CN105291442A - 三维打印机及其三维打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维打印机及其三维打印方法，三维打印机包括三维打印平台和相对于三维打印平台作三维移动的打印头，打印头按照预设轨迹移动，打印头包括挤出喷嘴，三维打印机还包括激光装置，激光装置用于朝挤出喷嘴沿预设轨迹的周围区域照射加热。以及该三维打印机使用的三维打印方法。根据预设轨迹和对挤出喷嘴进行跟踪，并对挤出喷嘴的周围区域进行照射加热，有利于提高丝料粘接强度，使得成型模型具有更良好的强度。

Description

三维打印机及其三维打印方法

技术领域

本发明涉及三维成像领域，尤其涉及一种三维打印机和该三维打印机的三维打印方法。

背景技术

3D打印机又称三维打印机，是一种利用快速成型技术的机器，以数字模型文件为基础，采用成型材料，通过逐层打印的方式来构造三维的实体。在打印前，需要利用计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导3D打印机逐层打印。3D打印机在产品制造业获得了广泛的应用，3D打印机的工作原理和传统打印机基本相同，由控制组件、机械组件、打印头、耗材（即成型材料）和介质等组成，打印原理也基本类似。

3D打印头通过向三维打印平台上挤出丝料，继而形成三维实体，打印头主要是利用成像丝料线材的连续挤压，将熔融状的丝料通过挤出喷嘴出口挤出，然后熔融状材料层层堆积实现三维物体成型，由于采用分层累积方法成型，故打印成型时间一般都很长，这样便容易存在一个问题，打印层的层与层之间连接仅仅是通过熔融状的材料黏结后冷却，由于层与层之间的材料温度不同，因此打印出来的物体强度较低，而且放置一段时间后，会导致层与层之间分开的情况出现。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种提高丝料粘接强度的三维打印机。

本发明的第二目的是提供一种提高丝料粘接强度的三维打印方法。

为了实现本发明的第一目的，本发明提供了一种三维打印机，包括三维打印平台和相对于三维打印平台作三维移动的打印头，打印头按照预设轨迹移动，打印头包括挤出喷嘴，其中，三维打印机还包括激光装置，激光装置用于朝挤出喷嘴沿预设轨迹的周围区域照射加热。

由上述方案可见，三维打印机接收模型数据后将对其进行分析切片，并根据各层的切片数据驱动打印头按照预设轨迹进行移动，同时使打印头的挤出喷嘴挤出熔融的成像丝料，继而在三维打印平台层层叠堆三维成像，故根据挤出喷嘴的位置对挤出喷嘴周围区域的已打印的模型进行加热，前置加热则使已打印的模型升温，继而使刚挤出熔融的丝料与已打印模型温度相接近，有利于提高丝料粘接强度，后置加热和侧置加热则对已打印的模型和刚挤出的丝料继续加热，使两温度保持一定时间，使得两层材料粘接的更好，更进一步地提高丝料粘接强度，使得成型模型具有更良好的强度。

更进一步的方案是，激光装置朝向挤出喷嘴沿预设轨迹的前进方向的上流区域照射加热。

由上可见，通过对预设轨迹的前进方向的上流区域进行照射加热，即对打印头挤出丝料的后置加热，通过对挤出喷嘴的移动跟踪定位，使得更加有效地对已打印的模型和刚挤出的丝料继续加热，更高效地提高丝料粘接强度。

更进一步的方案是，激光装置包括旋转座和与旋转座连接的发射组件，旋转座可旋转地设置在打印头上。

更进一步的方案是，发射组件包括至少一个发射单元，发射单元朝向挤出喷嘴沿预设轨迹的前进方向的上流区域照射加热。

更进一步的方案是，发射组件包括两个以上以挤出喷嘴的轴线对称设置的发射单元，一个发射单元朝向挤出喷嘴沿预设轨迹的前进方向的上流区域照射加热，一个发射单元朝向挤出喷嘴沿预设轨迹的前进方向的下流区域照射加热。

由上可见，通过可旋转的旋转座，并将发射单元设置在旋转座上使得发射单元能够随旋转座旋转，通过对挤出喷嘴的轨迹和前进方向获知，便能够得知下流区域的位置，继而驱动旋转座旋转使得发射单元朝向下流区域照射加热，有利于提高丝料粘接强度，且激光装置结构简单。

