CN104385603B - 打印头组件、3d 打印机和打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种打印头组件、3D打印机和打印方法，所述打印头组件包括打印头本体和加热装置；所述加热装置设置于所述打印头本体的热头上，用于对前一道次打印成型的基材进行加热。本发明的打印头组件通过加热装置对所述已打印的模型最上一层，并将所述基材加热至表面微融状态，使得随后打印出来的物料，更好地与基材融合，从而有效解决3D打印过程中的收缩比较大的塑料类材料3D打印翘边的问题，也可以解决冷却速度较快的原材料打印问题，可以显著改善3D打印成型的质量，使得PP、PE等类型原料的丝以及加入其他物质加以改性的料得以成型，且成型质量较好；本发明的打印头组件也可以应用于类似材料的3D打印。
Description
技术领域
本发明涉及一种打印头组件、3D打印机和打印方法。
背景技术
当前，3D打印技术发展迅速，但在原材料的适应性方面还有很大进度空间。比如现有的FDM(Fused deposition modeling，即熔融挤出成型，下同)技术，其原材料料主要以ABS和PLA丝为主，对于PP、PE等类型原料的丝以及加入其他物质加以改性的料，比如加入木纤维改性过的料丝等)由于其收缩比较大，而且冷却速度较快，则无法达到好的打印效果，甚至无法打印。
发明内容
本发明目的是提供一种打印头组件，其能对PP、PE等原料，以及改性料的打印具有较好的3D打印效果。
本发明还提供了一种包括上述打印头组件的3D打印机。
本发明还提供了一种采用上述3D打印机进行3D打印的打印方法。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种打印头组件，包括打印头本体和加热装置；
所述加热装置设置于所述打印头本体的热头上，用于对前一道次打印成型的基材进行加热。
可选的，所述加热装置包括多个激光器，所述多个激光器固定于所述打印头本体的热头上，且沿所述打印头本体的热头的周向均匀分布。
可选的，所述加热装置包括送风管、出风管和加热器，所述送风管与所述出风管的一端连通，所述出风管环绕所述打印头本体的热头设置，所述出风管的另一端封闭，所述出风管的底表面上开设有多个用于喷出热风的孔；所述加热器设置于所述送风管内。
可选的，所述加热装置包括送风管、出风管、加热器和喷头，所述送风管与所述出风管的一端连通，所述出风管环绕所述打印头本体的热头设置，所述出风管的另一端封闭，所述喷头设置于所述出风管的底面上，且与所述出风管连通；所述加热器设置于所述送风管内，所述喷头为多个，所述多个喷头沿所述出风管均匀分布。
可选的，所述打印头组件还包括风量控制系统，所述风量控制系统包括处理器、温度传感器、鼓风机、温度控制器、电机控制器和气体流速传感器；
所述温度传感器设置于送风管的管壁上，用于检测所述加热器的温度；
所述气体流速传感器设置于所述送风管内，用于检测所述送风管内的气体的流速；
所述鼓风机的出风口与所述送风管的进风口连通；
所述温度传感器、气体流速传感器、温度控制器和电机控制器信号连接于所述处理器；所述温度控制器与所述加热器电路连接，所述电机控制器与所述鼓风机的电机电路连接。
本发明解决第二个技术问题采用如下技术方案：一种3D打印机，包括如上述的打印头组件。
本发明解决第三个技术问题采用如下技术方案：一种3D打印方法，其利用上述的3D打印机，包括以下步骤：
S10、启动所述3D打印机，并启动所述风量控制系统；
S20、根据被成型的材料的不同，以及打印速度的不同调整出风量和出风温度；
S30、开始进行3D打印，直至被成型的材料成型为产品。
可选的，在所述步骤S20和S30之间还包括步骤S25：
S25、放置一块底板，所述底板的材质与所述被成型的材料相同，并在所述底板上进行3D打印。
可选的，所述步骤S20具体为：
S201、设定3D打印参数，并生成不同的温度和风量的调整命令，所述调整命令为GP0、GP1……GPk、GPmax；所述k为自然数；
S202、根据3D打印时切片软件所生成的GCode指令，在所述每一个GCode指令之前添加所述调整命令；
S203、在所述最后一条GCode指令后，生成关闭加热器和鼓风机的命令。
