CN103802316A - 一种立体结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体结构的制备方法，克服目前基于FDM技术的制备方法在制备立体结构时耗时较长效率较低的不足，该方法用于一制备装置制备立体结构，其中，制备装置包含第一喷头、第二喷头以及可以为第一喷头和第二喷头进给物料的进给部件；第一喷头上设置有第一喷嘴，第二喷头上设置有第二喷嘴；立体结构的三维模型经过分层处理后得到多个二维切片；该方法包括：进给部件为第一喷头和第二喷头进给物料；从第一喷嘴及第二喷嘴中同时挤出软化的物料，以根据三维模型的一个二维切片联合制备立体结构的一个层。本申请的实施例大幅缩短了制备时间，显著提高制备效率。

Description

一种立体结构的制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备方法，尤其涉及一种立体结构的制备方法。

背景技术

增材制造技术已经逐渐被工业界所认知，并开始应用到多个行业。现有的基于熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling，FDM）技术的制备方法所制备出来的产品，虽然成型精度及产品强度可以满足直接应用的工业需求，也可以大幅缩短产品设计的研发周期，降低产品研发成本，但是其制备过程耗时较长，效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服目前基于FDM技术的制备方法在制备立体结构时耗时较长效率较低的不足。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种立体结构的制备方法，用于一制备装置制备所述立体结构，其中，所述制备装置包含第一喷头、第二喷头以及可以为所述第一喷头和第二喷头进给物料的进给部件；所述第一喷头上设置有第一喷嘴，所述第二喷头上设置有第二喷嘴；所述立体结构的三维模型经过分层处理后得到多个二维切片；该方法包括：

所述进给部件为所述第一喷头和第二喷头进给物料；

从所述第一喷嘴及第二喷嘴中同时挤出软化的物料，以根据所述三维模型的一个二维切片联合制备所述立体结构的一个层。

优选地，从所述第一喷嘴及第二喷嘴中同时挤出软化的物料，以联合制备所述三维模型的一个二维切片，包括：

所述第一喷嘴位于需要填充的位置时，第一进料机构为所述第一喷头进给物料；否则所述第一进料机构停止为所述第一喷头进给物料；

所述第二喷嘴位于需要填充的位置时，第二进料机构为所述第二喷头进给物料；否则所述第二进料机构停止为所述第二喷头进给物料；

其中，所述进给部件包括所述第一进料机构以及所述第二进料机构。

优选地，从所述第一喷嘴及第二喷嘴中同时挤出软化的物料，以联合制备所述三维模型的一个二维切片，包括：

所述第一喷嘴位于需要填充的位置时，开启第一阀门以从所述第一喷嘴中挤出软化的物料，否则关闭所述第一阀门；

所述第二喷嘴位于需要填充的位置时，开启第二阀门以从所述第二喷嘴中挤出软化的物料，否则关闭所述第二阀门；

其中，所述第一喷嘴中设置有所述第一阀门，所述第二喷嘴中设置有所述第二阀门。

优选地，该方法包括：

所述第一喷头及第二喷头在垂直于所述立体结构的一层的方向上进行直线运动。

优选地，所述第一喷头及第二喷头在垂直于所述立体结构的一层的方向上进行直线运动，包括：

所述第一喷头及第二喷头通过移动支架的带动，在垂直于所述立体结构的一层的方向上进行直线运动；

其中，所述装置包括所述移动支架，所述第一喷头及第二喷头安装在所述移动支架上。

与现有技术相比，本申请的实施例在同一时刻可以通过两个喷嘴同时进行制备，两个喷嘴经过一次直线运动就可以制备出立体结构一层中的两根线段，大幅缩短了制备时间，显著提高制备效率。

本发明的部分特征和优点将在随后的说明书中予以阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构或流程来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本申请实施例中的制备装置在第一方向上的示意图。

