CN107379519A - 群填充fdm 3d打印法及其群喷口挤出机总成 - Google Patents

Abstract

群填充FDM 3D打印法及群喷口挤出机总成，属于机械领域。挤出机总成上设有2‑500个群喷口，每个喷口被独立控制，采用轮廓与填充分治铺设的广义切层的打印方式，用1层轮廓对1层填充或2‑30层轮廓对1层填充，在填充铺设过程中，当群喷口扫过切片的填充区域时，按填充区域的实际内容，当群喷口扫过切片的填充区域时，按填充区域的实际内容，群喷口中的全部：100％或部分：1‑99％同时喷出熔融物料，并采用连续与断续填充铺设方式；在填充方向上分为：正交或斜交填充方向；群喷口的排列为：直线排列、曲线排列或闭合曲线排列；供料方式使用容积泵或非容积泵或直接使用电机带动齿轮推挤固态料丝进入喉管。

Description

群填充FDM 3D打印法及其群喷口挤出机总成

[技术领域]

本发明属于机械技术领域；确切的讲是将物件切片分为轮廓与填充部分，填充部分的打印由群填充法来完成的FDM-3D打印成型方法及其挤出机总成。

[背景技术]

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加热熔化进而逐层堆积成型方法，简称FDM。大部分FDM快速成型技术可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中PLA(聚乳酸)具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点。

FDM-3D打印机基本构造与运行原理表述为：

主要包括送料机构，运载挤出机总成的2维或3维(水平X轴Y轴运动及垂直Z轴驱动)运动的机械装置，或挤出机总成的(Z轴方向)垂直方向保持静止，由Z轴方向的运动由一个独立的载物平台的升降完成；还有保持上述运动构建的结构壳体等；还有支持机械系统运动的电子控制系统等。工作情况如下：在电子系统的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，挤出机总成作X-Y平面运动，载物工作台调整高度，打印开始时工作台平面位于热熔喷头喷口位置，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.2—8mm厚的薄片轮廓。在一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面及轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。往往使用1 个专用喷口来铺设支撑材料(支撑材料一般是水溶性的，打印完毕后水洗除掉)；打印过程中，打印头在平面上的位移以及配合打印平台上下位移会形成一个三维空间，打印头和打印平台根据生成的路径进行打印，打印头完成一个平面上的打印任务后，打印平台自动下降一层，打印头继续打印，循环往复直至成品的完成。或者不使用Z轴电机驱动打印物件平台升降，打印物件平台保持Z轴方向静止，使用Z轴电机驱动挤出机总成上下移动；或者利用3根垂直丝杠驱动3个垂直移动的滑块，3个滑块都与挤出机总成进行铰轴链接，通过算法(3个滑块的Z 轴方向的位置坐标来决定挤出机总成的3维空间位置)而同样达到三维位移寻址的目的。打印头温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，打印头的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印平台一般为加热，打印平台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。

其结构细节阐述为：

挤出机总成是FDM快速成型技术的核心的部件是挤出机总成，而挤出机总成的构件为：喉管、加热铝体、加热棒及温度传感器等部件，多数采用加热棒对铝块进行加热,将塑料丝经过喉管的入口端挤入，再通过喉管导向，到达铝块加热部位熔化后进入喷口区域，融化后的塑料丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷口挤出，并挤到打印台上，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，可以使用热床打印台。单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机总成并列排列，打印速度更快效率也更高，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚度要求也更高。位于挤出机总成最下端喷头的喷口直径常见有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm的喷口，选定好喷口直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。

近端送丝就是将挤出机总成安装在打印头上，材料由挤出机总成直接挤入喉管，在铝块中融化由喷口喷出打印。这种安装方式由于挤出机总成与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。而远端送丝是将挤出机总成安装在离挤出机总成较远位置，驱动电机一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出机总成上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中。

目前FDM-3D打印机的驱动挤出机寻址的3维机械系统分为：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的(X、Y轴)2维机械传动+(Z轴)升降载物平台系统、垂直3丝杠驱动(俗称：方式)的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统等。

电路部分包括：3D打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调、有序、完整的运行。FDM型3D打印机一种典型电路部分主要包括Arduino mega 2560主控板，Ramps 1.4拓展板以及步进电机驱动板。FDM-3D打印机软件部分举例：前面作者已经知道，3D打印机软件部分包括上位机软件和下位机软件两大部分，而每部分又有细分，通过软件的运行，作者才能实现主控板对打印参数的设置及控制。一台3D打印机所有软件完整运行的过程如下：首先，作者需要在电脑上的三维建模软件中完成零件的建模，如Solidworks、UG、3D Max 等三维软件，创建完3D模型以后将文件另存为STL格式，将STL文件在切片软件Slic3r中打开，通过一系列的打印设置，进行切片产生代码，在另一上位机软件Pronterface上将代码打开，并连接主板，主板上的下位机软件为Marlin 固件，运行前已提前进行参数设置，连接成功后，主板上的LED灯会闪烁，待打印机上加热管加热，温度升至设定温度后开始打印。

