CN103353830A - 一种基于三维编织的3d打印方法 - Google Patents

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宋丽梅
常玉兰
唐欢
李大鹏
覃名翠
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Abstract

本发明属于3D打印领域，涉及一种基于三维编织的3D打印方法。该方法是将纺织行业中的三维编织方法和三维打印方法进行有效融合的TDBP三维编织打印方法。通过TDBP三维编织打印方法，可以增加3D打印产品的受力强度。本发明所涉及的3D打印方法，可以解决三维打印行业中的成型产品受力强度不足的难题，弥补3D打印产品在主承力的结构件和高功能制件方面的应用缺陷，扩展3D打印产品的应用领域。

Description

一种基于三维编织的3D打印方法
技术领域
本发明涉及一种基于三维编织的3D打印方法，更具体地说，本发明涉及用于提高3D打印产品强度的TDBP(Three Dimension Braid Printer)三维编织加工打印方法。 
背景技术
3D打印也叫增材制造技术或快速成型(RP)，原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片，然后把打印材料按切片图形逐层叠加，最终堆积成完整的物体。主要技术种类：立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、激光熔覆成形(LCF)等。3D打印优势包括：降低约50％的制造费用、缩短70％的加工周期、实现设计制造一体化。目前3D打印主要应用于产品设计、快速模具制造、铸造、医学等领域，其中消费电子、汽车、医疗分别占20.3％、19.5％和15.1％。 
在三维打印研究方面，比较有影响的是两家在美国纳斯达克上市公司，一家叫做Stratasys，另一家叫做3DSystems公司。国内西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京航空航天大学、大连理工大学等高校和科研机构也相继进行3D打印机方面的研究。西安交通大学快速制造国家工程研究中心主任卢秉恒院士自1993年来在国内率先开拓光固化快速成型制造系统。华中科技大学快速制造中心史玉升在选择性激光熔化成形(Selective Laser Melting，SLM)方面进行了大量的研究。北京航空航天大学的王华明教授及其带领的科研团队在大型钛合金结构件激光直接制造技术领域取得令人瞩目的成绩，并且在航空航天装备应用中取得了重要突破。但是激光成形过程“内应力控制及零件变形开裂预防”、“内部质量保障及力学性能控制”、“技术标准体系”等瓶颈难题仍是制约大型钛合金结构件激光直接制造技术进一步发展的主要问题。 
由此可见，已有的三维打印方法打印后的产品受力后容易在分层地方断裂，很难用于制作主承力的结构件和高功能制件。因此研究更好地三维打印方法，提高三维打印产品的强度，以适应3D打印产品中的强度要求已成为各个行业对3D打印的最迫切需求。 
发明内容
本发明的目的就是克服以上现有技术的不足，提供一种可靠、实用、操作便捷的三维编织方法与三维打印方法相结合的TDBP(Three Dimension Braid Printer)方法，以弥补现有技术存在的缺陷。 
本发明提出的TDBP(Three Dimension Braid Printer)方法是用于解决目前三维打印行业中的成型产品受力强度不足的难题。 
所述的TDBP(Three Dimension Braid Printer)方法是将三维编织方法与三维打印方法相结合，为了实现TDBP方法，本发明提出两向循环编织路线方法，即在层内和相邻层之间采用45°和135°两种方向，循环进行编织。 
两向循环编织纤维图的原理如图1所示。 
传统分层方法与本发明的分层方法对比图如图2所示。 
本发明的TDBP(Three Dimension Braid Printer)方法的步骤分为四步： 
第一步：选择要加工的三维模型，通过分层方法获得分层的三维数据信息；本发明以圆柱体的加工为例，通过软件处理得到圆柱体的N层三维数据信息；本发明对所得到的N层三维数据信息里的第k层和第k+1层具体分析。 
第二步：对所述圆柱体的第k层和第k+1层采用两向循环编织方法增加横向编织，所述的两向循环编织方法即在层内采用45°和135°两种方向，循环进行编织，所述的这种方法可以使得机器运行路线容易控制，并且在两层之间可以形成交错的织物方向，增加编织的强度。 
第三步：对第二步得到的第k层和第k+1层采用两向循环编织方法增加竖向编织；增加竖向编织的目的是为了更好的增加受力强度，由于三维打印设备都是横向分层逐层操作的，增加竖向编织纤维会有一定的难度；竖向编织纤维过长会增加计算机控制的难度，因此本发明在相邻层之间采用层间交错编织纤维进行竖向纤维的编织，纤维的长度能够覆盖相邻层即可，使用这种短纤维使得计算机程序的控制易于控制。 
第四步：为了不影响三维打印产品的美观性，在进行第二步和第三步的操作时应该使三维织线和三维打印材料边缘保持一定的距离，以保证编织完的三维打印产品的表面依然能够比较光滑。 
至此，对圆柱体的第k层和第k+1层编织完成。 
本发明的有益结果是：通过本发明提出的TDBP(Three Dimension Braid Printer)三维编织打印方法，解决了目前三维打印行业中的成型产品受力强度不足的难题，弥补了3D打印产品在主承力的结构件和高功能制件方面的应用缺陷，扩展了3D打印产品的应用领域，推动了3D打印技术的实用化进程，解决了制造业在创新设计方面的难题。 
附图说明
图1：两向循环编织纤维原理图； 
图2：传统分层方法与本研究的分层方法的图； 
图3：增加横向编织前后效果对比图； 
图4：增加竖向编织前后效果对比图； 
图5：增加三维编织前后效果对比图； 
图6：三维编织分层方法过程示意图； 
具体实施方式：
已有的三维打印方法打印后的产品受力后容易在分层地方断裂，很难用于制作主承力的结构件和高功能制件。为了解决上述问题，本发明设计出TDBP(Three Dimension BraidPrinter)三维编织打印方法，该方法将纺织行业中的三维编织方法和三维打印方法进行有效融合，用来提高3D打印产品的受力强度。为了实现TDBP方法，本发明提出两向循环编织路线方法，即在层内和相邻层之间采用45°和135°两种方向，循环进行编织。所述的两向循环编织路线方法可细分为横向循环编织方法和竖向循环编织方法。 
所述的横向循环编织方法是在层内所进行的编织方法，在层与层之间增加了编织纤维，编织纤维的分布按照两向循环编织的方法，相邻层之间的编织方向交错，这样可以形成交错编织，增加受力强度。 
所述的竖向循环编制方法是在相邻层之间的编织方法，即在相邻两层之间，采用层间交错编织方法进行纵向纤维的编织，纤维的长度可以是短纤维，长度能够覆盖相邻两层即可。此种短纤维易于进行计算机程序的控制，由于相邻层之间采用交替编织方法，在受力时也可以增加受力强度。 
三维编织3D打印方法的分层方法示意图如图6所示。 
本发明的TDBP(Three Dimension Braid Printer)方法的工作步骤分为四步： 
第一步：选择要加工的三维模型，通过分层方法获得分层的三维数据信息；本发明以圆柱体的加工为例，通过软件处理得到圆柱体的N层三维数据信息；本发明对所得到的N层三维数据信息里的第k层和第k+1层具体分析； 
第二步：对所述圆柱体的第k层和第k+1层采用两向循环编织方法增加横向编织，所述的两向循环编织方法即在层内采用45°和135°两种方向，循环进行编织，所述的这种方法可以使得机器运行路线容易控制，并且在两层之间可以形成交错的织物方向，增加编织的强度；编织后的分层效果与编织前的分层效果对比图如图3所示。 
第三步：对第二步得到的第k层和第k+1层采用两向循环编织方法增加竖向编织；增加竖向编织的目的是为了更好的增加受力强度，由于三维打印设备都是横向分层逐层操作的，增加竖向编织纤维会有一定的难度；竖向编织纤维过长会增加计算机控制的难度，因此本发明在相邻层之间采用层间交错编织纤维进行竖向纤维的编织，纤维的长度能够覆盖相邻层即可，使用这种短纤维使得计算机程序的控制易于控制；编织后的分层效果与编织前的分层效果对比图如图4所示。 
第四步：为了不影响三维打印产品的美观性，在进行第二步和第三步的操作时应该使三维织线和三维打印材料边缘保持一定的距离，以保证编织完的三维打印产品的表面依然能够比较光滑。 
至此，对圆柱体的第k层和第k+1层编织完成。编织后的分层效果与编织前的分层效果对比图如图5所示。 
本发明与现有的3D打印方法的最大区别是：本发明在3D打印过程中增加了三维编织的方法，在层内和相邻层中的都增加了编织纤维，解决了传统打印方法中层与层的简单叠加所造成的受力不强的问题。 
综上所述，本发明所设计三维编织的3D打印方法的优点是： 
(1)采用循环编织路线方法使得机器运行路线容易控制； 
(2)在相邻两层之间采用短纤维编织，使纤维易于进行计算机程序控制； 
(3)在层内和相邻层中增加编织纤维，解决了传统打印方法中层与层的简单叠加所造成的受力不强的问题。 
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围 。

