CN107498875A - 一种3d打印用的可调式外部支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D打印用的可调式外部支撑装置，属于快速成形技术领域。支撑装置包括控制单元及受该控制单元控制的升降横移单元与支撑单元；支撑单元安装在升降横移单元的输出端上，支撑单元包括支架及用于伸至待支撑位置以支撑三维物体的悬空部位的伸缩式支撑杆，支撑杆的下端通过用于控制其相对支架的摆角的摆动驱动装置与支架固定连接。在三维打印过程中，通过升降横移单元将支撑单元推送至待支撑区域下方，接着控制支撑杆的摆角与伸缩长度，以对三维物体的悬空部位进行支撑，可在减少打印支撑结构所需打印材料用量的同时，有效地提高三维物体的打印速度与质量，其可广泛地应用于快速成形技术领域。

Description

一种3D打印用的可调式外部支撑装置

技术领域

本发明涉及快速成形技术领域，具体地说，涉及一种3D打印用的可调式外部支撑装置。

背景技术

3D打印技术以产品的数字模型为基础，通过对数字模型进行切片分层，及依据切片分层结果逐层叠加材料的方法来成形出三维物体，即目标产品。相比于传统制造模式，3D打印可以成形出复杂度更高的产品。

FDM(Fused Deposition Modeling)打印技术是将打印材料加热至熔融状态，并通过喷头沿零件分层轮廓轨迹挤出，待冷却后固化成形。在打印过程中，若当前切片层的打印需要前一层切片层的支撑，且该切片层为三维物体的悬空部位时，则需添加支撑结构用于辅助成形，避免成形失败。因为材料本身的粘滞特性，可在无支撑状态下保持一定长度的材料不变形，称为材料的临界打印长度，超过临界打印长度，就要添加支撑结构。

在现有技术中，为根据临界打印长度确定支撑位置，并使用打印材料打印支撑结构，且在完成打印后，需除掉这些支撑结构，不仅影响打印效率和打印成本，甚至会破坏成形件的表面质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D打印用的可调式外部支撑装置，以减少打印支撑结构所需的打印材料的同时，有效地提高三维物体的打印速度与质量。

为了实现上述目的，本发明提供的可调式外部支撑装置包括控制单元及受该控制单元控制的升降横移单元与支撑单元；支撑单元安装在升降横移单元的位移输出端上，支撑单元包括支架及用于伸至待支撑位置以支撑三维物体的悬空部位的伸缩式支撑杆，支撑杆的下端通过用于控制其相对支架的摆角的摆动驱动装置与支架固定连接。

通过升降横移单元将支撑单元驱动至支撑区域，接着摆动驱动装置控制每根支撑杆的摆角而调整其支撑位置，以采用支撑杆替代部分甚至全部现有技术中采用打印材料打印出的支撑结构，且在打印完成后可拆下重复使用，不仅可提高打印速度与质量，且可减少对打印材料的使用与浪费。

第一个具体的方案为摆动驱动装置包括用于将支撑杆的下端铰接至支架上的铰轴及用于拉推支撑杆绕铰轴摆动的伸缩连杆；伸缩连杆的一端与支撑杆铰接，另一端与支架铰接。通过伸缩连杆与铰轴的配合，不仅能推动支撑杆摆动至期望位置进行支撑，且能提供较大力度的支撑。

第二个具体的方案为摆动驱动装置包括舵机，舵机的机壳与支架固定连接，支撑杆的下端与舵机的输出轴固定连接。摆动驱动装置的结构简单，且可利用舵机自身所携带的角度检测传感器向控制单元输出摆角数据，以便于控制支撑杆的支撑位置。

第三个具体的方案为支架在其高度方向上至少安装有两圈以上环绕其周向布置的所述支撑杆，每圈至少包括两根以上的支撑杆。有效减少整个支撑装置在收纳储藏时所需占用面积。

第一个更具体的方案为支架为两级以上的伸缩杆结构，每级伸缩杆上至少安装有一圈支撑杆。以通过调整每级伸缩杆的伸缩量，而调整安装在该级伸缩杆上的支撑杆在高度上位置，有效地减少不同层级支撑杆在规划支撑点时因相互干涉而影响支撑点布置。

