CN106584840B - 一种单向大尺寸制件的3d打印方法及其打印装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种单向大尺寸制件的3D打印方法及其打印装置，对欲打印制件的模型进行分块处理后形成的代码进行特殊处理，能够实现打印头和打印床在打印过程重新自动调整打印位置，从而保证打印范围；本发明中的打印床为组合式结构，能够实现活动打印板的自由连接及拼装并最终形成能够满足单向尺寸要求的一体化打印床，该打印床能够在打印过程中配合打印头实现活动打印板的自动移位。本发明解决了现有3D打印设备单方向打印尺寸受限的问题，实现单向大尺寸制件的自动一体化3D打印，从而保证大尺寸制件的性能及尺寸精度，为诸多领域的单向大尺寸零部件的制造提供快速、有效的解决方案。
Description
一种单向大尺寸制件的3D打印方法及其打印装置
技术领域
[0001] 本发明属于增材制造装备技术领域，具体涉及一种单向大尺寸制件的3D打印方法 及其打印装置。
背景技术
[0002] 3D打印即增材制造，它主要包括激光选择性烧结(SLS)、光固化成型（SLA)、分层实 体制造(L0M)、熔融沉积技术(FDM)等。这些技术多通过计算机软件将欲打印制件的CAD三维 模型沿某一个或几个方向分层切片处理后，得到每层截面轮廓的加工信息，在3D打印机中 层层堆积，并采用不同方式来使堆积的材料固化，从来快速、精确的获得所需制件的方法。 在该过程中，3D打印装置是必要的设备，这些设备因打印方式及打印材料的不同存在较大 差异，以熔融沉积设备为例，其至少可以包括桌面式的3D打印机和工业级的3D打印机。
[0003] 然而，不论哪一种3D打印机，其均会受到机架尺寸的限制，其打印所得的制件均有 一定的尺寸要求，目前，即使是大型的工业级3D打印机，比如，Stratasys公司的FDM900，其 打印制件的最大长度也仅为900mm。因此，经常会出现打印制件的要求超过了 3D打印机机架 尺寸限制的情况。
[0004] 中国发明专利（申请号:201410422928.9)公开了一种大尺寸零部件的3D打印制造 方法，该方法主要将待制造的大尺寸零部件分成若干部分，分别打印制造后再组合为一起， 但是这会造成因切割拼接而影响到制件性能及尺寸精度，另外，也在无形中增加了打印前 后处理过程的复杂性。
[0005] 同时，打印制品的性能除了与原材料的组成有关，还与打印路径等工艺因素有关， 最近国际杂志上出版了一篇论文，[Ying-Guo ZH0U，Bei SU，Lih-Sheng TURNG.Depositing-induced Effects of Isotactic Polypropylene and Polycarbonate Composites During Fused Deposition Modeling.Rapid Prototyping Journal,2017,23
[5] ，Doi:10.1108/RPJ-12-2015-0189.]，该文描述了在3D打印中，沿着打印方向在一些特 定的工艺条件下材料会因打印诱导效应发生结构改变，从而使制品性能差异较大。因而，3D 打印在特定的条件下，不仅仅是材料简单的堆积，而会因打印过程某一方向上的作用力起 到改变材料结构的作用，分割打印并组合的方式则无法充分利用打印诱导效应，其在分割 处往往容易形成力学性能的薄弱环节。对于大尺寸制件来说，其力学性能也往往是需要重 点关注的，如果能够有效利用这种打印诱导效应，则对于提高制件性能会有较大帮助。
发明内容
[0006] 发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种单向大尺寸 制件的3D打印方法及其打印装置。
[0007] 技术方案:本发明所述的一种单向大尺寸制件的3D打印方法，包括以下步骤：
[0008] (1)根据欲打印制件的尺寸和活动打印板的尺寸确定需要的分块数量以及所需要 的活动打印板数量，例如将两者的商值往上取整数；
[0009] (2)将活动打印板进行连接拼装后进行无缝化处理(例如可以采用粘接的连接方 式），形成能够满足尺寸的一体化打印床；
