配位单元的打印头，所述的堆叠打印配位单元的打印头包括堆叠打印配位单元夹持器（9）和与堆叠打印配位单元夹持器配合的堆叠打印配位单元推出头（10）；所述的堆叠打印配位单元的打印头为多个，用于分别打印不同大小的、不同形状的堆叠打印配位单元。

7.根据权利要求6所述的3D堆叠打印机，其特征在于还包括防止在打印过程中模型或产品坍塌的外轮廓墙打印头，外轮廓墙打印头包括外轮廓墙堆叠打印单元夹持器（14）和与外轮廓墙堆叠打印单元夹持器配合的外轮廓墙堆叠打印单元推出头（16）。

8.根据权利要求7所述的3D堆叠打印机，其特征在于所述的辅料打印头（4）为打印树脂、粘合剂、溶剂、可食用粘合剂的打印头或者为打印码钉、直钉、铆钉的打印头；或者使堆叠打印单元推出头（7）、堆叠打印配位单元推出头（10）、外轮廓墙堆叠打印单元推出头（16）兼作超声波换能器头，以实现预制件耗材即3D 堆叠打印单元之间的超声波焊接的结合方式。

9.根据权利要求8所述的3D堆叠打印机，其特征在于采用多维数组给打印提供驱动数据：所述多维数组的格式为[X,Y,Z,a,b,c,d……]，其中数据[X、Y、Z]表示用于定位的三维空间坐标，a表示某一具有特定形状、尺寸、材料的堆叠打印单元,b表示某一具有特定形状、尺寸、材料的堆叠打印配位单元,c表示辅料的性质,d表示某一具有特定形状、尺寸、材料的外轮廓墙堆叠打印单元，“……”表示其它更多的参数控制，比如融合超声波的功率、融合超声波的压力、粘合剂的量、粘合剂的颜色等，上述多维数组内部变量的含义及排列顺序依据实施可以有不同定义。

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