CN105398060B - 基于可控流体的3d打印机和打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可控流体的3D打印机和打印方法，属于3D打印技术领域，打印机包括机身、打印头和支撑装置，支撑装置包括一个绝缘液体容器，绝缘液体容器内充满可控流体，绝缘液体容器内部设置有打印底座和加热装置，绝缘液体容器上部开有溢液口，绝缘液体容器上设有可控流体场发生器。打印机的打印方法是利用可控流体在可控流体场中可发生相变，来给打印机提供支撑，从而完成打印模型。本发明利用可控流体在可控流体场下的固化特性，为打印物体提供支撑；撤去可控流体场后，由于液体本身的流动性和易清洗性，因而不存在支撑去除的问题。同时，利用液体的导热性和流动性在打印物体周围形成恒温环境，从而避免翘边。

Description

基于可控流体的3D打印机和打印方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种基于可控流体的3D打印机和打印方法。

背景技术

FDM是一种3D打印技术，中文名称为熔融沉积式快速成形技术。它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。FDM成本低廉，能够迅速普及3D打印技术。然而这种打印方式有两种缺陷，即打印支撑和翘边问题。

问题一：支撑的打印和去除。

FDM工艺是通过线材的层层堆积成型，每一层都是在上一层基础上堆积而成。随着层数增加，如果上层面积明显超出下层时，下层就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用。因此，在打印这类物体时需要加入支撑。

一般来说，支撑是由同种打印材料，同打印物体一起被逐层切片打印出来，当打印完毕后手工去除。但是由于同种材料之间的粘合特性，有些支撑去除时会对打印面造成损害。而对于一些封闭式的复杂结构，则会由于工具无法进入造成支撑无法去除的问题。为此，工业界和学术界展开了大量研究。目前较为流行的几种方法有：

1、软件减少支撑面与打印物体的接触面积，由面积型接触改为线型接触，甚至点型接触，减少对物体表面的影响和去除难度。此类研究最多，多是从切片软件算法入手。

2、采用多喷头打印，一个用于打印3D物体，另一个喷头用其他材料打印支撑。支撑材料具备某些特性，如易溶于水或特定溶液等，经处理后可不留痕迹。此类物理解决方案成本较高。

问题二：打印物体翘边。

FDM的翘边现象是由于温度不均匀造成塑料收缩率不同引起的。当打印物体面积不大时，收缩造成的影响并不明显。当打印物体面积较大，塑料的收缩性会累加，底盘温度高塑料收缩小，上层温度低塑料收缩大，造成打印物体底盘卷曲，甚至脱离底盘。

目前通用的做法有：

1、利用高温胶带，将物体牢牢固定在底盘上，利用外力抵消收缩力。

2、为物体打印更大的底盘，增加与底盘的接触面积，进而增加粘接力。

3、打印仓恒温，统一塑料的收缩率。

这种方法从根本上缓解了造成翘边的应力问题，但成本较高，需要加热均匀的恒温箱体，家用打印机中并不多见。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于可控流体的3D打印机，来解决打印支撑装置难去除，打印物体出现翘边的问题。

与此相应，本发明的目的之二是提供一种能够解决打印支撑装置难去除，打印物体出现翘边的问题的基于可控流体的3D打印机进行3D打印的方法。

本发明目的之一基于可控流体的3D打印机，包括机身、打印头和支撑装置，支撑装置包括一个绝缘液体容器，绝缘液体容器内充满可控流体，绝缘液体容器内部设置有打印底座和加热装置，绝缘液体容器上部开有溢液口，绝缘液体容器上设有可控流体场发生器，打印底座连接升降装置。

所述可控流体为电流变液，可控流体场发生器为板状电极，板状电极设置在绝缘液体容器内壁上，板状电极上边沿与溢液口下边沿持平，板状电极连接高压电源，打印头上连接电源，打印头与液体表面0电势差。

所述可控流体为磁流变液，可控流体场发生器为电磁螺线管，电磁螺线管环绕在绝缘液体容器外部。

所述溢液口的出口下方设置有溢液收集容器，收集溢出的液体，以便循环利用。

所述升降装置包括带动打印底座沿固定在绝缘液体容器内部的Z轴滑轨升降的电机、皮带和齿轮。

打印头连接有Y轴滑轨，Y轴滑轨通过滑块连接有X轴滑轨，X轴滑轨固定在绝缘液体容器内侧壁上，打印头与X轴滑轨和Y轴滑轨结合形成一个水平打印面，打印面设置在打印底座可移动最高位置的上方。

本发明目的之二基于可控流体的3D打印机进行3D打印的方法，包括以下步骤：

(1)、向打印机绝缘液体容器内充满可控流体，初始状态为液态；

(2)、启动加热装置，将打印底座和可控流体加热到适宜温度；

(3)、在打印底座上打印一个基层，该层用于将后续的打印物体和打印底座粘接起来；

(4)、打印底座由z轴电机控制，下沉一个层高，为当前打印高度；

(5)、给定前n个已打印层，计算这n层在xy平面投影的交集S；同时计算当前打印层的切片投影C；如果S∩C≠C，则当前打印层存在超出S的部分，需要增加支撑；否则不需要增加支撑；基于此进行判断：