[0010] (3)对欲打印制件的模型分块处理后转化为用于打印的打印代码，进行合并且增 加相应的处理代码，其中，合并方式包括每一层上的分块合并和综合合并，合并操作可以通 过手工或者编制计算机程序来完成；
[0011] (4)将打印床最边缘的活动打印板置于打印范围内开始打印，当打印尺寸超过机 器的正常打印范围以及打印路径需要越过活动板时，打印床的控制电机带动相应的齿轮齿 条结构驱动活动打印板运动，使相邻的活动打印板进入到机器的打印范围内；
[0012] (5)打印头和活动打印板的调整同步调整，并继续沿着所需的打印路径进行打印；
[0013] ⑹如此往复，最终实现单个方向上的大尺寸制件的3D打印。
[0014]本发明还公开一种应用于单向大尺寸制件的3D打印方法中的打印装置，包括机架 以及安装于机架内的打印头和打印床组件，打印头悬于打印床组件上方，打印床组件包括 安装于机架底部的支撑板、支撑板上方通过支撑元件固定有伸缩支架，伸缩支架上方安装 有活动打印板，活动打印板上放置待打印的大尺寸制件;所述支撑板上还设有控制电机以 及相应的齿轮齿条传动组件;所述打印头可在三维空间中的任意选定的两个方向上运动， 同时打印床组件作为一个整体可沿另一个方向运动，最终实现在机架范围内三个方向上的 打印。
[0015] 其中，所述齿轮齿条传动组件的齿条安装在活动打印板的伸缩支架，齿轮安装在 控制电机的顶端，控制电机固定于支撑板，齿轮齿条传动组件将控制电机的旋转运动转变 为活动打印板的直线运动。
[0016] 进一步的，所述机架上开设有一组活动门，当需要打印大尺寸制件时，只需将两扇 活动门打开即可，活动打印板组成的打印床组件能够自由移动。
[0017] 进一步的，所述支撑板上与伸缩支架之间设有若干定位装置，以便于活动打印板 在移动后能够被定位装置精确定位，所述伸缩支架的长度能够根据需要调整。
[0018] 进一步的，上述定位装置采用弹簧钢珠式定位装置。
[0019] 进一步的，所述活动打印板包括若干打印板本体，安装于打印板本体下方的支撑 架，通过支撑架将打印板设置于伸缩支架，每个打印板本体两端均设置有连接接头，通过连 接接头将各个打印板本体相连组成完整的活动打印板;活动打印板内部均安装有温度控制 部件，温度控制部件相互之间可以联接成为一体，可以实现整个活动打印板(即各个打印板 本体)的温度控制一致。
[0020] 进一步的，所述各个活动打印板的温度控制部件还可相互之间不进行连接，而分 别控制，使得使用起来更加灵活便捷。
[0021] 有益效果:本发明能够通过增加活动打印板的数量来解决现有邪打印设备打印尺 寸不足的问题，实现单向大尺寸零部件的自动化3D打印，活动打印板的温度控制也更加灵 活，采用的齿轮齿条传动机构，能够使打印板的运动平稳，同时，该打印过程为一体化过程， 从而为有效利用材料在打印过程中的打印诱导效应提供可能，这些均有利于保证大尺寸零 件的性能及尺寸精度，从而为诸多领域的单向大尺寸零部件样件或成品的制造提供快速、 有效的解决方案。 _
[0022] 综上，本发明解决了现有3D打印设备单方向打印尺寸受限的问题，实现单向大尺 寸制件的自动一体化3D打印，从而保证了大尺寸制件的性能及尺寸精度，为诸多领域的单 向大尺寸零部件的制造提供快速、有效的解决方案。
附图说明
[0023]图1为本发明中的打印方法流程示意图；
[0024]图2为打印代码在每一层上的分块合并示意图；
[0025]图3为本发明中的打印装置结构示意图；
[0026]图4为本发明中的齿轮齿条传动组件结构示意图；
[0027]图5为本发明中打印代码综合合并示意图；
[0028]图6为本发明中对打印代码综合合并处理的计算机程序设计流程示意图。
[0029]其中，1为打印头，2为待打印大尺寸制件，31为活动打印板，32为伸缩支架，33为支 撑板，34为定位装置，35为控制电机，36为温度控制部件，4为机架，41为齿条，42为齿轮。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于 所述实施例。
[0031] 实施例1:
[0032] 为了能够突破现有3D打印机在某个方向上的尺寸限制，本实施例中以X方向为例， 并以使用3块活动打印板作为代表，对其相应的打印制件的前处理方法、打印装置以及打印 过程说明如下：
[0033] 1)对打印制件的前处理
