CN105415687A - 一种多工艺3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多工艺3D打印方法，通过对所述三维模型进行分层处理，得到每层截面的材料组分信息和轮廓信息，根据不同的材料组分信息选择不同的打印机构，在铺粉机构、梯度材料打印机构及微滴喷射打印头机构中，分别按照打印区域及打印材料种类的不同，将不同种类粉末材料或者液体材料装入相应的料盒，以及依次将材料均匀打印到相应的打印区域；从而实现了多材料、多工艺的进行混合材料、不同种类结构物体的整体打印，本发明所述的3D打印方法，突破了目前3D打印单工艺、单材均质打印的局限性，易于实现复杂结构的打印，为3D物体的打印提供了便利。

Description

一种多工艺3D打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及的是一种多工艺3D打印方法。

背景技术

3D打印(3Dprinting),即增材制造、快速成型的一种，它是以数字模型文件为基础，运用粉末、液体、液固混合物、线材、片材等形态的金属、高分子、陶瓷、生物材料等，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它的优点是精确的实体复制、材料无限组合、设计空间无限、易于实现复杂结构，这些特点是传统制造方法无法企及的。

3D打印主要包括以下成型技术：选择性激光烧结技术（SLS）是按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结；选择性激光熔结技术（SLM）是激光束快速熔化粉末材料并获得连续的熔道，可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件；三维打印（3DP）技术是使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，来层层叠加构造实体，特点是可打印彩色实体；熔融沉积成型技术（FDM）是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面，适合于打印小面积区域；立体平版印刷技术（SLA）以光敏树脂为原料，通过激光按分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，该方法主要用于复杂、高精度的精细工件快速成型；DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快；UV紫外线成型技术和SLA立体平版印刷技术也比较相似，不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂，成型的过程中没有噪音产生，在同类技术中成型的精度最高。

在梯度材料3D打印技术方面，华南理工大学杨永强等人专利《一种基于铺粉加工的梯度功能材料制备装置》（公开号：CN203863022U）公布了一种基于铺粉的梯度功能材料的制备及3D打印方法，利用此装置及方法制备的梯度功能材料无明显的界面或分层，加工过程中可以在基本水平面和垂直面内实现梯度变化，具有良好的空间联系性。

大多数物体均具有多材料混合、材料种类形态繁多等特点，利用现有的单工艺、单材料3D打印工艺方法无法实现该类物体的整体打印成型。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于为用户提供一种多工艺3D打印方法，克服现有技术中的3D打印装置及方法工艺单一，能完成的打印材料单一，无法实现多材料混合成型的物体整体打印的缺陷。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种多工艺3D打印方法，其中，包括：

A、建立待3D打印物体的三维模型；

B、对所述三维模型进行分层处理，得到每层截面的材料组分信息和轮廓信息；

C、根据区域面积及区域内待打印材料种类的不同，将每层截面划分为第一粉末材料区域、梯度材料区域和第二材料区域，并且所述第一粉末材料区域、所述梯度材料区域和所述第二材料区域分别对应选择铺粉机构、梯度材料打印机构和微滴喷射打印头机构作为打印机构；

D、在铺粉机构、梯度材料打印机构及微滴喷射打印头机构中，分别按照打印区域及打印材料种类的不同，将不同种类粉末材料或者液体材料装入相应的料盒；

E、铺粉机构按照第一粉末材料区域的轮廓信息，依次将不同种类的粉末材料均匀铺设到相应的打印区域，并固化成型；

F、梯度材料打印机构按照梯度材料区域的轮廓信息，依次将不同种类的粉末材料均匀铺设到相应的打印区域，并固化成型；

G、微滴喷射打印头机构按照第二材料区域的轮廓信息，依次将材料均匀打印到相应的打印区域；

H、控制打印工作台下降一个打印层的厚度，重复步骤E—步骤G，层层叠加，直至打完出完整三维实体。

所述的多工艺3D打印方法，其中，所述第一材料区域为：区域面积超出预定面积值的粉末材料区域的集合；所述第二材料区域为：多个不同材料种类所处区域的过渡区域的集合；所述第二材料区域为：区域面积小于或者等于预定面积值的粉末材料区域、以及非粉末区域的集合。

