CN105643934A - 预制砌块式fdm3D制程及其fdm3D打印机 - Google Patents

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

预制砌块式fdm3D制程及其fdm3D打印机，属于机械领域。引入精雕刀及预制砌块式fdm3D制程可以逐层的有效的精修FDM方式的3D打印的外形精确呈度及充分表达细节部分；所匹配的工作模式为；精雕刀的峰状曲线形状适应于绝大部分成型物件的表面形状；主要引入了：切层插入及删除功能、砌块的初步紧固制程、砌块堆边界精雕制程及砌块铺放制程；使所成型的物件表面光滑；具有构造简单、运行可靠、完成传统技术所完成不了的结构细部及表面光滑度。

Description

预制砌块式fdm3D制程及其fdm3D打印机
本发明属于机械领域，确切的讲是通过高速电机驱动精雕刀进行微量切削成型件的周边而获得更为精准而光滑的成型物件的FDM等方式的3D打印成型机。
本发明目的：
为解决FDM等方式的3D打印机的成型边界精度问题，及所成型物件表面的光滑度及材料的可选性、使用强度等问题；将3D打印与精雕技术结合会获得超然的成型物件。
对于一般激光烧结技术来说，难以获得更高密度的金属成型件。因为压坯密度和压坯强度是涉及到最终成型的粉末冶金制品的质量。在粉末冶金的压制过程中，就要求金属粉末要压制成一定的压坯密度，并且均匀分布这种压坯密度。一般成形压力越大，粉末之间的空间就会越被挤压，这样粉末颗粒之间作用也就会越来越大，压坯的强度也会随之增大。我们上面提到的粉末颗粒之间的作用力主要指的是颗粒之间的机械啮合力和粉末表面原子之间的吸引力，这种机械啮合力主要是由于粉末不规则的外表通过变形相互链接产生的。
本发明特点：
构造简单、运行可靠、完成传统技术所完成不了的结构细部及表面光滑度；并引入多种工作模式。
适合于该技术的3D打印机的种类有5种：
*选择性激光烧结技术(SelectiveLaserSintering，SLS)
*选择性激光熔化技术(SelectiveLaserMelting,SLM)
*电子束熔化技术(ElectronBeamMelting，EBM)
*以粉末-粘合剂为基本原理的技术(ThreeDimensionalPrinting,3DP)
*熔融沉积造型技术(FusedDepositionModeling,FDM)
3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水(ThreeDimensionalPrinting,3DP)，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。
引入砌块铺放制程、砌块的初步紧固制程、砌块堆边界精雕制程及切层插入及删除功能。
技术关键为：
无论是对于上述5种3D打印机的那一种，其基本技术关键为：在逐层打印时要预先设置略大于实际物件所需要的尺寸，完成1层或数层之后驱动精雕刀来精雕该层的外形，磨削或切削掉大于实际物件所需要的尺寸的那一部分，在获得物件精度的同时，也获得了光滑表面。
对于上述5种3D打印机的工作过程略有差别：
对于前4种：选择性激光烧结技术(SelectiveLaserSintering，SLS)、选择性激光熔化技术(SelectiveLaserMelting,SLM)、电子束熔化技术(ElectronBeamMelting，EBM)及以粉末-粘合剂为基本原理的技术(ThreeDimensionalPrinting,3DP)，在完成上述磨削或切削掉大于实际物件所需要的尺寸的那一部分后，要完成补充及刮平物料粉末工序。
对于最后1种：熔融沉积造型技术(FusedDepositionModeling,FDM)，在完成上述磨削或切削掉大于实际物件所需要的尺寸的那一部分后，还可以有条件进行来自抛光轮的抛光工序，对于精雕刀的运载可以与挤出机一起安装在同一基台上，也可以用独立的运载基台安装，具体详见图示说明部分。