图2为本申请实施例中的制备装置在第二方向上的示意图。

图3为本申请实施例中的制备装置的第一喷嘴和第二喷嘴在工作平台上的投影位置示意图。

图4为本申请实施例的立体结构的制备方法的流程示意图。

图5为适用于本申请实施例的制备方法的一个二维切片的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征在不相冲突前提下的相互结合，均在本发明的保护范围之内。

本发明的技术人员经过研究发现，目前基于FDM技术的制备方法在制备一个立体结构时，同一时间都是单喷头进行工作，这是目前基于FDM技术的制备装置工作效率较低的原因之一。部分制备装置虽然配置了两个或两个以上的喷头，但是这些喷头并不会用来同时制备同一个立体结构。有些是各自独立地制备构造相同的立体结构，这类制备装置可以批量制备的方式同时制备多个完全一样的产品；有些是分阶段制备同一个立体结构，这类制备装置可以采用不同的喷嘴挤出不同颜色的物料来分别制备同一个立体结构不同高度的部分，或者针对同一个立体结构的不同部位（比如光滑的外表面和位于内部的较为稀疏的填充部分）而采用不同的喷嘴进行不同需求的制备。但是，这些制备装置在制备一个立体结构时，在同一时刻仍然只有一个喷头在工作，因此这类制备装置以及相应的制备方法在制备单个的立体结构时，效率难以提高。

本申请实施例的立体结构的制备方法，主要用于一制备装置根据立体结构的三维模型来制备出对应的立体结构。通常地，对三维模型进行分层处理获得该三维模型的一系列二维切片，然后根据这一系列的二维切片来进行逐层制备，最后获得该立体结构。

如图1和图2所示，本申请实施例所述及的制备装置，主要包括有第一喷头11、第二喷头12，以及为第一喷头11和第二喷头12进给物料的进给部件20等。第一喷头11上设置有第一喷嘴110，第二喷头12上设置有第二喷嘴120。进给部件20为第一喷头11和第二喷头12进给物料时，通过对物料进行加热等方式，可以从第一喷嘴110及第二喷嘴120中同时挤出软化的物料，以根据立体结构的三维模型的一个二维切片，在位于第一喷头11和第二喷头12下方的工作平台30或者其他制备平面上，联合制备出立体结构的对应于该二维切片的一层。可选地，根据立体结构所需要的成型精度、允许制备该立体结构的时间等因素，立体结构的一层的厚度（下文称之为层高）可以为0.1毫米、0.2毫米等。一般地，层高越小，立体结构的成型精度越高，相应地耗时也越长。

第一喷嘴110和第二喷嘴120与工作平台30的距离相等。将第一喷嘴110和第二喷嘴120与工作平台30之间的距离调整到合适的尺寸，在进给部件20为第一喷头11和第二喷头12进给物料时，从第一喷嘴110和第二喷嘴120中挤出软化的物料就能够粘在工作平台30或者其他制备平面上，从而可以制备出立体结构的一层。比如，在制备过程中，各喷嘴挤出的软化的物料也可以堆积在先前制备出的该立体产品的一层上，从而制备出新的一层，此时先前制备出的一层即为一个制备平面。

如图1、图2以及图3所示，本申请的实施例中，第一喷嘴110和第二喷嘴120在平行于工作平台30的第一方向上相距第一距离x，在平行于工作平台30的第二方向上相距第二距离y，该第一方向与该第二方向不平行。图3中，点A表示第一喷嘴110在工作平台30上的投影位置，点B表示第二喷嘴120在工作平台30上的投影位置。典型地，该第一方向和第二方向相互垂直。比如，该第一方向可以是三维坐标系中的X轴方向，该第二方向可以是三维坐标系中的Y轴方向。该第一距离x与第二距离y，可以相等，也可以不相等。

如图1和图2所示，本申请实施例所述及的制备装置，还包括移动支架40以及框架50等。第一喷头11和第二喷头12与进给部件20固定相连，进给部件20安装在移动支架40上，移动支架40以及工作平台30等安装在框架50上。移动支架40可以在垂直于工作平台30的方向上进行直线运动，从而带动第一喷头11和第二喷头12在垂直于工作平台30的方向上进行直线运动。其中，前述的第一方向和第二方向分别是三维坐标系中的X轴方向和Y轴方向时，垂直于工作平台30的方向就可以是Z轴方向。