[0034]当需要打印单向大尺寸制件时，除了和常规打印制件的前处理方法类似以外，还 需要重点处理以下两个方面，其一，假设活动打印板X方向的长度为500mm，欲打印制件的X 方向为1001〜1500mm时，则确定需要的分块数量为3块（1500/500 = 3)，活动打印板的端部 均有插接部件，另外活动打印板内部带有温度控制组件，由此可将该3块活动打印板联接拼 装，然后，将各活动打印板之间粘接，保证各打印板中间不出现缝隙，从而形成了能够满足 尺寸的一体化打印床，并将打印床的最边缘的活动打印板置于打印范围内，如图丨中的最上 图所示。其次，使用一些商用的三维造型软件，比如PR0E或UG等，对欲打印制件的模型进行 相应分块处理，使中间一块制件的X方向长度和活动打印板的长度一致，这样可以保证每一 部分可以分别打印出来，然后分别将这些分块模型转化为可以控制机器动作的用于打印的 打印原代码，之后将这些分块原代码进行合并，同时，在合并的代码中间增加相应的处理代 码来控制打印头和活动打印床的动作，其特点为在每一层上的分块合并，其具体实现方式 如图2所示。其中，合并前的分块处理代码可以利用现有商用3D打印机自带控制软件方便得 到，而合并后的处理代码为本发明实施后的结果。由于图2所示的合并操作为分块的每一层 之间的合并，合并的工作量相对不大，可以采用手工完成。
[0035] 2)打印装置
[0036]为了实现这种打印方式，本发明中的打印装置如图3所示，包括机架以及安装于机 架内的打印头和打印床组件，打印头悬于打印床组件上方，打印床组件包括安装于机架底 部的支撑板、支撑板上方通过支撑元件固定有伸缩支架，支撑板上与伸缩支架之间设有弹 簧钢珠式的定位装置以实现定位，伸缩支架上方安装有活动打印板，大尺寸制件即将在活 动打印板上打印出来;支撑板上还设有控制电机以及相应的齿轮齿条传动组件;打印头可 在三维空间中的任意选定的两个方向上运动，同时打印床组件作为一个整体可沿另一个方 向运动，最终实现在机架范围内三个方向上的打印。
[0037]本实施例中，打印头能够在X方向和Y方向运动，而打印床组件作为一个整体能够 在Z方向上运动，它们的运动范围和普通3D打印机类似，均会受到机架的限制;在支撑板上 安装有控制电机，控制电机通过齿轮齿条能够带到活动打印板作X方向的运动，其结构简图 如图4所示，其中齿条安装在活动打印板的伸缩支架上，齿轮安装在控制电机的顶端，控制 电机固定在支撑板上，齿轮齿条传动组件能够将控制电机的旋转运动转变为打印板的X方 向的直线运动。在打印机的控制电路部分增加控制电机运动的相应组件，包括电位器以及 功率放大器等，其组成元件和控制方式与其它电机（比如控制打印头运动的电机)完全类 似。
[0038]活动打印板中的温度控制部件和现有普通3D打印机的打印床中的加热装置和温 度感知元件类似，不过，它的温度控制方式更加灵活，它既能够实现整体式的温度控制，即 各个活动打印板的温度控制一致，又可以将该打印机的各个活动打印板自身的温度控制部 件相互之间不进行连接，而将它们分别控制。
[0039] 3)打印过程
[0040]首先，三个活动打印板中最左端的活动打印板在机器的正常打印范围内，此时机 器从该端开始打印；当打印尺寸超过机器的正常打印范围时，控制电机带动相应的齿轮齿 条结构驱动活动打印板运动，使中间一块活动打印板进入到机器的打印范围内，并被定位 装置精确定位；同时，分块处理的原代码将自动驱动打印头，从而调整了打印位置，使得打 印路径能够越过最左端活动板而在中间活动板上沿着所需的路径进行打印；继而，当打印 尺寸再次超过机器的正常打印范围后，最右边的活动打印板被自动送入到打印区域，同时， 打印头也完成新的调整，这样首先完成该层的打印；之后，在打印第二层时，可以确定活动 打印板从右往左的运动;最终，如此往复，实现了单个方向上的大尺寸制件的打印。
[0041]需要说明的是，上述的打印头和组合式打印床在三维空间运动方向的选择上可以 有多种方式，但不论是哪一种方式，只要活动打印板的运动方向和制件最长尺寸的方向一 致，则均可以实现打印效果。
[0042]另外，本例中各活动打印板的尺寸完全一致，其处理方法也适用于各活动打印板 尺寸不一致的情形。
[0043] 实施例2:
