CN106903903A - 圆柱面叠层相加的3d打印工艺 - Google Patents

Abstract

圆柱面叠层相加的3D打印工艺，包括：圆柱面生成机构，选择性借用传统3D打印工艺，选择性配置相应喷头、喷嘴、扫描机构和成型材质与支撑材质，其特征是，圆柱面生成机构包括转动基盘、驱动马达、升降装置。本发明系由工件内部向外打印，且可在某些实物曲面上进行3D打印，传统平面3D打印系本发明圆柱面半径趋无限大时的特例。本发明可与传统机床加工整合为一体，从而3D打印具可修改、可纠错功能。

Description

圆柱面叠层相加的3D打印工艺

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及圆柱面叠层相加的3D打印工艺。

背景技术

目前的3D打印技术，除个别外，几乎都建立在平面叠层相加的成型工艺基础之上，无论是激光加工的立体光固化成型(SLA)、激光切纸成型(LOM)、激光烧结成型(SLS)、激光烧熔成型(SLM)和熔融挤压成型(FDM)、微滴喷射的三维打印成型(TDP)等等，都是如此，都属于平面叠加工艺。

康子纯2014.6.23和2014.7.2向国家知识产权局提出《园柱面叠层相加的3D打印工艺》发明专利申请(申请号201410280539.7与201410310814.5)，试图突破这一传统工艺限制，提出一种新颖的圆柱面叠层相加的3D打印成型工艺，为3D打印提供新的潜在应用可能性，例如由工件内部开始向外加工，或者在打印工件或成品工件的曲面上加工电子线路甚至显示屏，以及将增材制造的3D打印与传统的减材制造的机床加工整合、兼容于一体，等等。不过，康子纯的上述申请因故没在指定期限内对国家知识产权局的“补正通知书”进行答复而被“视为撤回”，故此，在对2014.6.23和2014.7.2的原发明做了改进后，现提出新的“改进的园柱面叠层相加3D打印工艺”发明构想。

发明内容

传统3D打印几乎都是采用平面叠层相加工艺，本发明提出新颖圆柱面叠层相加3D打印工艺，以圆柱面母线打印或圆柱面圆环准线打印取代传统的平面打印，扩展3D打印技术领域，并将增材制造的3D打印，与减材制造的传统机床加工整合、兼容于一体。

众所周知，直角坐标可以轻易转换为圆柱面坐标：

其中，o≤r≤+∞，o≤θ≤2π，-∞＜z＜+∞

故此，传统3D打印工艺中使用的工件数字模型及其STL文件，可以方便地转换为圆柱面叠层相加工艺中圆柱面数据，实现圆柱面叠层相加3D打印，此处不做赘述。

注意，当r足够大时，圆柱面就近似于平面，其时圆柱面上的打印就近似于平面打印，所以，传统平面叠层相加的3D打印，不过是圆柱面叠层3D打印在r 趋于∞时的极限特例。

本发明改进的圆柱面叠层相加的3D打印工艺，包括：圆柱面生成机构，圆柱面叠层相加3D打印的选择性借用传统3D打印FDM、TDP、DOP等工艺，以及相应选择性配置喷头、喷嘴、扫描机构等，和相应选择性配置成型材质和支撑材质，以及在圆柱面叠层相加3D打印机上，选择性配置传统减材制造的机床加工设备及刀具，还包括园柱面叠层相加3D打印

工艺过程；

所述圆柱面生成机构，包括转动基盘，驱动马达，喷头、喷嘴、扫描机构升降装置,和辅助性成型平台，其特征是：圆柱面生成机构的转动基盘，分主、从两个转动基盘，平行设置于圆柱面两侧；主转动基盘沿Z轴方向不动，从传动基盘可沿Z轴方向平行移动；主转动基盘由计算机控制的马达驱动，与喷头、喷嘴、扫描机构升降装置配合，生成圆柱面半径由零至打印工件所要求的最大半径之间的一个个相邻的打印工作圆柱面，从转动基盘由主转动基盘马达和副转动轴与传动装置驱动，与主转动基盘同速转动；转动基盘相对圆柱面的一端为卡盘及卡盘夹住的成型材质圆锥面体，可为工作圆柱面母线打印或工作圆柱面圆环

准线打印提供成型工件的端部附着点或支撑结构附着点；转动基盘的卡盘，用以卡住成型材质制作的园锥面体，或卡住成品器件做圆柱面的3D打印加工或传统机床加工；转动基盘的卡盘和卡盘夹住的成型材质园锥面体可分离，方便3D打印和传统机床加工。圆柱面生成机构的驱动马达，在计算机控制下，不管采用什么马达或传动方式，需确保所生成的打印工作圆柱面的两条相邻成型母线间距恰好等于喷墨液滴直径或熔融挤压材质液滴冷凝直径，或确保打印工作圆柱面的圆环准线速度不变，圆环准线相邻打印点等于喷墨液滴直径或熔融材质液滴冷凝直径，以保证圆柱面打印的成型工件质量；圆柱面生成机构的喷头、喷嘴、扫描机构的升降装置，不管是采用液压或其它机械方式，都是为了确保成型的打印工作