本申请实施例的立体结构的制备方法，用于一制备装置制备立体结构，该立体结构的三维模型经过分层处理后，得到该三维模型的多个二维切片，每个二维切片对应于该立体结构的一个层。如图4所示，本申请实施例的制备方法主要包括如下步骤：

步骤S410，进给部件为第一喷头和第二喷头进给物料；

步骤S420，从第一喷嘴及第二喷嘴中同时挤出软化的物料，以根据三维模型的一个二维切片联合制备立体结构的一个层。

本申请实施例的制备方法中，进给部件20为第一喷头11和第二喷头12进给的是丝状物料比如塑料丝等。常见的塑料丝比如有PLA塑料丝或者ABS塑料丝等。在其他实施例中，进给部件20为第一喷头11和第二喷头12进给的也可以是软化的物料比如处于软化状态的巧克力，或者混凝土等等，从而可以制备出能够食用的以巧克力为原料的立体结构，或者建筑物等等。

本申请实施例的制备方法在应用前，对立体结构的三维模型已进行分层处理，获得三维模型的一系列的二维切片。图5示出了适用于本申请实施例的制备方法进行制备的一个二维切片。图5所示的该二维切片，表示的是内部包含有两个圆孔的矩形截面。作业起始位置为该二维切片的左上角。两个喷嘴在该二维切片上的制备路径和制备方向，分别用线条和箭头表示在图5中。其中，实线表示的是第一喷嘴的制备路径，虚线表示的是第二喷嘴的制备路径。

需要说明的是，图5所示的二维切片，包含了由第二喷嘴制备的位于该矩形截面边缘位置的两圈，相当于该矩形截面的边界。本申请的实施例中，该边界是由第二喷嘴单独完成，内部的填充由第一喷嘴和第二喷嘴联合制备。当然，作为该矩形截面的边界的两圈，由第一喷嘴单独完成同样也是可行的。

当立体结构在前述第二方向上的外轮廓尺寸大于第一喷嘴和第二喷嘴在第二方向上的距离，则本申请实施例的制备方法在第一方向上的一次直线运动，就可以在立体结构的一个层上同时制备出两条线段。从而，对于立体结构的一个层来说，通过移动支架等不断地改变第一喷嘴和第二喷嘴相对于工作平台的位置关系，即可以根据对应的二维切片，完整地制备出该立体结构的一个层。

需要说明的是，本申请的实施例中，第一喷嘴和第二喷嘴在第一方向和/或第二方向上的直线运动，可以是通过移动第一喷嘴和第二喷嘴而保持工作平台相对于框架的位置不变来实现，也可以是通过移动工作平台而保持第一喷嘴和第二喷嘴相对于框架的位置不变来实现。也就是说，第一喷嘴和第二喷嘴在第一方向和/或第二方向上的直线运动，指的是第一喷嘴和第二喷嘴相对于工作平台而言的。

在具体实现时，可以是第一喷嘴和第二喷嘴在第一方向上能够进行往复的直线运动，而工作平台在第二方向上能够进行往复的直线运动。在这种情形下，第一喷嘴和第二喷嘴在第一方向上的直线运动，是通过移动支架带动第一喷头和第二喷头进行相对于框架的直线运动来实现的；第一喷嘴和第二喷嘴在第二方向上的直线运动，是通过工作平台相对于框架的直线运动来实现的。