所述的多工艺3D打印方法，其中，所述方法步骤中采用的固化成型方法为：选择性激光烧结、选择性激光熔结与三维打印中的一种或者几种。

所述的多工艺3D打印方法，其中，所述步骤E中包括：分别采用选择性激光烧结方法、选择性激光熔结和三维打印的方法对第一材料区域的材料进行固化成型。

所述的多工艺3D打印方法，其中，所述步骤F中包括：采用选择性激光熔结方法对梯度材料区域进行固化成型。

所述的多工艺3D打印方法，其中，所述步骤D与E之间中还包括：

DF、控制打印工作台下降到第一个打印层的高度。

所述的多工艺3D打印方法，其中，所述铺粉机构包括：至少一个支撑材料盒、至少一个料盒、至少一个吸粉装置、至少一个回收粉装置以及传输机构；

所述第一粉末材料区域包括：至少一个粉末种类的粉末材料待打印区域。

所述的多工艺3D打印方法，其中，所述梯度材料打印机构包括：至少两个料盒的送粉装置、材料配比装置、材料搅拌装置、打印头装置及实现打印头装置三维空间运动的转动机构；

所述梯度材料区域包括：至少两个粉末种类的粉末材料待打印区域。

所述的多工艺3D打印方法，其中，所述微滴喷射打印头机构包括：多个打印头装置，以及为多个打印头装置传输打印材料的供給机构和实现打印头装置三维空间运动的转动机构；

所述第二材料区域包括：至少一个粉末种类的粉末材料、或者至少一个液体材料、或者至少一个固态材料、或者至少一个固液材料相组合的待打印区域。

所述的多工艺3D打印方法，其中，所述步骤F与步骤G同步多轴联动进行。

有益效果，本发明提供了一种多工艺3D打印方法，通过对所述三维模型进行分层处理，得到每层截面的材料组分信息和轮廓信息，根据不同的材料组分信息选择不同的打印机构，在铺粉机构、梯度材料打印机构及微滴喷射打印头机构中，分别按照打印区域及打印材料种类的不同，将不同种类粉末材料或者液体材料装入相应的料盒，以及依次将材料均匀打印到相应的打印区域；从而实现了多材料、多工艺的进行混合材料、不同种类结构物体的整体打印，本发明所述的3D打印方法，突破了目前3D打印单工艺、单材均质打印的局限性，易于实现复杂结构的打印，为3D物体的打印提供了便利。

附图说明

图1是本发明的一种多工艺3D打印方法的步骤流程图。

图2是本发明的一种多工艺3D打印方法所实现装置的原理结构示意图。

图3a是本明所述打印方法打印完成a区域后成型腔内的状态示意图。

图3b是本发明所述打印方法打印完成b区域后成型腔内的状态示意图。

图3c是本发明所述打印方法打印完成c区域后成型腔内的状态示意图。

图3d是本发明所述打印方法打印完成d区域后成型腔内的状态示意图。

图3e是本发明所述打印方法打印完成梯度区域后成型腔内的状态示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种多工艺3D打印方法，运用多种3D打印工艺的同步与分时混合作业，实现多材料构成的实体、零件及一体化器件的集成快速制造。本发明所提供的方法所依托的3D打印系统构造主要包括计算机控制系统、材料送给系统、激光打印系统（选择性激光烧结SLS或选择性激光熔结SLM）、3DP打印系统和工作台运动系统等。

具体的，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S1、建立待3D打印物体的三维模型。

在计算机控制系统中根据待3D打印物体的结构特征，建立待打印物体的三维模型。

S2：对所述三维模型进行分层处理，得到每层截面的材料组分信息和轮廓信息。

对建立的三维模型进行分层处理，得到分层的信息，并将每层的材料组分信息及轮廓信息进行保存。

S3、根据区域面积及区域内待打印材料种类的不同，将每层截面划分为第一粉末材料区域、梯度材料区域和第二材料区域，并且所述第一粉末材料区域、所述梯度材料区域和所述第二材料区域分别对应选择铺粉机构、梯度材料打印机构和微滴喷射打印头机构作为打印机构。

将每层的区域划分成第一粉末区域、梯度材料区域和第二材料区域，以及将每个区域内根据不同的粉末种类再划分出不同的子区域。

具体的，所述具体的，所述第一材料区域为：区域面积超出预定面积值的粉末材料区域的集合；所述第二材料区域为：多个不同材料种类所处区域的过渡区域的集合；所述第二材料区域为：区域面积小于或者等于预定面积值的粉末材料区域、以及非粉末区域的集合。