[0044]实施例1中的打印过程在每层之间实现了分块打印，这种方式中打印板的运动次 数仅为2N次(N层），为了更接近于现有3D打印的打印路径，在实施例丨的基础上，本实施例中 仍以X方向上的大尺寸制品为例，并以使用3块活动打印板作为代表，对其相应的打印制件 的前处理方法、打印装置以及打印过程作以说明。不过，
[0045] 1)对打印制件的前处理
[0046]当需要打印单向大尺寸制件时，除了和常规打印制件的前处理方法类似以外，还 需要重点处理以下两个方面，其一，假设活动打印板X方向的长度为500mm，欲打印制件的x 方向为1001〜1500mm时，则需要的分块数量为3块，活动打印板的端部均有插接部件，另外 活动打印板内部带有温度控制组件，由此可将该3块活动打印板联接拼装，然后，将各活动 打印板之间粘接，保证各打印板中间不出现缝隙，从而形成了能够满足尺寸的一体化打印 床，并将打印床的最边缘的活动打印板置于打印范围内，如图1中的最上图所示;其次，使用 一些商用的三维造型软件，比如PROE或UG等，对欲打印制件的模型进行相应分块处理，使中 间一块制件的X方向长度和活动打印板的长度一致，这样可以保证每一部分可以分别打印 出来，然后分别将这些分块模型转化为可以控制机器动作的原代码，之后将这些分块原代 码进行合并，同时，在合并的代码中间增加相应的处理代码来控制打印头和活动打印床的 动作。
[0047]但是，此处的合并方式和实施例1不同，其不仅要对打印的每一层进行合并，同时， 只要是在打印路径上需要穿过打印边界时均进行合并，现以一条长直线的打印路径为例说 明其具体实现方式，如图5所示，其中，一条长直线合并前的分块处理代码可以利用现有商 用3D打印机自带控制软件方便得到，而合并后的处理代码为本发明实施后的结果。由于图5 所示的合并操作仅为一条长直线的合并，作为欲打印制件在每一层上可能有数条需要合并 的直线或斜线，因而，这部分合并的工作量较大，可以采用计算机软件编制程序的方式来自 动完成，计算机程序设计的主要流程如图6所示。
[0048]需要特别强调的是，在按照图6所示的流程编制程序时，判断“是否需要穿越打印 板边界”这一步骤最为关键，本实施例要求两个判断依据同时满足，即当仅在X方向上超过 边界时，相邻打印板的位置坐标在调整后相同以及打印方向在调整前后一致，这两者均满 足时可以认为需要穿越边界。例如，程序读到分块代码1中有将打印路径从(300,100)到 (500，300)时，而分块代码2中有将打印路径从(0,300)到（200,500)时，可以认为这一个打 印路径需要穿越边界，这是因为，分块代码1的（500,300)和分块代码2中的（0,300)在打印 板移位后其坐标是相等的，可以认为是同一个点，同时，它们的打印角度都为45度。再比如， 程序读到分块代码1中有将打印路径从(300,100)到(500，300)时，而分块代码2中有将打印 路径从(0，300) 51」(200，100)时，则可以认为这一打印路径不需要穿越边界，其原因在于，尽 管分块代码1的（500,300)和分块代码2中的(0,300)在打印板移位后其坐标是相等的，可以 认为是同一个点，但它们的打印角度不同，前者为45度，而后者为-45度，此时，将按照实施 例1所描述的方式进行每一分层上的合并操作。显然，这种方式中的第一个条件是必须的， 但本实施例中要求同时满足这两个条件主要是考虑到，实际的打印路径较为复杂，如只满 足前一个条件可能会出现错误，同时，如果方向不同，在实际打印过程中利用打印诱导效应 的可能性也不大，因而采用如实施例1中所描述的每一层上的合并操作，从而减少活动打印 板的运动次数。
[0049] 2)打印装置
[0050] 为了实现这种打印方式，本发明中的打印装置也如图3和图4所示，和实施例1完全 一样的结构，此处省略。
[0051] 3)打印过程
[0052] 首先，三个活动打印板中最左端的活动打印板在机器的正常打印范围内，此时机 器从该端开始打印；以一条长直线为例，当打印尺寸超过机器的正常打印范围时，控制电机 带动相应的齿轮齿条结构驱动活动打印板运动，使中间一块活动打印板进入到机器的打印 范围内，并被定位装置精确定位；同时，分块处理的原代码将自动驱动打印头，从而调整了 打印位置，使得打印路径能够越过最左端活动板而在中间活动板上沿着所需的路径进行打 印；继而，当打印尺寸再次超过机器的正常打印范围后，最右边的活动打印板被自动送入到 打印区域，同时，打印头也完成新的调整，这样首先完成该条直线的打印;之后，在打印第二 条直线时，可以确定活动打印板从右往左的运动;最终，如此往复，实现了每一层的打印，并 进而完成单个方向上的大尺寸制件的打印。