当然，还可以有其他的具体实现方式。比如，工作平台与框架的相对位置保持固定，而第一喷嘴和第二喷嘴既可以在第一方向上进行相对于框架的直线运动，也可以在第二方向上进行相对于框架的直线运动。这种情形下，第一喷嘴和第二喷嘴在第一方向和第二方向上的直线运动，都是通过移动支架带动第一喷头和第二喷头进行相对于框架的直线运动来实现的。再如，第一喷头和第二喷头与框架的相对位置保持固定，而工作平台既可以在第一方向上进行相对于框架的直线运动，也可以在第二方向上进行相对于框架的直线运动。这种情形下，第一喷嘴和第二喷嘴在第一方向和第二方向上的直线运动，都是通过移动工作平台进行相对于框架的直线运动来实现的。

本申请实施例的制备方法根据图5所示的二维切片制备立体结构时，第一喷嘴在制备边界内从上到下的第七根线段的同时，第二喷嘴制备边界内从上到下的第一根线段。第一喷嘴在制备边界内从上到下的第八根线段的同时，第二喷嘴制备边界内从上到下的第二根线段。其中，图5所示的线段（也即喷嘴的制备路径）平行于前述的第一方向。

经过往复的直线运动，当第一喷头和第二喷头在第二方向上移动了前述的第二距离y时，第一喷嘴和第二喷嘴在第二方向上就联合制备出了两倍于该第二距离y的宽度。之后，将第一喷头和第二喷头在第二方向上移动该第二距离y之后继续进行制备。如图4所示，如果是移动支架带动第一喷头和第二喷头逐行作业，在从上到下的方向上总共移动第二距离y时（图4中以6个制备路径的宽度之和示出该第二距离y），第一喷嘴和第二喷嘴就会在从上到下的方向上联合制备出两倍于该第二距离y的宽度，因为第一喷嘴在从上到下的方向上制备了一个第二距离y的宽度，第二喷嘴同时也在从上到下的方向上制备了一个第二距离y的宽度。然后，移动支架直接带动第一喷头和第二喷头继续在从上倒下的方向上移动一个第二距离y，跨过由第一喷嘴所制备的部分，然后继续进行制备。在移动支架带动第一喷头和第二喷头跨过这一第二距离y时，第一喷嘴和第二喷嘴将停止制备，不会从喷嘴中挤出软化的物料。

需要说明的是，第一喷嘴和第二喷嘴在根据图4所示二维切片进行制备时，对于圆孔部分或者其他不需要填充的部分，第一喷嘴或第二喷嘴在经过时会停止制备，也即不会从喷嘴中挤出软化的物料。

因此，相比于每次只能制备一根线段的单喷头（或者说单喷嘴）的制备装置而言，本申请实施例的制备装置中，两个喷头同步动作，完成一个直线运动就可以同时制备两根线段，因此可以大幅缩短制备一个立体结构所需要的时间，显著提高了制备效率。对于图4所示的外轮廓为矩形的二维切片，可以将制备时间缩短为单喷头进行制备的约50%。

当然，如图5所示的二维切片以及制备路径和方向，如果经过一段时间的制备，剩余部分在第二方向上的尺寸小于第一喷嘴和第二喷嘴在第二方向上的距离，此时可以任意选择第一喷嘴或者第二喷嘴来继续进行制备。

本申请实施例的制备方法中，如果第一喷嘴和第二喷嘴的制备路径平行于第一方向，且立体结构对应于二维切片的层在第二方向上的外轮廓尺寸大于第一喷嘴和第二喷嘴在第二方向上的距离，那么至少对应于该二维切片的一部分，第一喷嘴和第二喷嘴是可以同时进行制备的。第一喷嘴和第二喷嘴无法同时进行制备的情形，主要是经过第一喷嘴和第二喷嘴的制备，该层上剩余部分在第二方向上的外轮廓尺寸，小于第一喷嘴和第二喷嘴在第二方向上的距离时，只能选择第一或第二喷嘴进行单独的制备。

本申请实施例的制备方法中，进给部件与第一喷头和第二喷头的位置关系，可以是如图1和图2所示距离较近的近端送料方式。在其他实施例中，进给部件也可以是远离第一喷头和第二喷头的安装方式，通常称之为远程送料。