[发明内容]

目前FDM-3D打印机的技术缺陷：

层高(厚度)的选择决定着成型物件的表面质量与精度，轮廓边界保持着自然边界的弧状截面状态，目前最小的层高为0.1毫米，表面质量相对最佳，随着层高的减少打印速度极大放慢，质量与速度的矛盾无法调和。

目前的各种FDM挤出机的有效喷口都是1个，即使多喷口的也不是同时工作；在执行填充时多个喷头可以发挥快速的效率。

本发明的目的就在于解决已有产品的不足之处：

解决随着层高的减少打印速度极大放慢的这一成型质量与成型速度无法调和的矛盾，解决轮廓与填充层高的不兼容性；另外，单一喷口与填充区域的面积的维度差值甚大，点是0个维度，填充区域是2个维度；而多个喷口排列的是介于0个维度与1个维度之间的中间维度，因而在维度上获得了接近。

实际上，打印物件的切片的边界部分对应着打印物件的表面—称之为轮廓线，实际上，轮廓含外表面及内表面；轮廓代表着打印物件的外观，需要尺寸的精准度及表面的光滑性。

本发明特点：

构造简单、运行可靠、快速及完成传统技术所完成不了的结构细部及表面光滑度。

本发明内容:

群填充FDM 3D打印法，其结构部分包括：送料机构、挤出机总成、运载挤出机总成的2维或3维(水平X轴Y轴运动及垂直Z轴驱动)运动的机械装置，或挤出机总成在(Z轴方向)垂直方向保持静止，Z轴方向的运动是由一个独立的载物平台的升降完成、保持上述运动构建的结构壳体及支持机械系统运动的电子控制系统；基本工作原理为：在电子系统的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，挤出机总成作X-Y平面运动，载物工作台调整相对高度，打印开始时工作台平面位于热熔喷头喷口接近位置，被融化的热塑材料由热熔喷头喷口被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.2—8mm厚的薄片轮廓；在一层截面成型完成后工作台相对下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层铺设出截面及轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件；其特征就在于：挤出机总成上设有2-500个群喷口，每个喷口被独立控制，采用轮廓与填充分治铺设的广义切层的打印方式，用1层轮廓对1层填充或2-30层轮廓对 1层填充，在填充铺设过程中，当群喷口扫过切片的填充区域时，按填充区域的实际内容，当群喷口扫过切片的填充区域时，按填充区域的实际内容，群喷口中的全部：100％或部分：1-99％同时喷出熔融物料；，并采用连续与断续填充铺设方式；在填充方向上分为：正交或斜交填充方向；群喷口的排列为：直线排列、曲线排列或闭合曲线排列；供料方式使用容积泵或非容积泵或直接使用电机带动齿轮推挤固态料丝进入喉管。

群喷口FDM 3D挤出机总成：指的是安装了群喷口的挤出机总成，包括：承载结构、群喷口、加热元件、温度传感器及供料机构；其特征就在于：挤出机总成上设有2-500个群喷口，每个喷口被独立控制，群喷口的排列为：直线排列、曲线排列或闭合曲线排列；供料机构使用了容积泵或非容积泵或直接使用电机带动齿轮推挤固态料丝进入喉管；采用粉状材料的情况下，是将融化的粉使用气体的压力进行输送，需要一个密闭的环境；挤出喷口处的阀门起到单纯的开关作用，密闭空间气体的压力是使得熔融物料排出的动力，当然在喷口处使用泵 (带有密闭特点的容积泵)来推进物料，适应熔料容器的非密闭的情况下。