更进一步的方案是，激光装置包括安装座和设置在安装座上的发射组件，安装座设置在打印头上，发射组件设置在安装座的径向外端部。

更进一步的方案是，发射组件包括多个发射单元，多个发射单元沿周向设置在安装座的外周上。

由上可见，通过安装座和安装在外周的发射组件，发射组件能够对挤出喷嘴的周围区域进行照射加热，同时通过对挤出喷嘴的轨迹和前进方向获知，便能够得知下流区域的位置，继而可实现关闭不相关发射单元，启动能够朝向下流区域照射加热的发射单元，有利于提高丝料粘接强度，且激光装置结构简单。

为了实现本发明的第二目的，三维打印机的三维打印方法,三维打印机包括三维打印平台和相对于三维打印平台作三维移动的打印头，打印头包括挤出喷嘴，其中，三维打印机还包括激光装置，三维打印方法包括：驱动打印头按照预设轨迹打印的步骤；驱动激光装置朝挤出喷嘴的周围区域照射加热的步骤。

更进一步的方案是，激光装置包括旋转座和与旋转座连接的发射组件，旋转座可旋转地设置在打印头上；驱动激光装置朝挤出喷嘴的周围区域照射加热的步骤包括：根据挤出喷嘴的位置和预设轨迹驱动旋转座旋转至目标位置，发射组件在目标位置朝向挤出喷嘴沿预设轨迹的前进方向的上流区域或/和下流区域照射加热。

更进一步的方案是，激光装置包括安装座和设置在安装座上的发射组件，安装座设置在打印头上，发射组件包括多个发射单元，多个发射单元沿周向设置在安装座的外周上；驱动激光装置朝挤出喷嘴的周围区域照射加热的步骤包括：根据挤出喷嘴的位置和预设轨迹计算得出启动位置；启动启动位置对应的发射单元，发射单元在启动位置朝向挤出喷嘴沿预设轨迹的前进方向的上流区域或/和下流区域照射加热。

由上述方案可见，三维打印机接收模型数据后将对其进行分析切片，并根据各层的切片数据驱动打印头按照预设轨迹进行移动，同时使打印头的挤出喷嘴挤出熔融的成像丝料，继而在三维打印平台层层叠堆三维成像，故根据挤出喷嘴的位置对挤出喷嘴周围区域的已打印的模型进行加热，上流区域加热则使已打印的模型升温，继而使刚挤出熔融的丝料与已打印模型温度相接近，有利于提高丝料粘接强度，下流区域加热则对已打印的模型和刚挤出的丝料继续加热，使两温度保持一定时间，使得两层材料粘接的更好，更进一步地提高丝料粘接强度，使得成型模型具有更良好的强度。

附图说明

图1是本发明三维打印机第一实施例的结构图。

图2是本发明三维打印机第一实施例中X轴导杆、打印头和激光装置的结构图。

图3是本发明三维打印机第一实施例中打印头和激光装置的结构图。

图4是本发明三维打印机第一实施例中打印头和激光装置的结构分解图。

图5是本发明三维打印机第一实施例中打印头和激光装置在另一状态的结构图。

图6是本发明三维打印机第一实施例中打印头和激光装置的打印示意图。

图7是本发明三维打印机第一实施例中打印头和激光装置的打印路径示意图。

图8是本发明三维打印机第二实施例中打印头和激光装置的打印示意图。

图9是本发明三维打印机第三实施例中打印头和激光装置的结构图。

图10是本发明三维打印机第三实施例中打印头和激光装置的结构分解图。

图11是本发明三维打印机第三实施例中安装座的结构图。

图12是本发明三维打印机第三实施例中打印头和激光装置的剖视图。

图13是本发明三维打印方法第一实施例的流程图。

图14是本发明三维打印方法第一实施例中照射加热步骤的流程图。

图15是本发明三维打印方法第二实施例中照射加热步骤的流程图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

三维打印机第一实施例：

参照图1，图1是三维打印机1的结构图，三维打印机1包括均安装在三维打印机的框体内三维打印平台11、打印头2、Z轴伺服电机、Y轴伺服电机、X轴伺服电机，Z轴螺杆穿过三维打印平台11，在Z轴螺杆的下端部上连接有Z轴伺服电机，在Z轴螺杆的两侧还设置有导杆。

