CN106273513B - 一种基于力反馈系统的3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于力反馈系统的3D打印方法，包括有以下步骤：步骤a）启动打印时，电机带动成型平台开始下移，力反馈系统控制成型平台成功找底;步骤b）进行第一层的曝光打印；步骤c）曝光结束后，成型平台上移进行剥离，同时对当前剥离力CurrentForce与力反馈系统当前状态下设定的阀值MaxForce进行比较；步骤d）若CurrentForce≥MaxForce，成型平台停止或减速上移，执行步骤e）；若CurrentForce＜MaxForce，成型平台继续上移，执行步骤f）；步骤e）MaxForce自增一个比例值，跳回步骤d）；步骤f）成型平台上移到设定高度距离时停止，剥离完成；步骤g）电机带动成型平台再次下移进行下一层曝光打印；步骤h）重复步骤c）至步骤g），直至打印件打印完成。力反馈系统让打印的流程更加智能化，大大提高了打印的成功率以及打印件的质量。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域，具体说是一种基于力反馈系统的3D打印方法。
背景技术
3D打印机的工作原理与普通打印机基本相同，是通过电脑控制把“打印材料”层层叠加起来，最终把计算机上的模型变成实物，这是一项颠覆传统制造工艺的技术革命。
但是，传统的DLP式3D打印中，成型平台和材料盘底部的接触与分离一直以来是一个很大的问题。因为在每一次接触曝光成型之后，可以说材料盘底部与成型平台是粘连在一起的，接下来为了继续打印，不可避免的每一层都要进行一次剥离动作，即将成型平台与材料盘底部分离开来，传统的打印设备不会根据打印面积的大小作出剥离力度的计算，而是一直按照固定的速度直接进行剥离，这往往会造成因为分离过快而导致打印失败；在DLP打印的第一层之前，成型平台需要与材料盘底部充分接触，即找底，在传统DLP打印中，找底的过程只能够靠人眼配合完成，精度没有办法保证，从而导致后续的打印可能出现失败。
发明内容
针对上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种智能化控制，有效提高打印质量和成功率的基于力反馈系统的3D打印方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于力反馈系统的3D打印方法，其特点是包括有以下步骤：
步骤a）启动打印时，电机带动成型平台开始下移，力反馈系统在成型平台下移的过程中采集力学数据，当采集的数据达到成型平台与材料盘充分接触的压力值时，电机停止，成型平台成功找底;
步骤b）找底成功后光机开始曝光，进行第一层的光固化打印；
步骤c）曝光结束后，电机带动成型平台上移进行剥离，力反馈系统对剥离过程的当前剥离力CurrentForce进行实时采集，并于力反馈系统当前状态下设定的阀值MaxForce进行比较；
步骤d）若CurrentForce≥MaxForce时，成型平台停止或减速上移，接着执行步骤e）；若CurrentForce＜MaxForce时，成型平台继续上移，接着执行步骤f）；
步骤e）阀值MaxForce自动增大一个比例值，然后跳回步骤d）；
步骤f）成型平台上移到设定高度距离时，电机停止，剥离完成；
步骤g）电机带动成型平台再次下移，当力反馈系统采集到成型平台与材料盘之间的下压力达到所设定的值域时，电机停止，光机再次进行曝光打印；
步骤h）重复步骤c）至步骤g），直至打印件打印完成。
优选地，所述阀值MaxForce的计算公式为：
MaxForce = kµŋPS；
其中,
k —— 比例系数，通过实验得出的数据，用于确定开始进行力反馈调节的起始压力值， 0＜ k ≤1;
µ—— 材料盘的固有属性，当确定材料盘的制作材料后，可认定其值为常量， 0＜µ ≤1;
ŋ —— 与所使用的打印材料的属性有关，通常与曝光时间成反比例关系，是一个变量，0＜ ŋ ≤1;
P —— 环境压强，通常为一个标准大气压，即101325pa；
S —— 单层曝光面积，单位 m2。
优选地，所述材料的最大上拉力参数值在初期打印和后期稳定打印的值均不相同，所述参数值均由材料商提供；该材料商会对应提供初期打印时的最大下压力参数值和后期稳定打印时的最大下压力参数值。
优选地，所述步骤g）中设定的值域不超过相应打印时期对应的材料的最大下压力参数值。
优选地，在步骤a）中，力反馈系统在成型平台下降的过程中采集到数据达到成型平台与材料盘充分接触的压力值时，减缓电机速度，对成型平台进行微调，直至力反馈系统的读数稳定在所述压力值时，电机停止，找底成功。