以通过在所述打印指令执行之前调整将所述风量和出风温度调整至执行所述3D打印时的最佳的风量和温度，从而更有利于基材和被打印材料之间的融合，提高成型效果。
可选的，所述步骤S20还包括S204：
S204、将所述调整命令、GCode指令和关闭所述加热器和鼓风机的命令保存为文件，所述文件可以被所述3D打印机的处理器执行，以完成3D打印。
本发明具有如下有益效果：本发明的打印头组件，通过固定于所述打印头本体的热头上的加热装置实现将打印头本体下方已打印的模型最上一层，即前一道次打印成型的基材进行加热，并将所述基材加热至表面微融状态，使得随后打印出来的物料，更好地与基材融合，从而有效解决3D打印过程中的收缩比较大的塑料类材料(及其他类似材料)3D打印翘边的问题，也可以解决冷却速度较快的原材料打印问题，可以显著改善3D打印成型的质量，使得PP、PE等类型原料的丝以及加入其他物质加以改性的料得以成型，且成型质量较好；本发明的打印头组件也可以应用于类似材料的3D打印。
附图说明
图1为本发明的打印头组件的结构示意图；
图2为本发明的打印头组件的另一角度的结构示意图；
图3为本发明的风量控制系统的结构示意图；
图中标记示意为：1-打印头本体；2-加热装置；3-送风管；4-出风管；5-加热器；6-喷头；7-鼓风机；8-隔温层；9-处理器；10-温度传感器；11-温度控制器；12-电机控制器；13-气体流速传感器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
参考图1，本实施例提供了一种打印头组件，其包括打印头本体1和加热装置2，所述加热装置2设置于所述打印头本体1的热头上，用于对前一道次打印成型的基材进行加热。
本实施例的打印头组件，通过固定于所述打印头本体1的热头上的加热装置2实现将打印头本体下方已打印的模型最上一层，即前一道次打印成型的基材进行加热，并将所述基材加热至表面微融状态，使得随后打印出来的物料，更好地与基材融合，从而有效解决3D打印过程中的收缩比较大的塑料类材料(及其他类似材料)3D打印翘边的问题，也可以解决冷却速度较快的原材料打印问题，可以显著改善3D打印成型的质量，使得PP、PE等类型原料的丝以及加入其他物质加以改性的料得以成型，且成型质量较好；本发明的打印头组件也可以应用于类似材料的3D打印。
所述加热装置包括多个激光器，所述多个激光器固定于所述打印头本体的热头上，且沿所述打印头本体的热头的周向均匀分布，以通过激光加热所述基材，并将所述基材的表面加热至微融状态。
所述加热装置还可以以下结构，此时所述加热装置包括送风管3、出风管4、加热器5和喷头6，所述送风管3与所述出风管4的一端连通，所述出风管4环绕所述打印头本体1的热头设置，所述出风管4的另一端封闭，所述喷头6设置于所述出风管4的底面上，且与所述出风管4连通；所述加热器5设置于所述送风管3内；更进一步，所述加热器5可以为电加热丝，此时电加热丝加热所述送风管3内的空气，并将其加热到一定温度，所述通过鼓风机7将所述送风管3内的空气输送至所述出风管4，并通过喷头6喷出，此时热风可以加热所述基材，并可以将基材的表面加热至发粘，并使得热头流出的材料快速融合至所述基材；当然所述加热装置也可以不包括喷头，此时，所述出风管4的底表面开设有多个用于喷出热风的孔即可，更进一步，所述孔沿所述出风管均匀分布。
本实施例中，可选的，所述送风管3和所述打印头本体1的热头之间隔温层8，所述隔温层8的厚度为0.2至3mm，所述隔温层8可以为玻璃纤维、硅酸铝等材料制备；所述打印头本体1呈台阶状，所述送风管3的底面距离所述打印头本体1的热头的出料口的距离为0.2至2mm，所述送风管3的上表面距离所述台阶面的高度为0.2至1.5mm。