参照图2，图2是X轴导杆、打印头和激光装置的结构图。打印头2安装在X轴导杆12上，X轴导杆连接有X轴伺服电机，在X轴伺服电机驱动下，打印头2可沿X轴移动，X轴导杆还连接有Y轴导杆(未示出)，Y轴导杆连接有Y轴伺服电机，在Y轴伺服电机132驱动下，可使X导杆沿Y轴移动，即实现打印头2可相对于三维打印平台11作三维移动。

参照图3和图4，图3是打印头2和激光装置3的结构图，图4是打印头2和激光装置3的分解图。打印头2包括挤出喷嘴21、加热装置22、导管23、进料口24、驱动电机25和输送轮26，成像丝料13从进料口24伸入，驱动电机25驱动输送轮26转动，输送轮26夹持成像丝料13地设置，在输送轮26的转动带动下使成像丝料13由上往下去地输送，导管23用于引导成像丝料13，加热装置22内设置有熔融腔，熔融腔用于热熔成像丝料13，熔融腔的一端与导管23连通，熔融腔的另一端与挤出喷嘴21连通，成像丝料13经过导管23进入到加热装置22中后，经过加热后呈熔融状态，随后通过挤出喷嘴21挤出。

激光装置3包括旋转座31和与旋转座31连接的发射组件32，旋转座31呈圆盘状地设置，旋转座31在中部沿轴线贯穿地设置有通孔33，发射组件32包括连杆和发射单元，发射单元为激光发射头，连杆呈拱状地设置，连杆的上端与旋转座31连接，发射单元设置在连杆的最下端，发射单元朝向挤出喷嘴21的周围区域照射。

参照图5，激光装置3安装在打印头3上，具体地，旋转座31利用通孔33套在导管23外并设置在加热装置22的上方，旋转座31可绕导管23旋转，即旋转座31可从图3所示的位置旋转至如图5所示的位置，且旋转座31的旋转驱动方式具有多种，如在旋转座31内设置电机和在导管23外设置相应的齿轮，通过电机的旋转便可实现旋转座31的旋转，又如在旋转座31外设置电机，通过电机与旋转座31的外壁连接同样可实现旋转座31的转动，再如将定子设置在导管23上和将转子设置在旋转座31上，通过定子和转子的配合也能够实现旋转座31的旋转。

参照图6和图7，图6是打印头2的打印示意图，图7是打印路径示意图。三维成像一般采用网格状路径进行打印并实现层层叠堆累积成型，即在已打印层14上继续挤出丝料，从而形成打印层15，为了实现使打印层14和打印层15温度保持一定时间，即对已打印的模型和刚挤出的丝料继续加热，则可使发射组件32的发射单元朝向挤出喷嘴21沿预设轨迹的前进方向的上流区域34照射加热。由于挤出喷嘴21将随着打印头2的移动而移动，故挤出喷嘴21亦沿网格状的预设轨迹行走并挤出丝料，而上流区域34的位置则是根据挤出喷嘴21当前位置和挤出喷嘴21的前进方向而确定，上流区域34位于挤出喷嘴21当前位置基于前进方向的后方。由图7可见，打印头2沿预设轨迹前进依次经过A处、B处、C处和D处，由于上流区域34将随挤出喷嘴21的位置变化而变化，故旋转座31也随着挤出喷嘴21的位置变化而旋转，继而实现如图7所示的，挤出喷嘴21位于A处时，发射单元位于挤出喷嘴21的第一侧，挤出喷嘴21位于B处时，发射单元位于挤出喷嘴21的第二侧，挤出喷嘴21位于C处时，发射单元位于挤出喷嘴21的第三侧，挤出喷嘴21位于D处时，发射单元位于挤出喷嘴21的第二侧。本实施例中的周围区域为以挤出喷嘴21为中心一定直径范围内环状区域或圆形区域，发射单元既可朝向挤出喷嘴21的整个周围区域照射加热，发射单元还可以对周围区域中的上流区域、下流区域、侧旁区域、挤出喷嘴的正下方区域或其他点状区域进行照射加热。

三维打印机第二实施例：

参照图8，在上述三维打印机第一实施例的相同基础构思和原理下，设置在打印头上的激光装置4包括旋转座41和发射组件，发射组件包括发射单元42和发射单元43，发射单元42和发射单元43以挤出喷嘴的轴线呈对称设置，发射单元43朝向挤出喷嘴沿预设轨迹的前进方向的下流区域45照射加热，发射单元42朝向挤出喷嘴沿预设轨迹的前进方向的下流区域44照射加热，继而实现对下层的模型进行前置预加热，其能够更好地与刚挤出的熔融丝料更好地粘接，同时能够实现后置加热，对刚挤出的丝料和下层模型持续加热，能够更进一步地使丝料更好地粘接，提高结构强度。