砌块铺放制程：由砌块输送装置将预先制成的砌块输送到预定地点，再由入位压头将嵌套砌块凸起部位压入已经铺好的下一层嵌套砌块的凹陷部位；如果使用平滑砌块的话，入位压头将提供相对较小的压力即可以；相邻2层砌块保持错位铺放，即互相遮挡砌块的拼接缝隙；首层打底砌块层可以是同样材料制成的带有同样间距凹陷阵列的打底砌块层，也可以使用不同材料制作，异质支撑材料：应该使用易于去掉的材料，易于燃烧或水溶性材料。
砌块的初步紧固制程：可以采用胶粘法或单纯压紧法或是各类加热初步烧结方法：诸如：放电加热、激光加热、等离子加热及火焰加热方法.胶粘法：用以极少量胶粘剂进行紧固。单纯压紧法：利用嵌套砌块的嵌套角，在压力下的摩擦力。各类加热初步烧结方法：表面热融合或预先涂有易于促进热融合的材料。通过电流对刚刚入位的导电砌块进行放电加热、激光束对刚刚入位的加热、等离子加热及火焰加热方法。
砌块堆边界精雕制程：每完成1-20层砌块铺设后，进入砌块堆边界精雕制程：雕刻区域即可以是覆盖表层砌块层，也可以不覆盖表层砌块层，将表层砌块层边界留到再无上层砌块层需要铺设时再精雕之，以免破损的边界砌块的残缺变形所导致的再铺放的上层边界附近的砌块无法嵌入或嵌入到位。
切层插入及删除功能：对于硬性堆积情况下，在基本恒定压力的入位压头的压实下，砌块累积的层高度会存在一定的累积误差，当累积高度误差足够大时，插入或是删除1个切层的砌块铺放制程；具体来说：当砌块累积高度减少超过半层左右高度时，插入1层当前的切层或下1切层砌块铺放制程，也可以是插入1层当前的切层与下一层待铺放切层的共集(共集：该切层面积可以覆盖2个切层及面积大于等于任何2个当中的任何一个切层)；当砌块累积高度增加超过半层左右高度时，删除待铺放切层的下1切层的砌块铺放制程，直接铺设下下1层切层或将下下1层切层运算扩大面积，使得其能含盖被删除切层后再铺设；这样才能维持累积高度的长时间高度的稳定，精雕制程不变。
详细的讲：预制砌块式fdm3D制程：包含3个制程及切层插入及删除功能，首先是：砌块铺放制程：由砌块输送装置将预先制成的砌块输送到预定地点，再由入位压头将嵌套砌块凸起部位压入已经铺好的下一层嵌套砌块的凹陷部位；如果使用平滑砌块的话，入位压头将提供相对较小的压力即可以；相邻2层砌块保持错位铺放，即互相遮挡砌块的拼接缝隙；首层打底砌块层可以是同样材料制成的带有同样间距凹陷阵列的打底砌块层，也可以使用不同材料制作，异质支撑材料：应该使用易于去掉的材料，易于燃烧或水溶性材料；其次是：砌块的初步紧固制程：可以采用胶粘法或单纯压紧法或是各类加热初步烧结方法：诸如：放电加热、激光加热、等离子加热及火焰加热方法；再者是：砌块堆边界精雕制程：每完成1-20层砌块铺设后，进入砌块堆边界精雕制程：雕刻区域即可以是覆盖表层砌块层，也可以不覆盖表层砌块层，将表层砌块层边界留到再无上层砌块层需要铺设时再精雕之，以免破损的边界砌块的残缺变形所导致的再铺放的上层边界附近的砌块无法嵌入或嵌入到位；还有切层插入及删除功能：对于硬性堆积情况下，在基本恒定压力的入位压头的压实下，砌块累积的层高度会存在一定的累积误差，当累积高度误差足够大时，插入或是删除1个切层的砌块铺放制程；具体来说：当砌块累积高度减少超过半层左右高度时，插入1层当前的切层或下1切层砌块铺放制程，也可以是插入1层当前的切层与下一层待铺放切层的共集(共集：该切层面积可以覆盖2个切层及面积大于等于任何2个当中的任何一个切层)；当砌块累积高度增加超过半层左右高度时，删除待铺放切层的下1切层的砌块铺放制程，直接铺设下下1层切层或将下下1层切层运算扩大面积，使得其能含盖被删除切层后再铺设；这样才能维持累积高度的长时间高度的稳定，精雕制程不变；对于具体3D打印机而言，其核心结构为：待成型砌块、砌块输送装置、砌块入位压头、成型物件位移装置、可选择安装的成型物件高度测量装置、可选择安装的砌块喷胶装置、可选择安装的成型砌块加热装置、可选择安装的冷却除尘装置、机壳及电控部分组成；工作原理为：放置成型物件打底层并将待打印物件的3维转2维的切片文件生成于电控部分中待驱动相关机构分层铺放，然后砌块输送装置源源不断的将待成型砌块送到砌块入位压头下方后，将待成型砌块一层层的整齐的压入放置在成型物件位移装置的成