为实现对所述加热器的输入功率的控制，以及对所述送风管内的空气流速的控制，本实施例中，还包括风量控制系统，所述风量控制系统包括处理器9、温度传感器10、鼓风机7、温度控制器11、电机控制器12和气体流速传感器13；所述温度传感器10设置于送风管3的管壁上，用于检测所述加热器5的温度，所述气体流速传感器13设置于所述送风管3内，用于检测所述送风管3内的气体的流速，所述鼓风机7的出风口与所述送风管3的进风口连通，所述温度传感器10、气体流速传感器13、温度控制器11和电机控制器12信号连接于所述处理器9；所述温度控制器11与所述加热器5电路连接，所述温度控制器11接收所述处理器9所下发的温控控制指令，用于对所述加热器5的功率进行控制；所述电机控制器12与所述鼓风机7的电机电路连接，且其可以接收所述处理器9所下发的电机转速控制指令对所述鼓风机7的电机的转速进行控制，以控制所述送风管3内的气体的流速。
更优选地，所述处理器9可以为3D打印机的处理器，当将所述打印头组件安装于所述3D打印机时，可以采用3D打印机的处理器作为所述风量控制系统的处理器。
实施例2
本实施例提供了一种3D打印机，其包括实施例1中所述的打印头组件。
实施例3
本实施例提供了一种3D打印方法，其采用实施例2中所述的3D打印机，包括以下步骤：
S10、启动所述3D打印机，并启动所述风量控制系统；
S20、根据被成型的材料的不同，以及打印速度的不同调整出风量和出风温度；
S30、开始进行3D打印，直至被成型的材料成型为产品。
本实施例中，优选地，所述3D打印方法在所述步骤S20和S30之间还包括步骤S25：
S25、放置一块底板，所述底板的材质与所述被成型的材料相同，此时可以在所述底板上进行3D打印，由于打印成型的层与所述底板能够较好的融合，因此不易产生翘边问题。
本实施例中，所述步骤S20具体为：
S201、设定3D打印参数，并生成不同的温度和风量的调整命令，所述调整命令为GP0、GP1……GPk……GPn、GPmax；所述n为自然数，所述k为小于n的自然数；
S202、根据3D打印时切片软件所生成的GCode指令，在所述每一个GCode指令之前添加所述调整命令；
S203、在所述最后一条GCode指令后，生成关闭加热器和鼓风机的命令。
以通过在所述打印指令执行之前调整将所述风量和出风温度调整至执行所述3D打印时的最佳的风量和温度，从而更有利于基材和被打印材料之间的融合，提高成型效果。
本实施例中，为方便3D打印机执行打印指令，所述步骤S20还包括S204：
S204、将所述调整命令、GCode指令和关闭所述加热器和鼓风机的命令保存为文件，所述文件可以被所述3D打印机的处理器执行，以完成3D打印。
本实施例中，所述步骤S201具体为：
S2011、设定打印速度V1；设定时间间隔T，所述时间间隔T所表示的时间为从上一次打印某一位置(A位置)时，距离本次打印与该位置(A位置)相邻的区域时的时间差值，所述相邻区域可以为以A位置为中心，宽度为2-10mm，长度为2-10mm，高度为每一层切片高度(即下文中采用slic3r软件进行切片处理时，所形成的切片高度)的立方体；假定最小风量Q0,对应换算为鼓风机电机功率P0；最大风量QMax,对应换算成鼓风电机功率PMax，所述加热器的功率根据材料的不同而改变；
S2012、将所述Q0-Qmax之间N+1等分，所述N为自然数，即得到不同的风量Q0、Q1……Qk……Qn、Qmax；所述k为小于n的整数；
S2013、将所述不同的出风量与所述时间间隔T相对应，即当所述两次打印的时间间隔T小于T0时，对应的出风量为Q0，当所述时间间隔T大于等于T0小于T1时，对应的出风量为Q1；……；当所述时间间隔T大于Tn时，对应的出风量为Qmax，所述T1、T2……、Tn为依次增大的时间间隔；
S2014、根据所述时间间隔T和对应的出风量Q得到调节命令GP，所述调节命令GP如下表所示：
表一调节命令与时间间隔和出风量的对应关系表
本实施例中，所述步骤S202具体为：
S2021、切片软件根据不同的打印产品生成GCode指令，所述切片软件可以采用slic3r软件；
S2022、对所述GCode指令进行解析，并计算各GCode指令所对应的打印位置与之前的GCode指令所打印的位置是否属于相邻区域，如果属于相邻区域，则计算这两次打印之间的时间间隔T；
S2023、根据该时间间隔T选择调节命令，并将所述调节命令插入至所述GCode指令之前。
更进一步，所述步骤S202还包括S2024：
S2024、当所述GCode指令所打印的区域为所述切片软件所生成的第一层打印位置时，在所述GCode指令之前插入调整命令GPmax。