进一步：轮廓与填充分治铺设的广义切层的打印方式是指：该广义切层是用 1层轮廓对1层填充或有着相对较厚的厚度；分为轮廓打印过程及填充打印过程：轮廓打印过程：是对于切片的轮廓部分的打印，以沿着轮廓线的路径，并以挤出喷口直径的1-50倍的宽度作为轮廓部分的厚度，这相当于轮廓部分所对应的区域需要打印圈数是1-50圈，而且使用薄的层厚度来进行2层--30层打印过程，可以使用喷口较小的喷头，使得该部分有着精细的打印效果，由于轮廓区域面积远远小于切层的面积，时间不至于过于延长；之后是填充打印过程：是再对于轮廓以内的还未打印的填充区域进行打印，使用同一挤出喷口或更大直径的挤出喷口将该2层--30层填充区域所对应厚度分1层来填充完毕，称之为填充打印过程，该过程可以使用喷口较大的喷头，使得该部分有着快速的打印速度；便完成了1个广义切层的打印过程，之后循环往复进入下1个的广义切层的打印过程，直至完成整个物件的打印，由于打印物件的轮廓部分涉及到外观及装配精度问题，而填充部分仅仅是结构支撑的作用，因而能做到了速度与精度的完美结合，成倍的提高了打印效率。

进一步：填充方向：分为正交或斜交填充方向，决定填充率(群喷口沿着与喷口垂直的方向运动，所喷出的物料的轨迹群的轨迹的中心线之间的间距最大，此时的填充率最小；而当群喷口沿着与喷口垂直(正交)的方向运动，随着与垂直方向的偏离增大，所喷出的物料的轨迹群的轨迹的中心线之间的间距越小，此时的填充率不断增大直至100％；当然胶量的控制也是影响填充率的重要因素)

进一步：轮廓及支撑材料的铺设成型是使用群喷口中的1-50个喷口或独立的1-50个喷口。

进一步：群喷口阀门是具有关闭密封功能的，轴向位移针阀、旋转锥面或球阀或使用微排放泵(螺杆、齿轮、叶轮或压电陶瓷器件变形推进)

进一步：阀门中移动部件的位移驱动是使用：液压或气动或电磁驱动。

进一步：连续与断续填充铺设指的是：断续填充铺设是为了填充挤出时不积累起过大的应变数值，热收缩在各个断续的铺设段，分段完成，而腾出空间，下次铺设时将能铺入较多物料，而延缓热变性的绝对量值的积累，抑制整体的热形变。

本发明的有益效果在于:

可以大大的增加成型速度；由于是在大的层高下完成高精度的打印；同时喷口的直径也大，不仅加大了轮廓的成型速度，而填充实体的速度也能大大的加快，群喷口的引入将极大的增加填充速度，使得整个的打印速度获得了很大的整体提高。

[附图说明]

图1轮廓与填充分治FDM 3D打印法示意图

图2群填充工作过程示意图

标号说明：

(1)广义切层

(2)轮廓区域

(3)物件内表面

(4)物件外表面

(5)轮廓区域

(6)物件填充区域

(7)载物平台

(8)喷口群

(9)挤出熔料

(10)料丝

(11)AB、CD交面截面图

(12)针阀熔料部分

(13)熔融物料

(14)直线电机

(16)喉管

(17)挤出头熔料腔

(18)固定件

(19)电缆

(20)针阀尖部

(21)直线电机轴

[实施例证]

以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示：

在载物平台(7)上放置着打印物件；轮廓区域(5)、轮廓区域(2)的形状像是城墙，是使用较小的挤出机喷头喷口经由1-20层的铺设而成，城墙的宽度可以是1-50个铺设环环绕而成；也就是挤出机喷头喷口经由1-50个铺设宽度铺设而成；然后由喷口直径较大的挤出机喷头喷口来1次性的完成上述1-20层厚度的物件填充区域(6)的铺设；便完成了1个广义切层(1)的铺设。

由于物件内表面(3)、物件外表面(4)的品质要求较高，因而采用较小的挤出机喷头喷口较为适宜。

如图2所示：

在挤出机总成上安装了喷口群(8)；该喷口群拍成一条直线，料丝(10) 经过喉管(16)被推入挤出头熔料腔(17)，高温使得物料融化，直线电机(14) 驱动直线电机轴(21)，由于熔融物料(13)带有一定压力，当针阀尖部(20) 被提升后，挤出熔料(9)被从喷口排出；4个喷口可以同时工作，也可以选择性的工作，选择多少个喷口工作，取决于被填充的切片截面的形状。

与单喷口相比较，由于1次铺设4条，因而只使用1/4的时间就能填充完同样面积的时间。

截面的细节部分：如AB、CD2条直线所交的平面的截面图(11)所示，控制信号由电缆(19)送入；针阀熔料部分(12)深入到高温熔融物料部分，固定件(18)将直线电机(14)与挤出头熔料腔(17)固定在一起。

的其他部分如：加热棒、传感器、承载部件等，属于公知部分，未被画出。

Claims (8)