型物件打底层上，当需要胶粘砌块的情况下，选择安装的砌块喷胶装置可以在砌块压入前在砌块的接触部位喷上胶水；当需要热融合的情况下，选择安装的成型砌块加热装置对砌块的压入过程进行局部加热；选择安装的成型物件高度测量装置对成型物件的累积高度进行监测，来完成切层插入及删除功能；每完成1-20层砌块铺设后，进入砌块堆边界精雕制程：雕刻区域即可以是覆盖表层砌块层，也可以不覆盖表层砌块层，将表层砌块层边界留到再无上层砌块层需要铺设时再精雕之，以免破损的边界砌块的残缺变形所导致的再铺放的上层边界附近的砌块无法嵌入或嵌入到位，并有可选择安装的冷却除尘装置进行对砌块堆的表面层除尘；最后精雕处理了除了成型物件打底层以外的所有表面后，成型物件打印完成；其特征就在于：使用了砌块作为原料；砌块的形状可以是平滑砌块也可以是嵌套砌块；砌块堆边界精雕制程：每完成1-20层砌块铺设后，进入砌块堆边界精雕制程：雕刻区域即可以是覆盖表层砌块层，也可以不覆盖表层砌块层，将表层砌块层边界留到再无上层砌块层需要铺设时再精雕之；可以依次完成全部切层堆积处理，也可以进行切层插入及删除方式：对于硬性堆积情况下，在基本恒定压力的入位压头的压实下，砌块累积的层高度会存在一定的累积误差，当累积高度误差足够大时，插入或是删除1个切层的砌块铺放制程；具体来说：当砌块累积高度减少超过半层左右高度时，插入1层当前的切层或下1切层砌块铺放制程，也可以是插入1层当前的切层与下一层待铺放切层的共集(共集：该切层面积可以覆盖2个切层及面积大于等于任何2个当中的任何一个切层)；当砌块累积高度增加超过半层左右高度时，删除待铺放切层的下1切层的砌块铺放制程，直接铺设下下1层切层或将下下1层切层运算扩大面积，使得其能含盖被删除切层后再铺设；这样才能维持累积高度的长时间高度的稳定，精雕制程不变。
砌块可以金属、粉末冶金压块、陶瓷类压块、有机高分子类压块、无机非金属类压块。
重要的是：2层之间的砌块排列方式即可以采用直排列方式也可以采用互相压缝\错位方式，彼此相连，增加强度。
砌块可以有多种：为了适合于边界额情况：砌块可以分为：1/2砌块、1/4砌块；图中整体砌块有4个凸凹结构，1/2砌块有2个凸凹结构、1/4砌块有1个凸凹结构，可以由多个砌块输送装置完成。
以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：
图1嵌套预制砌块及堆积方式示意图。
图2预制砌块式fdm3D打印机核心结构示意图。
图示说明：
(1)平滑砌块
(2)嵌套砌块
(3)砌块输送装置
(4)成型物件位移装置
(5)入位压头
(6)激光加热装置
(7)机壳
(8)电控部分
(9)CNC升降雕刻刀
(10)高度测量装置
(11)成型物件打底层
(12)成型物件
(13)表层砌块层
(20)下一层砌块
(21)上一层砌块
(22)砌块剖面图
(23)砌块底视图、侧视图
(25)下落而未嵌套的砌块
(26)表层砌块层
(27)砌块侧视图
如图1所示：
预先制作好的【砌块】分为2种，分别是：平滑砌块(1)及嵌套砌块(2)。
对于嵌套砌块(2)的细节图示为，(23)为砌块底视图、侧视图；(27)是砌块侧视图中的突出部分；(22)砌块剖面图；(26)是嵌套凹陷用于容纳突出部分(27)；(20)为下一层砌块，(21)为上一层砌块。
(25)为下落而未嵌套的砌块。
2层之间的砌块排列方式即可以采用直排列方式也可以采用互相压缝\错位方式，彼此相连，增加强度。
预先制作好的【砌块】可以方便的被加工，选用材料的性能也被大大的放宽了，嵌套砌块(2)的锥度角有利于在接触面加上压力，非常有利于热融合、粘合及增加密度。
如图2所示：
预制砌块式fdm3D打印机核心结构包括：砌块输送装置(3)，负责将【砌块】依次输送出来，比如使用振动选料方式使之排列出来或利用基材以贴片的方式制成卷料送出再分离基材。
入位压头(5)负责将【砌块】压实在【砌块】堆上，成型物件打底层(11)是与【砌块】的突出及凹陷点阵匹配，且恰好容纳；然后【砌块】被逐层嵌套铺设在之上。