Claims (1)

1.一种基于三维编织的3D打印方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步：选择要加工的三维模型，通过分层方法获得分层的三维数据信息；本发明以圆柱体的加工为例，通过软件处理得到圆柱体的N层三维数据信息；本发明对所得到的N层三维数据信息里的第k层和第k+1层具体分析；
第二步：对所述圆柱体的第k层和第k+1层采用两向循环编织方法增加横向编织，所述的两向循环编织方法即在层内采用45°和135°两种方向，循环进行编织，所述的这种方法可以使得机器运行路线容易控制，并且在两层之间可以形成交错的织物方向，增加编织的强度；
第三步：对第二步得到的第k层和第k+1层采用两向循环编织方法增加竖向编织；增加竖向编织的目的是为了更好的增加受力强度，由于三维打印设备都是横向分层逐层操作的，增加竖向编织纤维会有一定的难度；竖向编织纤维过长会增加计算机控制的难度，因此本发明在相邻层之间采用层间交错编织纤维进行竖向纤维的编织，纤维的长度能够覆盖相邻层即可，使用这种短纤维使得计算机程序的控制易于控制；
第四步：为了不影响三维打印产品的美观性，在进行第二步和第三步的操作时应该使三维织线和三维打印材料边缘保持一定的距离，以保证编织完的三维打印产品的表面依然能够比较光滑；
至此，对圆柱体的第k层和第k+1层编织完成。
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