1)、如果当前无需支撑，不做任何处理；

2)、如果需要支撑，则为容器两端的可控流体场发生器通电，利用均匀可控流体场将上层打印面区域的液体固化；

(6)、打印当前层，如果可控流体场发生器正在通电则停止通电，撤掉可控流体场；判断是否打印完成，未完成跳转至步骤(4)；否则结束打印程序。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

利用可控流体在可控流体场下的固化特性，为打印物体提供支撑；撤去可控流体场后，由于液体本身的流动性和易清洗性，因而不存在支撑去除的问题。同时，利用液体的导热性和流动性在打印物体周围形成恒温环境，从而避免翘边。

附图说明

图1为本发明打印机的结构示意图；

图2为本发明不需要支撑时的示意图；

图3为本发明需要支撑时的示意图；

图4为本发明打印方法的流程图；

图中：1、X轴滑轨，2、打印头，3、Y轴滑轨，4、可控流体场发生器，5、绝缘液体容器，6、打印底座，7、加热装置，8、溢液口，9、溢液收集容器。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1所示的基于可控流体的3D打印机，包括机身、打印头2和支撑装置，所述支撑装置包括一个绝缘液体容器5，绝缘液体容器5内充满可控流体，此可控流体为电流变液，电流变液在通常条件下是一种悬浮液，它在电场的作用下可发生液体到固体的转变.当外加电场强度大大低于某个临界值时，电流变液呈水一样的液态，具有良好的流动性；当电场强度大大高于这个临界值时，它就变成固态。电流变液体通常由具有高介电常数的固体微粒均匀分散在低介电常数的绝缘油中组成，固体微粒材料的性质决定液体性能的好坏。绝缘液体容器5内部设置有打印底座6和加热装置7，打印底座6为刚开始的打印提供支撑，加热装置可以对电流变液加热，利用液体的导热性和流动性在打印物体周围形成恒温环境，从而避免翘边；上部开有溢液口8，溢液口8下表面的电流变液形成一个水平面，绝缘液体容器5上设有可控流体场发生器4，此可控流体场发生器4为板状电极，打印底座6连接升降装置，板状电极连接高压电源，板状电极上边沿与溢液口8下边沿持平，从而形成一个电场面，打印头2上连接电源，打印头2与液体表面0电势差。

溢液口8的出口下方设置有溢液收集容器9，收集溢出的电流变液，从而循环使用。

升降装置包括带动打印底座沿固定在绝缘液体容器内部的Z轴滑轨升降的电机、皮带和齿轮。

另外所述打印机还优选打印头2连接有Y轴滑轨3，Y轴滑轨3通过滑块连接有X轴滑轨1，X轴滑轨1固定在绝缘液体容器5内侧壁上，打印头2与X轴滑轨1和Y轴滑轨3结合形成一个水平打印面，电场面和水平面略低于打印面，高度差为1个打印层的厚度，水平打印面设置在打印底座6可移动最高位置的上方。

如图2、3和4所示的基于可控流体的3D打印机进行3D打印的方法，包括以下步骤：

(1)、向打印机绝缘液体容器5内充满电流变液，初始状态为液态；

(2)、启动加热装置7，将打印底座6和电流变液加热到适宜温度；

(3)、在打印底座6上打印一个基层，该层用于将后续的打印物体和打印底座6粘接起来；

(4)、打印底座6由Z轴电机控制，下沉一个层高，为当前打印高度；

(5)、给定前n个已打印层，计算这n层在xy平面投影的交集S；同时计算当前打印层的切片投影C；如果S∩C≠C，则当前打印层存在超出S的部分，需要增加支撑；否则不需要增加支撑；基于此进行判断：

1)、如果当前无需支撑，不做任何处理；

2)、如果需要支撑，则为容器两端的板状电极通电，利用均匀电场将上层打印面区域的液体固化；

(6)、打印当前层，如果板状电极正在通电则停止通电，撤掉电场；判断是否打印完成，未完成跳转至步骤(4)；否则结束打印程序。

打印时，为避免金属类的打印头2电位影响带电液体成型，基于打印头2在Y轴的位置，给定不同电压，使打印头2与液体表面0电势差。计算公式为

其中V1是打印头2的电势，V是高压电源电压，L1是打印头2距离地线电极板平面的最短距离，L是两个电极板平面之间的最短距离。由于电流变液的固液转换阈值较高，V1的精度允许存在较大误差，减少了控制难度，或者采用非金属绝缘材质的打印头2，例如陶瓷材质的打印头2，可以不用调整电势。