成型物件位移装置(4)承载成型物件(12)进行3维位移，高度测量装置(10)负责测量表层砌块层(13)的高度，激光加热装置(6)负责在需要时加热正在嵌入的【砌块】及其相邻的成型物件(12)的附近区域。
电控部分(8)负责所有的控制及执行指令工作，CNC升降雕刻刀(9)在需要时被控制切削成型物件(12)的表面。(7)为机壳。
成型物件(12)待3D成型完成后，可以按需要在进行烧结或表面等处理工作。
基本工作过程简述：
首先将待成型物件的三维尺寸信息输给电控部分(8)，将成型物件打底层(11)摆放在成型物件位移装置(4)上；之后开始铺放砌块，砌块输送装置(3)输送出砌块，入位压头(5)将砌块逐个压实到位；这样一层一层继续下去。
由高度测量装置(10)测量表层砌块层(13)的高度，测量方法有多种，通过感应或摄像法等可以完成，另外入位压头(5)也可以感知高度。
当高度超过预计尺度时，可以开始执行切层插入及删除功能。
对于精雕刀可以使用，直刀或T型刀；为了不破坏表层砌块层(13)的嵌套形状，T型刀可以避开表层。
砌块可以有多种：为了适合于边界额情况：砌块可以分为：1/2砌块、1/4砌块；图中整体砌块有4个凸凹结构，1/2砌块有2个凸凹结构、1/4砌块有1个凸凹结构，可以由多个砌块输送装置完成。

Claims (2)

1.预制砌块式fdm3D制程：包含3个制程及切层插入及删除功能，首先是：砌块铺放制程：由砌块输送装置将预先制成的砌块输送到预定地点，再由入位压头将嵌套砌块凸起部位压入已经铺好的下一层嵌套砌块的凹陷部位；如果使用平滑砌块的话，入位压头将提供相对较小的压力即可以；相邻2层砌块保持错位铺放，即互相遮挡砌块的拼接缝隙；首层打底砌块层可以是同样材料制成的带有同样间距凹陷阵列的打底砌块层，也可以使用不同材料制作，异质支撑材料：应该使用易于去掉的材料，易于燃烧或水溶性材料；重要额是每2层之间的砌块排列方式即可以采用直排列方式也可以采用互相压缝\错位方式，彼此相连，增加强度.其次是：砌块的初步紧固制程：可以采用胶粘法或单纯压紧法或是各类加热初步烧结方法：诸如：放电加热、激光加热、等离子加热及火焰加热方法；再者是：砌块堆边界精雕制程：每完成1-20层砌块铺设后，进入砌块堆边界精雕制程：雕刻区域即可以是覆盖表层砌块层，也可以不覆盖表层砌块层，将表层砌块层边界留到再无上层砌块层需要铺设时再精雕之，以免破损的边界砌块的残缺变形所导致的再铺放的上层边界附近的砌块无法嵌入或嵌入到位；还有切层插入及删除功能：对于硬性堆积情况下，在基本恒定压力的入位压头的压实下，砌块累积的层高度会存在一定的累积误差，当累积高度误差足够大时，插入或是删除1个切层的砌块铺放制程；具体来说：当砌块累积高度减少超过半层左右高度时，插入1层当前的切层或下1切层砌块铺放制程，也可以是插入1层当前的切层与下一层待铺放切层的共集(共集：该切层面积可以覆盖2个切层及面积大于等于任何2个当中的任何一个切层)；当砌块累积高度增加超过半层左右高度时，删除待铺放切层的下1切层的砌块铺放制程，直接铺设下下1层切层或将下下1层切层运算扩大面积，使得其能含盖被删除切层后再铺设；这样才能维持累积高度的长时间高度的稳定，精雕制程不变；对于具体3D打印机而言，其核心结构为：待成型砌块、砌块输送装置、砌块入位压头、成型物件位移装置、可选择安装的成型物件高度测量装置、可选择安装的砌块喷胶装置、可选择安装的成型砌块加热装置、可选择安装的冷却除尘装置、机壳及电控部分组成；工作原理为：放置成型物件打底层并将待打印物件的3维转2维的切片文件生成于电控部分中待驱动相关机构分层铺放，然后砌块输送装置源源不断的将待成型砌块送到砌块入位压头下方后，将待成型砌块一层层的整齐的压入放置在成型物件位移装置的成型物件打底层上，当需要胶粘砌块的情况下，选择安装的砌块喷胶装置可以在砌块压入前在砌块的接触部位喷上胶水；当需要热融合的情况下，选择安装的成型砌块加热装置对砌块的压入过程进行局部加热；选择安装的成型物件高度测量装置对成型物件的累积高度进行监测，来完成切层插入及删除功能；每完成1-20层砌块铺设后，进入砌块堆边界精雕制程：雕刻区域即可以是覆盖表层砌块层，也可以不覆盖表层砌块层，将表层砌块层边