S4、在铺粉机构、梯度材料打印机构及微滴喷射打印头机构中，分别按照打印区域及打印材料种类的不同，将不同种类粉末材料或者液体材料装入相应的料盒。

根据不同的区域划分，以及区域内包含不同材料种类的子区域，因此为了实现每个区域内任一种类子区域均能实现快速打印，所述铺粉机构包括：至少一个支撑材料盒、至少一个料盒、至少一个吸粉装置、至少一个回收粉装置以及传输机构；所述第一粉末材料区域包括：至少一个粉末种类的粉末材料待打印区域。所述梯度材料打印机构包括：至少两个料盒的送粉装置、材料配比装置、材料搅拌装置、打印头装置及实现打印头装置三维空间运动的转动机构；所述梯度材料区域包括：至少两个粉末种类的粉末材料待打印区域。

所述微滴喷射打印头机构包括：多个打印头装置，以及为多个打印头装置传输打印材料的供給机构和实现打印头装置三维空间运动的转动机构；所述第二材料区域包括：至少一个粉末种类的粉末材料或者至少一个液体材料或者至少一个固态材料或者至少一个固液材料相组合的待打印区域。

在具体打印时，每个料盒中装入的粉料对应其待打印的区域，通过与料盒相连接的送粉装置或者吸粉装置等，将装入料盒的粉末材料打印到成型腔内。

S5、铺粉机构按照第一粉末材料区域的轮廓信息，依次将不同种类的粉末材料均匀铺设到相应的打印区域，并固化成型。

S6、梯度材料打印机构按照梯度材料区域的轮廓信息，依次将不同种类的粉末材料均匀铺设到相应的打印区域，并固化成型。

S7、微滴喷射打印头机构按照第二材料区域的轮廓信息，依次将材料均匀打印到相应的打印区域。

在上述步骤S5-S7中，依次对第一材料区域、梯度材料区域和第二材料区域进行打印，并且优选的，分别采用选择性激光烧结方法、选择性激光熔结和三维打印的方法对第一材料区域的材料进行固化成型，采用选择性激光熔结方法对梯度材料区域进行固化成型。

S8、控制打印工作台下降一个打印层的厚度，重复步骤S5—步骤S7，层层叠加，直至打完整个三维实体。

当上述步骤S7完成后，则该片层的打印已完成，本步骤中，控制打印工作台下降一个打印层的厚度，开启对下一个片层的打印操作，一直到整个三维实体打印完成。

可以想到的是，在所述步骤S4与S5之间中还包括：

控制打印工作台下降到第一个打印层的高度。

为了实现快速打印，所述步骤S6与步骤S7可以同步多轴联动进行，在打印梯度材料区域的同时也进行小区域粉末材料区域或者液固材料区域的打印，保证了打印顺利进行的同时，还提高了打印的效率。

下面如图2、图3a-图3e所示，以4种面积较大区域粉末材料ABCD、面积较大区域液体材料F、面积较小区域材料GE、材料ABC交界处构成梯度区域结构的3D打印为例来说明本发明的具体内容，该示例并不用于限制本发明，在本发明的原则之内，对材料种类数量的增减、形态的变换等均为本发明的保护范围之内。

首先将同一层片内的材料区域分类：具体分为面积较大的粉末材料区域、梯度粉末材料区域、面积较大非粉末材料区域、面积较小材料区域。具体打印工艺步骤为：（1）计算机控制工作台下降一个切片厚度；（2）打印面积较大的粉末材料区域，铺设第一种面积较大粉材，固化成型后吸走未固化粉材，再铺上第二种面积较大粉材，固化成型后吸走未固化的粉材，……，以此类推，将本层面积大粉材全部固化成型；（3）打印梯度粉末材料区域，调用梯度材料打印机构向梯度粉材区域按照设计的材料要求铺设混合粉末并固化成型；（4）打印非粉末材料的较大面积区域，从多个独立运动的微滴喷射打印头机构中按设计的材料要求调用相应的打印头打印面积较大非粉末材料区域同时固化成型；（5）打印面积较小材料区域，从多个独立运动的微滴喷射打印头机构中按设计的材料要求调用相应的打印头打印面积较小材料区域同时固化成型；（梯度打印头与多个独立的打印头可多轴联动，同时进行打印，节省时间）（6）直到本层所有区域全部固化成型，工作台再下行一个切片厚度，重复上述过程，多层叠加，直至打完整个三维实体。

本发明所述的多工艺3D打印方法，依托的3D打印系统，如图2所示，其构造主要包括计算机控制系统4、材料送给系统、激光打印系统3（选择性激光烧结SLS或选择性激光熔结SLM）、三维打印系统6和工作台系统8等。