实施例2：

在于打印机方面与实施例1的区别在于，此可控流体为磁流变液，磁流变液在通常条件下是一种悬浮液，它在磁场的作用下可发生液体到固体的转变.当外加磁场强度大大低于某个临界值时，磁流变液呈水一样的液态，具有良好的流动性；当磁场强度大大高于这个临界值时，它就变成固态。溢液口8下表面的磁流变液形成一个水平面，此可控流体场发生器4为电磁螺线管，电磁螺线管环绕在绝缘液体容器5外部，电磁螺线管连接高压电源，打印头2的电势为零，打印机设置在电磁螺线管内，其余结构与实施例1相同。

在于打印方法方面与实施例1的区别在于：

步骤(1)为：向打印机绝缘液体容器5内充满磁流变液，初始状态为液态；

步骤(1)为：启动加热装置7，将打印底座6和磁流变液加热到适宜温度；

步骤(5)为：给定前n个已打印层，计算这n层在xy平面投影的交集S；同时计算当前打印层的切片投影C；如果S∩C≠C，则当前打印层存在超出S的部分，需要增加支撑；否则不需要增加支撑；基于此进行判断：

1)、如果当前无需支撑，不做任何处理；

2)、如果需要支撑，则为电磁螺线管通电，利用均匀磁场将上层打印面区域的液体固化；

步骤(6)为：打印当前层，如果电磁螺线管正在通电则停止通电，撤掉磁场；判断是否打印完成，未完成跳转至步骤(4)；否则结束打印程序。

其余步骤(3)和(4)与实施例1相同。

场效应中的相变液体具有很高的粘稠度和剪切应力，在z轴进行沉降时需要将相变液体其转化为液态，否则会造成打印层变形。因此步骤(6)中，打印完成后停止通电，待步骤(4)沉降结束后，液体完成自动填补，再由步骤(5)判断是否重新加电。电场或磁场的传播速度是光速，相变液体的固液转换时间一般小于10ms，能够在一秒内完成近百次固液瞬间转化，因此沉降前的相性转换对整体打印速度几乎没有影响。

综上所述，本发明利用可控流体在可控流体场下的固化特性，为打印物体提供支撑；撤去可控流体场后，由于液体本身的流动性和易清洗性，因而不存在支撑去除的问题。同时，利用液体的导热性和流动性在打印物体周围形成恒温环境，从而避免翘边。

上面是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，不论是在其形状或者结构上做任何变化，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于可控流体的3D打印机，包括机身、打印头(2)和支撑装置，其特征在于支撑装置包括一个绝缘液体容器(5)，绝缘液体容器(5)内充满可控流体，绝缘液体容器(5)内部设置有打印底座(6)和加热装置(7)，绝缘液体容器(5)上部开有溢液口(8)，绝缘液体容器(5)上设有可控流体场发生器(4)，打印底座(6)连接升降装置；所述可控流体为电流变液或磁流变液；当可控流体为电流变液时，可控流体场发生器(4)为板状电极，板状电极设置在绝缘液体容器(5)内壁上，板状电极上边沿与溢液口(8)下边沿持平，板状电极连接高压电源，打印头(2)上连接电源，打印头与液体表面0电势差；当可控流体为磁流变液时，可控流体场发生器(4)为电磁螺线管，电磁螺线管环绕在绝缘液体容器(5)外部，所述溢液口(8)的出口下方设置有溢液收集容器(9)。

2.根据权利要求1所述的基于可控流体的3D打印机，其特征在于所述升降装置包括带动打印底座(6)沿固定在绝缘液体容器(5)内部的Z轴滑轨升降的电机、皮带和齿轮。

3.根据权利要求1所述的基于可控流体的3D打印机，其特征在于打印头(2)连接有Y轴滑轨(3)，Y轴滑轨(3)通过滑块连接有X轴滑轨(1)，X轴滑轨(1)固定在绝缘液体容器(5)内侧壁上，打印头(2)与X轴滑轨(1)和Y轴滑轨(3)结合形成一个水平打印面，打印面设置在打印底座(6)可移动最高位置的上方。

4.根据权利要求1所述的基于可控流体的3D打印机进行3D打印的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、向打印机绝缘液体容器(5)内充满可控流体，初始状态为液态；

(2)、启动加热装置(7)，将打印底座(6)和可控流体加热到适宜温度；

(3)、在打印底座(6)上打印一个基层，该层用于将后续的打印物体和打印底座(6)粘接起来；

(4)、打印底座(6)由z轴电机控制，下沉一个层高，为当前打印高度；

(5)、给定前n个已打印层，计算这n层在xy平面投影的交集S；同时计算当前打印层的切片投影C；如果S∩C≠C，则当前打印层存在超出S的部分，需要增加支撑；否则不需要增加支撑；基于此进行判断：

1)、如果当前无需支撑，不做任何处理；

2)、如果需要支撑，则为容器两端的可控流体场发生器(4)通电，利用均匀可控流体场将上层打印面区域的液体固化；

(6)、打印当前层，如果可控流体场发生器(4)正在通电则停止通电，撤掉可控流体场；判断是否打印完成，未完成跳转至步骤4；否则结束打印程序。