另外，还可以在旋转座上设置三个以上的发射单元，多个发射单元分别朝挤出喷嘴沿预设轨迹的周围区域照射加热，同样是可实现本发明的发明目的。

三维打印机第三实施例：

参照图9和图10，图9是三维打印机第三实施例中激光装置和打印头的结构图，图10是三维打印机第三实施例中激光装置和打印头的结构分解图。在上述三维打印机第一实施例的相同基础构思和原理下，设置在打印头上的激光装置5包括安装座51和发射组件，安装座51呈圆盘状地设置，且安装座51的直径大于挤出喷嘴的直径地设置，安装座51的中部贯穿地设置有通孔54，并在安装座51朝上的端面上靠近通孔54地设置有两个卡扣53，卡扣53呈对称设置，安装座51利用通孔54套在打印头的加热装置外并利用卡扣53与加热装置的邻接将安装座51固定。

参照图11，图11是安装座51的结构图，在安装座51朝下的端面上沿径向设置有多个安装槽52，安装槽52呈辐射状地分布，发射组件包括多个发射单元55，发射单元55分别安装在安装槽52靠外的端部上，且发射单元55呈沿周向均匀地设置在安装座51的外周上。

参照图12，图12是打印头和激光装置的剖视图，每个发射单元55均朝向挤出喷嘴的周围区域进行照射加热，通过沿周向分布的发射单元出射的光斑叠加，且光斑叠加后可呈环形光斑或圆形光斑，继而可实现激光装置5在随打印头移动时，可朝挤出喷嘴沿预设轨迹的周围区域照射加热。或者根据挤出喷嘴当前位置和挤出喷嘴的前进方向来确定上流区域和下流区域，随后根据上流区域和下流区域对应的发射单元，启动对应的发射单元使发射单元能够朝向挤出喷嘴沿预设轨迹的前进方向的上流区域和下流区域照射加热。

三维打印方法第一实施例：

参照图13和图14，图13和图14是三维打印方法第一实施例的流程图，并结合上述三维打印机第一实施例和第二实施例，在三维打印机第一实施例和第二实施例的结构基础上实施三维打印方法第一实施例。首先执行步骤S1，三维打印机接收模型数据并生成分层切片数据，随后执行步骤S2，根据分层切片数据驱动打印头按照预设轨迹打印，然后执行步骤S3，获取挤出喷嘴的当前位置，最后执行步骤S4，驱动激光装置朝挤出喷嘴的周围区域照射加热。

具体地，在执行步骤S4时，首先执行步骤S41，根据分层切片数据和挤出喷嘴的当前位置计算得出目标位置，由于分层切片数据包括打印头需要行走的预设轨迹，通过结合挤出喷嘴的当前位置，便可获知挤出喷嘴的当前前进方向，随后执行步骤S42，将驱动旋转座旋转至目标位置，最后执行步骤S43，启动发射单元，使发射组件在目标位置朝向挤出喷嘴沿预设轨迹的前进方向的上流区域或/和下流区域照射加热，继而实现前置加热处理和后置加热处理，实现提高丝料粘接强度。当发射单元为三个以上时，则可对挤出喷嘴的周围区域进行照射加热，同样可根据分层切片数据和当前位置，使旋转座旋转至目标位置，在目标位置发射单元分别对相应需要加热的区域进行照射加热。

三维打印方法第二实施例：

参照图15，在上述三维打印方法第一实施例的相同基础构思和原理下，还可改变步骤S4的执行内容，首先执行步骤S44，根据分层切片数据和挤出喷嘴的当前位置计算得出启动位置，通过结合挤出喷嘴的当前位置，便可获知挤出喷嘴的当前前进方向，随后执行步骤S45，启动启动位置对应的发射单元，最后执行步骤S46，使发射组件在目标位置朝向挤出喷嘴沿预设轨迹的前进方向的上流区域或/和下流区域照射加热，继而实现前置加热处理和后置加热处理，实现提高丝料粘接强度。当前也以启动多个发射单元，继而实现对挤出喷嘴的周围区域照射加热。

