CN107571491B - 挤出式螺旋编织结构3d打印方法、打印制品及打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，包括：预先设置一包括料筒、挤出头和驱动装置的挤出式3D螺旋编织结构打印装置，设置所述挤出头可转动地连接于所述料筒；设置所述料筒包含二个以上的输料通道；所述驱动装置可驱动挤出头相对料筒转动；当进行3D打印时，向料筒的各个输料通道中输送不同的材料，并控制挤出头旋转，调节不同材料的输料比例、挤出头的旋转速度和旋转方向三个参数中的一个或二个以上，打印出不同的3D螺旋编织结构制品。本方法打印的制品力学性能相比普通3D打印大大提高，能满足高性能仿生结构材料领域的使用要求，并且本发明的打印方法调节灵活，可根据用户需求设计出丰富的螺旋纹理外观效果。

Description

挤出式螺旋编织结构3D打印方法、打印制品及打印装置

技术领域

本发明涉及3D打印领域，尤其涉及挤出式螺旋编织结构3D打印方法、打印制品及打印装置。

背景技术

3D打印，又被称之为增材制造技术，是一种自下而上的逐层制造工艺，其最大的特征是能够制造具有复杂形状的部件。随着多材料3D打印技术的发展和成熟，应用多种材料不再仅限于复杂形状的制造，还能够通过多种材料的组合实现精细结构的制造。

现阶段，在多材料3D打印领域中，基于挤出式的3D打印是最为广泛应用的。基于挤出式的多材料3D打印，可分为两类，一种是多通道多挤出头式，另一种是多通道单挤出头式。其中，多通道多挤出头式是指不同的材料分别通过不同的材料输送通道输送到各自的挤出头上分别挤出，可以实现不同材料的组合打印。而多通道单挤出头式是指不同的材料分别通过不同的材料输送通道输送到同一个挤出头上，可以通过改变不同材料的输送比例实现材料的复合打印（包括梯度打印）。

根据对多种材料混合与否，多通道单挤出头式又可以分为混合式和非混合式。混合式是指通过静态混合（材料通过固定在挤出头内部的螺旋通道进行混合）或者动态混合（搅拌）实现不同材料的混合。非混合式是指保持不同材料进入挤出头时的状态，不对材料进行混合，不同材料之间会存在材料过渡界面。

无论是否对材料进行混合，从挤出头中挤出的线材截面是恒定不变的，也就是说在3D打印过程中最微小的构成单元(对于挤出式打印来说是线条)是不变的。然而这种线条结构的3D打印产品在高性能的仿生结构材料（如肌纤维、骨元及植物纤维素等领域）中，由于强度不足，应用受到限制。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种挤出式螺旋编织结构3D打印方法、打印制品及打印装置，旨在解决现有的挤出设备挤出的线材截面恒定不变、强度不足的问题。

本发明的技术方案如下：

一种挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，包括：

预先设置一包括料筒、挤出头和驱动装置的挤出式3D螺旋编织结构打印装置，设置所述挤出头可转动地连接于所述料筒；设置所述料筒包含二个以上的输料通道；所述驱动装置可驱动挤出头相对料筒转动；

当进行3D打印时，向料筒的各个输料通道中输送不同的材料，并控制挤出头旋转，调节不同材料的输料比例、挤出头的旋转速度和旋转方向三个参数中的一个或二个以上，打印出不同的3D螺旋编织结构制品。

所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其中，调节不同材料的输料比例按等体积比例或不等体积比例输入，打印出各种材料体积比相等或不等的3D螺旋编织结构制品。

所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其中，在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转速度，在一个作业程序中以不同的速度打印，打印出螺距变化的3D螺旋编织结构制品。

所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其中，在一个作业程序中周期性调节或者非周期性调节挤出头的旋转方向，打印出螺旋方向变化的3D螺旋编织结构制品。

所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其中，调节不同材料的输料比例按等体积比例或不等体积比例输入，并且在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转速度，在一个作业程序中以不同的速度打印，打印出各种材料体积比相等或不等、螺距变化的3D螺旋编织结构制品。

所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其中，调节不同材料的输料比例按等体积比例或不等体积比例输入，并且在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转速度，在一个作业程序中以不同的速度打印且周期性调节或者非周期性调节挤出头的旋转方向，打印出材料体积比相等或不等、螺距变化、螺旋方向变化的3D螺旋编织结构制品。

所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其中，调节不同材料的输料比例按等体积比例或不等体积比例输入，且在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转方向，打印出各种材料体积比相等或不等、螺旋方向变化的3D螺旋编织结构制品。