优选地，所述步骤d）中，当CurrentForce≥MaxForce时，成型平台停止或减速上移，在此状态下等待500ms-1500 ms。
优选地，所述步骤e）中，阀值MaxForce每次自动增大10%-20%。
优选地，所述步骤f）中，成型平台上移到电机停止的设定高度距离为2mm-4mm。
本发明的有益效果是：
（1）本发明由于采用力反馈系统对成型平台移动的过程进行力学数据的采集，进而控制成型平台的移动速度，从而让打印的流程更加智能化了，在每一层剥离的过程中做到了实时的力学反馈，并且有效地保证了每一层的打印质量；与传统的盲目剥离不一样，力反馈系统给用户增加了对打印机的掌握，每一层的打印效果都能够实时从数据中读取到，因此大大提高了打印的成功率以及打印件的质量；
（2）本发明通过力反馈系统还可以实现精准找底，整个找底过程完全自动化，不需要人工介入，而且能够保证每一次打印的一致性。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明基于力反馈系统的3D打印方法的流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例的基于力反馈系统的3D打印方法，包括有以下步骤：
步骤a）启动打印时，电机带动成型平台开始下移，力反馈系统在成型平台下移的过程中采集力学数据，当采集的数据达到20N（成型平台与材料盘充分接触的压力值）时，电机停止，成型平台成功找底;
步骤b）找底成功后光机开始曝光，进行第一层的光固化打印；
步骤c）曝光结束后，电机带动成型平台上移进行剥离，力反馈系统对剥离过程的当前剥离力CurrentForce进行实时采集，并于力反馈系统当前状态下设定的阀值MaxForce进行比较；
步骤d）若CurrentForce≥MaxForce时，成型平台停止或减速上移，在此状态下等待1000ms，接着执行步骤e）；若CurrentForce＜MaxForce时，成型平台继续上移，接着执行步骤f）；
步骤e）阀值MaxForce自动增大10%，然后跳回步骤d）；
步骤f）成型平台上移到3mm时，电机停止，剥离完成；
步骤g）电机带动成型平台再次下移，当力反馈系统采集到成型平台与材料盘之间的下压力达到所设定的值域时，电机停止，光机再次进行曝光打印；
步骤h）重复步骤c）至步骤g），直至打印件打印完成。
该实施例的步骤a）为找底操作，力反馈系统在成型平台下降的过程中采集力学数据，直至读数出现20N时，方减缓电机速度，对成型平台的移动进行微调，直至力反馈稳定在20N，则算找底成功。此过程完全自动化，不需要人工介入，而且能够保证每一次打印的一致性。
每种打印材料，材料商都会提供相应的参数值，即材料力度值域，该材料力度值域包括有初始打印时（头几层）的第一力度值域以及后期稳定打印时的第二力度值域，每个力度值域均包括有最大上拉力参数值和最大下压力参数值，例如：对于材料（DreveSLE.White），第一力度值域的预设定是最大上拉力参数值为150N，最大下压力参数值为-50N；第二力度值域为后期稳定的力度值域，最大上拉力参数值为30N，最大下压力参数值为-20N。故在力反馈系统的控制下能够保证每一层打印的上拉剥离力与下压力都不会超过以上的两个值域。一般从第8层打印开始，曝光时间经过线性下降会从初始的50.75s到稳定期的14.5s，打印正式开始进入加速的状态。但为了保证打印的稳定性，从第8层开始，上拉与下压的力度依旧会根据设定的最大上拉力与最大下压力决定，力反馈系统会实时监测当前剥离力CurrentForce与下压力，并输出指令控制丝杆上的成型平台上下移动。这种情况会持续到第15层打印。在整个打印过程中，下压力度会逐渐减少（1-8层在-40N左右，8-15层在-15N左右，15-30层在-10N左右，30-40层在-5N左右，40层以后会在0N）。
该实施例的阀值MaxForce的计算公式为：
MaxForce = kµŋPS；
其中,
k —— 比例系数，通过实验得出的数据，用于确定开始进行力反馈调节的起始压力值， 0＜ k ≤1;
µ—— 材料盘的固有属性，当确定材料盘的制作材料后，可认定其值为常量， 0＜µ ≤1;
ŋ —— 与所使用的打印材料的属性有关，通常与曝光时间成反比例关系，是一个变量，0＜ ŋ ≤1;
P —— 环境压强，通常为一个标准大气压，即101325pa；
S —— 单层曝光面积，单位 m2。