界留到再无上层砌块层需要铺设时再精雕之，以免破损的边界砌块的残缺变形所导致的再铺放的上层边界附近的砌块无法嵌入或嵌入到位，并有可选择安装的冷却除尘装置进行对砌块堆的表面层除尘；最后精雕处理了除了成型物件打底层以外的所有表面后，成型物件打印完成；其特征就在于：使用了砌块作为原料；砌块的形状可以是平滑砌块也可以是嵌套砌块；2层之间的砌块排列方式即可以采用直排列方式也可以采用互相压缝\错位方式，彼此相连，增加强度；砌块堆边界精雕制程：每完成1-20层砌块铺设后，进入砌块堆边界精雕制程：雕刻区域即可以是覆盖表层砌块层，也可以不覆盖表层砌块层，将表层砌块层边界留到再无上层砌块层需要铺设时再精雕之；可以依次完成全部切层堆积处理，也可以进行切层插入及删除方式：对于硬性堆积情况下，在基本恒定压力的入位压头的压实下，砌块累积的层高度会存在一定的累积误差，当累积高度误差足够大时，插入或是删除1个切层的砌块铺放制程；具体来说：当砌块累积高度减少超过半层左右高度时，插入1层当前的切层或下1切层砌块铺放制程，也可以是插入1层当前的切层与下一层待铺放切层的共集(共集：该切层面积可以覆盖2个切层及面积大于等于任何2个当中的任何一个切层)；当砌块累积高度增加超过半层左右高度时，删除待铺放切层的下1切层的砌块铺放制程，直接铺设下下1层切层或将下下1层切层运算扩大面积，使得其能含盖被删除切层后再铺设；这样才能维持累积高度的长时间高度的稳定，精雕制程不变。
2.预制砌块式fdm3D打印机，其核心结构为：待成型砌块、砌块输送装置、砌块入位压头、成型物件位移装置、可选择安装的成型物件高度测量装置、可选择安装的砌块喷胶装置、可选择安装的成型砌块加热装置、可选择安装的冷却除尘装置、机壳及电控部分组成；工作原理为：放置成型物件打底层并将待打印物件的3维转2维的切片文件生成于电控部分中待驱动相关机构分层铺放，然后砌块输送装置源源不断的将待成型砌块送到砌块入位压头下方后，将待成型砌块一层层的整齐的压入放置在成型物件位移装置的成型物件打底层上，当需要胶粘砌块的情况下，选择安装的砌块喷胶装置可以在砌块压入前在砌块的接触部位喷上胶水；当需要热融合的情况下，选择安装的成型砌块加热装置对砌块的压入过程进行局部加热；选择安装的成型物件高度测量装置对成型物件的累积高度进行监测，来完成切层插入及删除功能；每完成1-20层砌块铺设后，进入砌块堆边界精雕制程：雕刻区域即可以是覆盖表层砌块层，也可以不覆盖表层砌块层，将表层砌块层边界留到再无上层砌块层需要铺设时再精雕之，以免破损的边界砌块的残缺变形所导致的再铺放的上层边界附近的砌块无法嵌入或嵌入到位，并有可选择安装的冷却除尘装置进行对砌块堆的表面层除尘；最后精雕处理了除了成型物件打底层以外的所有表面后，成型物件打印完成；其特征就在于：在构架及制程上使用了预制砌块式fdm3D制程；使用了砌块作为原料；砌块的形状可以是平滑砌块也可以是嵌套砌块；砌块堆边界精雕制程：每完成1-20层砌块铺设后，进入砌块堆边界精雕制程：雕刻区域即可以是覆盖表层砌块层，也可以不覆盖表层砌块层，将表层砌块层边界留到再无上层砌块层需要铺设时再精雕之；可以依次完成全部切层堆积处理，也可以进行切层插入及删除方式：对于硬性堆积情况下，在基本恒定压力的入位压头的压实下，砌块累积的层高度会存在一定的累积误差，当累积高度误差足够大时，插入或是删除1个切层的砌块铺放制程；具体来说：当砌块累积高度减少超过半层左右高度时，插入1层当前的切层或下1切层砌块铺放制程，也可以是插入1层当前的切层与下一层待铺放切层的共集(共集：该切层面积可以覆盖2个切层及面积大于等于任何2个当中的任何一个切层)；当砌块累积高度增加超过半层左右高度时，删除待铺放切层的下1切层的砌块铺放制程，直接铺设下下1层切层或将下下1层切层运算扩大面积，使得其能含盖被删除切层后再铺设；这样才能维持累积高度的长时间高度的稳定，精雕制程不变；2层之间的砌块排列方式即可以采用直排列方式也可以采用互相压缝\错位方式，彼此相连，增加强度。
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