再具体的方案为安装在一级伸缩杆上的摆动驱动装置包括将支撑杆的下端铰接至支架上的铰轴及用于拉推支撑杆绕所述铰轴摆动的伸缩连杆，伸缩连杆的一端与支撑杆铰接，另一端与一级伸缩杆铰接；安装在二级以上的伸缩杆上的摆动驱动装置包括舵机，舵机的机壳与支架固定连接，支撑杆的下端与舵机的输出轴固定连接。对于上级支撑杆选用舵机进行驱动，以将摆动驱动装置安装至伸缩杆的顶端而有效减少固定位置所需占用空间而进一步缩小收纳后的体积；而位于一级上支撑杆可以利用其摆动驱动装置可充分利用其布置位置的灵活性而利用伸缩连杆提高其摆角范围与摆开后的支撑力度。

第二个更具体的方案为支架包括用于驱动至少一圈支撑杆绕支架的周向转动以改变其支撑点位置的周向转动驱动装置及用于调整至少一圈支撑杆在高度方向上的位置的高度调整装置。可通过调整支撑杆在周向上与高度上的位置，以减少规划支撑点过程中支撑杆之间的干涉，以有效地提高其支撑效率与质量。

其中，第一个优选的方案为升降横移单元为驱动支撑单元在三维空间内做三维运动的三维驱动单元；相邻的两圈支撑杆在支架周向上的位置为相互交错布置，每圈支撑杆环绕支架的周向均匀布置，支撑杆为二级以上的伸缩式液压杆；支架为二级以上的伸缩式液压杆，伸缩式液压杆上设有用于安装支撑杆的耳座，便于固定摆角驱动装置；摆动驱动装置还包括用于向控制单元输出摆角检测信号的摆角检测传感器，提高其支撑位置的控制精度；支撑杆的支撑端为球面端，球面端涂布有易于与打印材料分离的表面层，球面端内置有加热层，以便于打印完成之后与三维物体分离。

第二个优选的方案为控制单元包括处理器及存储器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时能实现以下步骤：

获取步骤，获取三维物体的数字模型；

支撑路径规划步骤，根据打印材料在当前打印工况下的临界打印长度，规划出数字模型的悬空部位上的支撑点集；

支撑步骤，在打印三维物体的过程中，控制伸缩杆伸至对应支撑点对三维物体的悬空部位进行支撑。

进一步的方案为规划出数字模型的悬空部位上的支撑点集的步骤包括：以支架的垂向中心线为圆心，由内向外地根据临界打印长度规划出的待支撑位置及依据待支撑位置从备选支撑点集中选定支撑点位置；备选支撑点集由未安排支撑的支撑杆的可能支撑点构成。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图；

图2为本发明实施例中升降横移单元的立体结构示意图；

图3为本发明实施例中支撑单元的立体结构示意图；

图4为本发明实施例中支架的立体结构示意图；

图5为本发明实施例中第一种支撑杆的立体结构示意图；

图6为本发明实施例中伸缩连杆的立体结构示意图；

图7为本发明实施例中第二种支撑杆的立体结构示意图；

图8为本发明实施例中第三种支撑杆的立体结构示意图；

图9为基于本发明实施例的三维打印方法的工作流程图；

图10为使用本发明实施例对打印中的三维物体进行支撑的示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1，本发明可调式外部支撑装置1包括控制单元及受该控制单元控制的升降横移单元11与支撑单元12，支撑单元12安装在升降横移单元11的位移输出端26上。