圆柱面的打印母线或打印圆环准线的打印点处在圆柱面最高位置，即处在所选择设置3D打印喷嘴以及选择设置的3D打印工艺及相应材质的作用距离之内，同时确保圆柱面生成机构的驱动马达和喷头、喷嘴、扫描机构的升降装置配合生成的两个相邻打印工作圆柱面的间距Δr，等于预先设定的圆柱面叠层相加打印的材质成型厚度；喷头、喷嘴、扫描机构，由步进马达驱动，带动喷头、喷嘴沿Z轴方向作平移扫描；圆柱面生成机构的辅助性成型平台，系为了在圆柱面3D打印之始，即在r为零的情况下，为打印工件零母线(r＝0)打印的成型材质或支撑材质提供易脱离的附着平台，它是可沿Y轴方向升降的、不与成型材质粘连的辅助性成型平台。

所述圆柱面叠层相加3D打印的选择性借用传统3D打印FDM、TOP、DOP等工艺以及相应选择性配置喷头、喷嘴、扫描机构等，和相应选择性配置成型材质和支材质等，其特征是：相应选择借用和相应选择配置需适应圆柱面叠层相加3D打印。

所述选择性配置传统减材制造的机床加工设备及刀具，其特征是，选择性配置的传统减材制造机床加工设备及刀具、钻具等，设置在与3D打印主、从转动基盘的副传动轴的相对一侧，可让该设备及刀具、钻具沿X、Y、Z轴平行移动，以便利与3D打印配合或单独对工件进行减材加工。

所述圆柱面叠层相加3D打印工艺过程，其特征是，在所选借用传统3D打印某种工艺，及喷头、喷嘴、扫描机构等配置，和相应所选成型材质和支撑材质配置的情况下，依据工件数字设计模型的STL格式文件转换成的圆柱面数据，圆柱面生成机构由喷头、喷嘴、扫描机构升降装置和转动基盘驱动马达及传动装置配合，生成r由小到大的工作圆柱面；相邻两层工作圆柱面的径向间距Δr预先选定，等于圆柱面叠层相加打印的材质成型厚度；计算机控制的喷嘴，依据工件的圆柱面数据，或者沿工作圆柱面的最高处母线Z轴方向进行成型或支撑打印，待该母线打印完毕，圆柱面生成机构转动主、从基盘转动一角度Δθ，使

所生成该工作圆柱面的母线沿圆环准线方向偏转ΔL到相邻母线，使该相邻母线处工作圆柱面最高处，ΔL等于喷墨液滴直径或熔融材质液滴冷凝直径；依前例对该相邻母线进行成型或支撑打印，……以此类推，逐一对相邻母线进行打印，直到同一r半径的工作圆柱面全部打印完毕，再转到径向半径增大Δr的下一工作圆柱面的打印，……直到整个工件的圆柱面叠层相加3D打印完成；或者，计算机控制的喷嘴，依据工件的圆柱面数据，自圆柱面生成机构转动基盘生成的工作圆柱面靠近主转动基盘的一端的圆环准线的最高点，沿转动基盘生成的该工作圆柱面圆环准线进行成型或支撑打印，转动基盘确保生成的工作圆柱面的圆环准线匀线速度转动，使相邻打印点等于喷墨液滴直径或熔融材质液滴冷凝直径，待该圆环准线全部打印完毕，喷嘴在扫描机构步进马达控制下，在该工作圆柱面上沿母线方向Z移动Δz间距，Δz等于喷墨液滴直径或熔融材质液滴冷凝直径，然后对该圆环准线进行成型或支撑打印，直到打印完毕；依此类推，直到整个工作圆柱面打印完毕；再转到径向半径增大Δr的下一工作圆柱面的打印，……直到整个工件以这种方式打印完毕；或者，在打印过程中，喷头、喷嘴、扫描机构沿Z轴方向平行移动作母线打印，与马达驱动的转动基盘带动工作圆柱面旋转作圆环准线打印合成，相当于平面3D打印的喷头、喷嘴、扫描机构的X轴、Y轴平移运动合成，完成对该工作圆柱面的打印；……以此类推，直到整工件打印完成；然后分离连接在圆柱面生成机构转盘成型材质圆锥面体和成型工件上的支撑结构，取下成型工件，完成整个圆柱面叠层相加3D打印工作。