[0053] 需要说明的是，上述的打印头和打印床组件在三维空间运动方向的选择上可以有 多种方式，但不论是哪一种方式，只要活动打印板的运动方向和制件最长尺寸的方向一致， 则均可以实现打印效果。
[0054] 另外，本例中各活动打印板的尺寸完全一致，其处理方法也适用于各活动打印板 尺寸不一致的情形。
Claims (10)
1.一种单向大尺寸制件的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 根据欲打印制件的尺寸和活动打印板的尺寸确定需要的分块数量以及所需要的活 动打印板数量； (2) 将活动打印板进行连接拼装后进行无缝化处理，形成能够满足尺寸的一体化打印 床； (3) 对欲打印制件的模型分块处理后转化为用于打印的代码，进行合并且增加相应的 处理代码，其中，合并方式包括每一层上的分块合并和综合合并，合并操作通过手工或者编 制计算机程序来完成； (4) 将打印床最边缘的活动打印板置于打印范围内开始打印，当打印尺寸超过机器的 正常打印范围以及打印路径需要越过活动板时，打印床的控制电机带动相应的齿轮齿条结 构驱动活动打印板运动，使相邻的活动打印板进入到机器的打印范围内； ⑸打印头和活动打印板的调整同步调整，并继续沿着所需的打印路径进行打印； ⑹如此往复，最终实现单个方向上的大尺寸制件的3D打印。
2. 根据权利要求1所述的单向大尺寸制件的3D打印方法，其特征在于:所述步骤（1)中 活动打印板的分块数量的确定方法为:将打印制件和活动打印板的尺寸两者的商值往上取 整数即可； 所述步骤⑵中的无缝化处理的方式包括粘贴。
3. —种实现基于权利要求1或2任意一项所述的单向大尺寸制件的3D打印方法的打印 装置，其特征在于:包括机架以及安装于机架内的打印头和打印床组件，打印头悬于打印床 组件上方，打印床组件包括安装于机架底部的支撑板、支撑板上方通过支撑元件固定有伸 缩支架，伸缩支架上方安装有活动打印板，活动打印板上放置待打印的大尺寸制件;所述支 撑板上还设有控制电机以及相应的齿轮齿条传动组件;所述打印头可在三维空间中的任意 选定的两个方向上运动，同时打印床组件作为一个整体可沿另一个方向运动，最终实现在 机架范围内三个方向上的打印。
4. 根据权利要求3所述的实现单向大尺寸制件的3D打印方法的打印装置，其特征在于： 所述机架上开设有一组活动门。
5. 根据权利要求3所述的实现单向大尺寸制件的3D打印方法中的打印装置，其特征在 于:所述支撑板上与伸缩支架之间设有若干定位装置，以便于活动打印板在移动后能够被 定位装置精确定位，所述伸缩支架的长度能够根据需要调整。
6. 根据权利要求3所述的实现单向大尺寸制件的3D打印方法中的打印装置，其特征在 于:所述齿轮齿条传动组件的齿条安装在活动打印板的伸缩支架，齿轮安装在控制电机的 顶端，控制电机固定于支撑板，齿轮齿条传动组件将控制电机的旋转运动转变为活动打印 板的直线运动。
7. 根据权利要求5所述的实现单向大尺寸制件的3D打印方法中的打印装置，其特征在 于:所述定位装置采用弹簧钢珠式定位装置。
8. 根据权利要求3所述的实现单向大尺寸制件的3D打印方法中的打印装置，其特征在 于:所述活动打印板包括若干打印板本体，安装于打印板本体下方的支撑架，通过支撑架将 打印板设置于伸缩支架，每个打印板本体两端均设置有连接接头，通过连接接头将各个打 印板本体相连组成完整的活动打印板;活动打印板内部均安装有温度控制部件。
9.根据权利要求8所述的实现单向大尺寸制件的3D打印方法中的打印装置，其特征在 于:所述各个活动打印板的温度控制部件相互之间不进行连接，而分别控制。 W •根据权利要求8所述的实现单向大尺寸制件的3〇打印方法中的打印装置，其特征在 于:所述各个活动打印板的温度控制部件相互之间连接为一体，实现各打印板温度的一致。
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