参见图2，升降横移单元11为三维驱动单元，其用于驱动支撑单元12在三维空间内做三维运动，以移至待打印三维物体待支撑区域的正下方以对三维物体的悬空部位进行支撑。

升降横移单元11包括第一横移机构、升降机构、第二横移机构及四个用于将整个支撑单元11支撑在打印平台上或其他固定位置上的支撑座20。

第一横移机构包括两组支撑导杆21，可沿支撑导杆21的轴向滑动地安装在支撑导杆21上的滑块22，及用于驱动滑块22相对支撑导杆21滑动的驱动装置(图中未示出)；每组支撑导杆21由两根相互平行布置地固定在两个支撑座20间的水平支撑导杆构成；驱动装置为直线位移输出装置，在本实施例中选用伺服电机与丝杆螺母机构组成；滑块22通过其底部滑套220而可滑动地套装在支撑导杆21上。

升降机构包括两组支撑导杆23，可沿支撑导杆23的轴向滑动地安装在支撑导杆23上的滑块24，及用于驱动滑块24相对支撑导杆23滑动的驱动装置(图中未示出)；每组支撑导杆23由两根相互平行布置地固定在滑块22上的垂向支撑导杆构成；驱动装置为直线位移输出装置；滑块24通过其侧部滑套240而可滑动地套装在支撑导杆23上。

第二横移机构包括两组支撑导杆25，可沿支撑导杆25的轴向滑动地安装在支撑导杆25上的位移输出端26，及用于驱动位移输出端26相对支撑导杆25滑动的驱动装置(图中未示出)；每组支撑导杆25由两根相互平行布置地固定在两个滑块24间的水平支撑导杆构成；驱动装置为直线位移输出装置，支撑导杆25的轴向与支撑导杆21的轴向相互正交；滑块22通过其底部滑套220而可滑动地套装在支撑导杆21上。

参见图3，支撑单元包括支架3及用于伸至待支撑位置以支撑三维物体的悬空部位的伸缩式支撑杆，在本实施例中，支撑杆包括一级支撑杆4、二级支撑杆6及三级支撑杆7。

参见图4，支架3为二级式伸缩杆结构，在本实施例中选用二级伸缩式液压杆，包括缸体31、一级活塞杆32及二级活塞杆33，在缸体31上固设有用于将整个支架3固定在如图2所示的位移输出端26上的圆形安装盘30。

如图3及图4所示，在缸体31的外壁上固设有两圈用于安装一级支撑杆4的铰接耳座34、铰接耳座35；在一级活塞杆32的上端部固设有用于安装二级支撑杆6的安装耳座36；在二级活塞杆33的上端部固设有用于安装三级支撑杆7的安装耳座37。

参见图5，一级支撑杆4为三级液压式伸缩杆，包括缸体41、一级活塞杆43、二级活塞杆44、三级活塞杆45及固定在三级活塞杆45的顶部上的支撑端46，支撑端46为球面端结构，支撑端46的表面涂布有易于与打印材料相分离的表面层，比如采用现有三维打印机的打印平台表面涂层材料进行涂布，另外还在球面端内设置加热层，以便于支撑端46与打印出的三维物体相分离，缸体41安装有铰接耳座40及铰接耳座42。

如图1、图4、图5及图6所示，一级支撑杆4的下端通过用于控制其相对支架3的摆角的摆动驱动装置与缸体31固定连接，该摆动驱动装置包括将铰接耳座40铰接至铰接耳座34上的铰轴及伸缩连杆5。伸缩连杆5为一级液压式伸缩杆，其包括缸体51及活塞杆52，缸体51的底部设有用于与铰接耳座35铰接的铰接耳座40，活塞杆52的顶部固设有用于与铰接耳座42铰接的铰接耳座53，从而可通过伸缩连杆5的伸缩动作而拉推一级支撑杆4绕其下端上的铰轴摆动，以改变其与支架3之间的夹角，并与一级支撑杆46的伸缩长度配合而达到改变支撑端46支撑位置的目的。在使用过程中，通过检测伸缩连杆5的长度而对一级支撑杆4与支架3之间的摆角大小进行检测，并将检测输出给向控制单元以进行精确控制。