上述圆柱面叠层相加的3D打印最大弱点，是打印工作圆柱面的r＝0的轴心母线时，由于成型材质轴心母线非常细，特别是具有间断时需支撑，转动基盘无法成功、不变形带动它转动，此时，弥补方法是，辅助性可升降平台与成型材质不粘连；其次，可采用传统3D打印加工其工件轴心母线及其轴心线周边Δr工件，然后将其装入圆柱面叠层相加3D打印机转动基盘的卡盘，再以圆柱面叠层3D打印机进行后续加工。使3D打印具修改、重打功能；同时，配置的机床也可对打印工件或其它工件进行传统机床减材加工。圆柱面叠层相加3D打印，从理论上说所有传统平面叠层相加3D打印都成为它工作的圆柱面半径r→∞时的圆柱面叠层相加打印的特例。它的最大特点是从工件内部开始向外加工，而且，它可以比较方便地在某些实体曲面如杯子、花瓶、冰箱等日用商品上进行3D打印，加工电子线路、器件、显示屏等。整合传统机床加工的圆柱面叠层相加3D打印机，将3D打印增材制造与传统机床加工减材制造整合一体，兼具两者优势，成为适应性较强的多能制造工具，既可对3D打印工件做中途修改、更正，成为可修改、重打的3D打印机，又可独立对工件做传统机床加工，因而应用前景比较广阔。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明改进的圆柱面叠层相加的3D打印工艺实施例，包括：圆柱面生成机构，圆柱面叠层相加3D打印的选择性借用传统3D打印FDM工艺，以及相应选择性配置喷头、喷嘴(3)、扫描机构(20)等，和相应选择性配置成型材质和支撑材质，以及在圆柱面叠层相加3D打印机上，选择性配置传统减材制造的机床加工设备(18)及刀具(19)，还包括园柱面叠层相加3D打印工艺过程；