本实施例中，在所述步骤S2022中，当所述GCode指令所对应的打印位置与之前的GCode指令所打印的位置存在多个相邻区域时，采用本次打印的GCode指令与之前的GCode指令之前的时间间隔的最大值作为本次打印的时间间隔T。
本发明的3D打印机由加热器(可以采用电热丝通电等方式)将空气加热至一定温度；由鼓风机将热风从喷嘴喷出。所述喷嘴可以被固定于所述打印头本体的热头上，随热头同时移动，所述热风将基材表面快速加热至表面发粘，热头流出的材料与所述基材的表面快速融合。且本发明的热风的温度和风量均可以调节，从而使得所述3D打印机可以打印多种材料，并可以通过控制鼓风机转速实现对风量的温度；通过控制所述加热器的功率实现多所述风温的控制。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种打印头组件，其特征在于，包括打印头本体和加热装置；
所述加热装置设置于所述打印头本体的热头上，用于对前一道次打印成型的基材进行加热；
所述加热装置包括送风管、出风管和加热器，所述送风管与所述出风管的一端连通，所述出风管环绕所述打印头本体的热头设置，所述出风管的另一端封闭，所述出风管的底表面上开设有多个用于喷出热风的孔；所述加热器设置于所述送风管内。
2.一种打印头组件，其特征在于，包括打印头本体和加热装置；
所述加热装置设置于所述打印头本体的热头上，用于对前一道次打印成型的基材进行加热；所述加热装置包括送风管、出风管、加热器和喷头，所述送风管与所述出风管的一端连通，所述出风管环绕所述打印头本体的热头设置，所述出风管的另一端封闭，所述喷头设置于所述出风管的底面上，且与所述出风管连通；所述加热器设置于所述送风管内；所述喷头为多个，所述多个喷头沿所述出风管均匀分布。
3.根据权利要求1或2所述的打印头组件，其特征在于，还包括风量控制系统，所述风量控制系统包括处理器、温度传感器、鼓风机、温度控制器、电机控制器和气体流速传感器；
所述温度传感器设置于送风管的管壁上，用于检测所述加热器的温度；
所述气体流速传感器设置于所述送风管内，用于检测所述送风管内的气体的流速；
所述鼓风机的出风口与所述送风管的进风口连通；
所述温度传感器、气体流速传感器、温度控制器和电机控制器信号连接于所述处理器；所述温度控制器与所述加热器电路连接，所述电机控制器与所述鼓风机的电机电路连接。
4.一种3D打印机，其特征在于，包括如权利要求3所述的打印头组件。
5.一种3D打印方法，其利用权利要求4所述的3D打印机，其特征在于，包括以下步骤：
S10、启动所述3D打印机，并启动所述风量控制系统；
S20、根据被成型的材料的不同，以及打印速度的不同调整出风量和出风温度；
S30、开始进行3D打印，直至被成型的材料成型为产品。
6.根据权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，在所述步骤S20和S30之间还包括步骤S25：
S25、放置一块底板，所述底板的材质与所述被成型的材料相同，并在所述底板上进行3D打印。
7.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S20具体为：
S201、设定3D打印参数，并生成不同的温度和风量的调整命令，所述调整命令为GP0、GP1……GPk、GPmax；所述k为自然数；
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S203、在所述最后一条GCode指令后，生成关闭加热器和鼓风机的命令；
以通过在所述GCode指令执行之前调整将所述风量和出风温度调整至执行所述3D打印时的最佳的风量和温度，从而更有利于基材和被打印材料之间的融合，提高成型效果。
8.根据权利要求7所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S20还包括S204：
S204、将所述调整命令、GCode指令和关闭所述加热器和鼓风机的命令保存为文件，所述文件可以被所述3D打印机的处理器执行，以完成3D打印。
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