所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其中，在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转速度，在一个作业程序中以不同的速度打印且周期性调节或者非周期性调节挤出头的旋转方向，打印出螺距变化、螺旋方向变化的3D螺旋编织结构制品。

一种3D螺旋编织结构制品，采用如上任一项所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法打印。

一种挤出式3D螺旋编织结构打印装置，包括打印平台以及通过连接件连接的料筒、挤出头和驱动装置；

所述挤出头可转动地连接于所述料筒；

所述料筒包含二个以上的输料通道；

所述驱动装置用于驱动挤出头相对料筒转动。

有益效果：本发明提供了一种如上所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，通过调节不同材料的输料比例、挤出头的旋转速度和旋转方向三个参数中的一个或二个以上，能够打印出不同的3D螺旋编织结构制品，本方法打印的制品力学性能相比普通3D打印大大提高，能满足高性能仿生结构材料领域的使用要求，并且本发明的打印方法调节灵活，可根据用户需求设计出丰富的螺旋纹理外观效果。

附图说明

图1为本发明的挤出式螺旋编织结构3D打印装置的一个较佳实施例结构图；

图2为传统的3D打印设备打印的非螺旋线条结构的制品效果图；

图3为本发明实施例1采用等输料比例、恒定的挤出头旋转速度和旋转方向打印的螺旋编织结构制品平面效果图；

图4为本发明实施例1采用等输料比例、恒定的挤出头旋转速度和旋转方向打印的3D螺旋编织结构制品效果图；

图5为本发明实施例2采用恒定的挤出头旋转速度和旋转方向，不等的输料比例打印的螺旋编织结构制品平面效果图；

图6为本发明实施例2采用恒定的挤出头旋转速度和旋转方向，不等的输料比例打印的3D螺旋编织结构制品效果图；

图7为本发明实施例3采用恒定的挤出头旋转方向、同等输料比例，不同的挤出头旋转速度打印的螺旋编织结构制品平面效果图；

图8为本发明实施例3采用恒定的挤出头旋转方向、同等输料比例，不同的挤出头旋转速度打印的3D螺旋编织结构制品效果图；

图9为本发明实施例4采用恒定的挤出头旋转速度、同等输料比例，周期性改变旋转方向打印的螺旋编织结构制品平面效果图；

图10为本发明实施例4采用恒定的挤出头旋转速度、同等输料比例，周期性改变旋转方向打印的3D螺旋编织结构制品效果图；

图11为本发明实施例5采用等输料比例、恒定的挤出头旋转速度和旋转方向打印三种材料的螺旋编织结构制品平面效果图；

图12为本发明实施例5采用等输料比例、恒定的挤出头旋转速度和旋转方向打印三种材料的3D螺旋编织结构制品效果图。

具体实施方式

本发明提供了一种挤出式螺旋编织结构3D打印方法、打印制品及打印装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种挤出式螺旋编织结构3D打印方法的较佳实施例，如图1所示，包括：预先设置一包括料筒1、挤出头3和驱动装置5的挤出式3D螺旋编织结构打印装置，设置所述挤出头可转动地连接于所述料筒；设置所述料筒包含二个以上的输料通道11；所述驱动装置可驱动挤出头相对料筒转动；

当进行3D打印时，向料筒的各个输料通道中输送不同的材料，并控制挤出头旋转，调节不同材料的输料比例、挤出头的旋转速度和旋转方向三个参数中的一个或二个以上，打印出不同的3D螺旋编织结构制品。

本发明的改进之一在于，向料筒的各个输料通道中输送不同的材料，通过挤出头内壁的旋转摩擦作用，使得各材料在轴心位置上角度发生了变化，挤出的线条沉积在打印平台之上会形成螺旋编织结构，如图3所示，通过逐层堆叠进一步形成3D螺旋编织结构。而传统的挤出机只能打印出非螺旋线条结构，如图2所示。本发明可根据设置输料通道数量的不同，形成双螺旋、三螺旋、四螺旋等具有螺旋表面纹理的3D打印制品。本制品的力学性能相比普通3D打印大大提高，能满足高性能仿生结构材料领域的使用要求，并且本发明还可以通过调节不同材料的输料比例、挤出头的旋转速度和旋转方向三个参数中的一个或二个以上，打印出不同的3D螺旋编织结构制品，调节方法简单灵活，可达到对螺旋纹理外观效果的精确设计。