所述圆柱面生成机构，包括转动基盘(12，13，14，15)，驱动马达(9)，喷头、喷嘴(3)、扫描机构升降装置(20)，和辅助性成型平台(21)，其特征是：圆柱面生成机构的转动基盘(12，13，14，15)，分主(12，14)、从(13，15)两个转动基盘，平行设置于圆柱面两侧；主转动基盘(12，14)沿Z轴方向不动，从传动基盘(13，15)可沿Z轴方向平行移动；主转动基盘(12，14)由计算机控制的马达(9)驱动，与喷头、喷嘴(3)、扫描机构升降装置(20)配合，生成圆柱面半径由零至打印工件所要求的最大半径之间的一个个相邻的打印工作圆柱面(1)，从转动基盘(13，15)由主转动基盘(12，14)马达(9)和副转动轴(10)与传动装置(11)驱动，与主转动基盘(12，14)同速转动；转动基盘(12，13，14，15)相对圆柱面的一为卡盘(12，13)及卡盘夹住的成型材质圆锥面体(14，15)，可为工作圆柱面(1)母线(2)打印或工作圆柱面(1)圆环准线(5)打印提供成型工件(16)的端部附着点或支撑结构(17)附着点；转动基盘(12，13，14，15)的卡盘(12，13)，用以卡住成型材质制作的园锥面体(14，15)，或卡住成品器件做圆柱面的3D打印加工或传统机床加工；转动基盘(12，13，14，15)的卡盘(12，13)和卡盘夹住的成型材质园锥面体(14，15)可分离，方便3D打印和传统机床加工。圆柱面生成机构的驱动马达(9)，在计算机控制下，不管采用什么马达或传动方式，需确保所生成的打印工作圆柱面(1)的两条相邻成型母线(2，4)间距恰好等于喷墨液滴直径或熔融挤压材质液滴冷凝直径，或确保打印工作圆柱面的圆环准线(5)速度不变，圆环准线(5)相邻打印点等于喷墨液滴直径或熔融材质液滴冷凝直径，以保证圆柱面(1)打印的成型工件(16)质量；圆柱面生成机构的喷头、喷嘴(3)、扫描机构的升降装置(20)，不管是采用液压或其它机械方式，都是为了确保成型的打印工作圆柱面(1)的打印母线(2)或打印圆环准线(5)的打印点处在圆柱面最高位置(6)，即处在所选择设置3D打印喷嘴(3)以及选择设置的3D打印工艺及相应材质的作用距离之内，同时确保圆柱面(1)生成机构的驱动马达(9)和喷头、喷嘴(3)、扫描机构的升降装置(20)配合生成的两个相邻打印工作圆柱面的间距Δr，等于预先设定的圆柱面叠层相加打印的材质成型厚度；喷头、喷嘴(3)、扫描机构(20)，由步进马达驱动，带动喷头、喷嘴(3)沿Z轴方向作平移扫描；圆柱面生成机构的辅助性成型平台(21)，系为了在圆柱面3D打印之始，即在r为零的情况下，为打印工件零母线(r＝0)(8)打印的成型材质或支撑材质提供易脱离的附着平台(21)，它是可沿Y轴方向升降的、不与成型材质粘连的辅助性成型平台(21)。所述圆柱面叠层相加3D打印的选择性借用传统3D打印FDM工艺，以及相应选择性配置喷头、喷嘴(3)、扫描机构(20)等，和相应选择性配置成型材质和支撑材质等，其特征是：相应选择借用和相应选择配置需适应圆柱面叠层相加3D打印。所述选择性配置传统减材制造的机床加工设备(18)及刀具(19)，其特征是，选择性配置的传统减材制造机床加工设备(18)及刀具(19)、钻具等，设置在与3D打印主(12，14)、从(13，15)转动基盘的副传动轴(10)的相对一侧，可让该设备(18)及刀具(19)、钻具沿X、Y、Z轴平行移动，以便利与3D打印配合或单独对工件进行减材加工。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.改进的圆柱面叠层相加的3D打印工艺，包括：圆柱面生成机构，圆柱面叠层相加3D打印的选择性借用传统3D打印FDM、TDP、DOP等工艺，以及相应选择性配置喷头、喷嘴、扫描机构等，和相应选择性配置成型材质和支撑材质，以及在圆柱面叠层相加3D打印机上，选择性配置传统减材制造的机床加工设备及刀具，还包括园柱面叠层相加3D打印工艺过程；所述圆柱面生成机构，包括转动基盘，驱动马达，喷头、喷嘴、扫描机构升降装置，和辅助性成型平台，其特征是：圆柱面生成机构的转动基盘，分主、从两个转动基盘，平行设置于圆柱面两侧；主转动基盘沿Z轴方向不动，从传动基盘可沿Z轴方向平行移动；主转动基盘由计算机控制的马达驱动，与喷头、喷嘴、扫描机构升降装置配合，生成圆柱面半径由零至打印工件所要求的最大半径之间的一个个相邻的打印工作圆柱面，从转动基盘由主转动基盘马达和副转动轴与传动装置驱动，与主转动基盘同速转动；转动基盘相对圆柱面的一端为卡盘及卡盘夹住的成型材质圆锥面体，可为工作圆柱面母线打印或工作圆柱面圆环准线打印提供成型工件的端部附着点或支撑结构附着点；转动基盘的卡盘，用以卡住成型材质制作的园锥面体，或卡住成品器件做圆柱面的3D打印加工或传统机床加工；转动基盘的卡盘和卡盘夹住的成型材质园锥面体可分离，方便3D打印和传统机床加工；圆柱面生成机构的驱动马达，在计算机控制下，不管采用什么马达或传动方式，需确保所生成的打印工作圆柱面的两条相邻成型母线间距恰好等于喷墨液滴直径或熔融挤压材质液滴冷凝直径，或确保打印工作圆柱面的圆环准线速度不变，圆环准线相邻打印点等于喷墨液滴直径或熔融材质液滴冷凝直径，以保证圆柱面打印的成型工件质量；圆柱面生成机构的喷头、喷嘴、扫描机构的升降装置，不管是采用液压或其它机械方式，都是为了确保成型的打印工作圆柱面的打印母线或打印圆环准线的打印点处在圆柱面最高位置，即处在所选择设置3D打印喷嘴以及选择设置的3D打印工艺及相应材质的作用距离之内，同时确保圆柱面生成机构的驱动马达和喷头、喷嘴、扫描机构的升降装置配合生成的两个相邻打印工作圆柱面的间距Δr，等于预先设定的圆柱面叠层相加打印的材质成型厚度；喷头、喷嘴、扫描机构，由步进马达驱动，带动喷头、喷嘴沿Z轴方向作平移扫描；圆柱面生成机构的辅助性成型平台，系为了在圆柱面3D打印之始，即在r为零的情况下，为打印工件零母线(r＝0)打印的成型材质或支撑材质提供易脱离的附着平台，它是可沿Y轴方向升降的、不与成型材质粘连的辅助性成型平台；所述圆柱面叠层相加3D打印的选择性借用传统3D打印FDM、TOP、DOP等工艺，以及相应选择性配置喷头、喷嘴、扫描机构等，和相应选择性配置成型材质和支撑材质等，其特征是：相应选择借用和相应选择配置需适应圆柱面叠层相加3D打印；所述选择性配置传统减材制造的机床加工设备及刀具，其特征是，选择性配置的传统减材制造机床加工设备及刀具、钻具等，设置在与3D打印主、从转动基盘的副传动轴的相对一侧，可让该设备及刀具、钻具沿X、Y、Z轴平行移动，以便利与3D打印配合或单独对工件进行减材加工。