在实际应用中，所述的材料送给系统具有三套机构——铺粉机构1、梯度材料打印机构2、多个独立的三维空间内可移动的微滴喷射打印头机构5，这三套机构的选择需根据立体的层片信息来决定，同一层片中面积较大的粉末材料区域选择铺粉机构，梯度粉末材料区域选择梯度材料打印机构，面积较大非粉末材料区域和面积较小材料区域选择第三种中适合的打印头机构。

所述的铺粉机构1包括多个料盒（其中至少包括一个支撑材料盒）的铺粉装置、吸粉装置、回收粉装置以及传送机构等。

所述的梯度材料打印机构2包括多个料盒的送粉装置、材料配比装置、材料搅拌装置、打印头装置及实现打印头三维空间运动的机构等。

所述的多个独立的微滴喷射打印头机构5包括各打印头的材料供给机构、打印头装置及实现打印头三维空间运动的机构等。各打印头可根据原材料材料的形态（粉末、液体、液固混合物、线材）来设置，数量根据实际应用增减。

所述的梯度材料打印机构2与多个独立的打印头能实现多轴联动、同时打印，节省打印时间。

所述的粉末的固化成型主要采用选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔结（SLM）和三维打印（3DP）成型方法，3D打印加工系统是三种成型方法的综合体，根据材料的性能、成型后的机械性能等的要求来选择成型方法。

所述的计算机控制系统4是用来建立立体的三维模型，切片软件对上述模型进行切片处理，并得到每层的材料组分信息、轮廓信息、材料送给机构的选择信息、材料送给路径信息，继而进行打印路径规划，以及对材料送给系统、激光打印系统3（选择性激光烧结SLS或选择性激光熔结SLM）、三维打印系统6、工作台系统8等的控制。

基于上述系统的硬件支持，采用本申请中多工艺、多材料3D打印方法进行打印详细的打印步骤如下：

步骤1：建立多材料装配体三维模型；

步骤2：应用切片软件对上述模型进行切片处理，并得到每层的材料组分信息、轮廓信息、材料送给机构的选择信息、材料送给路径信息，继而进行打印路径规划。

步骤3：计算机控制系统4根据层片中的材料组分信息、轮廓信息作出材料送给机构的选择结果为：面积较大区域粉末材料ABCD的送给选择铺粉机构1，ABC材料过渡的区域铺粉选择梯度材料打印机构2，面积较小区域材料GE打印选择第三种中适合的打印头，面积较大区域液体材料F打印选择第三种适合打印液体材料的打印头。

步骤4：计算机控制系统4根据层片中的材料组分信息、轮廓信息、材料送给机构的选择信息作出粉末固化成型方法的选择结果为：材料A粉末的固化成型采用选择性激光烧结（SLS），材料BC粉末（包括梯度区域）的固化成型采用选择性激光熔结（SLM），材料D粉末的固化成型采用三维打印（3DP）的方法。

步骤5：在铺粉机构1中将ABCD粉末材料分别装入相应的料盒，在梯度材料打印机构2中将粉末材料ABC分别装入相应的料盒，较小区域材料GE选择的打印头中装上材料GE，液体材料打印头中装好材料F。

步骤6：对整个3D打印系统进行安全调试，调试好后，等待打印。

步骤7：计算机控制系统4根据切片信息控制工作台系统8下降第一个层厚。

步骤8：铺粉机构1将材料A均匀的铺满成型腔7，激光打印系统3采用选择性激光烧结（SLS）方法固化成型材料A区域，吸粉装置将未固化的材料A吸走，此时成型腔内的状态如图3a所示。

步骤9：铺粉机构1将材料B均匀的铺满成型腔7，激光打印系统3采用选择性激光熔结（SLM）方法固化成型材料B区域，吸粉装置将未固化的材料B吸走，此时成型腔内的状态如图3b所示。

步骤10：铺粉机构1将材料C均匀的铺满成型腔7，激光打印系统3采用选择性激光熔结（SLM）方法固化成型材料C区域，吸粉装置将未固化的材料C吸走，此时成型腔内的状态如图3c所示。

步骤11：铺粉机构1将材料D均匀的铺满成型腔7，三维打印系统6采用喷洒胶水的方法固化成型材料D区域，吸粉装置将未固化的材料D吸走，此时成型腔内的状态如图3d所示。