1.群填充FDM 3D打印法，其结构部分包括：送料机构、挤出机总成、运载挤出机总成的2维或3维(水平X轴Y轴运动及垂直Z轴驱动)运动的机械装置，或挤出机总成在(Z轴方向)垂直方向保持静止，Z轴方向的运动是由一个独立的载物平台的升降完成、保持上述运动构建的结构壳体及支持机械系统运动的电子控制系统；基本工作原理为：在电子系统的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，挤出机总成作X-Y平面运动，载物工作台调整相对高度，打印开始时工作台平面位于热熔喷头喷口接近位置，被融化的热塑材料由热熔喷头喷口被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.2—8mm厚的薄片轮廓；在一层截面成型完成后工作台相对下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层铺设出截面及轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件；其特征就在于：挤出机总成上设有2-500个群喷口，每个喷口被独立控制，采用轮廓与填充分治铺设的广义切层的打印方式，用1层轮廓对1层填充或2-30层轮廓对1层填充，在填充铺设过程中，当群喷口扫过切片的填充区域时，按填充区域的实际内容，当群喷口扫过切片的填充区域时，按填充区域的实际内容，群喷口中的全部：100％或部分：1-99％同时喷出熔融物料；，并采用连续与断续填充铺设方式；在填充方向上分为：正交或斜交填充方向；群喷口的排列为：直线排列、曲线排列或闭合曲线排列；供料方式使用容积泵或非容积泵或直接使用电机带动齿轮推挤固态料丝进入喉管。

2.群喷口FDM 3D挤出机总成，包括：承载结构、群喷口、加热元件、温度传感器及供料机构；其特征就在于：挤出机总成上设有2-500个群喷口，每个喷口被独立控制，群喷口的排列为：直线排列、曲线排列或闭合曲线排列；供料机构使用了容积泵或非容积泵或直接使用电机带动齿轮推挤固态料丝进入喉管。

3.根据权利要求1群填充FDM 3D打印法所述的轮廓与填充分治铺设的广义切层的打印方式，其特征在于：所述该广义切层是用1层轮廓对1层填充或有着相对较厚的厚度；分为轮廓打印过程及填充打印过程：轮廓打印过程：是对于切片的轮廓部分的打印，以沿着轮廓线的路径，并以挤出喷口直径的1-50倍的宽度作为轮廓部分的厚度，这相当于轮廓部分所对应的区域需要打印圈数是1-50圈，而且使用薄的层厚度来进行2层--30层打印过程，可以使用喷口较小的喷头，使得该部分有着精细的打印效果，由于轮廓区域面积远远小于切层的面积，时间不至于过于延长；之后是填充打印过程：是再对于轮廓以内的还未打印的填充区域进行打印，使用同一挤出喷口或更大直径的挤出喷口将该2层--30层填充区域所对应厚度分1层来填充完毕，称之为填充打印过程，该过程可以使用喷口较大的喷头，使得该部分有着快速的打印速度；便完成了1个广义切层的打印过程，之后循环往复进入下1个的广义切层的打印过程，直至完成整个物件的打印，由于打印物件的轮廓部分涉及到外观及装配精度问题，而填充部分仅仅是结构支撑的作用，因而能做到了速度与精度的完美结合，成倍的提高了打印效率。

4.根据权利要求1群填充FDM 3D打印法所述的填充方向，其特征在于：分为正交或斜交填充方向，决定填充率(群喷口沿着与喷口垂直的方向运动，所喷出的物料的轨迹群的轨迹的中心线之间的间距最大，此时的填充率最小；而当群喷口沿着与喷口垂直(正交)的方向运动，随着与垂直方向的偏离增大，所喷出的物料的轨迹群的轨迹的中心线之间的间距越小，此时的填充率不断增大直至100％；当然胶量的控制也是影响填充率的重要因素)。

5.根据权利要求1群填充FDM 3D打印法所述的轮廓及支撑材料的铺设成型，其特征在于：是使用群喷口中的1-50个喷口或独立的1-50个喷口。

6.根据权利要求1群填充FDM 3D打印法所述的群喷口阀门，其特征在于：是具有关闭密封功能的，轴向位移针阀、旋转锥面或球阀或使用微排放泵。

7.根据权利要求1群填充FDM 3D打印法所述的阀门中移动部件的位移驱动，其特征在于：是使用：液压或气动或电磁驱动。

8.根据权利要求1群填充FDM 3D打印法所述的连续与断续填充铺设，其特征在于：断续填充铺设是为了填充挤出时不积累起过大的应变数值，热收缩在各个断续的铺设段，分段完成，而腾出空间，下次铺设时将能铺入较多物料，而延缓热变性的绝对量值的积累，抑制整体的热形变。