进一步地，本发明的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，通过调节不同材料的输料比例按等体积比例或不等体积比例输入，打印出各种材料体积比相等或不等的3D螺旋编织结构制品。以两种材料为例，比如按照1:1输入可打印出体积比相等的3D螺旋编织结构制品，按照1:2或1:3输入，可打印出体积比不等的3D螺旋编织结构制品。

进一步地，本发明的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转速度，并在一个作业程序中以不同的速度打印，打印出螺距变化的3D螺旋编织结构制品。具体地，保持恒定的挤出头旋转方向（比如顺时针或者逆时针旋转）、同等输料比例，调节挤出头的旋转速度，例如旋转速度从300rpm连续地递减到50rpm，打印得到两种材料体积比相等、螺距变化的3D螺旋编织结构制品。当然，旋转速度的调节不仅限于此，还可以其它方式设定，比如以150rpm的速度旋转2转，以100rpm的速度旋转2转（或不同转数如3转，5转等等），以此为一个周期进行重复，能够得到螺距不等但是呈周期性变化的制品。上述旋转速度的调节通过计算机控制来实现。

进一步地，本发明的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，在一个作业程序中周期性调节或者非周期性调节挤出头的旋转方向，打印出螺旋方向变化的3D螺旋编织结构制品。例如顺时针打印3s，逆时针打印3s或者顺时针打印10转，逆时针打印10转等等对旋转方向进行周期性设置。还可以按照顺时针打印2s，逆时针打印5s，顺时针打印8s，逆时针打印11s，时间逐渐递增的对旋转方向进行非周期性设置，也可以按照打印转数逐渐递增的设置方式来替代。

以上对改变单个参数的实施方式进行了说明，本发明还可以同时改变输料比例、挤出头的旋转速度和旋转方向中的两个参数，或同时改变三个参数，即将上述的调整方法进行组合，打印出效果不同的3D螺旋编织结构制品。

比如，调节不同材料的输料比例按等体积比例或不等体积比例输入，并且在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转速度，在一个作业程序中以不同的速度打印，打印出各种材料体积比相等或不等、螺距变化的3D螺旋编织结构制品。

比如，调节不同材料的输料比例按等体积比例或不等体积比例输入，并且在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转速度，在一个作业程序中以不同的速度打印且周期性调节或者非周期性调节挤出头的旋转方向，打印出材料体积比相等或不等、螺距变化、螺旋方向变化的3D螺旋编织结构制品。

比如，调节不同材料的输料比例按等体积比例或不等体积比例输入，且在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转方向，打印出各种材料体积比相等或不等、螺旋方向变化的3D螺旋编织结构制品。

比如，在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转速度，在一个作业程序中以不同的速度打印且周期性调节或者非周期性调节挤出头的旋转方向，打印出螺距变化、螺旋方向变化的3D螺旋编织结构制品。

本发明还提供了一种采用上述打印方法打印的3D螺旋编织结构制品，本制品不仅具有螺旋纹理外观效果，而且螺旋编织结构力学性能更优于传统的线条结构。

本发明还提供了一种挤出式3D螺旋编织结构打印装置的较佳实施例，如图1所示，包括打印平台4以及通过连接件2连接的料筒1、挤出头3和驱动装置5；所述挤出头可转动地连接于所述料筒；所述料筒包含二个以上的输料通道11，用于输送不同材料；所述驱动装置用于驱动挤出头相对料筒转动。

本打印装置设置有可旋转的挤出头，并配有含有二个以上输料通道的料筒，二种以上的材料在经过可旋转的挤出头时，根据设置输料通道数量的不同，可打印出双螺旋、三螺旋、四螺旋等具有螺旋表面纹理的3D打印制品。

进一步地，所述料筒与所述挤出头之间还可设置一密封垫片6，增加连接处的密封性。所述驱动装置的一种设置结构：包括电机51、第一齿轮52和第二齿轮53。电机与料筒之间通过连接件2连接，挤出头的旋转由电机的旋转通过第一齿轮和第二齿轮的传动带动。

下面通过实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

两种材料以同等输料比例（1:1）、恒定的挤出头旋转速度（100rpm）和旋转方向（以此旋转方向确定为顺时针）打印，得到等体积比、等螺距的3D螺旋编织结构制品，如图3、图4所示。

实施例2

保持恒定的挤出头旋转速度（100rpm）和顺时针旋转方向，调节两种材料的输料比例（材料1：材料2=3:1），打印得到两种材料体积比不等、螺距相等的3D螺旋编织结构制品，如图5、图6所示。