由上可见，三维打印机接收模型数据后将对其进行分析切片，并根据各层的切片数据驱动打印头按照预设轨迹进行移动，同时使打印头的挤出喷嘴挤出熔融的成像丝料，继而在三维打印平台层层叠堆三维成像，故根据挤出喷嘴的位置对挤出喷嘴周围区域的已打印的模型进行加热，上流区域加热则使已打印的模型升温，继而使刚挤出熔融的丝料与已打印模型温度相接近，有利于提高丝料粘接强度，下流区域加热则对已打印的模型和刚挤出的丝料继续加热，使两温度保持一定时间，使得两层材料粘接的更好，更进一步地提高丝料粘接强度，使得成型模型具有更良好的强度。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，除了采用上述实施例中激光装置外，激光装置还可以是设置在三维打印机壳体上的激光装置，并将该激光装置设置成可三维摇摆的结构，并通过三维打印机的控制，能够跟踪打印头的行走并实现对对挤出喷嘴的周围区域照射加热，又如将激光装置设置在Z轴导杆上，只要能够根据预设轨迹和当前位置边能够对挤出喷嘴的周围区域照射加热，都是可以实现本发明的目的。

Claims (10)

1.三维打印机，包括三维打印平台和相对于所述三维打印平台作三维移动的打印头，所述打印头按照预设轨迹移动，所述打印头包括挤出喷嘴；

其特征在于：

所述三维打印机还包括激光装置，所述激光装置用于朝所述挤出喷嘴沿所述预设轨迹的周围区域照射加热。

2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：

所述激光装置朝向所述挤出喷嘴沿所述预设轨迹的前进方向的上流区域照射加热。

3.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：

所述激光装置包括旋转座和与所述旋转座连接的发射组件，所述旋转座可旋转地设置在所述打印头上。

4.根据权利要求2所述的三维打印机，其特征在于：

所述发射组件包括至少一个发射单元，所述发射单元朝向所述挤出喷嘴沿所述预设轨迹的前进方向的上流区域照射加热。

5.根据权利要求2所述的三维打印机，其特征在于：

所述发射组件包括两个以上以所述挤出喷嘴的轴线对称设置的发射单元，一个所述发射单元朝向所述挤出喷嘴沿所述预设轨迹的前进方向的上流区域照射加热，一个所述发射单元朝向所述挤出喷嘴沿所述预设轨迹的前进方向的下流区域照射加热。

6.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：

所述激光装置包括安装座和设置在所述安装座上的发射组件，所述安装座设置在所述打印头上，所述发射组件设置在所述安装座的径向外端部。

7.根据权利要求6所述的三维打印机，其特征在于：

所述发射组件包括多个发射单元，所述多个发射单元沿周向设置在所述安装座的外周上。

8.三维打印机的三维打印方法,所述三维打印机包括三维打印平台和相对于所述三维打印平台作三维移动的打印头，所述打印头包括挤出喷嘴，其特征在于，所述三维打印机还包括激光装置；

所述三维打印方法包括：

驱动所述打印头按照预设轨迹打印的步骤；

驱动所述激光装置朝所述挤出喷嘴的周围区域照射加热的步骤。

9.根据权利要求8所述的三维打印方法，其特征在于：

所述激光装置包括旋转座和与所述旋转座连接的发射组件，所述旋转座可旋转地设置在所述打印头上；

驱动所述激光装置朝所述挤出喷嘴的周围区域照射加热的步骤包括：

根据所述挤出喷嘴的位置和所述预设轨迹驱动旋转座旋转至目标位置，所述发射组件在所述目标位置朝向所述挤出喷嘴沿所述预设轨迹的前进方向的上流区域或/和下流区域照射加热。

10.根据权利要求8所述的三维打印方法，其特征在于：

所述激光装置包括安装座和设置在所述安装座上的发射组件，所述安装座设置在所述打印头上，所述发射组件包括多个发射单元，所述多个发射单元沿周向设置在所述安装座的外周上；

驱动所述激光装置朝所述挤出喷嘴的周围区域照射加热的步骤包括：

根据所述挤出喷嘴的位置和所述预设轨迹计算得出启动位置；

启动所述启动位置对应的所述发射单元，所述发射单元在所述启动位置朝向所述挤出喷嘴沿所述预设轨迹的前进方向的上流区域或/和下流区域照射加热。