对于近端送料方式，进给部件包括可以为第一喷头和第二喷头独立进料的第一进料机构和第二进料机构。其中，第一进料机构为第一喷头进料，以及第二进料机构为第二喷头进料，是相互独立的，二者的进料作业相互之间不干扰。

在制备过程中，当第一喷嘴位于需要填充的位置时，第一进料机构为第一喷头进给物料，软化的物料被从第一喷嘴中挤出以进行制备；否则，当第一喷嘴位于不需要填充的位置时，第一进料机构停止为第一喷头进给物料，由于第一喷嘴中软化的物料没有后续进料的压力，从而不会被挤出。同理，第二喷嘴位于需要填充的位置时，第二进料机构为第二喷头进给物料；否则第二进料机构停止为第二喷头进给物料。

本申请的实施例，无论是近端送料的制备方式还是远程送料的制备方式，均可以在第一喷嘴中设置第一阀门，在第二喷嘴中设置第二阀门。第一阀门在第一控制器的控制作用下开启或者关闭第一喷嘴，第二阀门在第二控制器的控制作用下开启或者关闭第二喷嘴，第一控制器和第二控制器相互独立。第一喷嘴位于需要填充的位置时，开启第一阀门，第一喷嘴中软化的物料在后续进料的压力下被挤出；否则，当第一喷嘴位于不需要填充的位置时，关闭第一阀门，软化的物料不会被挤出。同理，第二喷嘴位于需要填充的位置时，开启第二阀门以从第二喷嘴中挤出软化的物料用以进行制备，否则关闭第二阀门。该第一阀门和第二阀门，比如可以是针阀。

本申请的实施例中，第一喷头及第二喷头通过移动支架的带动，在垂直于立体结构的一层的方向上进行直线运动。

本领域的技术人员应该明白，上述的本申请实施例所提供的装置的组成部分，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上。可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现。从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种立体结构的制备方法，用于一制备装置制备所述立体结构，其中，所述制备装置包含第一喷头、第二喷头以及可以为所述第一喷头和第二喷头进给物料的进给部件；所述第一喷头上设置有第一喷嘴，所述第二喷头上设置有第二喷嘴；所述立体结构的三维模型经过分层处理后得到多个二维切片；该方法包括：

所述进给部件为所述第一喷头和第二喷头进给物料；

从所述第一喷嘴及第二喷嘴中同时挤出软化的物料，以根据所述三维模型的一个二维切片联合制备所述立体结构的一个层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述第一喷嘴及第二喷嘴中同时挤出软化的物料，以联合制备所述三维模型的一个二维切片，包括：

所述第一喷嘴位于需要填充的位置时，第一进料机构为所述第一喷头进给物料；否则所述第一进料机构停止为所述第一喷头进给物料；

所述第二喷嘴位于需要填充的位置时，第二进料机构为所述第二喷头进给物料；否则所述第二进料机构停止为所述第二喷头进给物料；

其中，所述进给部件包括所述第一进料机构以及所述第二进料机构。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述第一喷嘴及第二喷嘴中同时挤出软化的物料，以联合制备所述三维模型的一个二维切片，包括：

所述第一喷嘴位于需要填充的位置时，开启第一阀门以从所述第一喷嘴中挤出软化的物料，否则关闭所述第一阀门；

所述第二喷嘴位于需要填充的位置时，开启第二阀门以从所述第二喷嘴中挤出软化的物料，否则关闭所述第二阀门；

其中，所述第一喷嘴中设置有所述第一阀门，所述第二喷嘴中设置有所述第二阀门。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法包括：

所述第一喷头及第二喷头在垂直于所述立体结构的一层的方向上进行直线运动。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一喷头及第二喷头在垂直于所述立体结构的一层的方向上进行直线运动，包括：

所述第一喷头及第二喷头通过移动支架的带动，在垂直于所述立体结构的一层的方向上进行直线运动；

其中，所述装置包括所述移动支架，所述第一喷头及第二喷头安装在所述移动支架上。

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