从该公式可看出，当前层曝光的面积越大的话，该阀值也就越大，那么成型平台需要剥离所需的力度也就越大。力反馈系统通过实时的力度反馈测量数据得出应剥离的速度大小，对每一层的剥离力度做出实时的调整，这样的机械运动可以提高每层的剥离成功率，提高打印质量。而且成型平台在下移时，也可根据力反馈系统进行监测和控制，故可避免过度下压，从而对材料盘起到了保护作用，大大增加了材料盘的寿命。由于在DLP打印中自上而下的成型方式，最上方（打印件的最下方）与成型平台之间的头几层打印的固化时间（即光机的曝光时间）要长于后面平稳打印期的固化时间，以保证打印件与成型平台的连接牢固性。由于固化时间的增加，剥离的力度自然会增加，那么可能存在剥离所需的力度远大于MaxForce的值，而当CurrentForce>=MaxForce时，电机是会停止上升等待1000ms的，等到MaxForce自增到一定值后，成型平台才会上升，因此头几层在剥离时所花的时间比较长。通过该力反馈系统可以控制成型平台的移动速度，从而让打印的流程更加智能化了，在每一层剥离的过程中做到了实时的力学反馈，并且有效地保证了每一层的打印质量。
尽管本发明是参照具体实施例来描述，但这种描述并不意味着对本发明构成限制。参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，对于本领域技术人员都是可以预料的，这种的变化应属于所属权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种基于力反馈系统的3D打印方法，其特征在于包括有以下步骤：
步骤a)启动打印时，电机带动成型平台开始下移，力反馈系统在成型平台下移的过程中采集力学数据，当采集的数据达到成型平台与材料盘充分接触的压力值时，电机停止，成型平台成功找底；
步骤b)找底成功后光机开始曝光，进行第一层的光固化打印；
步骤c)曝光结束后，电机带动成型平台上移进行剥离，力反馈系统对剥离过程的当前剥离力CurrentForce进行实时采集，并于力反馈系统当前状态下设定的阀值MaxForce进行比较；
步骤d)若CurrentForce≥MaxForce时，成型平台停止或减速上移，接着执行步骤e)；若CurrentForce＜MaxForce时，成型平台继续上移，接着执行步骤f)；
步骤e)阀值MaxForce自动增大一个比例值，然后跳回步骤d)；
步骤f)成型平台上移到设定高度距离时，电机停止，剥离完成；
步骤g)电机带动成型平台再次下移，当力反馈系统采集到成型平台与材料盘之间的下压力达到所设定的值域时，电机停止，光机再次进行曝光打印；
步骤h)重复步骤c)至步骤g)，直至打印件打印完成；
所述阀值MaxForce的计算公式为：
MaxForce＝kμηPS；
其中,
k——比例系数，通过实验得出的数据，用于确定开始进行力反馈调节的起始压力值，0＜k≤1；
μ——材料盘的固有属性，当确定材料盘的制作材料后，可认定其值为常量，0＜μ≤1；
η——与所使用的打印材料的属性有关，通常与曝光时间成反比例关系，是一个变量，0＜η≤1；
P——环境压强，通常为一个标准大气压；
S——单层曝光面积，单位m2。
2.根据权利要求1所述的基于力反馈系统的3D打印方法，其特征在于：所述材料的最大上拉力参数值在初期打印和后期稳定打印的值均不相同，所述参数值均由材料商提供；该材料商会对应提供初期打印时的最大下压力参数值和后期稳定打印时的最大下压力参数值。
3.根据权利要求2所述的基于力反馈系统的3D打印方法，其特征在于：所述步骤g)中设定的值域不超过相应打印时期对应的材料的最大下压力参数值。
4.根据权利要求1或3所述的基于力反馈系统的3D打印方法，其特征在于：在步骤a)中，力反馈系统在成型平台下降的过程中采集到数据达到成型平台与材料盘充分接触的压力值时，减缓电机速度，对成型平台进行微调，直至力反馈系统的读数稳定在所述压力值时，电机停止，找底成功。
5.根据权利要求1所述的基于力反馈系统的3D打印方法，其特征在于：所述步骤d)中，当CurrentForce≥MaxForce时，成型平台停止或减速上移，在此状态下等待500ms-1500ms。
6.根据权利要求1所述的基于力反馈系统的3D打印方法，其特征在于：所述步骤e)中，阀值MaxForce每次自动增大10％-20％。
7.根据权利要求1所述的基于力反馈系统的3D打印方法，其特征在于：所述步骤f)中，成型平台上移到电机停止的设定高度距离为2mm-4mm。
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