参见图7，二级支撑杆6为三级液压式伸缩杆，包括缸体61、一级活塞杆62、二级活塞杆63、三级活塞杆64及固定在三级活塞杆64顶部上的支撑端65，支撑端65为球面端结构。其缸体61的底部固设有安装耳座60，二级支撑杆6下端通过用于控制其相对支架3的摆角的摆动驱动装置与一级活塞杆32固定连接，该摆动驱动装置为一舵机，舵机的机壳通过安装耳座36而固定在支架3上，且其输出轴通过安装耳座60与缸体61固定连接，从而控制二级支撑杆6与支架3之间的摆角大小，并通过舵机上的角度测量传感器向控制单元输出角度检测信号，以对二者间的摆角进行检测监控。

参见图8，三级支撑杆7为二级液压式伸缩杆，包括缸体71、一级活塞杆72、二级活塞杆73及固定在二级活塞杆73顶部上的支撑端74，支撑端74为球面端结构。其缸体71的底部固设有安装耳座70，三级支撑杆7下端通过用于控制其相对支架3的摆角的摆动驱动装置与二级活塞杆33固定连接，该摆动驱动装置为一舵机，舵机的机壳通过安装耳座37而固定在支架3上，且其输出轴通过安装耳座70与缸体71固定连接，从而控制三级支撑杆7与支架3之间的摆角大小，并通过舵机上的角度测量传感器向控制单元输出角度检测信号，以对二者间的摆角进行检测监控。

参见图1至图8，多根同级支撑杆通过摆动驱动装置而环绕支架3的周向布置一圈，且绕其周向均匀布置；在本发明中的“均匀布置”被配置为在每根支撑杆的摆角相等的前提下，相邻两根支撑杆之间的夹角相等；在本实施例中，多根一级支撑杆4、多根二级支撑杆6及多根三级支撑杆7分别构成三圈环绕支架3周向布置的支撑杆，且不同圈上的支撑杆在支架3的高度方向上相间隔布置，从而可通过控制支架3活塞杆的伸出长度而调整支撑杆在支架3高度方向上的位置。此外，还可通过设置周向转动驱动装置，以用于驱动同一圈上的支撑杆绕支架3的周向转动以改变其支撑点位置，比如，同一圈支撑杆通过可转动地套设在活塞杆顶部或缸体外的套筒而固定在支架3上，并通过电机或其他致动器驱动套筒绕活塞杆或缸体转动而实现支撑点位置变化，比如转至上下两圈的支撑杆相互加错布置，即在支撑杆固定端在水平面上的投影中心不重叠，以减少支撑时的相互干涉。

控制单元包括处理器与存储器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时能实现如图9所示的获取步骤S1、支撑路径规划步骤S2及支撑步骤S3，以对打印过程中的三维物体的悬空部位进行支撑。

获取步骤S1，获取三维物体的数字模型，可为STL等格式。

支撑路径规划步骤S2，根据打印材料在当前打印工况下的临界打印长度，规划出数字模型的悬空部位上的支撑点集。

如图10所示，以支架3的垂向中心线03为圆心轴线，由内向外地根据临界打印长度规划出的待支撑位置及从备选支撑点集中选定支撑点位置；其中，备选支撑点集由未安排支撑的支撑杆的可能支撑点构成。

在本实施例中，随每根支撑杆绕铰轴或舵机输出轴的中心轴线摆动及配合其长度方向上的伸缩，其支撑端的可能支撑点将构成一垂直面域，即备选支撑点集，该垂直面域大小受限于该支撑杆与周围支撑杆的位置布置。当在确定每根支撑杆的具体支撑位置时，先根据临界打印长度规划出的待支撑位置；接着，从要用于支撑该位置的支撑杆的备用选支撑点集中选出与该待支撑位置的交点作为支撑位置，若有多个交点，则以支撑距离最长的点作为支撑位置点。

支撑步骤S3，如图10所示，在打印三维物体01的过程中，控制可调式外部支撑装置1的一级支撑杆4、二级支撑杆6及三级支撑杆7伸至对应支撑点以对三维物体01的悬空部位02进行支撑。

Claims (10)