步骤12：计算机控制系统4操作机床控制系统多轴联动使梯度材料打印机构2、较小区域材料GE的打印头、液体材料F打印头同时铺粉或打印成型。

步骤13：激光打印系统3采用选择性激光熔结（SLM）方法固化成型材料ABC梯度区域，此时成型腔内的状态如图3e所示。

步骤15：计算机控制系统4控制工作台系统8再下行一个打印厚度，重复步骤9—步骤15，层层叠加，直至打完整个三维实体。

本发明提供了一种多工艺3D打印方法，通过对所述三维模型进行分层处理，得到每层截面的材料组分信息和轮廓信息，根据不同的材料组分信息选择不同的打印机构，在铺粉机构、梯度材料打印机构及微滴喷射打印头机构中，分别按照打印区域及打印材料种类的不同，将不同种类粉末材料或者液体材料装入相应的料盒，以及依次将材料均匀打印到相应的打印区域；从而实现了多材料，多工艺的进行混合材料、不同种类结构物体的整体打印，本发明所述的3D打印方法，突破了目前3D打印单工艺、单材均质打印的局限性，易于实现复杂结构的打印，为3D物体的打印提供了便利。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多工艺3D打印方法，其特征在于，包括：

A、建立待3D打印物体的三维模型；

B：对所述三维模型进行分层处理，得到每层截面的材料组分信息和轮廓信息；

C、根据区域面积及区域内待打印材料种类的不同，将每层截面划分为第一粉末材料区域、梯度材料区域和第二材料区域，并且所述第一粉末材料区域、所述梯度材料区域和所述第二材料区域分别对应选择铺粉机构、梯度材料打印机构和微滴喷射打印头机构作为打印机构；

D、在铺粉机构、梯度材料打印机构及微滴喷射打印头机构中，分别按照打印区域及打印材料种类的不同，将不同种类粉末材料或者液体材料装入相应的料盒；

E、铺粉机构按照第一粉末材料区域的轮廓信息，依次将不同种类的粉末材料均匀铺设到相应的打印区域，并固化成型；

F、梯度材料打印机构按照梯度材料区域的轮廓信息，依次将不同种类的粉末材料均匀铺设到相应的打印区域，并固化成型；

G、微滴喷射打印头机构按照第二材料区域的轮廓信息，依次将材料均匀打印到相应的打印区域；

H、控制打印工作台下降一个打印层的厚度，重复步骤E—步骤G，层层叠加，直至打完整个三维实体。

2.根据权利要求1所述的多工艺3D打印方法，其特征在于，所述第一材料区域为：区域面积超出预定面积值的粉末材料区域的集合；所述第二材料区域为：多个不同材料种类所处区域的过渡区域的集合；所述第二材料区域为：区域面积小于或者等于预定面积值的粉末材料区域、以及非粉末区域的集合。

3.根据权利要求2所述的多工艺3D打印方法，其特征在于，所述方法步骤中采用的固化成型方法为：选择性激光烧结、选择性激光熔结与三维打印中的一种或者几种。

4.根据权利要求3所述的多工艺3D打印方法，其特征在于，所述步骤E中包括：分别采用选择性激光烧结方法、选择性激光熔结和三维打印的方法对第一材料区域的材料进行固化成型。

5.根据权利要求3所述的多工艺3D打印方法，其特征在于，所述步骤F中包括：采用选择性激光熔结方法对梯度材料区域进行固化成型。

6.根据权利要求1-5任一项所述的多工艺3D打印方法，其特征在于，所述步骤D与E之间中还包括：

DF、控制打印工作台下降到第一个打印层的高度。

7.根据权利要求1所述的多工艺3D打印方法，其特征在于，所述铺粉机构包括：至少一个支撑材料盒、至少一个料盒、至少一个吸粉装置、至少一个回收粉装置以及传输机构；

所述第一粉末材料区域包括：至少一个粉末种类的粉末材料待打印区域。

8.根据权利要求7所述的多工艺3D打印方法，其特征在于，所述梯度材料打印机构包括：至少两个料盒的送粉装置、材料配比装置、材料搅拌装置、打印头装置及实现打印头装置三维空间运动的转动机构；

所述梯度材料区域包括：至少两个粉末种类的粉末材料待打印区域。

9.根据权利要求7所述的多工艺3D打印方法，其特征在于，所述微滴喷射打印头机构包括：多个打印头装置，以及为多个打印头装置传输打印材料的供給机构和实现打印头装置三维空间运动的转动机构；

所述第二材料区域包括：至少一个粉末种类的粉末材料、或者至少一个液体材料、或者至少一个固态材料、或者至少一个固液材料相组合的待打印区域。

10.根据权利要求7所述的多工艺3D打印方法，其特征在于，所述步骤F与步骤G同步多轴联动进行。