实施例3

挤出头保持顺时针的旋转方向，以同等输料比例（1:1），调节挤出头的旋转速度从150rpm连续地递减到50rpm，打印得到两种材料体积比相等、螺距变化的3D螺旋编织结构制品，如图7、图8所示。上述旋转速度的调节通过计算机控制来实现。

实施例4

保持恒定的挤出头旋转速度（100rpm）、同等输料比例（1:1），挤出头顺时针旋转打印5转然后改为逆时针打印5转，打印出螺旋方向变化的制品，平面效果图如图9所述，依图9所示的结构为重复单元完成单条打印，可打印出螺旋方向呈周期性变化的制品。在进行3D堆叠打印时，相邻两条对应位置的旋转方向可以设置为相反，得到不同视觉效果的3D螺旋编织结构制品，如图10所述。

实施例5

当料筒的输料通道设置为三种时，三种材料以同等输料比例（1:1:1）、恒定的挤出头旋转速度（120rpm）和旋转方向（顺时针）打印，得到等体积比、等螺距的三螺旋的3D螺旋编织结构制品，如图11、图12所示。

依此类推，本发明还可以打印四种不同的材料。

还可以同时改变输料比例、挤出头的旋转速度和旋转方向中的两个参数，或同时改变三个参数，即将上述实施例的调整方法进行组合。本发明通过对三个参数的调整，可以达到对螺旋纹理外观效果的精确设计，以上不再一一举例说明。

综上所述，本发明提供了一种挤出式螺旋编织结构3D打印方法、打印制品及打印装置，本发明可根据设置输料通道数量的不同，形成双螺旋、三螺旋、四螺旋等具有螺旋表面纹理的3D打印制品。本制品的力学性能相比普通3D打印大大提高，能满足高性能仿生结构材料领域的使用要求，并且本发明还可以通过调节不同材料的输料比例、挤出头的旋转速度和旋转方向三个参数中的一个或二个以上，打印出不同的3D螺旋编织结构制品，调节方法简单灵活，可达到对螺旋纹理外观效果的精确设计。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其特征在于，包括：

预先设置一包括料筒、挤出头和驱动装置的挤出式3D螺旋编织结构打印装置，设置所述挤出头可转动地连接于所述料筒；设置所述料筒包含二个以上的输料通道；所述驱动装置可驱动挤出头相对料筒转动；

当进行3D打印时，向料筒的各个输料通道中输送不同的材料，并控制挤出头旋转，调节不同材料的输料比例、挤出头的旋转速度和旋转方向三个参数中的一个或二个以上，打印出不同的3D螺旋编织结构制品；

所述的3D打印方法的原理是基于：通过挤出头内壁的旋转摩擦作用，使得各材料在轴心位置上角度发生了变化，挤出的线条沉积在打印平台之上会形成螺旋编织结构。

2.根据权利要求1所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其特征在于，调节不同材料的输料比例按等体积比例或不等体积比例输入，打印出各种材料体积比相等或不等的3D螺旋编织结构制品。

3.根据权利要求1所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其特征在于，在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转速度，在一个作业程序中以不同的速度打印，打印出螺距变化的3D螺旋编织结构制品。

4.根据权利要求1所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其特征在于，在一个作业程序中周期性调节或者非周期性调节挤出头的旋转方向，打印出螺旋方向变化的3D螺旋编织结构制品。

5.根据权利要求2所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其特征在于，在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转速度，在一个作业程序中以不同的速度打印，打印出各种材料体积比相等或不等、螺距变化的3D螺旋编织结构制品。

6.根据权利要求5所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其特征在于，在一个作业程序中周期性调节或者非周期性调节挤出头的旋转方向，打印出材料体积比相等或不等、螺距变化、螺旋方向变化的3D螺旋编织结构制品。

7.根据权利要求2所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其特征在于，在大于0小于500rpm的转速范围内调节挤出头的旋转方向，打印出各种材料体积比相等或不等、螺旋方向变化的3D螺旋编织结构制品。

8.根据权利要求3所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法，其特征在于，在一个作业程序中周期性调节或者非周期性调节挤出头的旋转方向，打印出螺距变化、螺旋方向变化的3D螺旋编织结构制品。

9.一种3D螺旋编织结构制品，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的挤出式螺旋编织结构的3D打印方法打印。

10.一种挤出式3D螺旋编织结构打印装置，其特征在于，包括打印平台以及通过连接件连接的料筒、挤出头和驱动装置；

所述挤出头可转动地连接于所述料筒；

所述料筒包含二个以上的输料通道；

所述驱动装置用于驱动挤出头相对料筒转动。