1.一种3D打印用的可调式外部支撑装置，其特征在于，包括控制单元及受所述控制单元控制的升降横移单元与支撑单元；

所述支撑单元安装在所述升降横移单元的位移输出端上，所述支撑单元包括支架及用于伸至待支撑位置以支撑三维物体的悬空部位的伸缩式支撑杆，所述支撑杆的下端通过用于控制其相对所述支架的摆角的摆动驱动装置与所述支架固定连接。

2.根据权利要求1所述的可调式外部支撑装置，其特征在于：

所述摆动驱动装置包括用于将所述支撑杆的下端铰接至所述支架上的铰轴及用于拉推所述支撑杆绕所述铰轴摆动的伸缩连杆；

所述伸缩连杆的一端与所述支撑杆铰接，另一端与所述支架铰接。

3.根据权利要求1所述的可调式外部支撑装置，其特征在于：

所述摆动驱动装置包括舵机，所述舵机的机壳与所述支架固定连接，所述支撑杆的下端与所述舵机的输出轴固定连接。

4.根据权利要求1所述的可调式外部支撑装置，其特征在于：

所述支架在其高度方向上至少安装有两圈以上环绕其周向布置的所述支撑杆，每圈至少包括两根以上的所述支撑杆。

5.根据权利要求4所述的可调式外部支撑装置，其特征在于：

所述支架为两级以上的伸缩杆结构，每级伸缩杆上至少安装有一圈所述支撑杆。

6.根据权利要求5所述的可调式外部支撑装置，其特征在于：

安装在一级伸缩杆上的摆动驱动装置包括将所述支撑杆的下端铰接至所述支架上的铰轴及用于拉推所述支撑杆绕所述铰轴摆动的伸缩连杆，所述伸缩连杆的一端与所述支撑杆铰接，另一端与一级伸缩杆铰接；

安装在二级以上的伸缩杆上的摆动驱动装置包括舵机，所述舵机的机壳与所述支架固定连接，所述支撑杆的下端与所述舵机的输出轴固定连接。

7.根据权利要求4所述的可调式外部支撑装置，其特征在于：

所述支架包括用于驱动至少一圈所述支撑杆绕所述支架的周向转动以改变其支撑点位置的周向转动驱动装置及用于调整至少一圈所述支撑杆在所述高度方向上的位置的高度调整装置。

8.根据权利要求1至7任一项权利要求所述的可调式外部支撑装置，其特征在于：

所述升降横移单元为驱动所述支撑单元在三维空间内做三维运动的三维驱动单元；相邻的两圈所述支撑杆在所述支架的周向上的位置为相互交错布置，每圈所述支撑杆环绕所述支架的周向均匀布置，所述支撑杆为二级以上的伸缩式液压杆；所述支架为二级以上的伸缩式液压杆，伸缩式液压杆上设有用于安装所述支撑杆的耳座；所述摆动驱动装置还包括用于向所述控制单元输出摆角检测信号的摆角检测传感器；所述支撑杆的支撑端为球面端，所述球面端涂布有与打印材料分离的表面层，所述球面端内置有加热层。

9.根据权利要求1至8任一项权利要求所述的可调式外部支撑装置，其特征在于，所述控制单元包括处理器及存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时能实现以下步骤：

获取步骤，获取所述三维物体的数字模型；

支撑路径规划步骤，根据打印材料在当前打印工况下的临界打印长度，规划出所述数字模型的悬空部位上的支撑点集；

支撑步骤，在打印所述三维物体的过程中，控制伸缩杆伸至对应支撑点对所述三维物体的悬空部位进行支撑。

10.根据权利要求9所述的可调式外部支撑装置，其特征在于，所述规划出所述数字模型的悬空部位上的支撑点集的步骤包括：

以所述支架的垂向中心线为圆心轴线，由内向外地根据所述临界打印长度规划出的待支撑位置及从备选支撑点集中选定支撑点位置；所述备选支撑点集由未安排支撑的支撑杆的可能支撑点构成。